這是張照片〈Dr. Carlos Alberto Muñoz〉所拍攝,一種名叫”Alona sp.”甲殼綱生物,照片中的它呈現出了淡黃和橙兩種顏色,頗像一副藝術作品,顏色鮮豔,十分美麗。例用微分干涉顯微鏡放大100倍所拍攝。Pages: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
本文與 TRPMA 台灣研發型生技新藥發展協會合作,泛科學企劃執行
如果把癌細胞比喻成身體裡的頭號通緝犯,那誰來負責逮捕?
許多人第一時間想到的,可能是化療、放療這些外來的「賞金獵人」。但其實,我們體內早就駐紮著一支最強的警察部隊「免疫系統」。
既然「免疫系統」的警力這麼堅強,為什麼癌症還是屢屢得逞?關鍵就在於:癌細胞是偽裝高手。有的會偽造「良民證」,騙過免疫系統的菁英部隊;更厲害的,甚至能直接掛上「免查通行證」,讓負責巡邏的免疫細胞直接視而不見,大搖大擺地溜過。
過去,免疫檢查點抑制劑的問世,為癌症治療帶來突破性的進展,成功撕下癌細胞的偽裝,也讓不少患者重燃希望。不過,目前在某些癌症中,反應率仍只有兩到三成,顯示這條路還有優化的空間。
今天,我們要來聊的,就是科學家如何另闢蹊徑,找出那些連「通緝令」都發不出去的癌細胞。這個全新的免疫策略,會是破解癌症偽裝的新關鍵嗎?
在回答問題之前,我們先從人類對抗癌症的「治療演變」說起。
最早的「傳統化療」,就像威力強大的「七傷拳」,殺傷力高,但不分敵我,往往是殺敵一千、自損八百,副作用極大。接著出現的「標靶藥物」,則像能精準出招的「一陽指」,能直接點中癌細胞的「穴位」,大幅減少對健康細胞的傷害,副作用也小多了。但麻煩的是,癌細胞很會突變,用藥一段時間就容易產生抗藥性,這套點穴功夫也就漸漸失靈。
直到這個世紀,人類才終於領悟到:最強的武功,是驅動體內的「原力」,也就是「重新喚醒免疫系統」來對付癌症。這場關鍵轉折,也開啟了「癌症免疫療法」的新時代。
你可能不知道,就算在健康狀態下,平均每天還是會產生數千個癌細胞。而我們之所以安然無恙,全靠體內那套日夜巡邏的「免疫監測 (immunosurveillance)」機制,看到癌細胞就立刻清除。但,癌細胞之所以難纏,就在於它會發展出各種「免疫逃脫」策略。
免疫系統中,有一批受過嚴格訓練的菁英,叫做「T細胞」,他們是執行最終擊殺任務的霹靂小組。狡猾的癌細胞為了躲過追殺,會在自己身上掛出一張「偽良民證」,這個偽裝的學名,「程序性細胞死亡蛋白配體-1 (programmed death-ligand 1, PD-L1) 」,縮寫PD-L1。
當T細胞來盤查時,T細胞身上帶有一個具備煞車功能的「讀卡機」,叫做「程序性細胞死亡蛋白受體-1 (programmed cell death protein 1, PD-1) 」,簡稱 PD-1。當癌細胞的 PD-L1 跟 T細胞的 PD-1 對上時,就等於是在說:「嘿,自己人啦!別查我」,也就是腫瘤癌細胞會表現很多可抑制免疫 T 細胞活性的分子,這些分子能通過免疫 T 細胞的檢查哨,等於是通知免疫系統無需攻擊的訊號,因此 T 細胞就真的會被唬住,轉身離開且放棄攻擊。
這種免疫系統控制的樞紐機制就稱為「免疫檢查點 (immune checkpoints)」。而我們熟知的「免疫檢查點抑制劑」,作用就像是把那張「偽良民證」直接撕掉的藥物。良民證一失效,T細胞就能識破騙局、發現這是大壞蛋,重新發動攻擊!
