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有機生物電子材料:連結細胞與元件,實現《攻殼機動隊》科幻未來的鑰匙

研之有物│中央研究院_96
・2017/11/16 ・3664字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 566 ・九年級

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「有機生物電子材料」是什麼?

尤嘯華常跟學生說:「左手掌握分子,右手掌握奈米,就可以做很多事!」在中研院化學所尤嘯華副研究員的實驗室中,藉由模仿生物體結構,設計不同的有機導電高分子化合物。目前已合成許多仿生材料,將能因應不同領域的需求,開發出各種生物電子元件。

有機生物電子:「電子元件」結合「生物醫學」

「生物電子」技術不只存在於《攻殼機動隊》的草薙素子、《海賊王》的佛朗基體內,現今許多醫療發展,也在研究如何將電子元件植入生物體內,藉此了解神經退化疾病,或是篩選、純化癌細胞等等。 圖片來源/iStock

我們很常遇到的問題是,別人認為電子元件與生物體接觸的「介面材料」不重要,有些只專注於優秀的電子元件,但若沒有良好的接觸介面,遲早會有問題。

尤嘯華點出這個容易被忽略的問題,將電子元件放入生物體內時,大多只在意電子元件本身的功能,卻鮮少留意生物體的細胞是否會接受這個電子元件、是否會產生危險的異物反應。

生物體由有機分子組成,尤嘯華團隊開發的生物電子材料也由有機分子構成。在團隊的「有機智慧材料實驗室」中,開發出各種有機導電高分子化合物,可運用於生物醫學領域,做為人機裝置的介面材料——也就是「電子元件」與「生物體」接觸的那一層「薄膜」。不但有助電子元件完成任務,也提升電子元件與細胞接觸的相容性。

一般對「材料」的理解可能是:一塊石頭就是一塊石頭、一塊鋼鐵就是一塊鋼鐵。但「有機生物電子」所運用的「有機智慧材料」,取師於大自然中常見的含羞草,若用指尖給予含羞草壓力,植物細胞結構變化會帶動開闔反應。

記憶金屬、熱反應及光反應等智慧材料,就好比含羞草,若遇到環境中的觸發機制,會隨之產生響應式的分子結構變化。

尤嘯華仔細尋找著電腦中密密麻麻的資料夾,找出常用來向大家介紹的兩個有機生物電子研究:「仿生細胞薄膜」與「奈米晶片追蹤癌細胞轉移」。 攝影/張語辰

仿生細胞薄膜:讓電子元件與細胞順利互動

雖然生物體的中樞神經、腦細胞對「電流」訊號有反應,但若直接將電子元件植入體內,例如心臟血管支架或是矽晶片,可能會被細胞排斥、產生異物反應。因此,需要一個「模仿生物細胞結構」的「薄膜介面」,鋪設在植入生物體內的電子元件上,讓電子元件得以穩定地和生物細胞互動。

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若將「目標細胞」比喻為「鎖」,則「仿生細胞薄膜」的分子結構就像一把「鑰匙」,要能與鎖的洞口相容,並開啟生物反應機制。

「仿生細胞薄膜」的原理,就是藉由了解細胞膜如何辨識體外的組織,來模仿細胞膜的成分與結構。

雖然過去的研究中,有些認為直接以「高分子」作為介面材料即可,但尤嘯華認為「有機導電高分子材料 (PEDOT) 」打造的「仿生細胞薄膜」是更好的選擇,因為本身可以導電傳輸訊號、又帶有模擬生物分子機制的特性,可以作為電子元件和細胞的黏著劑,或成為傳遞生物訊號的通道,也有助延長電子元件的壽命。

(1)細胞膜上的特定受器 (integrin) 會辨識「仿生細胞薄膜」上的特定胜肽 (peptide),宛如鎖孔與鑰匙結合。(2)為了避免細胞非特異性的沾黏,「仿生細胞薄膜」還需加上模仿細胞膜的親水性結構。 資料來源/尤嘯華提供。圖說重製/王怡蓁、張語辰

奈米偵測晶片:追蹤癌細胞數量與特性

由於某些癌症不容易切片檢驗,例如腦癌或肺癌,因此將「奈米偵測晶片」放入抽血得到的血液中,可以偵測到從原生腫瘤或轉移性腫瘤脫離出來、透過循環系統轉移的癌細胞,更準確且更方便地取得癌症資訊。

「奈米偵測晶片」加上特別設計的有機奈米結構,可用來辨識血液中的癌細胞、計算數量變化、或抓取純化癌細胞,提供數據給醫生參考。

尤嘯華團隊研發的另一個仿生細胞薄膜應用,就是透過「奈米偵測晶片」抓取血液中的「循環癌細胞」,以利後續純化出癌細胞,分析其數量變化及基因資訊。 資料來源/尤嘯華提供 圖說重製/王怡蓁、張語辰。

這項技術主要是利用有機導電高分子的奈米結構,裝上硼酸分子的官能基團,會跟癌細胞抗體上醣尾端的寡醣產生鍵結,奈米偵測晶片就能把循環癌細胞抓取下來,並進一步純化細胞。

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這能用來偵測前列腺癌的癌細胞 RNA 訊號變化,幫助醫生從血液中的資訊判斷哪個病人是前列腺癌的高危險群。另一個可能性,也有機會運用於孕檢,孕婦只需抽血檢查,就能透過「奈米偵測晶片」偵測胚胎中紅血球的特性。

這項從 2008 年左右開始與 UCLA 的曾憲榮教授合作進行的「奈米偵測晶片」研究,尚有一些挑戰待優化。首先,癌細胞的量非常稀少,如何抓到取出體外,這過程很困難;其次,要確保取出的癌細胞,在離開存活環境後的生物訊號不會變質。

「我希望跟合作夥伴可以有正向循環,而不是做好一個東西讓你直接用。」尤嘯華期待能與更多醫療和生物團隊合作、討論,優化材料和元件的設計。 圖說設計/王怡蓁、張語辰。

問:科幻電影有人體植入晶片的情節,這有可能嗎?

