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《Science》盤點:2017年度十大科學突破!

Peggy Sha
・2018/01/01 ・6981字 ・閱讀時間約 14 分鐘 ・SR值 566 ・九年級

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每到了一年的最後,我們總是要不免俗地來回顧一下這年經歷的所有事情,而最適合科青們的回顧方式,莫過於跟著《Science》在 2017 年 12 月所選出「年度科學突破」(Breakthrough of the Year)來看看今年科學界最令人印象深刻的發展吧!

source:science

年度最大突破:中子星合併產生重力波

在今年的 8 17 號,科學家觀察到了在 1 3 千萬光年之外,兩顆中子星合併並產生了重力波(編號GW170817)。這次的爆炸證實了幾項重要的天文學假設、揭開了重金屬形成的來源,也讓科學家得以用一種前所未有的方式來驗證了愛因斯坦的廣義相對論。

這是科學史上首次觀察到中子星的合併,而這次的合併為什麼會被發現呢?因為科學家偵測到了中子星合併前輻射出的微小波紋──重力波。

雙中子星合併模擬。磁力線用白色表示。(圖片來源

重力波被雷射干涉重力波天文台(Laser Interferometer Gravitational-Wave ObservatoryLIGO)和處女座干涉儀(Virgo interferometer)觀測到,而由於中子星碰撞所產生的重力波頻率更高、持續時間更長,使得其他望遠鏡也有幸一窺這場 1 3 千萬光年前的盛大科學奇景:兩顆分別約 1.11.6 個太陽質量的中子星互相旋繞、碰撞,最後融合,在過程中產生了許多重金屬,宇宙中的黃金很多便源於中子星的碰撞。

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這次的觀察也支持了一項 25 年前提出的假說──「中子星合併會產生短伽瑪射線暴(short Gamma-ray burst)」,就在觀測到重力波之後約兩秒的時間,NASA 的費米伽瑪射線太空望遠鏡便偵測到了一陣短伽瑪射線暴。

這一次的事件,可以說是迄今為止被研究得最為透澈的天文事件,總共有 3674 位來自 953 個機構的研究者針對這次的中子星合併和相關後續事件進行了研究。除了這次探測到的事件之外,科學家更希望進一步觀測到其他新的現象,例如:中子星和黑洞的碰撞、銀河系中的超新星爆發、旋轉的中子星(脈衝星)……這種種現象都會產生重力波。

看見原子等級的生命細節:低溫電子顯微鏡(cryo-EM)技術

低溫電子顯微術(cryogenic scanning electron microscopycryo-EM)大概是「追求卓越」的代名詞。雖然這項技術已經在今年拿到了科學界的頭獎──諾貝爾化學獎,但它的影響力在拿獎後依舊不斷增加。

電子顯微鏡。圖/ PublicDomainPictures@pixabay。

這種技術的發展其實可以追溯至幾十年前,不過,由於近年來各種硬體軟體都有了提升,使得影像處理分析的速度也因此加快,另一方面,也大幅減少了誤差。

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現今的低溫電子顯微術讓科學家能夠利用快速冷卻的方式,在生物分子相互作用時將其「凍結」,從而獲得反應過程中的一系列定格影像。它所擁有的這種近乎原子等級的超高解析度,讓科學家重新檢視了剪接體(Spliceosome)的運作過程,也對於修復 DNA 破損的酶有了更深入的觀察。

居家必備實驗良伴:攜帶型微中子探測器

想要做精密的觀察,一定要用超大的儀器?才不呢!科學家在今年只用了個跟微波爐差不多大的可攜式微中子探測器,就發現了微中子和原子核間相干散射(coherent scattering)信號。

物理學家在今年用一種新的方法撞擊原子核,並由此發現了最難以捉摸的亞原子粒子──微中子。微中子只會在特定的核反應過程中產生,與其他物質很少發生反應,也正因如此,即便有無數的微中子持續穿越地球,科學家卻一直很難偵測到。

1970年11月13日,首次利用氫氣泡室對於微中子進行的觀測。微中子撞擊了氫原子中的質子。這撞擊發生於照片右方,是三條由帶電粒子所形成軌跡的匯集之處。圖/National Laboratory@wikipedia

微中子偶爾會撞擊原子核中的中子,讓它變成質子,而自己則變成如電子般能被探測到的粒子;另一種可能是,微中子與質子或中子碰撞彈飛。這兩種情況都非常罕見,科學家需要非常大量的樣本才可能觀察到一點點。

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不過,在 1974 年時,理論物理學家就曾預測:如果一個中微子的能量夠低,就可以被視為一種量子波,並能同時反射所有原子核中的質子和中子。這種相干散射應該可以大幅增加反應的可能性,但原子核的低能量反衝很難觀測。

如今,由 81 位成員所組成的 COHERENT 團隊就利用了一個不大的探測儀偵測到了這種相干散射,這項發現實現了學界 40 年以來的追求,或許有朝一日,這種體積小的微中子探測器可以幫忙監測核反應堆、確保它們在不擴散核的原則下運行,也或許能用來找尋更難探測的惰性微中子(sterile neutrinos)。誰知道呢?小兵也能立大功!