目前免疫療法已成為晚期癌症患者心目中最後一根救命稻草,理由是他們的體能可能無法負荷化療帶來的副作用;標靶藥物雖然有效,不過在用藥一段期間後,終究會出現抗藥性;而「免疫檢查點抑制劑」卻有機會讓癌症獲得長期的控制。
由於免疫檢查點抑制劑是借著免疫系統的刀來殺死腫瘤,所以有著毒性較低並且治療耐受性較佳的優勢。對免疫檢查點抑制劑有治療反應的患者,也能獲得比起化療更長的存活期,以及較好的生活品質。
不過,儘管免疫檢查點抑制劑改寫了治癌戰局,這些年下來,卻仍有些問題。
「免疫檢查點抑制劑」雖然帶來治療突破,但還是有不少挑戰。
首先,是藥費昂貴。 雖然在台灣,健保於 2019 年後已有條件給付,但對多數人仍是沉重負擔。 第二,也是最關鍵的,單獨使用時,它的治療反應率並不高。在許多情況下,大約只有 2成到3成的患者有效。
換句話說,仍有七到八成的患者可能看不到預期的效果,而且治療反應又比較慢,必須等 2 至 3 個月才能看出端倪。對患者來說,這種「沒把握、又得等」的療程,心理壓力自然不小。
為什麼會這樣?很簡單,因為這個方法的前提是,癌細胞得用「偽良民證」這一招才有效。但如果癌細胞根本不屑玩這一套呢?
想像一下,整套免疫系統抓壞人的流程,其實是這樣運作的:當癌細胞自然死亡,或被初步攻擊後,會留下些許「屍塊渣渣」——也就是抗原。這時,體內負責巡邏兼清理的「巨噬細胞」就會出動,把這些渣渣撿起來、分析特徵。比方說,它發現犯人都戴著一頂「大草帽」。
接著,巨噬細胞會把這個特徵,發布成「通緝令」,交給其他免疫細胞,並進一步訓練剛剛提到的菁英霹靂小組─T細胞。T細胞學會辨認「大草帽」,就能出發去精準獵殺所有戴著草帽的癌細胞。
而PD-1/PD-L1 的偽裝術,是發生在最後一步:T 細胞正準備動手時,癌細胞突然高喊:「我是好人啊!」,來騙過 T 細胞。
但問題若出在第一步呢?如果第一關,巡邏的警察「巨噬細胞」就完全沒有察覺這些屍塊有問題,根本沒發通緝令呢?
這正是更高竿的癌細胞採用的策略:它們在細胞表面大量表現一種叫做「 CD47 」的蛋白質。這個 CD47 分子,就像一張寫著「自己人,別吃我!」的免死金牌,它會跟巨噬細胞上的接收器─訊號調節蛋白α (Signal regulatory protein α,SIRPα) 結合。當巨噬細胞一看到這訊號,大腦就會自動判斷:「喔,這是正常細胞,跳過。」
結果會怎樣?巨噬細胞從頭到尾毫無動作,癌細胞就大搖大擺地走過警察面前,連罪犯「戴草帽」的通緝令都沒被發布,T 細胞自然也就毫無頭緒要出動!
這就是為什麼只阻斷 PD-L1 的藥物反應率有限。因為在許多案例中,癌細胞連進到「被追殺」的階段都沒有!
為了解決這個問題,科學家把目標轉向了這面「免死金牌」,開始開發能阻斷 CD47 的生物藥。但開發 CD47 藥物的這條路,可說是一波三折。
研發抗癌新藥,就像打造一把神兵利器,太強、太弱都不行!
