不论是细胞心脏的整体图像还是以细胞为单位的图像均可以轻松观察

泽 芳树 教授

大阪大学研究生院 医学系研究科 外科学讲座心脏血管外科教授
大阪大学医学部附属医院未来医疗中心 中心长
医学博士

生于1955年。1980年毕业于大阪大学医学部,进入大阪大学医学部第一外科工作。1989年成为洪堡财团奖学生,前往德国Max-Planck研究所心脏生理学部门、心脏外科部门留学。随后历任大阪大学医学部第一外科助手、医局长、讲师,2002年出任大阪大学医学部脏器控制外科(第一外科)助理教授、附属医院未来医疗中心副中心长。2004年担任大阪大学医学部附属医院心脏血管外科副科长。2006年出任大阪大学研究生院医学系研究科外科学讲座心脏血管、呼吸器外科教授,大阪大学医学部附属医院未来医疗中心中心长。

细胞膜片治疗作为重症心脏病的“第三疗法”,受到了全世界的关注

泽芳树先生是大阪大学研究生院医学系研究科外科学讲座心脏血管外科的主任教授。他在临床一线救治患者的同时,全力开展着重症心脏病治疗的研究工作。2007年,他成功进行了扩张型心肌病患者的心脏功能再生治疗。这项治疗利用从患者本人下肢肌肉中采集到的细胞,经培养制成细胞膜片后移植到心脏上。该疗法是一种再生心脏功能的划时代疗法。在传统心脏移植及心室辅助装置治疗法的基础上,这种同样能够救治重症心脏病患者的“第三疗法”,正在受到全世界的关注。

01. 继承原第一外科的传统,追求先进医疗

大阪大学研究生院医学系研究科的外科学讲座心脏血管外科(原第一外科),是引领日本外科医学发展的老牌科室。在以首任教授Fritz Hertel先生、堪称实质性创始人的小泽凯夫先生、第二任教授武田义章先生为代表的历代主任教授的带领下,该科室开拓了先进的外科治疗。半个世纪之前,成功实施日本首例人工心肺开心手术的曲直部寿夫先生,人工脏器及复杂心脏畸形外科治疗领域的世界级权威川岛康生先生,全力促成心脏移植重启的松田晖先生等均出自该科室。在心脏外科治疗领域,该科室的成员们始终在不断挑战,开创时代先河。

虽然心脏血管外科收治的多为重症患者,开心手术的成功率却在日本全国名列前茅,而在日本经济新闻面向心脏外科治疗机构的评级中,该科室也获得了最高的“AAA”级评价。

作为这一优良传统的继承者,泽芳树先生也站在主任教授的高度,在全新的领域不断开疆扩土。他的目标就是在寻求更加安全的心脏外科手术的同时,开拓难治性心脏病的治疗法。

更加安全的手术,就是不利用人工心肺装置,而是在正常的心脏搏动状态下,实现低侵袭性旁路移植手术及动脉瘤支架(网眼状的金属筒)治疗等。他的医疗理念,就是“不要想着光靠手术刀来完成所有手术,而是要积极运用有效的新技术,站在患者立场上实施治疗”。

图片:针对重症心力衰竭的治疗策略……
针对重症心力衰竭的治疗策略。利用再生治疗实现更具普遍性的治疗。

正如泽先生所说,在难治性心脏疾病的治疗中,“最首要的任务,就是攻克重症心力衰竭”,于是他就从心脏移植和心室辅助装置这两方面同时着手研究治疗法。但是,这样的外科治疗并不能恢复心肌本身的功能。为了攻克这一难关,泽先生在心肌再生治疗领域投入了大量的精力。

02. 世界首例成功实现利用自体成肌细胞膜片进行心肌再生治疗

泽先生首先尝试的方法,是将患者本人的自体成肌细胞注入心脏。该方法获得了一定的治疗效果后,泽先生开始思考如何进一步提高其效果并得出了关键在于心肌细胞投用方法的结论。于是他与东京女子医大的冈野光男教授共同摸索,历经8年研发出了这种新的治疗法,即利用自体成肌细胞的细胞膜片进行心肌再生治疗。