發現30萬年前的智人化石,改寫人類歷史

我們的祖先從哪裡來?石頭?猴子?猩猩?在今年以前,最接近正解的答案或許是「約 20 萬年前的東非」。

不過,科學家們在今年深入探索了北非摩洛哥的  Jebel Irhoud 遺址,並使用熱釋光定年法(thermoluminescence datingOSL)檢測出遺址中的石器是在 30 萬年以前經過加熱的,整整將人類的歷史又往前推進了 10 萬年。

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Jebel Irhoud 遺址在北非摩洛哥的位置。圖/Eric Gaba@wikipedia

研究團隊認為 Jebel Irhoud 遺址的居民可能屬於早期智人族群的一部份,族群約在 33 萬到 30 萬年前遍佈非洲,而後演化成現代人類。這個發現改寫了我們目前已知的人類歷史,顯示出人類祖先在非洲扎下的根可能比我們原先的推測來得更深、更廣,這種可能性也為人類的尋親之路開啟新的篇章。

基因編輯大突破,鹼基編輯有助治療遺傳疾病

超過 6 萬個遺傳畸變與人類疾病有關,而其中有將近 3 5 千個變異是源於我們體內最微小的錯誤:只要 DNA 中一個小小的基因點突變,就可能讓人生苦不堪言。

今年,科學家宣布了一種新的技術,稱為「鹼基編輯器」(base editor),它可以修改 DNA RNA 中的單一鹼基,而且相對於當紅的 CRISPR 技術,這種方式更為精準,也更加安全,因為它不需切割 DNA ,即可將 A-T 鹼基對轉換成 G-C 鹼基對,如此細緻的基因編輯技術,讓劉如謙的團隊成功地將一個不正確的 G 替換成 A

劉如謙(David Liu)團隊研發的新基因編輯技術,將可能拯救許多生命。圖片來源:ServiceAT@wikipedia, by CC 4.0.

中國的研究團隊更在今年修復了人類胚胎中一個致病的基因點突變,藉此凸顯出這種技術的力量。雖然這種修復並非百分之百成功,然而,技術所蘊含的巨大潛力仍讓人興奮,而技術未來在醫學領域的應用亦令人期待。

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期刊刊登之前先分享一波!生物學論文預印模式興起

論文預印指的是在研究經過同儕審查於期刊發佈前,可以先發佈在能進行建檔的平台上;物理學界常用的預印平台 ArXiv 早在 1991 年就出現了,那生物學家們怎麼辦呢?

等待多年,如今生物學家終於翻身啦!在 4 年前,冷泉港實驗室(The Cold Spring Harbor LaboratoryCSHL)發起了一項計畫,成立了免費的生物學預印服務器「bioRxiv」。這個平台囊括了計算生物學、細胞生物學、微生物學、神經科學等等領域的實驗研究。一些著名的生命科學家也開始說服自己的同事,讓他們了解到,預印將加快科學的進程,也能讓年輕的研究者留下研究紀錄。

冷泉港實驗室(The Cold Spring Harbor Laboratory,縮寫CSHL),位於美國紐約州長島上的冷泉港,此機構的研究對象包括癌症、神經生物學、植物遺傳學、基因組學以及生物資訊學,其主要成就為分子生物學領域。圖/AdmOxalate@wikimedia

而在今年,美國和英國的組織都推出了鼓勵預印分享的相關方針,使得這個模式獲得了極大進展。而在 4 月時,「陳祖克柏」基金會更對 bioRxiv 進行了不公開的投資,有助於鞏固其成為最受歡迎的生物學服務網。現今大部分的期刊都允許作者將投稿的論文以預印的方式張貼;另一方面,有些編輯也會上 bioRxiv 尋找可供出版的論文。

不過這種模式或許還有很長一段路要走,bioRxiv 目前每月的論文數量約只有 PubMed 1.5%;此外,也有部分生物學家對於未經審查就預先公開研究成果的方式不甚認同。但無論如何,這種預印模式都是一項重大的交流方式改變。

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用新藥「一網打盡」所有癌細胞

一說到癌症,腦袋好像就會自動撥放偶像劇插曲(咦)就讓人想到其繁瑣的治療過程,究竟這種折磨人的疾病有沒有根治的方法呢?就在今年 5 月,美國食品藥品監督管理局(FDA)批准了一種癌症免疫新藥「pembrolizumab」。

Pembrolizumab的模型。圖/Dr. David S. Goodsell @wikipedia

在過去,這種藥物已經被證實可以治療黑色素瘤和一些其他類型的腫瘤,現在更可以用以治療成人和兒童體內的實體瘤。不過其治療是有前提的,那就是:癌細胞必須是基因錯配修復缺乏症(mismatch repair deficiencyMMR)。這表示,即便癌細胞出現的地方可能在胰臟、結腸、甲狀腺或是其他組織,它們仍會有共通點,那就是:在修復 DNA 的基因中發生突變。