答:科幻電影其實是很有啟發性的,對科學家來說,沒有什麼事是不可能的。只要是可以幫助人們的技術,我都願意嘗試發展。

例如,最近我們實驗室有個技術,可能有機會應用於研究神經退化疾病。透過設計生物電子元件的官能基團分子結構,可以培養取出體外的「神經細胞」,並在體外給予電流刺激、培養神經細胞。當神經細胞長好後,可以再透過生物電子元件,將它放回生物體內,確保神經細胞不會被破壞。

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透過會沾黏、不沾黏的導電高分子材料 (PEDOT) 介面設計,讓有些地方跟神經細胞產生鍵接,控制神經細胞在介面上產生格狀排列。 資料來源/尤嘯華提供。

問:為何會想把「電子元件」跟「生物體」結合?

答:台灣的強項是電子產業,但我想做些不一樣的事,我喜歡原創性、概念性的研究項目。

我在美國麻省理工學院有機化學博士班時,原本研究的是「化學偵測器」,後來對「生物偵測器」也產生興趣。這兩者的設計原理相近,但偵測的對象不同。化學偵測器用於偵測炸藥或是環境中的污染物,而生物偵測器用來偵測生物體內物質的改變,像是蛋白質、醣類或 DNA 的變化。這些生物電子的開發都相當有趣,有許多醫生或是電機專業的研究人員投入研發,卻缺乏更多「材料」的開發。

現在我們實驗室的成果是從 2004 年就開始研發的,當時單純只是想知道電子元件如何進入生物體內,是否能以「有機分子化合物」的材料來協助。例如,蛋白質的胺基酸都是一樣的醯胺鍵鏈結,但在分子結構中不同的地方裝上不同的官能基,會創造出各式各樣的用途。我們的研究目標不只著重於應用層面,也希望能開發出更多有機智慧材料。

問:研究過程中,遇到的困難?

答:

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最大的挑戰是與不同領域的人溝通,還有找到願意理解不同領域語言的夥伴。

在有機生物電子元件的研究過程中,需要各種合作夥伴。在前端可能要有生物學家,而且是研究分子基理的專家,而應用端則需要醫生,這樣才能知道醫界的需求是什麼。剛開始還沒有研究成果時,很難說服其他領域的人合作,所以我試著到不同領域的研討會演講,主動尋找更多合作機會。

問:研發這些生物電子材料,都能派上用場嗎?

答:(思考了幾秒後說)我們實驗室已經研發出很多介面材料,但是到底有什麼可以真正拿來應用?從科學、到科技、到應用、再到產品,這個過程非常困難,而走上市場的這條路更是艱辛。

以我博士班的指導教授 Timothy M. Swager 為例,他應用先進的科學原理,花了十幾年研發,開發出偵測 TNT(三硝基甲苯)氣體的機器,現在已經應用於阿富汗及伊拉克戰區,用來偵測炸藥及詭雷 。這是我研究生涯中,最受到啟發的事。這也不能只靠一己之力,未來我希望可以跟更多團隊合作,開發出可以改變人類生活的應用。

就算開發了 100 個材料都沒用,但第 101 個可以進入市場、幫助到別人,那就很好了。

延伸閱讀

 

CC 4.0

 

本著作由研之有物製作,以創用CC 姓名標示–非商業性–禁止改作 4.0 國際 授權條款釋出。

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人體吸收新突破:SEDDS 的魔力
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/05/03 ・1194字 ・閱讀時間約 2 分鐘

本文由 紐崔萊 委託,泛科學企劃執行。 

營養品的吸收率如何?

藥物和營養補充品,似乎每天都在我們的生活中扮演著越來越重要的角色。但你有沒有想過,這些關鍵分子,可能無法全部被人體吸收?那該怎麼辦呢?答案或許就在於吸收率!讓我們一起來揭開這個謎團吧!

你吃下去的營養品,可以有效地被吸收嗎?圖/envato

當我們吞下一顆膠囊時,這個小小的丸子就開始了一場奇妙的旅程。從口進入消化道,與胃液混合,然後被推送到小腸,最後透過腸道被吸收進入血液。這個過程看似簡單,但其實充滿了挑戰。

首先,我們要面對的挑戰是藥物的溶解度。有些成分很難在水中溶解,這意味著它們在進入人體後可能無法被有效吸收。特別是對於脂溶性成分,它們需要透過油脂的介入才能被吸收,而這個過程相對複雜,吸收率也較低。

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你有聽過「藥物遞送系統」嗎?

