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尋找大腦停損機制:中研院建立基因篩選平台,破解神經細胞調控原理

PanSci_96
・2018/07/19 ・1057字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 634 ・十年級
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  • 首圖說明:5 種中介神經細胞在不同發育階段展現的多樣性。

動物的腦與神經是一個複雜的系統,而我們對其了解仍十分有限。例如,在治療帕金森氏症等神經退化疾病時,往往因無法有效阻止死亡的訊號在神經細胞間傳遞,大量細胞死亡的情況因此不斷蔓延擴張,導致疾病惡化。

中央研究院細胞與個體生物學研究所周雅惠助研究員的研究團隊,利用果蠅大腦中處理嗅覺的神經細胞,建立了一套基因篩選平台,透過該平台,未來將可探尋調控神經細胞發育、病變及死亡的各種分子機制。相關研究成果已於 6 月 8 日登上國際學術期刊《自然通訊》(Nature Communications)。

經過百年來科學家們的努力,果蠅被公認為是最好的動物遺傳研究模型之一,其大腦的嗅覺神經迴路與哺乳動物非常相似。周雅惠研究團隊歷經七年,專注於果蠅大腦中負責嗅覺的區域中介神經細胞,有系統地研究出這些細胞的發育方式。日後透過這群細胞進行大規模基因篩選,可望增進人類對神經運作的瞭解,例如,調控神經細胞繼續發育或走向凋亡。

果蠅被公認為是最好的動物遺傳研究模型之一。 圖/中研院細生所提供

周雅惠博士表示:「在研究這些神經細胞發育的過程中,我們發現大腦確實存在一套停損保護機制,防止神經細胞進行非計畫性的死亡。本次研究建置的基因篩選平台,除了讓我們日後有機會找出這個停損機制,後續也可供相關領域的科學家探索神經細胞運作的各種機制。」

研究團隊首先對果蠅進行大規模的遺傳篩選,標定出特定神經細胞,再觀察其從幼蟲到成蟲的發育情形,並以此建立一套新的基因篩選平台。在觀察的過程中,研究團隊發現,當果蠅幼蟲的一小群神經細胞接受某種訊號而快速凋亡時,周圍有另一群神經細胞雖接收同樣的訊號,卻不受其影響而持續發育為成蟲大腦神經迴路的一部分。

只要找到參與這個保護機制的關鍵分子,便能以其為標的開發新藥,在神經退化疾病患者的大腦中啟動這個機制,防止死亡訊號傳遞,進而控制疾病的損害區域。目前周雅惠的團隊正利用這個平台進行基因篩選,試圖尋找這個停損機制,並已取得初步成果。

圖/中研院細生所提供

此研究經歷諸多研究人員參與,關鍵研究主要是由劉南甫研究助理、楊己任研究助理及蔡國鼎博士後研究員協力完成。研究經費由科技部及中研院前瞻計畫支持。

  • 本文編修自中央研究院農業生物科技研究中心新聞稿,原標題為〈疾病可設停損點 ? 基因篩選平台尋找神經細胞生死機制〉
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PanSci_96
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儀器與他們的產地:國研盃 i-ONE 儀器科技創新獎 開放報名,快來打造儀器改變世界!
PanSci_96
・2020/06/23 ・1872字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 512 ・六年級
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儀器改變了世界

  • 1593 年,伽利略 (Galileo Galilei) 利用空氣熱脹冷縮原理,建造了第一支氣體「溫度計」。
  • 1595 年,第一個複式顯微鏡誕生,用來測量細胞結構。
  • 1609 年,伽利略發明天文望遠鏡,首次利用折射式望遠鏡觀測天體,開啟了天文學的研究。
  • 1759 年,‎約翰·哈里森(John Harrison)發明航海天文鐘(marine chronometer),以辨別經度,揭開大航海時代的序幕。

儀器的發明,讓我們提出的假設可以進行定量與更精確的測量,改變了我們看待世界的方式並且擴展了我們的感官範圍1

19 世紀、20 世紀和 21 世紀間科學發展的差異,部分源於探索世界的儀器不同。先進的儀器不僅可以促成新發現,回答日益複雜的問題,還可以提高知識生產的效率。除此之外,儀器促進了跨學科的研究。許多驚人的科學、工程和醫學發展,都是從基礎科學導向應用科學研究而發展的。

隨著基礎原子和分子物理研究日趨成熟,因應這些基礎科學研究所開發的儀器又再度被化學家和應用物理學家採用。在大學研究及新創公司帶領下,這些相關技術亦能應用於生物、臨床和環境科學。

爾後產生新的發現又使開發更強大的新穎儀器成為可能。例如,磁振造影(magnetic resonance imaging scanners),最初是物理學家和化學家為進行基礎研究而開發的,爾後才成為醫學上的診斷儀器。

