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【科學簡史】用器官拼圖的人–雖死猶生的器官移植(3)

miss9_96
・2015/11/06 ・4830字 ・閱讀時間約 10 分鐘 ・SR值 543 ・八年級

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手術台上的孩童冒出大量的鮮血,史達策醫師氣急敗壞的將雙手伸入湧泉般的腹腔,孩子身體的顏色,越來越接近屍體特有的青色,史達策醫師扭曲著臉,整個手術房都籠罩著痛苦和無力感……

無數生命鋪成的醫學之路

1983年的匹茲堡,史達策醫師正指導著一位來自台灣的年輕醫生,當時新一代的抗排斥藥-環孢靈((Cyclosporin)才剛問世不久,優秀的療效讓器官移植脫離了黑暗年代,對於那些曾用狗肝臟作實驗的前輩們,這種進步是無比巨大的。十個月後,那名年輕人帶著史達策醫師傳授給他的移植知識,回到台灣,繼續寫著器官移植的下一章。

1960年,34歲的史達策醫師正驅車前往參加美國外科年會,他這趟旅行的目的是波士頓摩爾團隊的狗肝移植結果。六年前,那個奇蹟似的聖誕節,在全球掀起腎臟移植的浪潮,令人不禁認為,征服下一個器官的時代很快就會來臨,但史達策心中所屬的那個器官-肝臟,仍頑固地張起神聖不可侵犯的AT力場,血腥地拒絕著任何想突破它的人。年輕的史達策獨立實驗了80隻狗進行器官移植,但術後的存活時間都短於四週,享譽盛名的波士頓團隊成績會不會更好呢?他懷著複雜的心情想著……

因為血統純正、體型合適、容易訓練等原因,現代醫學實驗用狗的品系都是米格魯。from: wikimedia
因為血統純正、體型合適、容易訓練等原因,現代醫學實驗用狗的品系都是米格魯。from: wikimedia

肝臟是個極具魅力色彩的器官,一般的組織都是由動脈供給血液,再由靜脈流出,肝臟並非如此。流進肝臟的血管有兩條,一條是來自小腸,充滿食物養份胰島素等物質的肝門靜脈(hepatic portal vein)系統,另一條則來自心臟的肝動脈(hepatic artery)系統。肝動脈的目的很明確,是為了供給氧氣和養分,那麼肝門靜脈的目的呢?是要讓肝臟分解毒素?還是…?這個未解的謎深深地吸引了史達策,他的團隊設計了極為簡潔、漂亮的實驗,先將肝臟分為兩半,一側由肝門靜脈供給血液,另一側肝臟則接上後腿的靜脈。

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實驗出現令人驚訝的結果,缺少肝門靜脈的那側肝臟,有如失去了養分,數天內就快速萎縮,而擁有肝門靜脈血流的另一側,則健康如昔,這個有趣的結果顯示了從腸道而來的血液中,似乎有種神秘的物質,能夠維持肝臟的健康。過了十來年(1972年)後,史達策等人才確定這個神祕的物質,就是胰島素!這種內分泌和消化系統結合的奇特現象,從此寫進了教科書中,也被稱為利肝現象(Hepatotropic concept)。這個犧牲無數的狗所獲得的知識,也讓醫界更了解肝臟的循環系統,讓史達策等人慢慢地步向成功之路。

一座在俄羅斯紀念實驗動物的雕像,雕像是一隻實驗室的老鼠正在編織DNA。from: wikimedia
一座在俄羅斯紀念實驗動物的雕像,雕像是一隻實驗室的老鼠正在編織DNA。from: wikimedia

孤獨的研究之路

史達策的成績讓莫爾和休姆感到好奇,因為儘管波士頓團隊有著豐富的腎臟移植經驗,但他們的動物肝臟移植結果卻是慘淡無光,最長壽的狗甚至活不過兩週。但這次的見面最重要的意義是,讓史達策從休姆等人身上,得到了利用X光和6-mp藥物破壞免疫系統的知識,他更和休姆成了一輩子的摯友,直到休姆在1974年自駕飛機失事為止。