具有這種缺陷的細胞會累積數百種突變,使得免疫系統更容易辨識出患病的細胞並將其殺死,因此,pembrolizumab 可以利用這項特性殺死腫瘤;反之,如果沒有基因錯配修復缺乏症,對這種治療也不會有反應。FDA 的批准為這種新的癌症治療方式打了一劑強心針,未來,可能會有更多相關研究朝這個方向發展。

家族再添新成員!發現第三種紅毛猩猩

讓我們掌聲歡迎猩猩家族中的新成員──塔班努利紅毛猩猩(Pongotapanuliensis)!距離上一次發現靈長類人科的物種已經過了漫長的 90 年,在今年 11 月,研究者們在印尼發現了新的猩猩物種「Pongotapanuliensis」。

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直到今年以前,巨猿(the great apes)家族的成員只有倭黑猩猩(bonobo)、黑猩猩(chimpanzee)、兩種大猩猩(gorilla)和兩種紅毛猩猩(orangutan)以及我們人類。(嗚嗚嗚我們家人也太少……

現存三種紅毛猩猩大概在 1400 萬年前和所有其餘人科物種分家,而蘇猩猩大概在 340 萬年前步上分歧之路,最後,塔猩猩和最近緣的婆猩猩則大概在 67 萬年前分家。圖片編修自NewScientist (原圖有誤)

這種新發現的紅毛猩猩住在蘇門答臘島,而先前已知的紅毛猩猩則住在婆羅洲。藉由比對這三種紅毛猩猩的基因,科學家得到了一些猩猩演化的歷史足跡:現今紅毛猩猩的祖先大約是數百萬年前從馬來西亞來到印尼的,當時的海平面較低,兩地之間可以互通往來。

然而,讓人憂心的是,這個新發現的紅毛猩猩族群數目並不多,約只有 800 左右,而且牠們居住在一個備受盜伐威脅的林區,此外,當地還有一個水電大壩的興建計畫。環保團體希望這次的物種確認能夠有助於守護塔班努利紅毛猩猩的家。

270萬年前的地球大氣

今年 月,來自普林斯頓大學和緬因大學的研究團隊宣布:他們發現了 270 萬年前的南極冰芯,比先前最古老的冰芯樣本還早了 170 多萬年。

這次新發現的樣本來自南極洲的艾倫山(Allan Hills),冰芯之中有著細小的氣泡,這些氣泡來自 270 萬年前的大氣。當時,地球正進入冰河時期,而大氣中的二氧化碳濃度約在 300ppm 以下,遠低於現今的 400ppm

艾倫山是南極洲的山峰,位於埃爾斯沃思地,屬於埃爾斯沃思山脈中森蒂納爾嶺的一部分,處於克雷杜克山東南面5.2英里,海拔高度3,430米,美國地質調查局根據測量和該國海軍的空中照片繪入地圖。圖/Alexrk2@wikipedia

這項發現和先前一些間接測量所得到的數據不太一致,但仍然驗證了科學家們先前提出的氣候模型──較低濃度的二氧化碳是地球進入冰河期的必要元素。

科學團隊目前計畫在未來回到艾倫山以取得更多冰芯,希望可以找到 500 萬年以前的樣本,因為當時的溫室效應與今日人類製造出來的氣候相差無幾。

基因療法大成功,治療肌肉萎縮不是夢!

今年,一個小型的臨床試驗取得了巨大的成功,也推動了基因治療領域的發展。根據研究人員的報告,他們藉由在脊髓神經元中添加一個缺失的基因,拯救了一些原本可能死於遺傳性神經肌肉疾病的嬰兒。

脊髓性肌肉萎縮症(Spinal Muscular Atrophy,SMA)是一種體染色體隱性遺傳疾病,起因於脊髓前角運動神經元(Anterior horn cells of the spinal cord)的漸進性退化。患者的智力發展不受影響,但肌肉會逐漸無力、萎縮,疾病的發病年齡從出生到成年都有可能,而患病的嬰兒若未接受及時治療,將會在 2 歲左右面臨死亡。

受脊髓肌肉萎縮影響的脊髓神經元的位置。圖/Angelito7@wikipedia

這個基因治療利用無害的「腺相關病毒」(adeno-associated virusAAV)將基因轉運至目標細胞。研究團隊表示,利用靜脈注射 AAV9 的基因治療方式可以阻止 1 型脊髓性肌肉萎縮症。在過去,罹患此種疾病的嬰兒最終會因為肌肉無力、無法呼吸而死亡。

然而,今年 11 月研究團隊所提出的成果報告表示:在 12 位接受 AAV9 治療的嬰兒中,有 11 位可以說話、吃飯、短暫利用自己的力量坐起。其中有位女孩能夠快走,更有個男孩已經會跑步。

此療程已經通過美國食品藥品監督管理局(FDA)核准,在未來,團隊希望利用 AAV9 進一步治療遺傳性腦部疾病。

以上是 2017 年的科學突破,有沒有覺得這年真是生物界的豐收之年呢?不知道你心目中的十大突破跟這份榜單有多高的相似度?歡迎大家來分享你最重視的科學事件和心目中的遺珠,同時,也讓我們一起展望 2018 年,對這些議題接下來的發展拭目以待吧!

