脊髓神經受損不再是一輩子的事了!能使脊髓神經軸突再生的人工合成醣類

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位

  • 採訪編輯|林承勳。美術編輯|林洵安。

在同學坐下時將椅子移開、站立時直接彎腰搬重物,這些動作看似無關緊要,其實非同小可,很容易傷到脊髓神經。更嚴重的是,脊髓神經受損後無法修復,一旦造成傷害,可能半身不遂。好消息是,中研院基因體研究中心主任洪上程與日本名古屋大學合作,近日發現:人工合成的「硫酸乙醯肝素」八醣體,能讓小鼠受損的脊髓神經軸突再生,或許在未來某一天,可以成功修復人類受損的脊髓神經。

人類的神經系統與神經元細胞

人類的神經系統分成兩個部分:包含腦和脊髓的中樞神經,以及遍布全身的周圍神經。

圖片來源|iStock
圖說設計|黃曉君、林洵安

但不管哪個部位的神經,基本單位都是神經元細胞。所有的神經元都有三個基本構造:細胞核所在的細胞體 ,負責接收訊息的樹狀突起─樹突 ,還有將神經訊息向外傳送、一條細長管狀突起─軸突。

神經元細胞傳送訊息的方法是:細胞體的神經衝動,先由軸突傳到末端的突觸,再由下一個神經元細胞的樹突接收、軸突傳出,就這樣一個傳一個,宛如接力賽般把訊息傳出去,直到目的部位。

第一個神經元細胞將神經衝動傳到軸突末端的突觸,然後釋放神經傳導物質到下一個神經元細胞的樹突突觸,藉此將神經衝動傳給下一個神經元……就這樣把訊息接力傳到目的地。神經元軸突長度相差很大,有的僅分布在細胞周圍;有的很長,像是成人的坐骨神經,長度能超過1.5公尺。
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圖說設計|黃曉君、林洵安

反過來說,如果軸突受損、斷裂,無法再生,就會阻斷神經訊息傳遞,嚴重將導致癱瘓。洪上程、門松健治跨國團隊的研究故事,就從這裡開始⋯⋯

軸突再生的關鍵:蛋白質 Cortactin

由洪上程、門松健治組成的跨國研究團隊發布、刊登於國際期刊《自然-化學生物學》(Nature Chemical Biology)的研究論文中,日本團隊從小鼠身上取得的背根神經節作為研究材料,背根神經節屬於上述的周圍神經。

結果發現: 當神經元的軸突受損或斷裂時,軸突末端會形成球狀凸起物,以避免神經元細胞質持續流失,但在此同時,也阻礙了軸突生長,導致軸突受傷後無法修復。

所幸,日本研究團隊又發現:神經元軸突能否再生,關鍵在細胞內一種名為 Cortactin 的蛋白質。當 Cortactin 被磷酸根化,就會促使細胞進行自噬作用,讓軸突末端的球狀凸起物分解。如此一來,斷裂的軸突就可以重新生長、產生連結。

當 Cortactin 被磷酸根化,就會促使軸突末端的球狀凸起物分解,讓斷裂的軸突可以重新生長。
資料來源|洪上程
圖說重製|黃曉君、林洵安

可惜的是,在神經元軸突受損的情況下,Cortactin 是沒有被磷酸根化,處於沒有活性的狀態。

洪上程指出,洪上程指出,原因在於細胞表面的硫酸軟骨素(Chondroitin Sulfate,以下簡稱 CS)和細胞膜上的磷酸根移除酶(Protein Tyrosine Phosphatase Receptor σ,以下簡稱 PTPRσ)。

CS 分子會在受傷的神經軸突附近聚集,並和神經元細胞表面的 PTPRσ 結合,使它活化。一旦 PTPRσ 被活化,會移除 Cortactin 的磷酸根。沒有磷酸根、沒有活性的 Cortactin 就無法促成細胞進行自噬作用,受損的軸突就無法修復。