史達策和休姆等人分別後,獨自地走向了一條漫長的失敗之路。他認為先找出安全的抗免疫排斥藥品,才能讓器官移植之路從腎臟轉向肝臟。他嘗試使用新的藥物-azathioprine(商品名:移護寧/Imuran)來壓制免疫系統,在歷經無數的狗犧牲之後,總算有了零星數例存活下來的腎臟移植病人,但史達策醫師仍不滿意,腎臟移植的死亡率仍然太高,未盡理想(70年代,北美腎臟移植的1年存活率低於50%)。但,無情的時代並不會等著醫學迎頭趕上,人生的巨輪將面無表情地輾過每一個人,而這一路上也將滿是鮮血……

小孩的屍體

總是會有幾名,帶著缺陷來到世上的嬰兒。

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天生的缺陷若是能夠補救,那缺陷不過就是人生中一個小小的插曲罷了。一旦缺陷嚴重到讓嬰兒又立即回到天堂,緣淺情薄的結果雖然悲傷,但尚未完整的情感依賴也許讓家屬比較能接受惡耗。話雖如此,醫院裡總是有一些令人悲慟的故事……

對我們來說,膽道閉鎖症異常的陌生,但這病猶如惡魔一般,堵塞了膽管,讓膽汁淤積在肝臟之中,一點、一滴的毒害肝臟,等到孩子兩、三歲,牙牙學語地開始建立起自己的性格時,衰弱的肝臟才慢慢地將代表死亡的黃色染上孩童的皮膚、眼睛,最後在孩子的肚子裡注滿腹水,痛苦的在醫院裡等死,直至最後一刻,死神才將小孩拖往冥河的彼端,只留下以淚洗面的父母。

因為肝臟病變而引發的症狀-黃疸,病人的膚色會轉黃,眼白也會變成黃色。from: wikimedia
因為肝臟病變而引發的症狀-黃疸,病人的膚色會轉黃,眼白也會變成黃色。from: wikimedia

科羅拉多州大學醫院的小兒科主任肯布(C. Herry Kempe)全力支持史達策的肝臟移植,畢竟在當時,膽道閉鎖症幾乎等於絕症,與其等死,不如放手一搏。1963年,一名瀕死的孩童躺在手術台上,外科團隊切開肌肉,親眼看到那傷痕累累的肝臟,佈滿著被自己分泌出來的膽汁毒害的痕跡,硬化的肝讓週邊血管的血壓遽增,一個小小的傷口就會血流不止。更糟的是,奄奄一息的肝臟早已無法製造凝血蛋白,手術台上的孩子湧出大量的鮮血,史達策醫師氣急敗壞的將雙手伸入湧泉般的腹腔,他手中的孩童,正逐漸地變成屍體,時代的巨輪,碾碎了當時在現場的每一個人……

暫停和改變

在看了太多的屍體之後,史達策醫師暫停肝臟移植的計畫,這段期間除了讓團隊重新拾回心靈的碎片外,世界也正逐漸地在改變。天主教教宗庇護十二世(Pius ⅩⅡ)在長眠之前發表了他的主張,他認為人的靈魂存於腦中,所以腦死之後,尚在軀體中的器官也就不存在靈魂了,此觀念漸漸地為天主教世界所接受,也不經意地給了器官捐贈一股很大的動力。(天主教為主的國家,其國民較能接受死後捐贈器官的觀念,反之亞洲國家的民眾接受死後捐贈器官的意願極低。)

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生物科技的進步讓史達策得到了一種新藥-抗淋巴球抗體(anti-lymphocyte globulin, ALG),這種抗體能夠精準的攻擊人體內的淋巴球,削弱免疫系統。而史達策更改進了雞尾酒療法,在1966年發展出抗淋巴球抗體+類固醇+移護寧的療法,新療程成功地提高了腎臟移植的存活率,甚至有接受當時雞尾酒療法臨床試驗的病人,存活超過1/4個世紀,足以見證器官移植界的進步。有了新的技術之後,史達策和肯布主任重新討論,選了瀕死的4名孩童在1967年的夏天進行換肝實驗,手術的結果將在隔年的春天發表,即將為肝臟移植帶來春暖花開的消息……

穿白衣者為教宗庇護十二世。他的主張本意是為了讓病人有尊嚴的死亡,但後來的影響擴大,加速了天主教國家接受腦死的概念,也使得今日,許多信仰天主教的國民都非常樂意捐贈器官來幫助他人。from: wikimedia
穿白衣者為教宗庇護十二世。他的主張本意是為了讓病人有尊嚴的死亡,但後來的影響擴大,加速了天主教國家接受腦死的概念,也使得今日,許多信仰天主教的國民都非常樂意捐贈器官來幫助他人。from: wikimedia