因此,儀器的發展與科學保持著共生關係(symbiotic relationship),決定了未來的科學發展與社會進步1

儀器是結合光、機、電、真空、控制等物理、化學及生命技術之整合系統,種類繁多,各國分類標準及涵蓋範圍亦隨各國產業現況而異,依儀器用途概分為八大類組,涵括基本物理量量測儀器、光學量測儀器、化學分析儀器、材料分析儀器、表面分析儀器、電子測試儀器、醫療儀器、環境及安全衛生檢測儀器等2

要拿諾貝爾獎,先搞定儀器

2001 年日本政府宣布將在 50 年內奪下 30 座諾貝爾獎,截至 2019 年,日本總共拿下 19 座諾貝爾獎,平均一年就產出一位諾貝爾得獎者。美國和日本都是諾貝爾獎大國,要長出顯眼的科技樹,除了政府支持、經濟作為後盾之外,還有一項重要的原因就是高端儀器的製造與使用。

前中研院院長李遠哲獲得諾貝爾化學獎的主要原因就是設計出「交叉分子束實驗裝置」(crossed molecular beam apparatus),並用此儀器深入了解分子碰撞與化學反應的機理。

自製儀器除了可以拿諾貝爾獎以外,還可以幫助產業節省成本。就半導體產業來說,台灣雖為半導體產業龍頭,但製程所用的設備大多數都仰賴進口,價格昂貴且維修不易。

在台灣,隸屬國家實驗研究院的台灣儀器科技研究中心(儀科中心),可說是客製化光電儀器重鎮。

近年來投入半導體高階儀器設備及關鍵零組件之自研自製,研發出國內第一部自製先進半導體原子層磊晶蝕刻(atomic layer etching, ALE)設備,使用氮化鎵(GaN) 材料研製次世代半導體電力元件,作為製作微小結構「精準蝕刻」最佳工具,可應用在半導體製造業的特殊製程步驟,不僅可彈性調整零組件、降低維修成本,讓技術不再受制國外廠商。

另為因應產業界對於半導體製程之尺寸微縮需求,以及奈米科技於多元科技之應用發展,儀科中心自主開發原子層沉積 (atomic layer deposition, ALD)系統,與目前動輒台幣二千萬元以上的機台相比,儀科中心開發同樣性能之系統,性能與價格上,皆具市場競爭力。

國內第一部自製先進半導體原子層磊晶蝕刻(atomic layer etching, ALE)設備

有了自製的能力,還可以利用獨有的設備與技術,根據產業製造、學術實驗與生醫檢測等各界需求,客製化開發目前市面上「不存在」的設備。

儀科中心就曾經協助產業開發建置全台首創線上全檢「太陽能板產線智慧即時回饋檢測設備」,在 1 分鐘內即可完成一片板材檢測,不但檢測效能提升 30 倍以上,並可即時分析研判結果,據以對製程進行調整,大幅提升生產效能和品質;協助醫學界開發「生醫顯微影像光譜檢測系統」,整合顯微取像與高光譜模組,透過人工智慧學習,進行組織或病理試片分析,協助醫檢及研究人員進行攝護腺組織、子宮頸抹片、泌尿上皮細胞等初步組織或病理試片特徵分類。

國研院儀科中心依照客戶需求量身打造客製化儀器解決方案

儀器 Maker,快來報名參加「國研盃 i-ONE 儀器科技創新獎」!

如果你也想成為儀器 Maker,不妨報名由儀科中心承辦的「國研盃 i-ONE 儀器科技創新獎」,「創想」結合科學理論並動手「實作」,從中找到答案並解決問題,更可能誘發新的創意與發明。

競賽相關資訊皆公布於活動官網 Facebook 粉絲專頁

參考資料

  1. Advanced Research Instrumentation and Facilities, National Academies Press, P16 (2006)
  2. 《儀器總覽》,新竹: 國家實驗研究院台灣儀器科技研究中心,P5,1998年。
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化療抗癌藥再進化:加上「化學開關」留在奈米微脂體中,直送癌細胞
PanSci_96
・2018/06/20 ・1242字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 636 ・十年級
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  • 首圖說明:「化學開關」助奈米微脂體藥物維持有效劑量直達癌細胞。

中央研究院生物醫學所研究員羅傅倫研究團隊,發現一種簡單且通用的化學方法,能有效使抗癌藥物主動裝載並穩定保留在奈米微脂體內,一路直達癌細胞再釋放出抗癌藥物,避免藥物在體內循環過程中過早外洩,引發全身毒性。相關研究成果已於 5 月 10 日登上國際期刊《自然通訊》(Nature Communications)。