為了解決這個問題,科學家們開發了許多藥物遞送系統,其中最引人注目的就是自乳化藥物遞送系統(Self-Emulsifying Drug Delivery Systems,簡稱 SEDDS),也被稱作吸收提升科技。這項科技的核心概念是利用遞送系統中的油脂、界面活性劑和輔助界面活性劑,讓藥物與營養補充品一進到腸道,就形成微細的乳糜微粒,從而提高藥物的吸收率。

自乳化藥物遞送系統,也被稱作吸收提升科技。 圖/envato

還有一點,這些經過 SEDDS 科技處理過的脂溶性藥物,在腸道中形成乳糜微粒之後,會經由腸道的淋巴系統吸收,因此可以繞過肝臟的首渡效應,減少損耗,同時保留了更多的藥物活性。這使得原本難以吸收的藥物,如用於愛滋病或新冠病毒療程的抗反轉錄病毒藥利托那韋(Ritonavir),以及緩解心絞痛的硝苯地平(Nifedipine),能夠更有效地發揮作用。

除了在藥物治療中的應用,SEDDS 科技還廣泛運用於營養補充品領域。許多脂溶性營養素,如維生素 A、D、E、K 和魚油中的 EPA、DHA,都可以通過 SEDDS 科技提高其吸收效率,從而更好地滿足人體的營養需求。

隨著科技的進步,藥品能打破過往的限制,發揮更大的療效,也就相當於有更高的 CP 值。SEDDS 科技的出現,便是增加藥物和營養補充品吸收率的解決方案之一。未來,隨著科學科技的不斷進步,相信會有更多藥物遞送系統 DDS(Drug Delivery System)問世,為人類健康帶來更多的好處。

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肺癌治療不悲觀,精準抗癌交給基因檢測!
careonline_96
・2024/04/05 ・2556字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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給 每一位剛踏上抗癌路上的鬥士與戰友
精準醫療的發展,在肺癌治療發揮良好的成效,一旦診斷了晚期肺腺癌後,只要可以選用到對的藥物,病情就能得到很好的控制,在標靶藥物的治療過程中,病友也大多可以維持原有的生活品質,建議病友在治療的旅途中,積極面對,勇敢的對抗它,是最好的方式。若能持續穩定控制下去,後續就有更多的新藥,更多的機會。

——中山醫學大學附設醫院胸腔腫瘤科主任陳焜結醫師

肺癌進入精準醫療時代 基因檢測扮演重要角色

近年來標靶藥物已突破晚期肺癌的治療瓶頸,具有 EGFR 突變的晚期肺腺癌病友,一般來說使用標靶藥物就能夠發揮良好治療成效,可是仍是會有一小部分病友,對於標靶藥物有效的時間特別短,若是在出現抗藥後,建議病友可以接受次世代基因定序(NGS),就有機會找到可能的原因。陳焜結醫師分享一名病友,一開始吃標靶藥物沒有效,在根據次世代基因定序檢測結果調整藥物後,病情便穩定下來,治療至今已一年半,成效維持得很好。

肺癌治療已進入精準醫療的時代,基因檢測扮演非常重要的角色。陳焜結醫師說,如果基因檢測顯示病友具有 EGFR、ALK 等驅動基因,便可選擇相對應的標靶藥物,我們能夠讓對的病友,使用對的藥,就可以得到很好的治療成效,也是提升治療成效的重要關鍵。

在進行基因檢測時,現階段較常使用的方法是每次檢驗一個基因。陳焜結醫師表示,臨床上會從常見的 EGFR 開始檢驗,如果沒有 EGFR,再依序檢驗 ALK、ROS1 等基因。這樣的做法對健保而言,較有經濟效益,但可能較為耗時,因為每驗一個基因,病友就需要等待 1 週至 2 週的時間,且每次檢驗都必須使用一部分從腫瘤取下來的檢體,在經過多次檢驗後,就有可能出現沒有足夠的檢體可以使用的情況。

 標靶藥物未發揮效果或抗藥後 可利用次世代基因定序(NGS)找線索

而次世代基因定序(NGS)是透過大量篩檢基因的方式,雖然需要使用較多的檢體,但是一次可以檢驗多個基因,從送出檢體到收到報告,大概需要 2 週至 3 週,卻可以提供比較多的資訊,幫助調整治療策略。陳焜結醫師說,針對驅動基因使用標靶藥物後,大部分病友都很有效,但是約有兩成的病友在使用標靶藥物後,沒有發揮預期效果,這時候我們就可以從次世代基因定序中找到一些線索。

過去即遇過一些病友,明明有驗到 EGFR 基因,但是卻對標靶藥物沒有反應,且惡化很快。我們從次世代基因定序(NGS)裡發現,病友其實還有其他基因的突變,像是 MET 基因,於是加上 MET 抑制劑後,就得到很好的控制。此外,次世代基因定序(NGS)還有另一個用處,就是在癌細胞出現抗藥性、病情變化之後,醫師會需要知道是否出現新的基因突變,便需要用到次世代基因定序(NGS)。

初確診晚期肺癌的病友通常都會很徬徨,陳焜結醫師說,假如一位沒有抽菸的肺腺癌病友,利用健保給付進行幾項基因檢測後,都沒有發現驅動基因,則建議可以考慮做次世代基因定序(NGS),在找到所屬的基因突變後,接下來的重點則是了解病友的體能狀態,心臟、肺臟、肝臟、腎臟等器官功能,以及是否有糖尿病、高血壓等慢性病,再把整個治療計畫與病友討論清楚,協助病友開始進入治療,建立信心。

 她的故事 談自我照顧

 肺癌治療藥物種類多 沒有悲觀的需要

什麼是圓滿的人生?當生命走到盡頭,在天堂門口回憶一生時,幸福過,也為別人帶來過幸福,就沒有遺憾。電影「一路玩到掛」兩個男主角完成一件又一件的人生清單,最後都回歸家庭。因著罹癌,我發現過去沒有善待身體,沒有好好陪伴家人,罹癌讓我更看重家庭,增加與爸媽相處的時間。