1967年7月

「在過去全球的報告中,僅有9例肝臟移植的臨床實驗,患者都在0到23天內死亡。我們在1967年的7月執行了四例嬰兒換肝手術,到截稿為止,首名女嬰已經存活了超過3個月…」

非第一人稱的敘述是醫學論文的潛規則,刻意冷漠的用詞是為了避免影響讀者對論文的看法,但這毫不影響論文的重要性。在過去,腎臟是唯一能夠被移植的器官,但從此篇論文開始,史達策開闢了全新的醫學領域,肝衰竭不再是必死無疑的疾病,雞尾酒療法給了那些早衰的小生命更多活下去的機會 [註2],更讓逐漸冷卻的移植界重新掀起一股更大的浪潮……

醫學是門生意、或是種奉獻?

社會學科和理工學科相較,更像是門藝術,一門和民眾、商人和政府溝通的藝術。

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1968年,哈佛醫學院公布腦死判定準則,腦死的判定標準擴散到全球各地,解決了檯面上的糾紛,但現實中有限的腎臟來源,闢出了道德和恐懼的戰場。我們以台灣的腎臟移植現況為例:

截至2015/10/17,全台等候腎臟移植的患者數:6341人
腎臟 大愛捐贈例數 活體捐贈例數 全年總計
2014 210 118 328人
2013 197 126 323人

從數字上可以看出,腎臟供不應求,等待移植需求者眾,遠遠地多於捐贈的數量,兩者之間的矛盾糾結著病人和家屬、醫院和醫師。而當金錢加入了這個戰場,就讓一切變得更加的複雜 [註3]。1973年,美國開始用國家的稅金補助腎衰竭患者,一夜之間,洗腎和腎臟移植成了一門賺錢的生意,金錢加劇了洗腎派和移植派的對立。各種矛盾燒向醫界,史達策醫師儘管身為移植界的先驅,卻也百般的無能為力 [註4]…..

抗排斥藥物的聖杯?-環孢靈

美國政府開始挹注腎衰竭患者的醫療費用時,腎臟移植的失敗率其實仍居高不下,根本的原因就是免疫排斥和各種感染的問題。科學家們絞盡腦汁地研究、爭論各種抗排斥療法,甚至連數十年前的X光破壞,也尚在討論名單之列,但在1970年代末期,環孢靈的出現,讓當時所有的研究都成了過去的歷史……

環孢靈是從真菌中萃取而出的藥物,它和過去的前輩們比較起來,對免疫系統的抑制效果更具專一性。環孢靈只阻斷輔助型T細胞(Help-T cell)的功能,但不影響骨髓的造血系統,也不妨礙大部分的B細胞分泌抗體對抗微生物的入侵,換句話說,環孢靈能夠讓免疫系統保有對抗微生物的基本防禦力,但也能遮住它的眼睛,讓免疫系統忽視身體裡有個來自外人的器官!

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史達策的團隊自然沒有忽視這座夢寐以求的聖杯,在1979年的冬天用環孢靈+類固醇的雞尾酒療法測試了22例腎臟移植,而1980年的夏天發表了臨床試驗的結果,22名病人只有一名死亡(死於心臟病,推測和器官移植無關),平息了對環孢靈的紛爭,更促使了藥品的上市,數十年來科學家們夢想中的聖杯,終於就此問世了 [註5] !同年,史達策因私人因素離開科羅拉多州大學醫院,隨即在1981年,就任於匹茲堡大學醫院,兩年之後,遇到了一名來自台灣,名叫陳肇隆的年輕人……

下一章:那台灣呢?