癌症治療時,常利用化療藥物作為主要治療方法;但如何遞送足量的抗癌劑到腫瘤細胞成為治療關鍵。由於化療藥中包裹在藥物外層的奈米微脂體是由雙層磷脂質組成,而絕大多數小分子藥物例如化療藥物,通常為親脂性分子,容易由微脂體中洩漏。因此高毒性藥物往往在奈米微脂體藥物積聚在腫瘤前,就從載體洩漏出來,除了大幅降低遞送到腫瘤細胞的有效藥物劑量,還可能引發全身毒性。

因此,羅傅倫研究團隊設計一種「化學開關」,將抗癌藥物連結糖苷化學開關,可以根據酸鹼值、離子濃度在微脂質內外進行轉換。首先將化學開關連結在抗癌藥物上,促使抗癌藥物轉換成脂質穩定態,主動穿透並裝載到奈米微脂體中;之後於微脂體核心內鹼性環境中轉換成水相穩定態,使抗癌藥物穩定保留在微脂體內,直達癌細胞。

羅傅倫團隊設計出的「化學開關」可於裝載階段呈現親脂性,讓抗癌藥裝入微脂體中;待進入微脂體中後則呈現親水性,讓藥物在抵達癌細胞前不輕易洩出。圖/中研院生醫所提供

羅傅倫博士表示,相關研究顯示,大部分藥物都會在體內循環時外洩,此次研究是第一次透過酵素反應觸發糖苷化學開關,產生穩定的奈米微脂體,將治療藥物包覆其中,提高癌症治療的標靶選擇性,藉此降低不必要的毒性,並增加在腫瘤內積聚抗癌藥物。

裝載抗癌藥物的微脂體進入癌細胞後,酵素反應觸發化學開關會被細胞內的酵素催化,進而選擇性釋放出抗癌藥物。研究成果顯示,帶有人類乳腺癌腫瘤的小鼠接受裝載此種化學開關的抗癌微脂體藥物後,在腫瘤中檢測到高濃度的抗癌藥物,而大多數帶有腫瘤的小鼠能完全治癒,而沒有明顯的毒性副作用。

裝載抗癌藥物的微脂體進入癌細胞後,酵素反應觸發化學開關會被細胞內的酵素催化,進而選擇性釋放出抗癌藥物。 圖/中研院生醫所提供

「糖苷化學開關轉換機制可以提供製備安全、有效的奈米藥物,提供用於治療癌症和其他疾病。」羅傅倫表示,除了人類乳腺癌細胞,目前著眼於胰臟癌、大腸癌合併肝轉移的治療方法,並以此方法合成有效的抗癌微脂體藥物,降低化療藥的副作用,未來進一步透過小鼠實驗研究,建立抗癌新平台。

  • 本論文第一作者為生醫所博士後研究白宸睿(Burnouf, Pierre-Alain),共同作者為嘉南藥理大學教授呂玉玲(Yu-Lin, Leu)、生醫所博士後研究蘇昱誠(Yu-Cheng Su)、Kenneth Wu、Wei-Chi Lin、羅傅倫(Steve R. Roffler)。原始論文請見此〈Reversible glycosidic switch for secure delivery of molecular nanocargos〉。
  • 本文編修自中央研究院生物醫學科學研究所新聞稿,原文為〈包得住抗癌藥!「化學開關」助奈米微脂體藥物維持有效劑量〉。
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准了!英國成為首個批准人類胚胎基因編輯的國家
奇奇
・2016/02/02 ・561字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 540 ・八年級
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圖/CBS 

英國人類受精與胚胎學管理局(The Human Fertilisation and Embryology Authority ,HFEA)批准了一項有關人類胚胎基因編輯的研究申請,引發外界許多爭論,反對者認為這可能將導致父母「訂製」更聰明優秀的嬰兒。

這項重大決定,將允許位在倫敦的法蘭西斯克利克研究中心(The Francis Crick Institute),研究主要負責人尼亞肯博士( Dr. Kathy Niakan)希望可以運用 CRISPR–Cas9技術,分析人類健康胚胎第一週的生長狀況。這將可以讓我們更了解人類胚胎發展的最初階段,並增進體外人工受精成功機率。

相較於其他基因編輯技術,CRISPR–Cas9是更快的,更便宜且簡單的方式,找出、修正生物基因。未來也可以運用於治療 HIV、肌肉萎縮症與鐮刀型貧血症等遺傳性疾病上。

該研究團隊強調,所有經過基因修飾後的胚胎,將在培育開始的七天後被銷毀(此時的胚胎大概有 250個細胞大),並不會「製造」出任何的嬰兒,但部分評論者仍認為這可能將引來人們對於「完美嬰兒」無止盡地追求。

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奇奇
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泛科學菜鳥編輯,從大眾傳播路上誤打誤撞走進科學世界,希望可以將科學迷人之處傳達給所有人!