2021 年 1 月,因為腰痠、腸胃不適和體重減輕,確診肺癌四期加上腦轉移,才 51 歲的我,簡直五雷轟頂難以置信。剛罹癌時,太太瞞著我逼問醫師還有多久的時間,醫師給了標準答案「3 到 6 個月」。從醫師口中被宣判掛點的我,卻在後來發生了兩件讓我感動到飆淚的事,一是透過基因檢測我們找到了對應的標靶藥物,二是未來有機會可以動手術。

了解疾病的走向與治療策略對病友有益,也會使人生出信心。一位心理科醫師把癌症比喻為身上的壞小孩,我們要想方設法把壞小孩變好,而不是想要把它趕出去,然後就是面對它、接受它、處理它、放下它。

我以前喜歡在外亂跑,熬夜晚睡經常外食,現在改吃原型食物,登山步道練體能提升肺活量,降低工作量,調整身體狀況。標靶藥物的副作用讓我的皮膚變得脆弱,洗澡時容易在鼻頭附近滲點血,甲溝炎大約一個月要找皮膚科醫師剪指甲,腹瀉時而出現,調養後次數減少,體重也慢慢回穩。

老天爺把門給關了,但留了一條縫給我,在病友社團裡學習到人生的意義,是愛和給予。提醒正在讀這封信的你,剛確診時情緒不免慌亂,為了調養身體就想把工作辭掉,我的勸告是「不要」,沒工作容易胡思亂想,少了經濟收入會成為日後治療的隱憂,最好先請假,治療穩定後回到職場,經濟穩定能建立自信心,對治療也很有幫助。

快樂掌握在自己手上,簡簡單單過生活,也能把生活過得有滋有味,生命中的受苦事件,會引導我們踏上有意義的旅程。治療肺癌的藥物很多,所以真的沒有悲觀的需要!

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有機生物電子材料:連結細胞與元件,實現《攻殼機動隊》科幻未來的鑰匙
研之有物│中央研究院_96
・2017/11/16 ・3664字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 566 ・九年級

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「有機生物電子材料」是什麼?

尤嘯華常跟學生說:「左手掌握分子,右手掌握奈米,就可以做很多事!」在中研院化學所尤嘯華副研究員的實驗室中,藉由模仿生物體結構,設計不同的有機導電高分子化合物。目前已合成許多仿生材料,將能因應不同領域的需求,開發出各種生物電子元件。

有機生物電子:「電子元件」結合「生物醫學」

「生物電子」技術不只存在於《攻殼機動隊》的草薙素子、《海賊王》的佛朗基體內,現今許多醫療發展,也在研究如何將電子元件植入生物體內,藉此了解神經退化疾病,或是篩選、純化癌細胞等等。 圖片來源/iStock

我們很常遇到的問題是,別人認為電子元件與生物體接觸的「介面材料」不重要,有些只專注於優秀的電子元件,但若沒有良好的接觸介面,遲早會有問題。

尤嘯華點出這個容易被忽略的問題,將電子元件放入生物體內時,大多只在意電子元件本身的功能,卻鮮少留意生物體的細胞是否會接受這個電子元件、是否會產生危險的異物反應。

生物體由有機分子組成,尤嘯華團隊開發的生物電子材料也由有機分子構成。在團隊的「有機智慧材料實驗室」中,開發出各種有機導電高分子化合物,可運用於生物醫學領域,做為人機裝置的介面材料——也就是「電子元件」與「生物體」接觸的那一層「薄膜」。不但有助電子元件完成任務,也提升電子元件與細胞接觸的相容性。

一般對「材料」的理解可能是:一塊石頭就是一塊石頭、一塊鋼鐵就是一塊鋼鐵。但「有機生物電子」所運用的「有機智慧材料」,取師於大自然中常見的含羞草,若用指尖給予含羞草壓力,植物細胞結構變化會帶動開闔反應。

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記憶金屬、熱反應及光反應等智慧材料,就好比含羞草,若遇到環境中的觸發機制,會隨之產生響應式的分子結構變化。

尤嘯華仔細尋找著電腦中密密麻麻的資料夾,找出常用來向大家介紹的兩個有機生物電子研究:「仿生細胞薄膜」與「奈米晶片追蹤癌細胞轉移」。 攝影/張語辰

仿生細胞薄膜:讓電子元件與細胞順利互動

雖然生物體的中樞神經、腦細胞對「電流」訊號有反應,但若直接將電子元件植入體內,例如心臟血管支架或是矽晶片,可能會被細胞排斥、產生異物反應。因此,需要一個「模仿生物細胞結構」的「薄膜介面」,鋪設在植入生物體內的電子元件上,讓電子元件得以穩定地和生物細胞互動。

若將「目標細胞」比喻為「鎖」,則「仿生細胞薄膜」的分子結構就像一把「鑰匙」,要能與鎖的洞口相容,並開啟生物反應機制。

「仿生細胞薄膜」的原理,就是藉由了解細胞膜如何辨識體外的組織,來模仿細胞膜的成分與結構。

雖然過去的研究中,有些認為直接以「高分子」作為介面材料即可,但尤嘯華認為「有機導電高分子材料 (PEDOT) 」打造的「仿生細胞薄膜」是更好的選擇,因為本身可以導電傳輸訊號、又帶有模擬生物分子機制的特性,可以作為電子元件和細胞的黏著劑,或成為傳遞生物訊號的通道,也有助延長電子元件的壽命。

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(1)細胞膜上的特定受器 (integrin) 會辨識「仿生細胞薄膜」上的特定胜肽 (peptide),宛如鎖孔與鑰匙結合。(2)為了避免細胞非特異性的沾黏,「仿生細胞薄膜」還需加上模仿細胞膜的親水性結構。 資料來源/尤嘯華提供。圖說重製/王怡蓁、張語辰