第一個新發現: CS 分子結合受器 PTPRσ,會移除 Cortactin 的磷酸根,阻礙神經元軸突再生。
資料來源|洪上程
圖說重製|黃曉君、林洵安

人工合成八醣體,促成神經元軸突再生

好消息是,洪上程發現,阻礙軸突修復的 CS 分子,跟他實驗室合成的八醣體─硫酸乙醯肝素(Heparan Sulfate, 以下簡稱 HS)同屬 Glycosaminoglycans 家族,結構都含有多個硫酸根。

洪上程便將自己實驗室合成的十六種 HS 八醣分子,提供給門松健治團隊,讓 HS 分子跟受損的神經元作用,期待 HS 分子可以取代 CS 分子,並與 PTPRσ 結合後,不會移除 Cortactin 的磷酸根。

結果顯示:在成鼠受損神經元,施以大量 HS 分子之後,神經元果然開始重生。

這個實驗證實了硫酸根較多的幾種 HS 分子,果真成功消除 PTPRσ 活性,造成 PTPRσ 無法移除 Cortactin 的磷酸根,讓神經軸突得以再生。

第二個新發現:HS 分子取代 CS 分子,搶先與 PTPRσ 結合, 讓 Cortactin 又可被磷酸根化, 使神經軸突順利再生。
資料來源|洪上程
圖說重製|黃曉君、林洵安

日本學者推測原因:原本 CS 分子的 PTPRσ 結合是一對一,一個 CS 分子結合一個 PTPRσ。但 HS 分子的結構比較長,所以一個 HS 分子跟好幾個 PTPRσ 集結,形成低聚合物,可能因此遮住了 PTPRσ 的活性位置,使它們無法發揮去除磷酸根的功能。

另一個可能解釋是,HS 分子跟 PTPRσ 結合後, 蛋白質 PTPRσ 本身結構發生變化,連帶影響活性,失去了移除磷酸根的能力。

細胞實驗成功後,下一個要克服量產問題

目前神經軸突再生實驗,已經完成了細胞測試階段,下一步就是以活體動物作為實驗對象。

不過直接在小鼠體內組織進行實驗,比起之前將小鼠脊髓神經細胞取出、放在培養皿操作,難度不可同日而語,光是 HS 分子的劑量就是一大考驗。

因為細胞實驗只需要幾毫克 HS 分子 ,但動物實驗劑量勢必需要幾公克。雖然目前八醣體的合成步驟已有標準流程,但是要大量合成,條件絕對不會一樣。

「不僅是原料濃度要增加,容器大小、環境溫度,都有可能影響產率。」洪上程解釋。操作人員熟悉標準流程的步驟後,想要達到量產目標,估計可能要再花費一年時間。

至於何時應用到人體?這次周圍神經元軸突再生機制,能否應用到中樞神經元?這些問題都需要更進一步的研究。

HS 分子在這次發現中扮演關鍵角色。您是怎麼開始研究 HS 分子?

HS 分子,可說是我二十年研究經驗的累積。當初會研究人工合成 HS 分子,源自中研院基因體研究中心,肩負著對抗傳染性疾病、癌症和神經退化性疾病的重責大任。

傳染性疾病與癌症,看似與基因沒有強烈的關聯,但實際上,經由人體遺傳物質 DNA 轉錄、轉譯製作出來的蛋白質,在後續修飾的過程,會影響人體是否容易感染疾病,或是出現癌細胞。基因體研究中心著手的蛋白質後轉譯修飾(Post-translational modification, PTM)研究,在近年來神經退化疾病醫療中,也越顯重要性。

中研院基因體研究中心肩負著對抗傳染性疾病、癌症和神經退化性疾病的重責大任。

至於我一開始想解決的問題,其實是登革熱。研究發現,登革熱病毒在感染細胞的時候,會跟細胞表面的 HS 分子結合,促使細胞進行吞噬作用,讓病毒進入細胞,利用細胞裡的資源增殖、再擴散。

因此我構想,針對病毒本身或細胞表面的醣類進行研究,應該可以找出阻隔病毒入侵細胞的有效方法。因為病毒突變太快,但不論如何變異,目標都是跟細胞表面的醣類結合。換句話說,如果能夠模擬、人工合成細胞表面的醣類,讓它和病毒作用,也許可以避免病毒進入細胞。

但僅僅是合成細胞表面相關的醣類,就必須花費龐大的心力。。

為什麼人工合成醣類很困難呢?