  • 如果有興趣也可以看看《Science》精心製作的影片喔:

參考資料

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Peggy Sha
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曾經是泛科的 S 編,來自可愛的教育系,是一位正努力成為科青的女子,永遠都想要知道更多新的事情,好奇心怎樣都不嫌多。

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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諦聽宇宙深處的低吟,宇宙低頻重力波訊號代表的意義——《科學月刊》
科學月刊_96
・2023/11/01 ・3782字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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  • 作者/陳哲佑
    • 任職於日本理化學研究所,專長為黑洞物理、宇宙學、重力理論等。
    • 熱愛旅行、排球與珍珠奶茶
  • Take Home Message
    • 今(2023)年 6 月,北美奈赫茲重力波天文臺(NANOGrav)團隊觀察到宇宙中的低頻重力波。
    • NANOGrav 團隊利用數個脈衝星組成「脈衝星陣列」(PTA),測量各脈衝星訊號到達的時間,計算不同訊號的到達時間是否存在著相關性。
    • PTA 得到的重力波訊號相當持續,沒有明確的波源。科學家推測此訊號可能來自多個超大質量雙黑洞系統互繞而產生的疊加背景。

2015 年 9 月,位於美國的雷射干涉儀重力波天文臺(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO)成功偵測來自雙黑洞碰撞的重力波訊號(請見延伸閱讀 1)。

這個發現不僅再次驗證愛因斯坦(Albert Einstein)「廣義相對論」的成功,更引領人類進入嶄新的重力波天文學時代。到了現在,我們不僅能使用各種電磁波波段進行觀測,還多了重力波這個強而有力的工具能夠窺探我們身處的宇宙,甚至還有同時結合兩者的多信使天文學(multi-messenger astronomy)註1,皆能帶給人類許多單純電磁波波段觀測無法觸及的資訊(請見延伸閱讀 2)。

如同不同波段的電磁波觀測結果為我們捎來不同的訊息,重力波也有不同的頻譜,且頻譜與產生重力波的波源性質有非常密切的關係。以雙黑洞碰撞為例,系統中黑洞的質量與碰撞過程中發出的重力波頻率大致上成反比,因此當系統中黑洞的質量愈大,它產生的重力波頻率就愈低。

目前地球上的三個重力波天文臺:LIGO、處女座重力波團隊(The Virgo Collaboration, Virgo),以及神岡重力波探測器(Kamioka Gravitational wave detector, KAGRA, or Large-scale Cryogenic Gravitational wave Telescope, LCGT)都受限於干涉儀的長度,只對頻率範圍 10~1000 赫茲(Hz)的重力波有足夠的靈敏度,此範圍的重力波對應到的波源即是一般恆星質量大小的雙黑洞系統。

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然而,來自超大質量黑洞互繞所發出的重力波頻率幾乎是奈赫茲(Nano Hertz,即 10-9 Hz)級別,如果想要探測到此重力波,就需要一個「星系」規模的重力波探測器。雖然這聽起來彷彿天方夜譚,但就在今年 6 月,北美奈赫茲重力波天文臺(North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves, NANOGrav)的團隊利用「脈衝星計時陣列」(pulsar timing array, PTA)成功地觀測到這些低頻重力波存在的證據。

以不同方式觀察不同頻率的重力波

與電磁波相似,重力波也有不同的頻率。不同頻率的重力波會對應到不同性質的波源,且需要不同的方式觀測。圖/科學月刊 資料來源/Barack, et al. 2018

NANOGrav 如何觀測低頻重力波?

讀者聽過脈衝星(pulsar)嗎?它是一種高速旋轉且高度磁化的中子星(neutron star)註2,會從磁極放出電磁波。隨著脈衝星的旋轉,它的電磁波會以非常規律的時間間隔掃過地球,因而被身處於地球上的我們偵測到,就像是海邊的燈塔所發出的光,會規律地掃過地平面一般。由於脈衝星的旋轉模式相當穩定,掃過地球的脈衝就如同宇宙中天然的時鐘,因此在天文學上有相當多的應用——甚至可以用來觀測重力波。

利用脈衝星觀測重力波的第一步,首先要記錄各個脈衝星的電磁脈衝到達地球的時間(time of arrival),並且將這些訊號與脈衝星電磁脈衝的理論模型做比對。

如果訊號和理論模型相符,那麼兩者相減後所得到的訊號差(residual)只會剩下一堆雜訊;相反的,如果宇宙中存在著重力波,並且扭曲了該脈衝星和地球之間的時空,那麼兩訊號相減之後就不會只有雜訊,而會出現時空擾動的蹤跡。

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利用數個脈衝星組成的脈衝星計時陣列,可用來尋找宇宙中低頻的重力波訊號。圖/Tonia Klein, NANOGrav 

然而以觀測的角度來看,即便我們從來自單一脈衝星的訊號中發現訊號差出現偏離雜訊的跡象,也不能直接推論這些跡象一定是來自重力波。畢竟科學家對脈衝星的內部機制和脈衝傳遞的過程也並未完全了解,這些未知的機制都可能會使單一脈衝星的訊號差偏離雜訊。