奈米偵測晶片:追蹤癌細胞數量與特性

由於某些癌症不容易切片檢驗,例如腦癌或肺癌,因此將「奈米偵測晶片」放入抽血得到的血液中,可以偵測到從原生腫瘤或轉移性腫瘤脫離出來、透過循環系統轉移的癌細胞,更準確且更方便地取得癌症資訊。

「奈米偵測晶片」加上特別設計的有機奈米結構,可用來辨識血液中的癌細胞、計算數量變化、或抓取純化癌細胞,提供數據給醫生參考。

尤嘯華團隊研發的另一個仿生細胞薄膜應用,就是透過「奈米偵測晶片」抓取血液中的「循環癌細胞」,以利後續純化出癌細胞,分析其數量變化及基因資訊。 資料來源/尤嘯華提供 圖說重製/王怡蓁、張語辰。

這項技術主要是利用有機導電高分子的奈米結構,裝上硼酸分子的官能基團,會跟癌細胞抗體上醣尾端的寡醣產生鍵結,奈米偵測晶片就能把循環癌細胞抓取下來,並進一步純化細胞。

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這能用來偵測前列腺癌的癌細胞 RNA 訊號變化,幫助醫生從血液中的資訊判斷哪個病人是前列腺癌的高危險群。另一個可能性,也有機會運用於孕檢,孕婦只需抽血檢查,就能透過「奈米偵測晶片」偵測胚胎中紅血球的特性。

這項從 2008 年左右開始與 UCLA 的曾憲榮教授合作進行的「奈米偵測晶片」研究,尚有一些挑戰待優化。首先,癌細胞的量非常稀少,如何抓到取出體外,這過程很困難;其次,要確保取出的癌細胞,在離開存活環境後的生物訊號不會變質。

「我希望跟合作夥伴可以有正向循環,而不是做好一個東西讓你直接用。」尤嘯華期待能與更多醫療和生物團隊合作、討論,優化材料和元件的設計。 圖說設計/王怡蓁、張語辰。

問:科幻電影有人體植入晶片的情節,這有可能嗎?

答:科幻電影其實是很有啟發性的,對科學家來說,沒有什麼事是不可能的。只要是可以幫助人們的技術,我都願意嘗試發展。

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例如,最近我們實驗室有個技術,可能有機會應用於研究神經退化疾病。透過設計生物電子元件的官能基團分子結構,可以培養取出體外的「神經細胞」,並在體外給予電流刺激、培養神經細胞。當神經細胞長好後,可以再透過生物電子元件,將它放回生物體內,確保神經細胞不會被破壞。

透過會沾黏、不沾黏的導電高分子材料 (PEDOT) 介面設計,讓有些地方跟神經細胞產生鍵接,控制神經細胞在介面上產生格狀排列。 資料來源/尤嘯華提供。

問:為何會想把「電子元件」跟「生物體」結合?

答:台灣的強項是電子產業,但我想做些不一樣的事,我喜歡原創性、概念性的研究項目。

我在美國麻省理工學院有機化學博士班時,原本研究的是「化學偵測器」,後來對「生物偵測器」也產生興趣。這兩者的設計原理相近,但偵測的對象不同。化學偵測器用於偵測炸藥或是環境中的污染物,而生物偵測器用來偵測生物體內物質的改變,像是蛋白質、醣類或 DNA 的變化。這些生物電子的開發都相當有趣,有許多醫生或是電機專業的研究人員投入研發,卻缺乏更多「材料」的開發。

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現在我們實驗室的成果是從 2004 年就開始研發的,當時單純只是想知道電子元件如何進入生物體內,是否能以「有機分子化合物」的材料來協助。例如,蛋白質的胺基酸都是一樣的醯胺鍵鏈結,但在分子結構中不同的地方裝上不同的官能基,會創造出各式各樣的用途。我們的研究目標不只著重於應用層面,也希望能開發出更多有機智慧材料。

問:研究過程中,遇到的困難?

答:

最大的挑戰是與不同領域的人溝通,還有找到願意理解不同領域語言的夥伴。

在有機生物電子元件的研究過程中,需要各種合作夥伴。在前端可能要有生物學家,而且是研究分子基理的專家,而應用端則需要醫生,這樣才能知道醫界的需求是什麼。剛開始還沒有研究成果時,很難說服其他領域的人合作,所以我試著到不同領域的研討會演講,主動尋找更多合作機會。

問:研發這些生物電子材料,都能派上用場嗎?

答:(思考了幾秒後說)我們實驗室已經研發出很多介面材料,但是到底有什麼可以真正拿來應用?從科學、到科技、到應用、再到產品,這個過程非常困難,而走上市場的這條路更是艱辛。

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以我博士班的指導教授 Timothy M. Swager 為例,他應用先進的科學原理,花了十幾年研發,開發出偵測 TNT(三硝基甲苯)氣體的機器,現在已經應用於阿富汗及伊拉克戰區,用來偵測炸藥及詭雷 。這是我研究生涯中,最受到啟發的事。這也不能只靠一己之力,未來我希望可以跟更多團隊合作,開發出可以改變人類生活的應用。

就算開發了 100 個材料都沒用,但第 101 個可以進入市場、幫助到別人,那就很好了。

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「痛、很痛、超級痛!」你有多痛?疼痛有客觀標準嗎?哪些因素會影響疼痛感受?——《痛:牛津非常短講》
左岸文化_96
・2024/03/25 ・6573字 ・閱讀時間約 13 分鐘

測量疼痛

疼痛程度能被客觀測量嗎?