醣類,主要是由數個葡萄醣(醣的最基本單位)組合,但是在合成時需要注意「異構物」的問題。

所謂的異構物,即是分子式相同的醣類,從立體的角度來看,還會有官能基朝向方位不同的狀況。如同物體與其鏡像,對稱卻無法完全重疊,稱為「鏡像異構物」。

兩個異構物可根據分子對偏振光的反應—-使光向左或右邊旋轉,分成左旋與右旋。左旋與右旋的化合物,雖然具有相同的化學與物理性質,但與其他物質作用時卻可能產生完全不同的效果。

除了分辨、純化所需要的醣類之外,在著手合成時還有官能基區分、選擇等等難題。

官能基,是分子裡一群有特定結構與化學性質的原子團。一個葡萄醣上有五個 OH(氫氧根)官能基,每個扮演的角色都不同。在人工合成醣類時,確認哪個是應該作用的目標官能基之後,還要想辦法保護其他不應該進行反應的官能基。

人工合成醣類需要注意異構物、旋光性的篩選,還有官能基作用選擇,統統需要耗費大量時間分析。

後來我的實驗室發明了合成醣的「一鍋化」方法。原本一個反應瓶只能一次進行一個反應,反應終止後要純化、分離,再進行下一個步驟。「一鍋化」方法能省略很多步驟、節省溶劑與化學廢棄物,並製作出許多不同的衍生物。

目前實驗室已經製造出兩條八醣骨架(下圖骨架 A 和骨架 B),每條骨架加裝不同官能基可以生成八種衍生物,就是這次研究使用的十六種 HS 分子。

從一個共同的八醣骨架 A ,分別進行 8或 9 項反應步驟,可以衍生出 8 種 HS 分子。
資料來源|洪上程
圖說設計|黃曉君、林洵安

從一個共同的八醣骨架 B ,分別進行 8或 9 項反應步驟,可以衍生出 8 種 HS 分子。
資料來源|洪上程
圖說設計|黃曉君、林洵安

經過二十年的經驗累積,目前可用五、六十個步驟製造出十六個八醣體。但我的最終目標,是合成十六個八醣骨架,製造出一百二十八種衍生物。

這次突破性發現是中日跨國合作的成果,您怎麼會想到跟名古屋大學合作呢?

這次的跨國合作,其實源自一場不經意的研討會談話。

有一次,我到歐洲參加兩年一度的蛋白聚醣國際研討會,在會議中認識這次的日方研究團隊。

因為都是亞洲人,臉孔比較熟悉,很自然的互相打招呼,交流彼此的研究領域。我的專長是化學合成,與名古屋大學的科學家不經意的聊起 PTPRσ,以及如何製造合成物來抑制蛋白質活性。

就這樣,原本不同國家、不同領域的研究者,透過一場輕鬆的交流,促成這次台日跨國研究計畫,最後讓原本用來對付傳染病的八醣體,成為促進神經修復的關鍵。

所以不論是研究或是學習,都應該要把握機會認識不同領域的朋友。不一定都要出國開會,也可以是不同部門、樓層,甚至是隔壁研究室。瞭解彼此在做些甚麼,才有辦法合作,找出新發現。

中研院基因體研究中心主任洪上程,以本次跨國合作經驗勉勵研究者:「走出門外交流,或許是新發現的開始!」
攝影|林洵安

延伸閱讀:

本文轉載自中央研究院研之有物,原文為癱瘓者的福音!人工合成八醣體,促使脊髓神經軸突再生,泛科學為宣傳推廣執行單位

關於作者

研之有物│中央研究院

研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook

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