因此為了要判斷重力波是否存在,就必須進行更進一步的觀測:利用數個脈衝星組成脈衝星陣列,測量每個脈衝星訊號到達的時間,並且計算這些不同脈衝星訊號的到達時間是否存在某種相關性。

舉例來說,如果脈衝星和地球之間沒有重力波造成的時空擾動,那麼即便每顆脈衝星的訊號差都出現偏離雜訊的跡象,彼此之間的訊號也會完全獨立且不相干;反之,如果脈衝星和地球之間有重力波經過,這些重力波便會扭曲時空,不僅會改變這些脈衝訊號的到達時間,且不同脈衝星訊號到達的時間變化也會具有某種特定的相關性。

根據廣義相對論的計算,一旦有重力波經過,不同脈衝星訊號之間的相關性與脈衝星在天球上的夾角會滿足一條特定的曲線,稱為 HD 曲線(Hellings-Downs curve)。

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科學家以兩顆脈衝星為一組觀測單位,藉由觀測多組脈衝星的訊號、計算它們之間的相關性,再比較這些數據是否符合 HD 曲線,就能夠進一步推斷低頻重力波是否存在。值得一提的是,由於重力波訊號非常微弱,用來作為陣列的脈衝星必須有非常穩定的計時條件,因此一般會選擇自轉週期在毫秒(ms)級別的毫秒脈衝星作為觀測對象。

NANOGrav 在今年 6 月發布的觀測結果就是利用位於波多黎各的阿雷西博天文台(Arecibo Observatory,已於 2020 年因結構老舊而退役)、美國的綠堤望遠鏡(Robert C. Byrd Green Bank Telescope)和甚大天線陣(Very Large Array, VLA)觀測 68 顆毫秒脈衝星。

他們分析了長達 15 年的觀測數據後,發現這些脈衝星訊號的相關性與 HD 曲線相當吻合,證實了低頻重力波確實存在於我們的宇宙中。

除了 NANOGrav,其他團隊例如歐洲的脈衝星計時陣列(European Pulsar Timing Array, EPTA)、澳洲的帕克斯脈衝星計時陣列(Parkes Pulsar Timing Array, PPTA)、印度的脈衝星定時陣列(Indian Pulsar Timing Array, InPTA),以及中國的脈衝星計時陣列(Chinese Pulsar Timing Array, CPTA)等,皆得到相符的結果。

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NANOGrav 觀測結果帶來的意義

與先前 LIGO 觀測到的瞬時重力波訊號不同,目前利用 PTA 得到的重力波訊號是相當持續的,而且並沒有較明確的單一波源,反而像是由來自四面八方數個波源組成的隨機背景訊號。

打個比方,LIGO 收到的重力波訊號像是我們站在海邊,迎面而來一波一波分明的海浪,每一波海浪分別對應到不同黑洞碰撞事件所發出的重力波;而 PTA 的訊號則是位於大海正中央,感受到隨機且不規則的海面起伏。

目前對這些奈赫茲級別的重力波訊號最合理也最自然的解釋,是來自多個超大質量雙黑洞系統互繞而產生的疊加背景。若真是如此,那這項發現將對天文學產生重大的意義。

過去科學界對於如此巨大的雙黑洞系統能否在可觀測宇宙(observable universe)的時間內互繞仍普遍存疑,如果PTA觀測到的重力波真的來自超大質量雙黑洞互繞,那代表這類系統不僅存在,它們的出現還比過去我們預期的更為頻繁,且產生的訊號也更強。

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NANOGrav 的觀測結果

橫軸為脈衝星陣列中,兩脈衝星位置之間的夾角;縱軸為訊號之間的相關性;藍色數據點為 NANOGrav 15 年的觀測結果;黑色虛線為 HD 曲線。可看出數據點的分布與 HD 曲線相當吻合。圖/科學月刊 資料來源/Agazie et al. 2023

不過除了雙黑洞系統,也有其他「相對新奇」的物理機制也可能產生這樣的重力波背景,包含早期宇宙的相變、暗物質,以及其他非標準模型的物理等。若要從觀測的角度去區分這些成因,最重要的關鍵在於,能否從隨機背景中找到特定的波源方向。

如果是雙黑洞系統造成的重力波,勢必會有來自某些方向的訊號比較強;反之,如果是早期宇宙產生的重力波,那麼這些重力波將會隨著宇宙的膨脹瀰漫在整個宇宙中,因此它們勢必是相當均向的。

為了找到波源方向,提升訊號的靈敏度成為了當務之急。而若要提升 PTA 的靈敏度,最主要的方式有兩種——其一是將更多的脈衝星加入陣列;其二則是延長觀測的時間。

目前,不同的 PTA 團隊已經組成國際脈衝星計時陣列(International PTA)互相分享彼此的脈衝星觀測資料。隨著觀測技術的進步,解密這些奈赫茲級別的神祕重力波將指日可待。

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註解

  1. 相較於過往只能以可見光觀測宇宙,多信使天文學能利用多種探測訊號,如電磁波、微中子、重力波、宇宙射線等工具探索宇宙現象,獲得更多不同資訊及宇宙更細微的面貌。
  2. 質量較重的恆星在演化到末期、發生超新星爆炸(supernova)後,就有可能成為中子星。

