2018年11月9日 星期五

人工真皮integra的發明

安南醫院  游朝慶 醫師

    在1969年，一位哈佛畢業的外科醫師John F. Burke  (July 22, 1922 – 2011)瞭解到他需要尋求非醫學領域的幫忙，多年來，他在麻省總醫院波士頓慈壇社燒燙傷研究所（Shriners Burn Institute）裡一直尋找不到好的人類皮膚替代品，他於是向鄰近的麻省理工學院MIT求援，然後一位MIT機械工程的纖維及聚合物專家 Ioannis V. Yannas工程師博士就過來了。7年後，這兩人領導的團隊終於開發出第一個產品合成人類皮膚synthetic human skin，一種混和塑膠、牛的組織（牛的韌帶膠原蛋白）及鯊魚的軟骨的綜合體1,2，接著他們做了許多動物實驗，並於1980年發表3，在內文，作者講到，在以前，燙傷患者會用屍皮，但其來源不足，且會產生排斥反應，若使用豬皮，其必須在第三或第四天產生嚴重沾黏前移除，而早在1943年，人們就知道如何從動物皮中萃取出膠原蛋白並當成為傷口敷料。在1972年，有人發明可以將豬皮中的細胞及非膠原蛋白成分’洗’出來，然後將此無細胞的膜當作一種覆蓋傷口的敷料，有趣的是，在此敷料未被崩解前，可觀察到細胞長進去此敷料內並轉化成肉芽組織，且沒有產生排斥4。也有人發現若將膠原蛋白產生交叉鏈接cross-link，將比較不容易被降解5-7。

    他將燙傷分為兩個階段，第一期為早期，主要是防止感染及水分喪失，第二期是後期，主要是防止疤痕產生及疤痕巒縮，作者一直在尋找一種人工皮膚可以同時解決這兩種問題，在表皮部分，雖然說大多的多胜類polypeptides及一些多醣類 polysaccharides可被水解，然而因其親水性，無法防止傷口水分喪失，因此斥水性及不被降解的矽膠薄膜poly(dimethyl siloxane)就被採用來當成外層的保護膜。而膠原蛋白本身根據大小，有液狀、膠狀、粉狀，無法定型成支架，因而需使用第二種巨分子物質黏多醣（糖胺聚醣,glycosaminoglycan,GAG)，基於下面幾個理由，1. 雖然膠原蛋白可藉由控制交叉鏈接的濃度以不被降解，然而較濃的交叉鏈接會導致膠原蛋白非常硬，2. 醣胺聚醣（GAG）可分為硫酸軟骨素、硫酸皮膚素、硫酸角質素、透明質酸、肝素及硫酸乙醯肝素等類別(including chondroitin 6-sulfate, chondroitin 4-sulfate, dermatan sulfate, heparin, and heparan sulfate)，只要在膠原蛋白中加入其中任一樣GAG，就可讓膠原蛋白延緩被吸收，並形成膜狀物，此類膠原蛋白-GAG膜狀物有更高的彈性，較不會斷裂。所以加入GAG不只是要讓膠原蛋白不容易被水解，還要讓其有適合的物理性質。3.在電子顯微鏡下觀察，有加入GAG的膠原蛋白比較容易形成有空洞的結構，4.最後，GAG沒有抗原性，會被分解成無毒的寡醣3。

    這膠原蛋白和GAG結合成的格子結構可以有效形成一種支架"scaffolding”，如一間間的小房間，以便讓間質細胞可以住進去，而這膠原蛋白的結構是可被分解吸收的，藉由增加交叉鏈接的濃度或增加GAG的濃度，或降低格狀結構的多孔性可以延緩膠原蛋白的被降解。但也不是說延長被降解的越長越好，根據研究，最好可以撐25-30天，至於孔洞大小，根據研究，平均50 um的大小孔洞最適合刺激細胞遷移進去及繁殖10。

    在這產品，GAG選擇使用的是chondroitin 6-sulfate，其理由只是當這研究剛開始時，chondroitin 6-sulfate是當時已商品化且最容易取得的材料。

    而膠原蛋白為何是選用牛的韌帶膠原蛋白呢？我想可能是遠在1951年Einbinder及Schubert早就發明一種萃取出牛的阿基里韌帶膠原蛋白的方法8，且已廣被商業化使用。也是當時最容易取得的材料。

    然後經過許多豬的動物實驗，他們找到一種膜狀物，可以長達25天保護傷口不受感染並防止水分喪失，並可延緩傷口收縮。他們當時稱這產品為人工皮膚artificial skin，而非現在常說的人工真皮。

    於1981年，他們公開發表使用在10個50％到90％TBSA燒傷患者的人體試驗9，並獲得成功。

   於1983年，他們通過第一個人工皮膚的專利申請10。(此專利目前已過期)