匹茲堡大學內一棟以史達策為名的生醫研究大樓。from: wikimedia
匹茲堡大學內一棟以史達策為名的生醫研究大樓。from: wikimedia

【科學簡史】雖死猶生的器官移植系列:

  • 註1:為求書寫流利和情節起伏,本文所出現的對話皆為模擬情境,請讀者見諒
  • 註2:1967年的這些嬰兒,最終仍沒有活到成年,但她們多半都罹患了肝癌、膽管堵塞症等無法可救的絕症,當時史達策團隊確實給了家屬一絲的希望
  • 註3:全球各國都認定買賣人體器官是有違道德的行為,我國於今年修改法律,明訂買賣器官是非法行為。但為了拯救人命和打擊器官黑市,全球有兩個國家採用了不同的作法,它們透過第三方組織,讓自願捐腎給非親屬的國民獲得金錢補助,它們分別是中東的伊朗,和亞洲的新加坡。伊朗的政策非常的成功,它是全球唯一沒有因病而需要等待器捐的腎衰竭患者的國家。
  • 註4:除了金錢上的糾紛,器官移植領域也有病人福祉和論文發表的糾紛,甚至連前美國總統雷根在任時,也對器官移植作出了許多的行動。有興趣的讀者請參閱「拼圖人:一個器官移植外科醫師的回憶錄」
  • 註5:環孢靈有明顯的腎毒性,因此單獨使用的臨床試驗結果非常糟糕,一度甚至面臨到被打入冷宮的地步,經史達策醫師設計了環孢靈+類固醇的療程後,才延續了環孢靈的研究。而後來科學家持續的研究,陸續有其他領域的抗排斥用藥被發明,但環孢靈仍在器官移植史上占有特殊且重要的地位。
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miss9_96
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蔣維倫。很喜歡貓貓。曾意外地收集到台、清、交三間學校的畢業證書。泛科學作家、科學月刊作家、故事作家、udn鳴人堂作家、前國衛院衛生福利政策研究學者。 商業邀稿:miss9ch@gmail.com 文章作品:http://pansci.asia/archives/author/miss9

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ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

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工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

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為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

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可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

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2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

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軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

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器官移植新技術───37度保存三天的肝臟
Charlotte 熊_96
・2022/06/24 ・2699字 ・閱讀時間約 5 分鐘

哪些人會需要換肝呢?

需要換肝的族群年齡分佈大致上呈兩大族群,一邊是剛出生帶有先天疾病的小朋友,一邊是後天罹病的成年人[1]。譬如說小兒科會見到的膽道閉鎖,這些小朋友天生膽道就發育不良,膽汁無法順利排到膽管,而淤積在肝臟。如果不處置,會在數個月後快速進展成肝衰竭而有生命危險。

天生膽道就發育不良的小朋友,膽汁無法順利排到膽管,而淤積在肝臟。如果不處置,會在數個月後快速進展成肝衰竭而有生命危險。圖/Pexels

成年人需要換肝的在在台灣以前常見的是因為 HBV 或 HCV 造成的猛爆性肝炎,現在可能就屬肝癌、酒精性肝炎、非酒精性脂肪肝炎、藥物中毒等最為大宗。依照巴賽隆納小細胞肝癌(hepatocellular carcinoma)治療指引[2],在肝功能還未受損太嚴重時,若腫瘤數目、大小、位置理想,肝癌病人是可以接受換肝手術,「治癒」肝癌的。這比起許多以延長幾個月的餘命為目標的癌症治療而言,是很難得的。

台灣其實是特例?國際肝臟移植的現況

據衛福部 2020 年統計數據,台灣 2005 至 2018 總計執行了 6211 例的肝臟移植,其中活體肝臟移植就佔了其中的 4915 例[3]。所謂的「活體」移植就是在幾乎相同的時間內,兩個開刀房、兩組醫護人馬,同時開刀,一邊把受贈者有問題的肝臟取下,一邊把捐贈者的部分肝臟擷取,最後接到受贈者體內。這也常常躍升至媒體,如「捐肝救父」、「捐肝救子」的佳話。

活體移植不僅考驗主刀者的技術、也考驗醫護團隊的默契。開刀只是其中一關,開刀前的配對、開刀後的術後照顧、抗排斥治療等等,皆是重重的考驗。不過台灣日本等國家活體移植的盛行,其實是國際移植界的特例。

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台灣活體移植的盛行,其實在國際移植界是特例。 圖/envato

活體移植牽涉到的倫理議題,也讓台灣目前活體移植只限於親屬。若非親屬捐贈,則只能排隊,等意外死亡者的肝臟捐贈。所以在國際上行之有年、且更常見的其實是大體捐贈,一般上會是來自因意外或因疾病而腦死的病人。