在二十世紀的前半,設計來檢測人類痛覺的機制主要是呼應從純粹身體觀點量測痛覺組成的需求。痛的主觀特質(或更直接地稱為由受測者本人提供的證據)若是遭到忽視還算最好的情況,在最糟的情況下甚至會遭到貶抑。疼痛程度應該要可以客觀量測出來,或說這就是大家進行相關研究的基本依據;一個人感受自己疼痛的方式與個性、道德觀,或甚至性別及種族有關。

再加上醫學的主要功能就是要檢測出傷病並尋求醫治的這種想法持久不衰,疼痛便成為次要的關注重點,只被視為反映出「眞正」問題的指標。疼痛的測量及客觀性因此被刻意保持著疏離、冷淡的狀態,與其說是缺乏同情的立論基礎,還不如說是完全置身於同情的範疇之外。

醫學的主要功能就是要檢測出傷病並尋求醫治的這種想法持久不衰,疼痛便成為次要的關注重點。
圖|pixabay

研究者主要想建立的是痛覺敏感度指數。他們希望知道人體的疼痛要到什麼程度才可以被偵測出來。一般而言,在受控的條件下,不同的疼痛程度顯然可以反映出受試者的文明程度、犯罪傾向,又或者相對「野蠻」的狀態。大家一直都知道,每個人的疼痛閾値——痛無法再被忍受下去的臨界點——差異甚大,不過痛在每個人身上可以被感受出來的最低程度是否具有根本性差異仍是重要議題。

痛的現代史是建立在主張特定「種類」的人不是對痛的刺激更為敏感、就是更難以忍受疼痛的研究之上。這對尋求專業醫療協助的疼痛患者造成了實質上嚴重的後果。他們獲得治療的程度——包括施加的麻醉劑劑量和醫護人員提供的同情心——可能都會跟種族、年紀和性別直接相關。

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疼痛敏感度能成為犯罪證據?忽視痛覺主觀性,能幫助醫生更精準診斷嗎?

相當令人感到奇怪的是,生產可以測量疼痛敏感度的設備——痛覺計(algometer)或測痛儀(dolorimeter)——是心理學家和生理學家範疇內的工作。龍勃羅梭(一八三五─一九○九)因為在著作《犯罪人》(一八七六)中提出了犯罪類型分類而聞名,他採用了德國生理學家杜布瓦-雷蒙(一八一八-一八九六)開發的設備,透過電流刺激測量個體的疼痛敏感度及疼痛閾値。根據他的結論,成為罪犯的人對痛覺的「感受度較不敏銳,有時甚至完全感受不到」。而疼痛測量儀的數據就可以提供證據。

龍勃羅梭認為成為罪犯的人對痛覺的「感受度較不敏銳,有時甚至完全感受不到」。
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龍勃羅梭的研究是基於犯罪特質可以透過遺傳而來的理論,而且強調相關跡象都可以在人體上發現。他決心要透過比較(無論死活的)罪犯以及非罪犯之間的特質來證明這項理論,而獲得的結果非常驚人、具有高度影響力,但卻又毫無根據可言。不過他的例子可以反映出當時更為廣泛的趨勢。痛覺測量在機械領域的推進讓心理學家不再推敲心靈方面的非物質性運作,而改為追求物質性且具體可測的皮膚敏感度,並藉此探討大腦處理痛覺的各種相關能力(跟心靈完全不同的領域)。

另外在一九四○年的紐約醫院進行了一個計畫,他們將一盞燈的熱度聚焦在患者皮膚的一塊區域,然後記錄患者會開始感到疼痛的溫度,以及此疼痛到什麼程度會變得無法忍受。這是想將痛覺變成客觀可測量性質的一項新嘗試,其中帶有兩層意涵。

首先,痛覺若是可以被精準地測量出來,或許就能更有效地治療疼痛。其次,如果痛覺可以被測量,醫療體系就能更精準地評估患者對痛覺的反應(或可以無視哪些反應)。擁有機械測量的痛覺數據可以幫助臨床醫生超越(或甚至消滅)痛覺帶有各種隱喻且不甚精確的主觀性質。有些人就是會喜歡高報或低報自己受苦的程度,而這類傾向可以不再對醫療體系處理疼痛的藥物造成影響。

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痛覺若是可以被精準地測量出來,或許就能更有效地治療疼痛。其次,如果痛覺可以被測量,醫療體系就能更精準地評估患者對痛覺的反應(或可以無視哪些反應)。
圖|stocksnap

可是問題在於這個痛覺量測系統不管用,至少任何一個實驗室的結果都無法在其他實驗室複製出來,因為受測對象可以在受過訓練後忍受不同程度的疼痛。外界刺激在受控條件下首先被人感知到的數値至少算是有找到共同的範圍,但疼痛閾値卻因為各種理由而出現各式各樣的差異,更何況個體實在很少(甚至不知道是否可能有)處於不受任何外在條件影響的「中性」狀態。

各種機械理論

人類的所有特質、體驗都能被測量及量化?