第一代 CD47 藥物,就是威力太強的例子。第一代藥物是強效的「單株抗體」,你可以想像是超強力膠帶,直接把癌細胞表面的「免死金牌」CD47 封死。同時,這個膠帶尾端還有一段蛋白質IgG-Fc,這段蛋白質可以和免疫細胞上的Fc受體結合。就像插上一面「快來吃我」的小旗子,吸引巨噬細胞前來吞噬。
問題來了!CD47 不只存在於癌細胞,全身上下的正常細胞,尤其是紅血球,也有 CD47 作為自我保護的訊號。結果,第一代藥物這種「見 CD47 就封」的策略,完全不分敵我,導致巨噬細胞連紅血球也一起攻擊,造成嚴重的貧血問題。
這問題影響可不小,導致一些備受矚目的藥物,例如美國製藥公司吉立亞醫藥(Gilead)的明星藥物 magrolimab,在2024年2月宣布停止開發。它原本是預期用來治療急性骨髓性白血病(AML)的單株抗體藥物。
太猛不行,那第二代藥物就改弱一點。科學家不再用強效抗體,而是改用「融合蛋白」,也就是巨噬細胞身上接收器 SIRPα 的一部分。它一樣會去佔住 CD47 的位置,但結合力比較弱,特別是跟紅血球的 CD47 結合力,只有 1% 左右,安全性明顯提升。
像是輝瑞在 2021 年就砸下 22.6 億美元,收購生技公司 Trillium Therapeutics 來開發這類藥物。Trillium 使用的是名為 TTI-621 和 TTI-622 的兩種融合蛋白,可以阻斷 CD47 的反應位置。但在輝瑞2025年4月29號公布最新的研發進度報告上,TTI-621 已經悄悄消失。已經進到二期研究的TTI-622,則是在6月29號,研究狀態被改為「已終止」。原因是「無法招募到計畫數量的受試者」。
但第二代也有個弱點:為了安全,它對癌細胞 CD47 的結合力,也跟著變弱了,導致藥效不如預期。
於是,第三代藥物的目標誕生了:能不能打造一個只對癌細胞有超強結合力,但對紅血球幾乎沒反應的「完美武器」?
為了找出這種神兵利器,科學家們搬出了超炫的篩選工具:噬菌體(Phage),一種專門感染細菌的病毒。別緊張,不是要把病毒打進體內!而是把它當成一個龐大的「鑰匙資料庫」。
科學家可以透過基因改造,再加上AI的協助,就可以快速製造出數億、數十億種表面蛋白質結構都略有不同的噬菌體模型。然後,就開始配對流程:
接著,就是把這把「神鑰」的結構複製下來,大量生產。可能會從噬菌體上切下來,或是定序入選噬菌體的基因,找出最佳序列。再將這段序列,放入其他表達載體中,例如細菌或是哺乳動物細胞中來生產蛋白質。最後再接上一段能號召免疫系統來攻擊的「標籤蛋白 IgG-Fc」,就大功告成了!
目前這領域的領頭羊之一,是美國的 ALX Oncology,他們的產品 Evorpacept 已完成二期臨床試驗。但他們的標籤蛋白使用的是 IgG1,對巨噬細胞的吸引力較弱,需要搭配其他藥物聯合使用。
而另一個值得關注的,是總部在台北的漢康生技。他們利用噬菌體平台,從上億個可能性中,篩選出了理想的融合蛋白 HCB101。同時,他們選擇的標籤蛋白 IgG4,是巨噬細胞比較「感興趣」的類型,理論上能更有效地觸發吞噬作用。在臨床一期試驗中,就展現了單獨用藥也能讓腫瘤顯著縮小的效果以及高劑量對腫瘤產生腫瘤顯著部分縮小效果。因為它結合了前幾代藥物的優點,有人稱之為「第 3.5 代」藥物。
除此之外,還有漢康生技的FBDB平台技術,這項技術可以將多個融合蛋白「串」在一起。例如,把能攻擊 CD47、PD-L1、甚至能調整腫瘤微環境、活化巨噬細胞與T細胞的融合蛋白接在一起。讓這些武器達成 1+1+1 遠大於 3 的超倍攻擊效果,多管齊下攻擊腫瘤細胞。
從撕掉「偽良民證」的 PD-L1 抑制劑,到破解「免死金牌」的 CD47 藥物,再到利用 AI 和噬菌體平台,設計出越來越精準的千里追魂香。