肝臟從捐贈者體內被取出後,會在 2-5°C 的液態保存液中暫存,並且在數小時內必須移植到受贈者體內。這黃金數小時,是沒有血液灌流的,換句話說,肝臟組織無法有效率的得到生存所需的氧氣,以及排泄代謝廢物,所以一般來說會把這段黃金時間限縮在 12 小時內。如果算上捐贈肝臟組織的運輸以及兩個手術(捐贈以及受贈者)的時間,整個移植是一個跟時間賽跑的過程。如果到目前為止,這個任務還不夠艱鉅的話,我們可以看看美國的統計數字。

在美國大約有 17,000 人在等肝臟捐贈,但實際上每年只有約 6,500 個肝臟被捐贈[4]。所以肝臟捐贈目前還是非常短缺的,而需要換肝的人在等待過程中,存活機率也一點一滴的流失。

全新的方向:瑞士的跨領域研究

在大體捐贈以及活體移植各有其限制的狀況下,一組在瑞士的人馬開始了一個全新的肝臟移植方式[5]。這群人結合了工程、生物化學以及醫學專業,一起研發了一台機器,可以在體外模擬許多類似人體內的環境,讓肝臟在移植過程中,有最小的轉換過程。可能的環境衝擊包括溶血、血行動力學不穩、溫度控制、血糖控制、肝醣消耗、以及物理壓力造成的組織壞死。而在今年,他們發表了第一個使用此機器的人體肝臟移植案例。

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肝臟組織是來自一個 29 歲的年輕病人,因為腹部硬纖維黏液瘤(desmoid fibromatosis),併發長期感染以及敗血症,為了要控制病情而必須切除部分肝臟組織。一般來說,這樣的肝臟組織是不會再捐出去的,不只因為有腫瘤病史,而且又有進行中的感染,如果腫瘤細胞在受贈者體內繼續生長,或是感染持續進行,那麼受贈者的預後一定也很慘淡。但是這組瑞士人馬,在經過捐贈、受贈者兩方同意後,決定利用手術後剩下的肝臟組織。於是這個被取下來的肝臟組織,在肝門靜脈、肝動脈、下大靜脈、以及總膽管都被恰當的接到機器上後,就開始了這個神奇的體外之旅

一切的變因都盡量模擬體內環境,包括溫度(37 度)、血液灌流速度、脈衝式血壓,並且持續抗生素(因為捐贈者有細菌以及真菌感染)。三天後,這個肝臟再重回人體中,是位 62 歲的受贈者。

瑞士的跨領域研究團隊研發了一台機器,可以在體外模擬許多類似人體內的環境,讓肝臟在移植過程中延長保存時間。圖/Pixabay

這個嘗試特別的地方在於,雖然肝臟在體外保存了三天,卻沒有在大體捐贈常見的組織再灌流傷害(是指經過一段缺血的時間後,血管重新被打通,血液帶來充足的氧氣,但同時也產生很多自由基),這是只有活體捐贈才比較能看到的優點。而且可能因為肝臟先天免疫功能的保留,後續的排斥反應並不明顯,病人術後的抗排斥藥用量逐步地降低。與此同時,體外保存期間還可以持續治療,譬如在這個例子中的抗生素治療,讓一些本來無法使用的組織,變成可以捐贈的祝福。

肝臟移植的一線曙光

雖然在台灣大體肝臟捐贈比較不常見,反而活體肝臟移植是比較盛行的做法,但活體移植仍存有道德辯證、危害健康捐贈者健康等等的疑慮。畢竟捐贈者一般都是健康人,而捐肝的大手術也是有一定的風險的。

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在這個器官需求者眾、捐贈者匱乏的社會中,這個體外保存的技術絕對是一個令人興奮的新發明。只是就像任何新的醫學發明,臨床的資料需要長期而且大量病患的累積,才能有足夠的證據支持。這個幸運的受贈者已經持續被追蹤了一年,也許再五年、十年,再百個、千個病人,而有了世代研究,體外保存技術將會變成移植醫學的顯學。

