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做動物實驗,要克服什麼樣的挑戰..?

做動物實驗,要克服什麼樣的挑戰..? Credit: www.understandinganimalresearch.org.uk@Flickr CC BY 2.0

動物實驗入門

工程師要如何學動物實驗,一開始就學麻醉、剃毛、開刀….對一般沒有受過醫學訓練的人,可能不容易上手,而且會有心理壓力及障礙,我個人認為或許可以先從醫師不見得會做,或醫師也沒時間去學的細胞培養開始,工程師先學習如何無菌操作、細胞株的解凍到增殖分盤繼代培養,再進一步到特定組織的原代培養(Primary culture),然後細胞毒性測試或細胞與材料的共同培養,觀察細胞從種植、貼附、分裂、增生、老化或凋亡的過程。我想對於要做植入式或侵入性醫材的工程師,這是必修的學分,對於非侵入性或體外診斷醫材的工程師也非常有用,因為細胞試驗可以觀察到細胞和所要開發產品的相對關係,變因控制也較動物實驗單純。細胞培養試驗成功不代表動物試驗一定會成功,但是,在細胞層次都沒效或有毒性,很難期待接下來的動物實驗會有效或安全。再者,細胞培養實驗之無菌操作訓練,也有助於後續執行動物實驗,對於開發產品時的滅菌製程及確效的觀念也很有助益。

接下來工程師要到莱市場和豬肉攤老板搏感情,削皮去骨留肉、半筋半肉或是內臟關節,肉攤老板都能幫你處置妥當,我們以前做軟骨試驗,肉攤老闆精湛的刀工,可以把他還可賣錢的肉都削去,關節囊完全不破壞,關結腔還能保持無菌狀態,提供我們後續不同的試驗包括細胞培養使用。因此,很多想法或打様品在這些來自肉攤的肉塊上,切一切、鑚一鑚或縫一縫就知道想法行不行得通,我們以前冰箱都備有不同的肉塊或骨頭,隨時解凍就可比劃試驗一番,這是最經濟也是最快的臨床驗證試驗。

再來就進階到活體的動物實驗,成本及方便性的考量,能做老鼠就不做兔子,兔子可以做就不要動到豬,由於動物來源和可做動物實驗的場所有限,所以平常就要和動物中心聯繫連結得非常好,隨時有一些籠位養著動物,一旦有需要進行動物實驗驗證就可以在短時間內動刀,這和快速成型(Rapid Prototyping, RP)一樣,關係到產品進化速度及開發時程。

不能做君子

我每次要做動物實驗時,總會想到以前讀書時孟子所言『君子遠庖廚』,這句話出自於《孟子‧梁惠王》:「君子之於禽獸也,見其生,不忍見其死;聞其聲,不忍食其肉。是以『君子遠庖廚』也。」。但是如果你想要做髙階醫材,工程師和醫師就不能當古人理想中的君子,要捲起袖子,磨刀霍霍向豬羊。

因此,我在招募員工時,我都會對面試者提問,你有沒有大動物實驗的經驗?沒有沒關係;那小動物呢?沒有也沒關係;有沒有培養過細胞?沒有那也沒關係;廚房中切過雞肉或豬肉?還是沒有也沒關係;最後問到你怕不怕血?做完實驗的兔子老鼠你敢不敢去犧牲它?回答怕或不敢,那就沒辦法了。這是我個人的定義,如果要開發髙階醫材,就不能遠庖廚,手不刃血,紙上談兵是做不成髙階醫材的。

小動物實驗,如老鼠或兔子,一般我們都會請醫師先示範給我們看,上枱當醫師的助手,學習如何動手術,然後下一次醫師看著我做,如果有一些把握了,再下一次就自己做。個人認為動物實驗是最好統合團隊的方法,從準備材料及器械、打包滅菌、麻醉剃毛、動刀植入到縫合包紮,並沒有辦法一個人獨立完成,需要團隊的互相幫忙及分工才有辨法完成,工程師在這過程中,可能生平第一次把針戳入肉體,也可能第一次用刀劃開皮膚肌肉,也可能第一次拿電鑚鑚骨頭,也會見到血流如注,更可能看到生命由你的手中消逝而無法挽回,這一切的第一次到熟練的過程,將可有效歷練工程師,大幅有效拉近與醫師在産品開發時之醫學知識上的距離。