對我們來說,最棒的好消息,莫過於這些免疫療法,從沒有停下改進的腳步。科學家們正一步步克服反應率不足、副作用等等的缺點。這些努力,都為癌症的「長期控制」甚至「治癒」,帶來了更多的希望。
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本文轉載自顯微觀點
2024 台灣顯微攝影競賽金獎「致命之美:癌細胞的雙面表演」清晰呈現癌細胞分裂前張牙舞爪的瑰麗生命力。作者何俊達身為神經科學領域的博士後研究員,拍攝這張獲獎照片的動機卻是興趣使然。
處在嚴謹專業的學術領域,何俊達不僅把顯微攝影看作必要的研究技術,也是他蒐集奇妙影像、磨鍊美感的方法。何俊達笑說,「細胞愈奇怪,我就愈喜歡。我有一個小資料夾,叫做 Ugly Beautiful Cell,專門放這些奇怪的細胞。」獲得金獎的乳癌細胞影像,就屬於這個珍藏資料夾。
何俊達說,「這張照片其實是無心插柳1,我大概只花了 30 分鐘拍攝。第一眼只覺得『好怪,好漂亮!』後來嘗試不同套色的時候才發現,我拍得滿不錯。」他補充道,雖共軛焦系統得到的螢光訊號一開始僅是單色的,但使用者可自行選擇套色,而顏色的選擇就反映了這個人的色彩美學,還有當下對影像的感受。
1. 金獎作品之細胞材料由Drexel University, the Romano Lab – Olivia El Naggar 提供,作者何俊達鳴謝其協助。
這個資料夾舊名「Unknown Beautiful Cell」(UBC),後來何俊達想到「醜」的台語/閩南語(䆀,bái)諧音像「my」,改名為「Ugly Beautiful Cell」,台英混合就讀做「Bái/My Beautiful Cell」。
拍攝這幅影像時,他直覺「必須省略一些資訊,才能得到最好的畫面。」便取消細胞中心區域將近一半的顯微掃描。因此影像中細胞周邊放射狀的偽足(filopodia)骨架相當清晰立體,但是細胞中心的「屋頂」骨架卻並未呈現,觀眾能直接看穿細胞膜,視野直達癌細胞的生命中心。
這個細胞即將進行分裂,染色質逐漸凝聚成染色體,在核酸染色之下形成諸多鮮明的獨立色塊,而不是螢光均勻的常見細胞核。因為染色質(chromatin)只有在細胞複製期會疊合纏繞成染色體(chromosome),其餘時候四散分布在細胞核內。
何俊達強調,「這個影像是調整染色體疊合比例的成果,透過刻意減少一部分的疊合,反而可以讓不同深度的染色體看來更有稜有角、具立體感。疊加所有的Z軸影像,反而會讓畫面變雜亂」
何俊達的構圖想像力,源自他在大學時期對攝影的愛好。他感嘆,以前經常拍攝自然風景、人物等多樣題材,在博士班期間忙碌到必須擱置相機。「有一天我用著顯微鏡,忽然想到,這樣進行顯微攝影,我其實也是在拍攝風景!」他對攝影的愛好日漸投射到顯微攝影,融入他的科學生涯。
何何俊達與實驗室主持人穆琪教授攝於卓克索大學醫學院藥理與生理學系。 何俊達提供俊達得獎感言:「 感謝顯微觀點給我這個獎項,這個金獎對我而言意義重大。我的科學研究道路並不順遂,跌跌撞撞的也過了 20 年。從微生物學,病理學,到了神經科學,我一直都相信好的結果也必須使用好的呈現方法,不然只是孤芳自賞,所以不曾忘記磨鍊自己的取景視角以及畫面美感。
我發現「美」不必然只與正常的事物有關聯,只要細細地整理觀察,美其實存在於許多小角落中,包含癌細胞之中。最後,雖然無法親自領獎與大家討論細節著實可惜,但希望大家可以享受這個展覽,體會顯微世界的美好。」
在費城卓克索大學進行博士後研究的何俊達,也曾在台灣讀過生物領域的博士班,但他直言,他的顯微攝影技術在美國才得到大幅進展。