在這個器官需求者眾、捐贈者匱乏的社會中,肝臟體外保存的技術絕對是一個令人興奮的新發明,幫助更多人。圖/Pexels
  1. Kasper, D. L., Fauci, A. S., Hauser, S. L., Longo, D. L. 1., Jameson, J. L., & Loscalzo, J. (2015). Harrison’s principles of internal medicine (19th edition.). New York: McGraw Hill Education.
  2. Llovet, J.M., Fuster, J. and Bruix, J. (2004), The Barcelona approach: Diagnosis, staging, and treatment of hepatocellular carcinoma. Liver Transpl, 10: S115-S120. 
  3. 衛福部公布:我肝移植成功率逾八成高雄長庚雙冠王
  4. https://hospital.uillinois.edu/primary-and-specialty-care/transplantation-program/liver-transplantation/your-liver-transplant-options/cadaver-liver-transplant
  5. Clavien, PA., Dutkowski, P., Mueller, M. et al. Transplantation of a human liver following 3 days of ex situ normothermic preservation. Nat Biotechnol (2022).

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Charlotte 熊_96
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著迷於世界的多彩,也希望帶給人對生命的熱愛。現任美國愛因斯坦醫學中心小兒科住院醫師,畢業於台大醫學系。目前最希望成為小兒心臟科醫師,也沒忘從高中就想去無國界醫生當臨時醫師的夢想。 https://www.instagram.com/charlottethesunbear/

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器官移植里程碑!豬心移植成功了,然後呢?
TingWei
・2022/02/13 ・4185字 ・閱讀時間約 8 分鐘

2022/3/10 更新: 雖然本次案例中的豬心移植並未發生超級排斥反應,可謂跨過一大門檻。有了豬心,甚至讓貝內特得以回家與家人共度時光。但在進行手術兩個月後,他的病情仍舊惡化,近日報導傳出貝內特於 2022 年 3 月 8 日死亡。 目前確切的死因仍舊不明,尚待團隊發表調查結果。

新聞連結:https://www.bbc.com/news/health-60681493

2022 年 1 月,COVID-19 疫情陰影之下,器官移植的技術翻過了重大的一頁。美國馬里蘭大學宣布完成首例基改豬心移植人體的手術,至目前為止,患者尚未出現排斥現象,也創下心臟「異種移植」(Xenotransplantation)在人類身上成功的首例。

救人性命的「器官移植」面臨哪些挑戰?

細胞、組織、器官、系統,這是我們在學習人體構造的時候就耳熟能詳的層級概念。如果將動物體視作一個密切協作的機械,那麼各個器官就會像是其中的關鍵零件:心臟主要輸送血液到全身上下,肺臟從事氣體交換,腎臟將血液的雜質濾出製成尿液,肝臟則主司代謝調控身體中的各種物質。這些器官只要有一個失去功能,就會導致生物體的死亡。但既然是「零件」,現今的醫學已經可以在一定的程度上做到「更換零件」,讓生命延續下去──也就是「器官移植」。

圖/Pexels

在台灣,自從 1968 年台大醫學院李俊仁教授完成亞洲第一例活體腎臟移植手術,開啟器官移植的新頁迄今,器官的捐贈與移植已經一路擴展到心臟、肺臟、肝臟、胰臟、腸。雖然我們將器官移植比喻為換零件,然而實質上器官移植所要克服的難關,遠比機械換零件要嚴苛、複雜許多。

首先第一道難關,就是「器官排斥」。人體的免疫系統會辨識外來物質。在大多數的情況下,這些外來物屬於會讓身體生病的「病原體」,而免疫系統的工作便是不管是細菌、病毒、寄生蟲,一律加以攻擊,避免進一步感染。因此,移植時放入的器官,也會被免疫系統視作「外來物」攻擊。這樣的反應,就是一般所說的「移植排斥」(transplant rejection)或是器官排斥。

一般來說,器官移植之前,會進行幾項配對檢測,包括 ABO 血型、組織抗原(major histocompatibility complex,MHC)交叉試驗,以盡可能找到合適的配對、減少免疫反應發生的機率與嚴重程度 [註1]。而即使經過這些配對檢測,器官的受贈者也需終身服用「抗排斥藥物」免疫抑制劑,抑制原有的免疫反應,在器官排斥與外來感染間取得平衡。

此外,器官移植的另一道難關,就是如何取得合適的器官。隨著器官移植的技術發展,肝臟與腎臟尚有機會接受活體捐贈,但如心臟等器官,卻必須來自腦死判定的捐贈者,數量稀少且不穩定。以台灣 2020 年統計,共有 79 例心臟捐贈,然而全台等待移植者接近 200 人,許多患者只能坐等時間流逝,寄望大愛的遺贈能有機會降臨,拯救自己一命。

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捐贈的器官不夠,以至於許多病人在等待的過程中逐步邁向死亡,這也是為什麼人們把腦筋動到其他動物身上,尤其是豬。

使用豬作為器官來源有哪些缺優點?

