科學人/應用方試比你知道的更廣泛…膠原蛋白是醫學和工程新星

研究發現,膠原蛋白不僅可支撐組織,在未來更可能發展為再生醫學與機器人肌膚的關鍵。
膠原蛋白是讓皮膚保持彈性、支撐身體多處結構的關鍵角色,但它們的應用方式可能比過往認為的更廣泛。日本研究膠原蛋白的重要學者服部俊治,在這個領域投入40餘年,並發表了超過150篇學術論文。他的研究涵蓋膠原蛋白的機能、組織的修復技術。透過這次採訪,我們看見膠原蛋白未來可應用的趨勢,涵蓋了再生醫學與機器人的肌膚。有關膠原蛋白可能的發展,仍充滿無限潛力。
林詠翔(以下稱 Vincent):人體內已知的膠原蛋白種類超過20種,包括I型、II型等。請問你當時為何選擇投入膠原蛋白的研究?此外,可否與我們分享膠原蛋白在近年研究上的重大突破?
服部俊治:我從學生時期研究膠原蛋白至今已有40多年,最初吸引我的是它獨特的特性:膠原蛋白可以從溶液中自我重組,彷彿「知道」自己的結構應該是什麼,這個現象讓我感到好奇。後來也發現,它可以應用到許多領域。像是最近,有位朋友從俄羅斯帶回長毛象的化石,我們便合作從中提取膠原蛋白並分析其性質,再和現生大象比較,這個方法既能讓我們一窺遠古生物的生理特徵,還能了解牠們當時的生存環境。
這幾年我的研究方向著重於和膠原蛋白有關的疾病,以及膠原蛋白對人體細胞的影響。例如我們發現膠原蛋白與細胞有極強的結合力,因此想利用這個特性,以3D列印生產膠原蛋白,再與細胞結合,並依此模擬人體的器官。
Vincent:膠原蛋白因其免疫反應低、可長期穩定存於體內,以及與細胞具有良好的結合力等優勢,成為組織工程的重要材料,你是否能分享膠原蛋白在再生醫學上的應用?
服部俊治:這幾年,日本許多科學家致力於誘導性多能性幹細胞(induced pluripotent stem cell, iPSC)的研究,我們的實驗室也在探索 iPSC與膠原蛋白的結合應用。舉例來說,目前可用iPSC培養出神經、心臟等多種器官的細胞,但這些細胞植入人體後往往難以存活。這時若結合膠原蛋白,就可以建構出穩定的微環境來避免培養的細胞遭破壞,提高存活率及其表現。
近期我們也與日本慶應大學合作,研究iPSC培養的心臟細胞如何和心臟所特有的膠原蛋白結合,精確地再現心臟細胞的跳動。所以說,膠原蛋白不僅能提供支撐,其不同類型的特性對於各個器官運作也具有關鍵影響。
Vincent:許多人聽到膠原蛋白,會聯想到臉部的老化,能否請你與我們分享這方面的資訊?
服部俊治:膠原蛋白會隨著年齡增長而老化,過去已知主要的原因為氧化和糖化。氧化主要是因為紫外線的影響,加速膠原蛋白的分解;而糖化是因為糖份附著導致膠原蛋白硬化、失去彈性。最近的研究發現了第三種老化原因:胺基甲醯化(carbamylation),即尿素的累積導致膠原蛋白加速老化。當腎功能下降或年齡增長,體內的尿素濃度也會提升,對膠原蛋白造成的損害甚至可能超過糖化。
值得注意的是,膠原蛋白的老化不僅影響皮膚的彈性,也會造成身體其他器官的老化。尤其是血管,若是血管老化,養份和氧便無法順利運輸,影響到整體健康。
Vincent:膠原蛋白的應用橫跨了生物材料、醫療工程和細胞生物學等多個領域,你認為膠原蛋白還可以應用到哪些領域?
服部俊治:膠原蛋白過去廣泛應用於食品、工業與藝術領域,例如裝裱書畫時所用的黏合劑、食品中的明膠,包括糖果、果凍和膠囊外殼。此外,膠原蛋白在醫療與生物工程領域同樣扮演著關鍵角色,應用範圍涵蓋了傷口的敷料、人工皮膚到再生醫學。
近年來,機器人技術發展越來越快速,也為膠原蛋白的應用帶來新的可能性。輝達(NVIDIA)執行長黃仁勳在今年 1 月提出,未來機器人的發展將聚焦於三大方向,其中包括人形機器人。在日本,許多人投注於人形機器人的研究,這在未來可應用在人類的照護。因為照護機器人需要與人互動,所以觸感與表情呈現變得非常重要。如果能用膠原蛋白來製作機器人表皮,便能提升親切感,讓人類更願意接受人形機器人的照護,進一步促進人機共存的發展。
服部俊治
1985年 日本東京醫科齒科大學醫學研究科博士
2008年 日本生物基質(NIPPI Bio-Matrix)實驗所所長
2016年 文部科學大臣 科學技術獎
(本文出自2024.04.01《科學人》網站,未經同意禁止轉載。)
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