   這項來自於MIT的新科技，當時就被命名為「Integra」，而這人工皮膚就被稱呼為Integra artificial skin11,12。並授權給一家來自於堪薩斯城，由Ewing Marion Kauffman於1950年創立的Marion Laboratories公司，那幾年，由於Kauffman先生的大力支持，Marion投資非常多在傷口敷料上面，在integra方面就花了3.5-5千萬美元，並且併購一家製作膠原蛋白的公司Colla-Tec, Inc.，以確保integra的原物料供應，並且從1986年開始進行臨床研究13。然而在1989年Merrell Dow Pharmaceuticals公司併購了Marion公司，並將其傷口敷料的業務剝離出來，Burke及Yannas的產品仍然需要進一步的臨床研究以便通過FDA的認證，但這產品竟然被新公司MMDI當成是傷口敷料，而非日後再生醫學史上第一個產品的integra，就被停止取得FDA認證的開發，並和Colla-Tec公司一起被待價而沽。MIT於是決定將授權取回。

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圖1. Integra人工真皮的示意圖14

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圖2. Integra人工真皮作用的原理14

1. Coinventor of artificial skin for burns patients https://www.bmj.com/content/343/bmj.d7968

2. https://diabeticfootonline.com/2011/11/06/john-burke-co-inventor-of-artificial-skin-and-of-surgeon-engineer-collaboration-rip/

3. Yannas IV, Burke JF. Design of an artificial skin. I. Basic design principles. J Biomed Mater Res. 1980 Jan;14(1):65-81.

4. R. F. Oliver, R. A. Grant, and C. M. Kent, “The Fate of Cutaneously and Subcutaneously Implanted Trypsin Purified Dermal Collagen in the Pig,” Br. J. Exp. Pathol., 53,540-546 (1972).

5. H. C. Grillo and J. Gross, “Thermal Reconstitution of Collagen from Solution, and the Response to its Heterologous Implantation,” J. Surg. Res.,

6. A. L. Rubin and K. H. Stenzel, ”The Structure and Use of Collagen,” in Biomaterials, L. Stark and G. Agarwal, Eds., Plenum, New York, 1969 pp. 157-184; A. L. Rubin, R. R. Riggio, and R. L. Nachman, ”Collagen Materials in Dialysis and Implantation,” Trans. Am. Soc. Artif. Intern. Organs, 14, 169-174 (1968)

7. C. Huang and I. V. Yannas, ”Mechanochemical Studies of Enzymatic Degradation of Insoluble Collagen Fibers,” J. Biomed. Mat. Res. Symp. 8, 137-154 (1977); M. Chvapil, J. A. Owen, D. S. Clark, S. Koorajian, and A. P. Goodman, ”Effect of Collagen Crosslinking on the Rate of Resorption of Implanted Collagen Tubing in Rabbits,” I. Biomed. Mat. Res., 11,297-314 (1977).

8. Einbinder J, Schubert M, Binding of mucopolysaccharides and dyes by collagen. J Biol Chem. 1951 Jan;188(1):335-41.

9. Burke JF, Yannas IV, Quinby WC Jr, Successful use of a physiologically acceptable artificial skin in the treatment of extensive burn injury. Ann Surg. 1981 Oct;194(4):413-28.

10. Yannas, I.V., J.F. Burke, D.P. Orgill, and E.M. Skrabut, Method of Promoting the Regeneration of Tissue at a Wound, U.S. Pat. 4,418,691, December 6, 1983

11. Stern R, McPherson M, Longaker MT. Histologic study of artificial skin used in the treatment of full-thickness thermal injury. J Burn Care Rehabil. 1990 Jan-Feb;11(1):7-13.

12. Michaeli D, McPherson M. Immunologic study of artificial skin used in the treatment of thermal injuries. J Burn Care Rehabil. 1990 Jan-Feb;11(1):21-6.

13. Integra LifeSciences Holdings Corporation https://www.encyclopedia.com/books/politics-and-business-magazines/integra-lifesciences-holdings-corporation

14. https://www.integralife.com/file/general/1525975889.pdf

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2 則留言:

  1. 美樂材料公司2018年11月12日 晚上10:35

    請問游醫師，DuoDerm有一款人工皮厚款的叫CGF，聽說裡面也是有動物膠成份? 跟人工真皮有相似嗎?
    為何市面上的人工皮都沒有膠原蛋白成分呢?

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    1. woundmaster2018年11月13日 凌晨12:26

      『人工皮』(為商品名)並非是人工真皮，duoderm 厚薄片都有動物膠，但並非是膠原蛋白
      市面上的所有膠原蛋白敷料，只是敷料，並非人工真皮，只是用來刺激生長
      所謂敷料，只能暫時性覆蓋傷口，約1到數天
      而人工真皮是永久性覆蓋，故人工真皮並不屬於敷料的一種

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