事實上,異種移植完全不是什麼新概念,人類利用動物製劑作為醫療材料已經超過百年。早在 1930 年代,我們就使用豬胰島素治療糖尿病;而使用豬的心臟瓣膜來修補瓣膜出現問題的人心,也已經有幾十年的歷史。然而,如前面所述,人與人之間的器官尚且有排斥的情況,更何況來自豬或者狒狒的器官,其表面的組織抗原跟人體差異更大,排斥反應會更劇烈、更難以抑制。

可是,使用豬隻作為器官來源,仍有許多優點。靈長類動物(如黑猩猩或狒狒)與人的親緣較為接近,但其飼養與繁殖相對於豬困難許多,而且靈長類多為保育類,存在更多倫理上的限制。此外,豬在生理與解剖結構上與人類足夠接近,扣除排斥的問題,豬隻的器官相當有機會勝任維繫人體功能的角色。

豬在生理與解剖結構上與人類接近,其器官有機會勝任維繫人體功能的角色。圖/Pexels

因此,長久以來豬隻基因改造(genetic modification, GM)的一個重要議題,就是如何使其更「人類化」,以避免排斥 [註2]。隨著對基因體表現的瞭解逐年深入,加上近十年來 CRISPR 技術發展,因應器官移植需求而打造的「基因編輯豬」,從科幻構想,一躍而成為發展中的現實。

使用 CRISPR-Cas9 培育出基因改造豬,登上 2017 年《Science》封面。圖/《Science》

現階段,有許多團隊都在發展供器官移植的基因改造豬,除了聯合治療公司(United Therapeutics)以外,還包括 eGenesis 研發的無豬內源性反轉錄病毒(PERV)豬、紐西蘭 NZeno 的迷你豬等,或許還有更多尚未浮現檯面的團隊。

第一例豬心移植可以告訴我們的事

2022 年 1 月 7 日,57 歲的大衛.貝內特(David Bennett)在馬里蘭大學醫學中心(UMMC)成功獲移植了一顆經基因改造的豬心,這顆豬心來自聯合治療公司旗下的生技公司 Revivicor 的基因改造豬。這個系列的基因改造豬有 10 個基因位點經過改造,其中剔除了 3 個豬原有的基因,以免引發人體免疫反應,然後加入 6 個人類基因,讓身體願意接受外來器官,最後一個改造則讓豬心不會對生長激素持續反應,讓心臟可以維持在人體所需的大小。

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在此之前(2021 年),紐約大學朗格尼醫學中心(NYU Langone Medical Center)曾將同系列豬隻的腎臟接到兩位已被判定腦死的病人身上,確認了豬腎可以在人身上運作,不但沒有發生排斥反應,而且代謝運作良好。相關研究人員曾進一步向美國 FDA 申請進行豬心的臨床試驗,但是遭到駁回。根據馬里蘭大學醫學中心移植小組外科醫師曼蘇爾.莫希丁(Muhammad Mohiuddin)的說法,團隊被要求先完成 10 次豬心移植到狒狒身上的實驗,才可以進一步進行人體試驗。以靈長類動物如狒狒作為移植模型,以瞭解潛在的副作用與改進之道,是這類研究常見的作法。2000 年國際心肺移植學會(ISHLT)曾提出綱要,認為接受移植的靈長類動物需有 60% 存活超過 3 個月,存活個體至少 10 隻,且顯然有機會繼續活下去,才能考慮進入臨床試驗。

然而,貝內特的特殊狀況讓此次的豬心移植成為可能。貝內特患有心律不整,無法外接機械式的心臟輔助裝置,加上有過不遵醫囑的醫療紀錄,使其獲准得到心臟的機會微乎極微 [註3]。而貝內特的心臟狀況若不移植就只能等死,因此 FDA 特別通過了本次的豬心使用。貝內特獲得的是死中求生的機會,而對研究人員來說,則是獲得了豬心在人類患者身上如何運作的臨床資料。