图片:开发利用心肌细胞片的心肌再生治疗法……
开发利用心肌细胞膜片的心肌再生治疗法。将培养得到的细胞移植到心脏受损部位,借此恢复心脏的功能。

2007年5月,泽先生的团队对一名扩张型心肌病的患者进行了这种疗法在全球范围内的首次尝试。他们从患者本人的下肢提取肌肉细胞并进行培养,制成直径约4 cm、厚度约0.1 mm的细胞膜片,将其移植到心脏上,成功实现了心肌功能的再生。患者接受治疗前已经佩戴了心室辅助装置且必须接受心脏移植,术后3个月,这位患者的心脏收缩率得到改善,血液泵出量甚至恢复到了可以拆除心室辅助装置的水平。同年12月,这位患者顺利出院。

这种治疗法因其良好的细胞着生性而备受好评,被誉为继心脏移植、心室辅助装置之后的“第三疗法”,为重症心力衰竭患者带来了希望之光。

* 成肌细胞:肌肉构成要素——肌纤维的来源细胞。单核的成肌细胞增殖,细胞相互融合后形成肌管细胞,然后构成肌纤维。

03. 致力于再生治疗创建的未来医疗中心

在取得这项成就之前,泽先生在研究再生治疗的同时,为治疗体制的创建也倾注了许多心血。泽先生自2002年起担任大阪大学医学部附属医院下设的“未来医疗中心”副中心长,致力于转化研究。通过深度参与该中心的运营,构建起了开展再生治疗所需的组织及人员架构。(2006年升任中心长)

在再生治疗中不可或缺的自体成肌细胞培养方面,则设立了达到GMP(药品生产质量管理规范)标准的CPC(细胞处理中心=细胞培养调制准备设施)。还开展了必需人才的培养及配备,创建了完善的治疗体制。

其间种种,被泽先生总结成了下面这番话。

因为从来没有人尝试过这一系列工作,一切都是我从零开始逐步摸索的。在争取到国家和制药企业的扶持后,相关的体制才总算真正地确立了下来。

我们的中心是一家发挥桥梁作用的临床研究中心,将为新时代的新疗法提供开发支援。作为附属医院的下设机构,基础研究绝不是我们的最终目的,我们的目标,是从临床角度出发,为找不到替代疗法的重症患者寻找其他的救治手段。中心的最终目标,是成为为再生治疗提供保障的细胞培养工厂。”

图片:大阪大学医学部附属医院未来医疗中心……
大阪大学医学部附属医院未来医疗中心所承担的工作内容如上所述。正如其名,该中心不仅推动着展望未来医疗的尖端研究,还很重视转化研究。

04. 全力救治更多重症心脏病患者的理想

泽先生是一位新时代医疗的问道者。他之所以走上从医这条道路,是受到了身为医生的祖父的影响。而在他大学时代丧生于交通事故的表兄,则成为了他正式立志要成为医生的契机。

后来他成为了一名心脏外科医生,用开心手术拯救了无数患者的生命,但与此同时,由于心脏移植在日本长年无法得到认可,他只能眼睁睁地看着许多患者因无法得到救治而含恨离世。即便是在脑死移植已经获得认可的今天,依旧存在着许多因捐献者不足等原因而无法接受移植手术的病患。作为一名外科医生,他为再生医疗的实现付出了无数的辛劳,而其中的主要原因,就是他由衷地渴望履行自己身为医生的使命。

在泽先生看来,在全球范围内首次尝试用细胞膜片进行再生治疗,并不是这一系列研究的终点。为了寻求更加有效的治疗方法,他正在研究如何应用iPS细胞技术。他希望利用这项技术制造出心肌细胞并加工成细胞膜片,让这种治疗法更具发展前景。