技術進步的最大關鍵,是在卓克索大學可以得到「自由使用顯微鏡的時間」。他說,「同仁都很準時下班,因此晚上我可以待在實驗室,自由使用共軛焦顯微系統,得到反覆trial and error的機會。」
例如,不同解析度、對影像反摺積(deconvolution)計算的次數,許多細微的差別只有在分析數據的時候才能發現。
何俊達指出,實驗室主持人穆琪教授(Dr. Olimpia Meucci)也不介意他下班後持續練習使用顯微系統。他說,「這邊的風氣比較寬容,很願意提供試錯的機會。嘗試很久也沒關係,能夠一起檢討、最後產出足夠的成果就好。」
對於晚間繼續操作顯微鏡的辛苦,何俊達笑稱,「一個留學生晚上就算只回家看電視,還是要花電費。我在實驗室用顯微鏡反而省錢。」這些摸索顯微技巧的時光省下多少電費是未知數,但是在後來的研究中大幅提升了影像處理的效率。
顯微攝影技術之外,何俊達也在穆琪指導下得到較多的實驗自由。他在台灣讀博士班時「感覺自己像是教授的手」,雖然看似對實驗方法有選擇空間,但實際上只能採用指導教授偏好的作法。
何俊達提及,他在美國遇到的教授通常不會對實驗方法直接提供選擇,因為許多學生的研究題目因為時代的不同,或許已經有了更新穎的工具可以回答,那他們自己對這些工具沒有使用的實際經驗,「他們會問『你想怎麼做?』然後爬梳這個提案的合理性、可行性,透過實驗設計的邏輯和經驗進行評估。」
他也坦承,在美國的生醫研究資源比較豐富,通常不用擔心經費。即使研究提案包含團隊裡無人熟練的技術,教授也通常樂意協助學生到其他實驗室去學習並合作,或是安排技師前來教學。
2024 年夏天,何俊達終於獲得博士學位。他的研究集中於細胞趨化因子 CXCL12 如何調控神經細胞樹突棘(dendritic spines)生成及活動,並延伸到對腦皮層網絡結構的影響,未來可能成為腦部疾病的新藥物基礎。
樹突棘是神經元樹突上的小凸起,會與其他神經元的軸突末端形成突觸,接收外來訊號,是學習與記憶的基礎神經構造。新的體驗與學習行為,會讓神經元生成新的樹突棘。
何俊達以體外培養的方式純化大鼠腦部皮層的神經細胞,並使用顯微技術成像與量化分析觀察 CXCL12 分子,發現它可以促使樹突棘的新生成、導致樹突棘聚集密度增加,並穩定尚未完全成熟的樹突棘,以吸引更多的突觸蛋白質(synaptic protein)累積於樹突棘,進而得到穩定的突觸結構,鞏固神經之間的連繫。
同時,何俊達也以活體細胞成像方法,使用鼠腦急性切片(acute slice)觀察 CXCL12 的作用。他將實驗鼠大腦取出,迅速在低溫溶液中切片,浸入常溫人工腦脊髓液,以保持腦神經活性,確保在顯微鏡下觀察到腦神經接近活體的狀態。
這項技術對穆琪團隊而言相當新穎,何俊達說,「光是以類腺病毒將綠色螢光蛋白正常表現,且讓螢光能在樹突棘上漂亮表現出來,就花了我一整年的時間,連真正的實驗都還沒開始。」因為腦神經很脆弱,要找到能表現足夠螢光、同時維持神經活性的載體病毒種類、濃度並不容易。
動物自然衰老或因疾病導致的腦部病變過程中,經常觀察到程度不一的樹突棘退化。例如阿茲海默症患者腦部經常出現嚴重的樹突棘減少、分布逐漸稀疏、萎縮等現象。而人類免疫缺乏病毒 (Human Immunodeficiency Virus/HIV)陽性的患者,也有可能會遭遇樹突棘構造退化,並發展出認知衰退障礙症(HIV- Associated Neurocognitive Disorders, HANDs)。
何俊達解釋說,「相對於台灣的肝病比例較美國多,美國則是 HIV 相關的疾病比台灣多上許多。雖然患者現在可以用雞尾酒療法抑制體內病毒的複製,血液中檢驗不出病毒量,但將近一半的患者可能因為潛伏在腦中的 HIV 出現神經發炎反應,導致神經細胞以及其樹突棘的退化,且我們已知這些退化現象與認知衰退有著高度相關性。」