延伸閱讀

  1. 林俊鈺(2016)。發現重力波!,科學月刊556,248–249。
  2. 金升光(2017)。重力波獨白落幕 多角觀測閃亮登場,科學月刊576,892–893。
  3. NANOgrav. (Jun 28 2023). Scientists use Exotic Stars to Tune into Hum from Cosmic Symphony. NANOgrav.
  • 〈本文選自《科學月刊》2023 年 10 月號〉
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對腫瘤最終兵器!癌症療法新選擇,基改溶瘤病毒為何備受期待?
PanSci_96
・2023/09/04 ・5575字 ・閱讀時間約 11 分鐘

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我們先前詳細介紹過用細菌以毒攻毒對付癌細胞的新進展,另一種我們也很熟悉但是避之惟恐不及的微生物,現在居然也華麗轉身,成了抗癌新利器,那就是——病毒。

科學家已經製造出基因改造病毒,注射到癌症患者體內,讓病毒感染癌細胞,把惡性腫瘤像一坨冰淇淋般溶化。這些超微型對癌必殺兵器是怎麼打造出來的呢?而且這樣做,就像開大門放一群餓狼進來咬老虎,難道不會害死正常細胞嗎?

能殺死癌細胞的病毒是什麼?請叫我「溶瘤病毒」!

很多病毒能感染人體,造成各種不舒服和損害,舉個例子,疱疹病毒讓人長出一片又熱又痛的水泡,腺病毒害人發燒、眼睛佈滿血絲或腹瀉。更具體地說,病毒有鑽進活細胞的特殊能力,接著搶走細胞裡面製造各種生物分子的生產線,用來組裝和複製它自己,最後一窩蜂的病毒再一起打破或鑽出細胞,繼續向四面八方擄掠燒殺。經歷過 covid-19,大家應該都很清楚了。 

從另一個角度看,病毒就像是一群強行入侵人體的超微型機器人,準確鎖定攻擊目標,把細胞的物資掠奪個精光,臨走前還從內部爆破活細胞,手段可說相當的惡劣。

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然而病毒這種高效率的惡劣,就如同其他危險且糟糕的事物一樣,吸引了科學家的好奇心,激發了他們的創意,有科學家就問啦:那有沒有辦法挑選出病毒煉成新藥,去爆破癌細胞呢?打一針兇惡的病毒去獵殺狡詐的癌細胞,使腫瘤崩潰溶解,以毒攻毒,豈不是一等巧招。

而且,溶瘤病毒可以引發後續一連串針對癌細胞的免疫反應,繼續擴大戰果。也因為病毒會激發免疫反應,所以溶瘤病毒也歸類為癌症免疫治療的一種。

我們在之前介紹免疫新藥的影片,有說明過癌細胞躲過免疫系統偵查的三大詭異功夫,這邊超快速回顧一下:第一招是癌細胞把身上的識別分子減少,使自己隱形;第二招是癌細胞戴上面具假裝成好細胞,矇騙過關;第三招是強行踩下免疫細胞的剎車板,中斷免疫攻擊。

癌細胞有躲過免疫系統偵查的三大詭異功夫。圖/PanSci YouTube

溶瘤病毒的根本原理,是只要癌細胞的細胞膜表面存在著病毒的受體,病毒就能強行突破防禦、攻進細胞,無視癌細胞的第一和第二招。這就好像癌細胞耍大刀耍得虎虎生風,病毒根本不管這些,直接先給它一槍就對了。

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2015 年,美國食品及藥物管理局(FDA)核准一款治療黑色素細胞瘤的 T-VEC 溶瘤病毒上市,使用的素材是第一型單純疱疹病毒(HSV-1),被視為是這個領域的里程碑。這種病毒其實我們很熟悉,它就是唇疱疹的病原體,感染後容易在嘴唇、鼻子、下巴這一帶長出一片水泡或潰瘍。

T-VEC 也是目前唯一一款世界多國普遍核可使用的溶瘤病毒。其他像是中國 2005 年核准治療鼻咽癌的 H101,或是日本 2021 年核准治療腦部惡性腫瘤的 Delytact,取得的都只有本國或少數幾個國家的許可證。

T-VEC 是目前唯一一款世界多國普遍核可使用的溶瘤病毒。圖/PanSci YouTube

病毒連續技,打得癌細胞難以招架

病毒為什麼能溶解摧毀腫瘤?大致來說,溶瘤病毒能以三連發的連續技來攻擊癌細胞。

第一擊,經過基因改造的病毒先感染癌細胞,侵入細胞內,開始繁殖,然後破壞癌細胞。這些病毒先經過人工移除掉一些致病基因,降低危險性,同時放入能增加治療效果的基因,例如常用的一種基因是顆粒單核球群落刺激生長因子,簡稱 GM-CSF,這種因子能活化和吸引更多免疫細胞來圍攻癌細胞,這個功效就和病毒的第二擊有關係。