* iPS细胞:诱导性多功能干细胞。用体细胞制造出的分化全能性干细胞。从理论上来说,利用iPS细胞应该能制造出身体的所有组织。

05. 为了尽快利用研究成果救治患者,注重实验的高效化、省力化

为了创立心脏功能的再生治疗,泽先生不知疲倦地将大量精力投入到了研究当中。为了尽可能多地救治无法找到替代疗法的重症患者,必须全力推进研究的高效化及省力化,以最快的速度研发治疗方法。尤其需要关注的,是研究人员的培养及重用。

图片:泽先生
泽先生还是一位接诊外来病患的临床医师。在真挚对待每一位重症患者的过程中,他强烈感受到了再生治疗的必要性。

他认为,“必须在着力培养年轻人才的同时,适材适所地配置人才队伍,提高每个人的工作能动性,充分调动组织力,构建起能够让一加一大于二的研究体制”。在这一过程中,以高效化研究为目的的设施设备投资,就显得非常重要。

他明确表示,“关键就在于如何消除研究活动中的各种无用功。尤其是在全球化竞争的大背景之下,科研速度的重要性正在与日俱增。我时刻都在告诫自己,尽快拿出研究成果,才能帮助到更多的患者”。

而另一方面,在开拓未知治疗法时,泽先生认为“我们必须深刻认识到,导入新疗法有利也有弊,必须把握好利益与风险的关系”。欲速则不达,必须在前期临床试验中严谨地验证治疗的切实有效性及安全性后,再进行首例人体治疗(first-in-man)。泽先生强调说,“必须在动物实验阶段严谨地开展客观性的验证”。

年轻时的泽先生用电子显微镜开展研究并获得了博士学位,因此他对组织学观点上的证据尤为重视。他表示,“提供拍摄细胞增殖等现象的照片,才是能够证明实验客观性的决定性手段。当然,实验的数值数据也是很重要的,但可以毫不夸张地说,照片在评判一篇论文的价值时,具有决定性作用。也正因如此,在今后的时代中,性能优越、可提高观察效率的显微镜,将成为科研工作中不可或缺的存在”。

06. 不论是细胞心脏的整体图像还是以细胞为单位的图像均可以轻松观察

三木健嗣先生正在泽先生门下攻读硕士学位,并根据泽先生的研究方针,开展心肌功能再生治疗的研究工作。他负责研究由成肌细胞形成肌管细胞的过程,在长约一年的时间里,几乎每天都要对白鼠的心脏进行观察。

而他使用的观察设备,就是基恩士的荧光显微成像系统BZ系列。 其中常用的,则是能够对细胞变化进行时序拍摄的“多维延时拍摄”功能。该功能可以根据时间顺序,拍摄成肌细胞被移植到白鼠心脏后逐步发挥心肌再生功能的过程,并保存相关数据。还能并用Z栈功能,拍摄纵轴方向的图像。

图片:在实验室操作BZ系列的……
在实验室操作BZ系列的三木健嗣先生。

三木先生正在从事的主要工作,是研究如何改进泽教授已经成功应用的细胞膜片心肌再生治疗法。为此,他对原先的圆形细胞膜片进行了改良,新开发了一种网状的细胞膜片。他希望通过堆叠多层网状细胞膜片,营造让细胞更易进入组织的环境,进而提高再生效果。在开展这项研究的过程中,三木先生对使用BZ系列的好处进行了如下阐述。

“我必须要对大范围分布的成肌细胞变化进行时序观察,BZ系列的多点(最多30点)延时拍摄功能,为我的观察带来了极大的便利。最关键的是,拍摄到的图像也很清晰。我也看过许多用其他显微镜观察到的图像,我认为‘BZ系列’的清晰度与其他产品对比存在明显的优势。”

白鼠心脏的直径约为1 cm。要掌握细胞的再生情况,不仅要以超弱角观察心脏的整体图像,还必须进行放大观察,了解细胞膜片中成肌细胞所占的百分比。使用BZ系列,能够轻松实现这种同时支持宏观与微观视角的多功能观察。

“从已经发表的研究论文来看,拍摄心脏梗塞部分及病灶边界的局部图像较为多见,如果能够发表心脏整体的图像,会让我的论文更具说服力。”