他補充,自第一起美國的 HIV 病患開始(1980 年代),多數患者現在年事已高,臨床上不容易判定是腦部的自然年老衰退,或是 HIV 產生的病毒蛋白、甚至由於雞尾酒藥物本身導致神經元加速退化,但認知衰退是 HIV 患者間亟需正視的臨床現象。
同時,美國 HIV 患者的感染率與藥物濫用的問題有高度相關,鴉片類藥物與 HIV 可能同時對他們的腦部產生傷害。這個集體健康議題備受美國社會重視,穆琪實驗室選擇從藥理、神經生理層面切入研究,因此得到公共經費的充分支持。
何俊達笑稱,他很感謝他太太沒有要他放棄博士班研究。他回憶道,「前年 12 月,我太太來美國找我慶祝聖誕假期,準備一起去德國再度蜜月。我因為實驗進度不夠,還跟她說『我會晚一點回家』,她難以置信我要晾她一人在家。」幸好在聖誕節之前,何俊達順利得到實驗成果。
何俊達能加入資源豐沛、自由度高的科學團隊,並非出自好運或美國遍地都是研究經費,而是經過明確的現實考量。他解釋說,「我知道這個團隊的興趣與我相符,並且實驗室經費資源以及系所資源多元豐富,才做出選擇的。申請的門檻與競爭當然也不容易。」
當年,何俊達決定中斷讀到第五年的本地博士班,轉投海外從頭來過。他笑說,「畢竟前一個博班只讀到一半,所以投了20多家學校,沒有一家要收我。」後來經過朋友介紹,他才知道卓克索大學醫學院重視藥理與生理,畢業校友在生醫業界有一席之地。因此他瞄準了資源充沛、志趣相符的穆琪團隊。
何俊達申請加入穆琪團隊的過程並不簡單,儘管那時何俊達已經在台大的博士班磨練了5 年,他並沒有直接取得博士班的入取許可,反而是先取得了碩士班的機會。他回憶,「為了把握這個機會,我只好貸款在費城讀碩士班。」
兩年後,何俊達與一位實驗室同儕競爭直升博士班的名額,這個轉換學程的考試,要在 3 周內寫 3 份報告,接著會有 3 位教授進行口頭審核。何俊達回想自己能獲得資格的原因,「這個考試看重的並不是答案完全正確,而是能解釋為什麼自己要這麼寫。」
儘管博士班路程比一般人想像的路程更加漫長,剛獲得博士學位不久的何俊達認為,自己比起很多人已經相當幸運。
他坦言,相對於可以快速應用的工程科學,多數生命科學家的研究成果無法在幾年內應用到臨床情境、形成社會貢獻,卻能持續得到公共經費進行研究,其實是幸運又奢侈的職業。
何俊達說,「其實基礎科學家像是被社會寵壞的一群夢想家,社會不問實際回報地支持他們做自己熱愛的夢。我想,社會允許這樣的一群人存在,是因為其中偶爾有一個人會做出改變社會的巨大貢獻。」他補充,「現實一點,也可以看成是對社會進步的保險」
何俊達獲得台灣顯微攝影競賽金獎,除了獎金還包含一台解剖顯微鏡。這台顯微鏡將轉贈給他的姪子。何俊達說,姪子小時候很喜歡昆蟲,負笈海外之後不知道姪子還喜不喜歡觀察昆蟲,但希望這台顯微鏡可以維持他對自然與生物的好奇心。
何俊達分享道,「每個人都該有個不求回饋的興趣,沒人提供報酬也可以得到快樂的興趣,像是攝影和顯微攝影帶給我的滿足。希望這台顯微鏡可以啟發我姪子建立自己的興趣。」
本篇專訪的英文版:“Beauty” Exists Beyond the Norm: An Interview with Chunta Ho
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擴張顯微術、免疫螢光標記搭配雷射共軛焦顯微鏡,果蠅腦部緻密的多巴胺神經網路展開在我們眼前。初看猶如璀璨星雲,接近端詳就能發現神經束繁複清晰,聯繫著綻放光芒的神經元,猶如從太空站觀看的都會夜景。
這張精彩的作品「Wiring the Brain」,是以果蠅大腦探索連接體學,尋找腦部運作奧秘的路線圖之一,由清華大學腦科學中心的博士生劉柏亨拍攝。獲得 2023 Taiwan 顯微攝影競賽銀獎,不僅是劉柏亨在追求科學真相途中的額外收穫,也是他對自己多元興趣的重要實踐。