如果說與疼痛相關的機械性研究大多得算是笛卡兒的功勞,那是因為他被認定說過一些話,而那些話又顯然能讓後人從中發現一種透過「疼痛路徑」運作的特定機制。若是遵循這樣的笛卡兒觀點,人類這架機器被認定內建一個特定的痛覺系統,此系統將皮膚的神經末梢連結到脊椎,再連結到大腦中的「痛覺中心」。十九世紀以降的生理學家在勤奮不懈的努力下開始尋找特定的痛覺接收神經,或說所謂的「傷害感受器」(nociceptor)。

人類這架機器被認定內建一個特定的痛覺系統,此系統將皮膚的神經末梢連結到脊椎,再連結到大腦中的「痛覺中心」。
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他們認定所有形式的人類特質及體驗都可以被測量及量化,於是透過大腦秤重的數據建立起以種族、性別為指標的智商系統、透過頭骨的測量顯示文明化的程度,甚至利用各種精良的技巧拍攝臉部後描繪出「犯罪可能性等級」。另外還有一些「疼痛纖維」(pain fibres)被描述成跟特定種類的疼痛有關、又或者跟不同規模的疼痛有關。根據這種方式,大腦只是用來接受特定疼痛輸入訊號的接收器。於是自一九六○年代以來,疼痛量表等級可能跟傷勢程度呈正相關的基本前提已被確信是明顯錯誤的想法。

將疼痛以機械性解釋有哪些侷限?

沒有被這種機械性簡化手段抹消並在當代神經科學中獲得進一步探究的部分,是科學家依據刺激的種類及程度,將受激發的不同神經末梢做出分類。我們現在知道,人的體驗和神經刺激之間沒有絕對的相關性。雖然我們還是會用「傷害感受器」這個詞,但它們發出的訊號在成為痛覺前必須先通過大腦的解讀。機械性簡化看法的另一個問題在於,儘管這種說法用來描述一個人將腳放進火堆的情況看似合適,卻無法解釋那些無視特定神經損傷或直接刺激程度而出現的疼痛。於是又有更進一步的機械性解釋來試圖解決這個謎團。

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為了解釋跟初始神經刺激不成比例的巨大疼痛反應,一八八○到一九五○年代出現了各種「(痛覺刺激及反應)模式」理論。有人假設一定是在脊髓中發生了某種反應,而且這個由原本末梢神經接收刺激所啟動的反應可以自我維持或甚至自我加強。隨著神經系統機制愈來愈常使用電機工程學的語言來比喻(而且使用的程度驚人),人們開始可以想像神經元在脊髓的「線路」中產生「反饋迴路」,因而「引起共振」並激發鄰近的其他神經元。正如原本那幅插圖所暗示,這種神經啟動的模式可以永無休止地延續下去,就算接受過治療或甚至原初起因已消失也沒關係(例如幻肢痛)。

機械性簡化看法的另一個問題在於,儘管這種說法用來描述一個人將腳放進火堆的情況看似合適,卻無法解釋那些無視特定神經損傷或直接刺激程度而出現的疼痛。於是又有更進一步的機械性解釋來試圖解決這個謎團。
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這個觀點的問題在於,這種帶有反饋迴路的電路板比喻想像起來容易,眞正要在實驗中發現卻有其難度。同樣地,疼痛方面的病變一直以來都被想像成一個「正常」的疼痛「電路系統」出現問題的結果,若要類比,就像是有訊號在特定種類的疼痛纖維中受到增強。在當代神經科學及疼痛管理領域中,這些理論的許多元素後來都證明在建構更全面性的疼痛體驗理論時很有幫助,但同時也必須超越「刺激帶來體驗」這種純然的機械性關係。

機械性關係以外的其他觀點?

直到一九六○年代,科學機構內外才開始出現批評的聲音——最有名的批評者是孔恩(一九二二-一九九六)和之後的拉圖(一九四七-)——這些人指出社會脈絡在科學工作中所扮演的重要角色,以及埋藏在社會脈絡中的各種想法及預設。到了更近期,達斯頓和蓋里森在他們的著作《客觀性》(二○○七)中重建了「客觀性」的概念。現在,所謂的「事實」已會被許多人視為透過特定框架後建構而來的偏頗資訊。這種不確定性為相關研究開展了全新的寬敞大道,但眞正的改變卻很慢才出現。

早在一八九四年,美國心理學家馬歇爾(一八五二-一九二七)曾有力地指出,快樂和痛苦都是心理狀態的不同特質;兩者是與情緒、感官、心靈和身體相連的「意識元素」,不過就在目睹摩根生產出行為主義式「定律」的這一年,這種全面性的思考觀點卻幾乎沒產生什麼漣漪。當痛的研究在一九七○年代確實開啟了痛覺的情緒及社會組成的相關探討之際,在醫療實務上對於能夠確切測量、判斷並診斷的既存需求,卻讓痛覺和傷害之間的機械關係得以續命。

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馬歇爾曾有力地指出,快樂和痛苦都是心理狀態的不同特質;兩者是與情緒、感官、心靈和身體相連的「意識元素」。
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傷害的意象

第一份讓患者掌握自身疼痛體驗內涵的醫療評估問卷?

臨床醫生數十年來都帶著對痛的多面向理解在實務現場工作。梅爾扎克(一九二九-)和托格森(一九二四-一九九九)在一九七一年開發出了麥吉爾疼痛問卷。那是為了讓患者足以掌握自身疼痛體驗內涵的第一個精密醫療評估工具。疼痛問卷將痛的形容詞及比喻根據痛的強度進行分組,然後依照「感覺」、「情感」、「評價」和「其他相關」四種項目進行分類,再搭配圖表指出身體上的疼痛位置,另外還會針對其他症狀及一般生活方式進行整體評估。

此問卷的前提在許多案例中獲得證實,也就是受疼痛所苦之人會用類似的詞彙來描述特定的疼痛症候群。因此,疼痛問卷帶來的質化觀點對臨床醫療人員很有幫助,能讓他們在一開始更有機會根據患者對自身疼痛狀況的評估做出正確診斷。

梅爾扎克和托格森在一九七一年開發出了麥吉爾疼痛問卷。那是為了讓患者足以掌握自身疼痛體驗內涵的第一個精密醫療評估工具。
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當言語無法精準描述,我們如何形容疼痛感受?