三木先生认为BZ系列的另一大魅力,是无需暗室的设计,能够让操作者直接在桌面上进行便捷的操作。能够安装在实验室的一角,可随时使用,是一项很大的优势。再结合使用选购功能中的“温度及CO2控制培养室”,就能轻松实现长时间的活细胞延时拍摄观察。

07. 过去耗时一整天的图像处理,如今可以在一小时内完成

BZ系列不仅能让观察更加便捷,还能在拍摄后的省力化中大显身手。过去,三木先生必须先将拍摄到的图像导入计算机,再用图像处理软件对不同通道荧光进行叠加。他必须从大量图像中挑选出准确对焦的图像,再对红、蓝、绿三色的荧光图像进行叠加处理,不仅要耗费大量的时间,还不一定能够获得清晰的图像,这让他深受其苦。

BZ系列的“最佳对焦点自动捕捉功能”则能解决上述问题,它能从Z栈拍摄到的大量图像中自动抽取最佳对焦点图像,还能按照时间顺序进行编辑。三木先生表示,“过去光是合成图像,有时就要花上一整天的时间”,而改用BZ系列后,“一个小时就能完成处理,感觉耗费的精力还不到原先的1/10”。

三木先生还说,在观察、拍摄、后处理效率大幅提升后,“能够以更高的精度追求研究成果了”。这也要归功于一系列作业的便捷化,使研究者们有精力进行更加多样化的实验。可以观察过去需要消耗大量时间而被放弃的观察从而可以获得更多更严谨的数据。可以说,三木先生借助BZ系列的力量,实现了泽教授追求的“客观性验证”。顺便一提,三木先生的实验记录用图像和学会发表用图像全都是完全依靠BZ系列完成拍摄的,他本人对画质感到相当满意。

图片:由iPS细胞分化诱导出的心肌细胞……
由iPS细胞分化诱导出的心肌细胞。细胞骨骼染色清晰。
(用基恩士 BZ系列拍摄)

目前,三木先生的新工作,就是参与利用iPS细胞大量制造心肌细胞的研究。将iPS细胞分化诱导为心肌的研究如今正在全球范围内开展,但实际能够分化诱导的细胞数也只有数万个左右。三木先生正在努力研发至少能够分化诱导数百万个细胞的技术,用来制造再生治疗用的细胞膜片。只要能够制造出大量的心肌细胞,或许就能让细胞膜片再生治疗快速成为一项更具实用性的技术。

08. 通过先进血管内治疗学讲座,探索未来医疗

作为一名临床医师,泽先生在全力治疗患者的同时不忘未来医疗中心中心长的职责,致力于创建再生治疗体制。该中心今后的目标正如其名,就是指明未来医疗发展的方向。不仅要提供安全性极高的医疗,还要为目前尚无有效治疗手段的心脏疾病开发出新的治疗法。

“为了实现这一目标,我们必须打破内、外科之间的壁垒,相互取长补短,积极推动学科融合。我希望基于‘外科系循环系统讲座’的理念,积极促成新型医疗机制的诞生。目前我正在推进的心脏功能再生治疗,就是其中的一个例子。我想将准确的基础研究作为基石,尽早实现未来医疗,进行首例人体治疗。”

2007年4月,泽先生举办了名为先进血管内治疗学讲座的公益讲座。他希望借助这一讲座,向人们展示内、外科跨越壁垒后的新型医疗模式。这是一种将患者置于核心位置,由内、外科从两侧共同为疾病治疗提供支持的模式。这就是泽先生理想中的医疗体制。从中我们可以感受到,泽先生不止步于先进医学研究,更要力求变革医疗现状的强烈意志。

(截至2008年12月)

<小知识> 心肌病的基因治疗

因心肌梗塞等虚血性心脏病而发生坏死的心肌细胞是无法被修复的,这在过去的医学界被视为常识。但近年来,通过将心肌细胞移植到心肌来实现功能再生的研究正在不断推进。