大學時主修材料科學的劉柏亨,從「自修復材料」開始,研究興趣逐漸從工程領域轉向仿生(Bio-inspired)科技。他的碩士班題目是以生物晶片模仿心臟,作為藥物篩選平台。對他自己和指導教授都是嶄新的題目。
「我是個很好動的人,因此選擇了一個全天都在活動的器官。」
——劉柏亨說,當時雖有學長研究細胞遷移,但對他來說還不夠「動感」,因此選擇團隊中沒有先例的心臟作為研發目標。
以仿生材料模擬心臟的過程中,劉柏亨意識到,「我對細胞、組織的基本原理還不夠了解,容易以工程師的觀念模擬心臟特性,有時會違反真實、整體的生理學。」他因此萌生了建立生醫知識基礎的求知慾。
劉柏亨想要挑戰更複雜的器官,進入江安世院士領導的清華大學腦科學研究中心攻讀博士,將短期具體研究目標放在「腦神經的影像化」,長期的探索方向則是「系統性地理解『生命現象』」。
劉柏亨說明,上一階段的生命科學著重精準分析特定分子的功能,逐步研究細胞生理的單一面向。但人體不只由數種分子或細胞組成,而是上兆個細胞形成群體、互相影響,才展現出人類個體的生命表現。
以系統生物學(Systems Biology)觀念,整合地理解人類生命,是劉柏亨著迷的目標。他說,因為分子與細胞生物學研究充分累積,現今的生醫知識基礎與技術成熟,已形成科學家投入系統生物學的良好時機。
其中最吸引他的,是呈現腦神經系統的「連接體(Connectome)」及探究其整體運作的「連接體學(Connectomics)」。
連接體學是探究精神官能症狀、神經性疼痛、認知退化等腦部相關疾病的最新路徑。解碼線蟲、果蠅等模式生物較為簡單的神經連接體,將能推動對人類腦部運作方式的理解,也是神經生物學與醫學的關鍵方向。
系統生物學重視聯繫與整合的思維,不僅是劉柏亨追求知識的途徑,也延伸了他對生物學專業與社會的觀點。
這位接連跨足不同領域的博士生說,擷取腦神經影像的程序從前端的生物材料製備,到後端影像系統的工程科技都不可或缺,不是一個人的專業能力能夠包辦。
他因此體悟,每張顯微影像都結合多種專業,而生物學的每一步進展也是不同領域科學家努力的整體成果,並非一個天才在單一領域獨力鑽研而成。
「許多不同的神經細胞彼此透過突觸聯繫彼此,建構出有神奇功能的腦。就像是人與人建立連結,建構社群與社會。」
——劉柏亨在頒獎典禮現場如此介紹自己獲獎的顯微影像。
這張螢光染色的果蠅腦神經多巴胺網路圖,輸出到超過人腦的截面積,依然清楚呈現星羅棋布的迴路與神經元。跨越繞射極限的清晰成像,要歸功於擴張顯微術(Expansion Microscopy)與劉柏亨逐步改良工法的耐心。
劉柏亨解釋,擴張顯微術中「分解」步驟對螢光訊號最為關鍵。蛋白酶能夠有效分解(digest)樣本的蛋白質骨架,讓樣本順利擴張,但是會犧牲不少螢光蛋白與解析度。
替代方法是以藥物促使蛋白質變性(denature)降低張力,維持螢光訊號強度,但是樣本擴張過程會有較多阻撓,導致結構變形。劉柏亨說,
「結構變形,就不是原本要追求的東西,訊號再強也沒有用。」
他笑稱自己「『像個工程師』地追求實驗最佳化,把兩種分解途徑混成雞尾酒,每一杯都稍微調整改良。」他調和兩種分解概念,嘗試不同藥劑濃度、工序、實驗溫度;或以生物素化(Biotinylation, 在樣本擴張前使用), 鍵擊化學(Click Chemistry, 在樣本擴張後使用)放大螢光訊號。
經過了近四十份的樣本製作與拍攝,終於得到滿意的影像。他敘述製作過程的語氣輕快,其實每一次擴張顯微術的製備與拍攝,都是漫長嚴謹的科學工作。
每一組樣本(大約十顆果蠅腦)的免疫螢光染色工期大約一週,擴張過程耗時三至四天;以轉盤式共軛焦顯微鏡拍攝單顆擴張的果蠅腦樣本,則需要 18 小時左右;接著要花上一整天,等待軟體拼接壓縮上萬張圖片。