乍看之下,這是將疼痛體驗的情感特質重新導入醫療體系的成功應對方式,並因此讓臨床評估朝新的方向前進,但這種做法還是有其限制。疼痛問卷被翻譯成許多其他語言時使用了同樣的武器修辭,或說同樣有關受傷、割傷、刺傷、射傷、揍傷或壓傷的各種比喻。許多學者都指出,這些用來描述人類疼痛體驗的比喻被使用的時間久得驚人,彷彿我們沒有足以訴說疼痛的直接用詞,所以非得求助於這些傷害意象。

不過,這種顯而易見的限制掩蓋了存在於人們陳述中的驚人豐富性及深度。隨著時間過去,武器的種類當然改變了,描述武器對人類造成的傷害種類也出現了更多具有想像力的比喻性說法。此外,隨著語言的改變,人們會發現無論是問卷中的表達方式、代表意義及所處脈絡,都具有難以將其中分類普遍化的細微差異。翻譯的政治(更別說是做法)總是會引發誰的用語足以建立起基本分類架構的疑慮:我們應該要採用患者、醫生,還是譯者的用語?

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為了聽見疼痛的主觀陳述而定下語言框架的嘗試,反而造成了將痛客觀化的效應。
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一旦語言被認定為一個人描述主觀體驗的重要資訊載體,我們就很難將其限制在事先規範好的定義及分類中。疼痛問卷成功地將許多當時在英文中常用的疼痛描述整理在一起,不過也可能限縮了人們在未來描述疼痛的用詞。當醫療人員把一連串描述性用詞交給患者並要求他們找出「符合」自身痛感的詞彙時,這種做法很可能會被視為一種具有高度暗示性及影響力的策略,因為這份用詞淸單暗示了這些詞彙已捕捉到了疼痛的本質。

這種做法對某些人來說可能有用,但有些人即便感覺不太對勁,仍得努力將這些用詞硬套到自身的感受上。另外還有些人在覺得這些用詞完全無法用來描述自己的狀況時,甚至會開始質疑自己的疼痛是否眞實存在。為了聽見疼痛的主觀陳述而定下語言框架的嘗試,反而造成了將痛客觀化的效應。

說到底,一九七○和八○年代在尋求痛的情感特質時,是放入由固定價値觀所掌控的基模(schema)中,就像身體的疼痛値也是由機械主導的客觀數値來決定。患者的聲音並不是沒被聽見,但也受到既有的量測方式取代。

受教育程度會影響疼痛體驗嗎?疼痛分類因文化不同有所差異?

根據一份由哈里森所進行的研究指出,當麥吉爾疼痛問卷在科威特被翻譯成阿拉伯文時,編纂者非常淸楚意識到,即便是在當地社群內部也出現了溝通上的語言偏差。受過教育的科威特人因為懂英文而擁有較多字彙量,因此可用「對一般患者而言過於深奧」的詞彙來描述他們的痛覺。難道這代表他們的疼痛體驗也就因此有所不同嗎?我們很可能永遠不會知道,因為這類描述被有意識地迴避掉了。

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有意思的是,阿拉伯文譯者也迴避了對慢性疼痛患者伸出援手,因為「他們的痛覺評分標準跟那些……經歷急性疼痛的人相比有系統性的不同」。如果有人記得的話,麥吉爾疼痛問卷一開始的設計是要嘗試深入理解疼痛症候群的疼痛體驗——也就是完全以受到慢性疼痛所苦的人為目標——因此我們可以認定這個翻譯策略反而阻礙了這項量測工具原本的概念性目標。

受過教育的科威特人因為懂英文而擁有較多字彙量,因此可用「對一般患者而言過於深奧」的詞彙來描述他們的痛覺。難道這代表他們的疼痛體驗也就因此有所不同嗎?
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二十世紀醫學對於調查對象必須在各項數値方面完全中立的需求,阻礙了我們去探索疼痛體驗中的一項核心元素,因為那個核心元素本身就是作為一種情感的主觀値。疼痛情感的語言表述——人們針對自身感受說出的話——本身抗拒任何精確的製表及分類作為。科威特的那些譯者對此擁有第一手體驗,他們發現原本在英文中被歸類為「感覺」的詞彙,在翻譯後更接近「情感」或「評價」的類別。

這些作者後來做出結論,「我們有很充足的理由認定,疼痛分類會因為不同文化而有所差異。」比如他們就找不出翻譯「射傷」(shooting)這種痛覺的詞彙。在此同時,義大利文把「射傷」這種痛覺翻譯成「像是床墊彈簧反彈」的痛。

整體而言,根據二○○九年由雪梨的喬治國際健康研究所做的研究,麥吉爾疼痛問卷被翻譯成了二十六種語言,研究發現這些翻譯後的問卷效力普遍不佳,並建議必須謹愼使用這些「非英語版本」的問卷。這些不同版本的問卷中描述疼痛的詞彙從四十二到一百七十六個不等,反映出了人類口中疼痛體驗的豐富程度。這些疼痛反抗或拒絕被分類列表的特質只顯示了人們不是(或說至少不完全是)機器。

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——本文摘自《:牛津非常短講 012》,2024 年 02 月,左岸文化出版,未經同意請勿轉載。

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