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取代動物實驗有望?以人工智慧預測化學毒性準確度更高

旻諭
・2018/08/20 ・2568字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 515 ・六年級

聽到動物實驗,在你腦中第一個浮現的畫面是甚麼?穿著白袍的科學家在實驗室裡對白老鼠打針?或是化妝品廠商把化學物質滴進兔子眼睛,來測試商品刺激性?

實驗鼠對人類的貢獻絕對不只有這樣,繼續往下看!圖/tiburi @pixabay

動物實驗的管轄範圍可能不只你想像的這些!除了我們常聽到化妝品或人體清潔用品的安全測試,在生物醫學的研究場域中,實驗動物常應用在藥物與疫苗的安全測試,或觀察感染源與腫瘤的生長情形。在生理心理學的研究領域,也經常以動物作為研究材料,透過研究動物行為,期待能將研究成果類比到人類的心智活動。當然,也有很多單純研究動物本身形態、生活習性或行為特徵等等,也算是動物實驗的範疇。

國研院動物中心企劃推廣組組長秦咸靜提到,從 1900 至 2016 年為止,103 位諾貝爾生醫獎得主中就有 84 位做的是動物實驗。所以從歷史上來看實驗動物的醫療貢獻,如果沒有這些動物的犧牲,我們對於醫療健康的知識不會有這麼大的進展。

由此可見動物實驗的範圍有多廣,還有實驗動物對於人類的貢獻有多深遠。

是說單純為了研究動物而實行的動物實驗可能沒什麼大問題,但如果是做化妝品、清潔用品測試,或研究人類疾病這種單純只「為人類服務」的動物實驗,一直以來都具有爭議。不過好消息來臨!在上個月中,美國約翰霍普金斯大學團隊發表在《Toxicological Sciences》期刊的研究成果,或許能夠大大的降低動物實驗的比率。

或許在未來使用實驗動物的數量可以大大減少。圖/Rama, wikimedia commons

電腦不只會揀土豆,還可以預測化學物質的毒性

人工智慧的浪潮來勢洶洶,以前可能從沒想過 AI 可以減少動物實驗,如今正一步步邁向以電腦預測取代動物實驗之路。不過話說回來,這到底是怎麼辦到的呢?目前最常見的替代動物實驗的方式叫做「讀取」(read-across),由於具有相同化學結構的物質,對人體健康的影響也十分相似,因此研究人員合成新的化學物質時,可以依據它的結構來推測毒性強弱。

研究團隊依循「讀取」的核心理念,花了兩年的時間,從 80 萬個動物實驗結果建立約一萬種化合物的毒性資料。這些資料來自於歐盟自 2007 年開始的「Reach」法規(Registration, Evaluation, Authorization and Restriction of Chemicals)中,規範化學品公司皆需將化學物質之安全資訊登記於歐洲化學品主管機關(European Chemicals Agency)。而截至 2018 五月總共登記兩萬筆以上的化學物質資料。

美國約翰霍普金斯大學研究團隊的通訓作者 Thomas Hartung 表示:「從資料庫中可以發現同樣化學物質的動物實驗測試重複了幾十次,像是把化學物質滴在兔子眼睛測試刺激程度。」

從資料庫中可以發現同樣化學物質的動物實驗測試重複了幾十次,像是把化學物質滴在兔子眼睛測試刺激程度。圖/usda, wikimedia commons

那該如何避免這種情況發生?Thomas Hartung 的研究團隊再從 PubChem 的公開資料庫和美國 National Toxicology Program 中取得資料,建置成含有一千萬種化學結構的超大資料庫,再把資料庫中的化學物質兩兩配對,比較它們的化學結構和毒理學特性,像是對眼睛、皮膚的刺激程度,或是 DNA 受損程度。

經過了 50 兆次的兩兩比較之後,團隊依照各化學物質的結構與對人類的健康影響,畫出「化學特性地圖」。最後,為了要檢驗這花了好一番功夫畫出來的地圖預測力如何,團隊隨機選擇一個化學物質,根據地圖來預測這個化學物質的毒理學特性之後,再把預測的結果拿去跟動物實驗的結果比較。

一般來說,如果把先前做過動物實驗研究的化學物質,再拿去做一次一模一樣的動物實驗,所得到的研究結果有 81% 的機率會跟先前結果一樣。而 Thomas Hartung 團隊的研究結果顯示,「化學特性地圖」的預測結果與先前動物實驗結果平均有 87% 相符。

「這真是令人大開眼界!或許未來許多動物實驗能夠以電腦預測取代,且能夠取得更準確的研究成果!」 Thomas Hartung 這麼說。

動物實驗真的可以完全消失嗎?

這份「化學特性地圖」雖然能高度還原先前的動物實驗結果,並能良好預測化學物質是否引起發炎、疼痛等對人體較單純的影響,但如果要評估對人體更複雜的危害,像是是否導致癌症或影響生育能力時,目前仍需要倚靠動物實驗來證明。也就是說,化學物質對人類健康的影響層面多元又複雜,光靠大數據的分析與預測就想要大小病通吃,可能還有一段很長的路要走。

即使在不遠的將來,這份化學特性地圖越趨完善,動物實驗就真的可以完全消失嗎?

基礎科學的研究與藥物開發的臨床前試驗,動物實驗的地位可能還是屹立不搖。圖/Maggie Bartlett, wikimedia commons

就像在文章前頭曾經提過,動物實驗的型態百百種,目前看起來化妝品、清潔用品等屬於毒理學領域的測試可能可以慢慢以電腦模型來取代,但是基礎科學的研究(包含觀察感染源與腫瘤的生長情形,及以動物行為來探討人類心智活動)與藥物開發的臨床前試驗,動物實驗的地位可能還是屹立不搖。

值得開心的是,有越來越多取代動物實驗的方法出爐,像是哈佛大學的韋斯研究所(Wyss Institute)研發出能夠模擬人類器官的 USB 大小晶片,以矽膠物質模擬人類器官細胞,細胞旁緊鄰空氣通道,研究人員把化學成分注入這些通道當中,就能夠模擬心、肺、腸道對藥物的反應。

我們無法否認動物實驗對於科學界的重要性與貢獻,但近年來科學家也竭盡所能研發出能夠取代動物實驗的研究方法,或許在人工智慧發展越趨成熟之際,這篇以大數據漸漸取代動物實驗的研究能有拋磚引玉的效果。

參考資料:

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旻諭
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PanSci 泛科學實習編輯,大學主修生科,喜歡認知神經科學。研所跳槽科學教育,目前正努力想要聰明又科學的活著。


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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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科技魅癮_96
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