如要開發植入式醫材,可由老鼠皮下植入或肌肉植入入手,植入後在不同時間犧牲取樣、固定、包埋、切片染色,當你在顯微鏡下觀察到材料在不同時間被組織包覆的情形,相信此時你對於植入材料與組織細胞間的關係,會有另外一番書本學習不到的深刻體會,當你可以進階到骨骼植入、腦膜修復、神經導管接續或建立特殊的動物模式,並建立特殊的組織染色及定性定量技術時,此時醫學與工程的知識鴻溝將搭起橋樑,工程師就不再只是工程師,而是有能力與醫師一起探索科學(Science) ,窺知上帝旨意的工程師。所以我個人覺得工程師動手做動物實驗很重要,非常重要,就如同武俠小說中練武之人,一定要學內功心法,有了內功修為,才有辦法一窺上乘武功的堂奧。

面對動物實驗失敗

另外,什麼地方最適合醫師和工程師討論臨床上未滿足的需求(unmet need)及找出意想不到的解決方法?我個人的經驗歸結,不是在窗外風景優美,吹著清涼的冷氣的會議桌上;而是在實驗剛失敗,醫師和工程師共同面對著一頭豬還倒在血泊中的手術枱上。

因為想像和真實永遠有一段很大的的落差,一個產品的設計及操作,在工程師的腦海中,往往如動畫般的流暢優美,就如同要在和風微煦風光明媚的花園中閒適漫步;但是當醫師一刀劃下,就會發現一切都不一樣了,一時風雲變色,一群人像走在颳風的傾盆大雨中,周圍的芒草比你身高還髙,又身處於沒有道路的山谷中,痛苦艱辛地向上爬坡,我常常在一旁吃力地幫醫師拉鉤,一邊向醫師建議,再用力一點,從那個角度再往下一點,這時醫師己費盡力氣面紅耳赤,就會停手,放下手中的器材,沒好氣地對我説:「你來」。

記得有一次,換我上陣時,我用力使勁一鑽,就聽到一聲尖鋭的金屬撕裂聲,金屬環鋸就像麻花捲般扭曲碎裂,金屬片像炸彈碎片般深陷散佈在髖關節的骨骼深處,那時我嚇到渾身冒出一身冷汗,如果這發生在人身上,那還得了!
接下來就像飛機失事後的飛安調查一般,將豬隻犧牲,在血泊中將股骨完整取出,X光攝影,剖骨取出碎片進行分析,原來是環鋸中心的導引針(guide pin)與環鋸的同心圓偏軸,就差那一兩條(一條相當於頭髮的直徑,約10um,業界機械專業師傅的用語),在骨頭中偏軸髙熱磨擦,又加上金屬的硬化熱處理沒做好,我用力的角度又不對,綜合因素下,環鋸在骨骼中就碎裂失事了。

在大動物實驗中,醫師與工程師將遭遇無數的困難與挑戰,過程中,一下子這邊出狀況,一下子那邊又砸鍋,累了一整天,常常充滿挫折與失敗,髙階醫材的研發,就在這血泊中匍匐前進,追求卓越!

文章轉載自:台灣醫療器材創新設計討論區

圖片來源:www.understandinganimalresearch.org.uk@Flickr  CC BY 2.0


作者簡介

廖俊仁

廖俊仁 博士。台灣生醫材料公司CEO&共同創辦人。大同大學材料工程博士,麻省理工學院博士後研究。先前任職於工業技術研究院生醫與材料研究所副組長/ 醫材中心副組長,有15年以上醫材開發資歷。