第二擊,癌細胞死掉後散落出大量抗原和分子訊號,會吸引免疫系統的注意,將樹突細胞、T 細胞等多種免疫細胞從身體各處召喚過來。還有,病毒一進到人體,很短時間內樹突細胞就會辨識出病毒,接著釋放第一型干擾素。第一型干擾素是一種能刺激免疫系統的細胞激素,經過一連串下游反應,可以直接造成腫瘤損傷。同時,第一型干擾素也會促使 T 細胞聚集到腫瘤所在地,一起圍剿癌細胞。

接著是第三擊,病毒殺掉癌細胞以後也有機會連帶引發遠端效應(abscopal effect)。什麼是遠端效應呢?破掉的癌細胞散出抗原,身體借由這些抗原當作教材,培育出一群擁有辨識癌細胞能力的免疫細胞。這些免疫細胞順著血液循環,跑到遠方沒有感染病毒的腫瘤位置,把這些癌細胞一併消滅掉,這就叫做遠端效應,可說是「犯我免疫者,雖遠必誅」。

看到這裡,你應該會好奇,病毒會感染癌細胞,難道健康細胞就不會一同遭殃嗎?這就要回到剛剛提到的干擾素下游反應。正常情況下,第一型干擾素能啟動人體細胞內建的清除入侵病毒的機制,但是大多數癌細胞的干擾素反應路徑有缺陷,換句話說,同樣都會被病毒感染,健康細胞有能力排除掉病毒,癌細胞卻沒辦法,到最後矜不住,傷重斃命。這種效應是溶瘤病毒能瓦解腫瘤,同時減少傷害患者身體的重要關鍵。

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干擾素下游反應是溶瘤病毒能瓦解腫瘤,同時減少傷害患者身體的重要關鍵。圖/PanSci YouTube

但是,可不是每種病毒經過基因改造以後,都能像魔法少女般華麗變身。天底下病毒那麼多,怎麼樣才能找到合適的病毒來改造成抗癌的超微型機器人呢?

哪些「人選之毒」能變身對癌細胞特攻兵器?

病毒萬萬種,要從裡面挑到合適的素材,簡直像大海撈針。不過,以目前的醫療技術,還是有一些路徑可循。

一般來說,基因體比較大的病毒相對於基因體小的病毒,有更大的空間能加入其他基因來修飾病毒,因此在製造過程上,大病毒比小病毒容易操作。

除此之外,DNA 病毒比較容易透過重組 DNA 的分子工程技術來改造,例如治療黑色素細胞瘤的 T-VEC 溶瘤病毒就是 DNA 病毒,改造 RNA 病毒所需的技術相對比較困難。

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不過臨床上的真實需求比技術層面的考量複雜得多,像是基因體較大的病毒雖然容易操作,但是病毒的體積也大,很難通過血腦障壁。血腦障壁是一層包圍在腦部外面的緊密組織,就好像城牆一樣,是身體對腦的保護措施,只有小尺寸的物質才能通過牆上的孔隙。

大病毒過不去,小病毒卻有機會藉由一些特殊的生化機制潛入,因此想要治療腦部惡性腫瘤,或是其他血液或淋巴系統擴散到腦內落地生根的癌細胞,選擇小病毒就比較有利。

另一個臨床上的考量是,DNA 病毒雖然技術門檻相對低,但因為天然環境裡很多種 DNA 病毒容易感染人類,許多人的血液裡已經存在抗體,病毒注射進患者體內後很快被抗體中和,還來不及抵達腫瘤就沒力了。

在這種情況下,通常會考慮不把病毒輸注進靜脈血管,而是直接注射到病灶位置,避免病毒在血液循環過程中被清除。或者是,不使用 DNA 病毒,改用更容易在體內自行複製的 RNA 病毒,而且一般來說,人體帶著有效的 RNA 病毒抗體的機率比較低,就有機會減少這一類問題。

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還有最關鍵的一點,就是癌細胞表面一定要有病毒的受體,病毒才能鑽進癌細胞,否則就算病毒的殺傷力再厲害,也無用武之地,所以癌細胞的種類和性質會直接決定能選擇哪些病毒來製成藥物。

最後還有一些實務上的環節要克服,像是製作、儲存、搬運到醫院和注射的過程中,病毒必須能保持穩定,不因為熱、光線、酸鹼度等因素而分解。這難度可不低啊。

這樣一關一關篩選下來,目前只有少數的病毒能滿足這些需求。根據 2023 年 1 月《Nature Reviews Clinical Oncology》和 4 月《Nature》旗下子刊《訊息傳遞與標靶治療》的回顧性文章,現在用來開發溶瘤療法的病毒有疱疹病毒、腺病毒、麻疹病毒、克沙奇病毒和水疱性口炎病毒等等。

現在用來開發溶瘤療法的病毒中,疱疹病毒和腺病毒是 DNA 病毒,麻疹、克沙奇和水疱性口炎病毒是 RNA 病毒。圖/PanSci YouTube

溶瘤病毒還要突破哪些關卡?