獲獎的「Wiring the Brain」就是超過 10 萬張顯微照片的拼接疊合而成,包含將原本立體的影像透過專用軟體壓縮成平面。劉柏亨譬喻,「打開全新的 iPhone15 Pro,按住快門連拍直到記憶體滿載罷工,就是一張果蠅連接體影像需要的容量。」
繁密的連接體影像,不僅讓劉柏亨在連接體學的迷宮中前進,也能滿足他對美感與藝術的追求。在實驗室外也是攝影愛好者的劉柏亨,本學期正在修習清大科技藝術研究所曹存慧老師的生物藝術課程。
劉柏亨興奮地分享,他正與組員規劃虛擬展覽「藝術家的生物學實驗室」,模擬一個身懷生物科技的藝術家,會如何規劃他的實驗室。
腦機介面、組織再生、基因工程,是三個劉柏亨想要優先呈現的技術。
從編輯 DNA,改變蛋白質,最後型態出現差異,基因工程是現代生物技術的基礎。組織再生可以展現生物體修復能力與生醫工程的可能性。腦機介面則是最直接觸及心智能力、感官範疇,也結合最多精密工程技術的領域。
「這個藝術家本身帶有基因或感官的缺陷,試圖用生物科技延伸他的感官。參觀者能體驗生物科技延伸感官、改變身體的能力,並從中反思我們作為個體存在於環境中,與環境互動的關係。」
——劉柏亨解釋藝術計畫的初衷,一如對顯微技術的投入。
與藝術學院同學合作的過程中,劉柏亨發現組員們對生物學的知識足夠,較為不同的是,藝術領域的組員對於色彩組合或實驗操作,常常比科學領域的學生更加直覺,帶來浪漫的不確定性及意外的創造性。這種風格能與劉柏亨的藝術追求產生共鳴,但是科學研究必須要求精確,在浪漫與精確之間拿捏,也是他練習的目標。
另一方面,藝術學院的組員也常引導劉柏亨設計出更簡潔的生物學科普展示;或是透過討論,讓他想傳達的科學概念更具體明確。
從攝影、腦神經到生物藝術,劉柏亨喜歡讓心智保持活躍與好奇。他形容自己,「每天我都需要新的刺激,我喜歡讓學習新事物成為生活的常態。」他對顯微技術的投入,也是由碩士班期間的好奇心開啟。
當時的實驗室備有共軛焦顯微鏡,劉柏亨並不負責保養,也不須理解光路,但是好奇心驅使他向前來校正的工程師陳正義學習。劉柏亨說「正義哥算是我的顯微技術啟蒙老師,只要他出現在實驗室,我就會站在旁邊追問。」
現在劉柏亨遇到超越既有能力的顯微技術問題,不僅會和團隊成員討論,也會向其他實驗室的技術人員,甚至教授求教。參與不同團隊合作架設光學系統的過程,讓他深入了解雷射共軛焦顯微技術的原理,並體驗以精密工程逐步實現理論。
劉柏亨認為,顯微技術不僅是延伸感官的工具,更提供理解周遭世界的全新方式。隨著理解方式改變,好奇心與探索的內在動力會源源不絕地湧出。
「顯微鏡其實是激起好奇心的動力引擎。」
——劉柏亨認為從日常生活進入微觀世界,最重要的回饋是對人內在的激勵,不只是外在的觀察。
對自己的研究目標轉換,劉柏亨說「心臟的細胞運作起來具有高協同性,像是訓練有素的樂儀隊。但腦神經的運作瞬息萬變,隨時變化,更像是社會中的人際連結。」儘管像是越級打怪,他仍想探索更複雜的生命系統。
說到自己對生物學的內在動機,劉柏亨回憶,「我一直記得電影《機器管家》(Bicentennial Man,1999 年上映)。透過機械工程組合無機的零件,可以模擬一個真實的人類,與人建立感情。其中一定需要對生命原理的了解,非常神秘。」
對複雜生命現象進行整合研究,進而建立精密的仿生系統,這個系統不僅可能成為藥品篩選、器官再生平台,在更遠的未來可能成為人的延伸,甚至模仿人的整體生命表現。
這個猶如科幻小說楔子的目標,由劉柏亨敏銳的好奇心與多元的科學技藝積累堆砌而成。他說,
「在理解、實現這個系統的過程中,我會掌握生命的意義。」
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