使用靈長類動物進行研究一舉,讓科學家獲得許多異種移植的重要資訊,比如從針對狒狒的研究中,獲得了不少異種移植的用藥資訊,更發現早期接受移植的狒狒,都由於豬心快速生長而死亡。然而,許多研究人員或許已經非常期待將動物實驗逐步轉向臨床,因為將豬心放到健康狒狒身上所得到的數據,仍與重病纏身的人類有很大的不同。無論是免疫或藥理方面,研究人員當然更希望獲得與人體有直接關聯的資訊。

豬心移植創下先河,進入臨床仍待研究

然而,要看到豬隻的器官正式被納入臨床移植使用,恐怕還有許多問題有待釐清。這些問題包括(但不限於)使用異種器官潛藏的感染風險,縱使這些基因改造豬可以被養在高規格的飼養環境,避開一般豬隻帶有的病毒與細菌,豬隻基因體內的「內源病毒」對人體的風險仍有待釐清 [註4]。即使豬隻經過多種基因編輯,並且順利熬過異種移植的急性排斥期後,是否還有潛在的問題需要克服,目前尚無人得以逆料。

圖/Science

此外,隨著醫療設備近二十年的發展,使用血液透析(替代腎臟)或機械輔助設備協助血液運行(替代心臟)的方法亦越來越常見。或許,在等待豬心獲得臨床認可,加入器官庫的行列的同時,醫學技術亦會有所發展,使得器官需求不再如今日這般迫切。由於腎臟或肝臟可由活體移植、不似心臟需求極端迫切;因此肝腎兩者的異種移植研發進展或許將較為緩慢。目前,豬隻的器官移植還處在動物實驗的階段,尚未步入臨床,在人體的研究資料尚且闕如的情況下,相關單位應如何考量患者需求、判斷移植風險,亦將成為倫理與制度需要克服之一大考驗。

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醫療技術進展,本就來自於在各種未知中承擔風險、勇敢做出前人未曾做過的事。我們感念這其中的各種參與者,不管是技術研發人員、受試者或是醫師的參與,也希望未來在器官移植的領域,能有更多的好消息,讓那些苦苦等待的人們,盡早獲得救贖。

註解

  1. 器官移植的排斥反應通常分成超急排斥反應(hyperacute rejection),發生在器官接上血管後的數分鐘到數小時內;急性排斥反應(acute rejection),發生在數周到一年內;慢性排斥反應(chronic rejeaction),發生在移植數月甚至數年之後。因此貝內特此案例之「成功」僅代表現階段並未發生排斥反應,且豬心基本上可在人體運作,未來是否可能發生慢性排斥反應尚未可知。
  2. 異種移植的排斥反應通常更劇烈也更複雜。
  3. 器官移植排序的規定各國、各州不同,有些地方的規範會考量患者遵循醫囑的程度或求生意志等。臺灣的規範可見財團法人器官捐贈移植登錄中心 – 附表(各器官分配辦法) 
  4. 2017 年已有團隊培育出內源病毒去活化的豬寶寶(詳見:豬隻器官移植新突破:CRISPR技術攻破了「豬內源病毒」的瑪利亞之牆!),但本次的移植豬心應無經過相關的處理。
  1. 醫學與倫理:美國首例豬心器官移植面臨的三大倫理爭議 – BBC News 中文
  2. 全球首例!豬心移植人體手術完成,可望解決器官短缺問題 – INSIDE
  3. First pig-to-human heart transplant: what can scientists learn? (nature.com)
  4. In a First, Man Receives a Heart From a Genetically Altered Pig – The New York Times (nytimes.com)
  5. 豬腎成功移植人體,異種移植會成為救命稻草嗎? | GeneOnline News
  6. 《基因編輯大革命》: 「基因編輯豬」是器官移植新希望? The News Lens 關鍵評論網
  7. 豬隻器官移植新突破:CRISPR技術攻破了「豬內源病毒」的瑪利亞之牆! – PanSci 泛科學
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TingWei
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據說一生科科的生科中人,不務正業嗜好以書櫃堆滿房間,努力養活雙貓為近期的主要人生目標。