溶瘤病毒雖然吸引全球許多的關注,一批批科學家和企業投入大筆時間金錢往這個方向衝刺,不過,擋在前面等待突破的難關一點也不比其他癌症新療法少。

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一個很骨感的現實是,雖然溶瘤病毒已經發展超過 20 年,截至 2023 年 6 月為止,各國核准的溶瘤病毒只有四款而已,可見得把病毒煉成抗癌藥這條路並不好走。

截至 2023 年 6 月,各國核准的溶瘤病毒只有四款而已。圖/PanSci YouTube

大致來說,溶瘤病毒療法需要通過三關的考驗。第一個關卡是腫瘤異質性。腫瘤來自身體細胞突變誕生的壞細胞,腫瘤在長大過程中,內部各處的細胞也會繼續發生突變和複製,因此會演變成一顆腫瘤是由一小群一小群帶有不同基因突變的癌細胞聚集起來的情況,這種現象叫做異質性。

打一針病毒瓦解了一部分腫瘤,但其他帶有不同突變的癌細胞因此訓練出抗藥性,下一針再打同樣的病毒可能效果就變差了,這是臨床治療的一個難題。

可能的解套辦法之一,是注射了幾次病毒以後,換成其他病毒,就好比替換抗生素使感染身體的細菌來不及適應,因而遭到殲滅。

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第二個關卡是腫瘤微環境,腫瘤內部這個狹窄空間是一個大魔境,免疫細胞攻進來以後,面對的是一個會壓抑免疫活性的嚴苛環境。打個比方,就像是特種部隊好不容易攻進恐怖分子大本營,結果發現房間裡布滿催眠瓦斯和詭雷。病毒雖然能滲透進腫瘤內部進行破壞,但是接到消息趕來增援的免疫細胞很快變得疲軟無力,因此能獲得的戰果就少了。

結合不同免疫療法,多拳出擊!

現在科學家認為,結合溶瘤病毒和免疫檢查點抑制劑(immune checkpoint inhibitor),是一種有希望的做法。我們先前詳細介紹過免疫檢查點抑制劑,這一群新藥能活化免疫系統,用病毒先打頭陣,摧毀一部分癌細胞,吸引免疫細胞參戰,接著藥物強化免疫細胞戰力,好像補師給戰士上 BUFF,一擁而上擊垮癌細胞。有興趣可以點這支影片來看。

像是 2023 年 5 月,一款使用腺病毒搭配免疫檢查點抑制劑 Pembrolizumab 的新療法,用來治療腦部膠質母細胞瘤,初步臨床試驗結果刊登在《Nature Medicine》,成功延長部分患者的存活時間。

另一方面,先前在 2022 年 8 月《Cancer Cell》的一項研究也顯示,溶瘤病毒加上 CAR-T 或 TCR-T 這類免疫 T 細胞療法,有機會產生加乘效果,甚至可能突破以往 CAR-T 只用於治療血液和淋巴癌症的侷限,讓 CAR-T 也能破壞實體腫瘤。

還沒大顯身手就衰弱了?溶瘤病毒護送計劃!

第三個關卡是病毒在長途行軍到病灶的過程中減弱。這是什麼意思呢?前面有說到,如果在注射前,患者血液裡已經有自然環境中同類病毒誘發產生的抗體,病毒部隊在還沒趕到目的地之前就潰敗了。再加上血管和器官的內皮細胞會擋住病毒,還有體內的其他多種免疫反應也會快速清除病毒,因此遞送病毒的效率低落,是現階段溶瘤療法的一個關鍵瓶頸。

雖然可以嘗試把病毒直接打進腫瘤病灶,但是如果腫瘤長在內臟,會需要特別的注射技術。要是患者已經到了晚期,癌細胞轉移到遠處器官,就還是必須把病毒輸注到靜脈血管,讓血液循環把病毒送到全身。

或是假如腫瘤分布在腦室、肋膜腔、膀胱或脊髓腔等腔室,也可以用特殊技術注射進這些位置。尤其是針對腦部惡性腫瘤和腦轉移的癌細胞,因為大多數病毒通不過血腦障壁,經常需要採用這種方式。

不過這些方法還是相對屬於高侵入性,對病人傷害可能比較大,因此科學家研發了另一種聰明的方法,那就是用活細胞當做載體,等於讓病毒搭便車兼提供一層保護殼,運送病毒抵達腫瘤。

2021 年《Molecular Therapy Oncolytics》的一項動物研究使用自然殺手細胞(natural killer cell)來搭載病毒,自然殺手細胞是免疫系統的一員,可以繞過身體的阻擋機制,好像一架漆著友軍識別標誌的運輸機穿過我方領土,把空降部隊載到敵人陣地上方。同年 12 月底《Pharmaceutics》一篇回顧報告列出研發中的載體細胞,還包括了 T 細胞、巨噬細胞和樹突細胞等。

整體看來,溶瘤病毒正方興未艾,讓人類又多了一種剋制癌細胞的手段,不過擋在前面的困難也不少,確切會在何時變成一種真正普及的療法還很難說,但可能就在接下來幾年。也想問問你,如果用病毒煉成的神奇藥水、藥丸或針劑真的上市了,你會怎麼做呢?

  1.  什麼也不做,因為相信自己肯定用不著。
  2.  聯絡一下保險公司,看有沒有給付。
  3.  這都不重要,重要的是泛科學到底是不是保護傘公司的行銷部門。

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