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為什麼會說癌細胞愛吃糖?罹患腫瘤的狗狗需要減醣嗎?

活躍星系核_96
・2020/09/09 ・2323字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 514 ・六年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

聽說癌細胞愛吃糖,我的狗狗有腫瘤,是不是不能吃含糖的食物?

愈來愈多的飼主會提到這個問題,如果要了解腫瘤跟醣類之間的故事,就要先從瓦爾堡先生的故事開始說起。

腫瘤表示:只要有甜的我都愛?

正常的細胞在氧氣充足的情況下,會以有氧呼吸的方式消耗葡萄糖產生能量,只有在缺氧的情況下才會依賴糖解作用代謝葡萄糖。

但腫瘤細胞生性叛逆,就算在有氧氣的情況下也是靠糖解作用代謝葡萄糖,這個現象稱作有氧糖解 (aerobic glycolysis),也被稱為瓦爾堡效應 (Warburg effect),用以紀念發現這個現象的德國科學家——奧托·海因里希·瓦爾堡 (Otto Heinrich Warburg)。

好多好多的糖在這裡~圖/giphy

一樣都是消耗葡萄糖產生能量,有氧呼吸有氧糖解有什麼差別呢?雖然只差兩個字,但在產生能量的效率上卻有天壤之別。

有氧呼吸的情況下,消耗一個葡萄糖大約可以產生 30 至 38 個 ATP,但在糖解作用下每消耗一個葡萄糖只能生成 2 個 ATP。

這裡可以發現腫瘤細胞用一種很沒效率的方式產生能量,為了獲得足夠的能量,當然也就只能拼命消耗掉葡萄糖,因此而給人一種「腫瘤愛吃糖」的印象。

腫瘤不是很厲害?為什麼產生能量沒效率?

難道腫瘤細胞也因為負重所以沒效率嗎?(亂講)圖/giphy

那麼腫瘤細胞為何要採取這麼沒有效率的代謝方式呢?

這個問題你跟我想知道,《Nature Reviews Cancer》 的編輯也想知道,2004 年刊載了一篇《Why do cancers have high aerobic glycolysis?

腫瘤在發展初期與供應氧氣的血管距離過於遙遠,因此腫瘤細胞便處於一個缺氧的環境,不過腫瘤細胞善於在逆境中求生存,很快就適應這種缺氧環境,腫瘤細胞開始以不需要氧氣的糖解作用作為葡萄糖的主要代謝途徑,於是生命找到了出口。

缺氧的環境訓練出一批喜歡糖解作用的腫瘤細胞,縱使最後腫瘤成長茁壯蔓延到血管周圍,氧氣對他們來說已經不是遙不可及,但江山易改,本性難移,腫瘤細胞在有氧氣的情況下,還是持續用糖解作用來分解葡萄糖(有氧糖解),最終形成了一個「喜歡吃糖的腫瘤」。

這篇 paper 其實還整理了許多分子機轉來解釋腫瘤細胞如何形成有氧糖解的代謝方式,以及後續對腫瘤的生長產生什麼助益,不過為了避免讓這篇文章從「好想告訴你」變成「好想催眠你」,欲知詳情可以自行找來看看。

限制醣類是否就能控制腫瘤呢?

到底能不能吃糖呢?圖/giphy

故事至此,腫瘤喜歡吃糖幾乎是可以確定的事,那麼限制醣類的攝取是否對腫瘤控制有所幫助呢?這次換 Nutrition & Metabolism 的編輯想知道答案。2011 年刊載了一篇《Is there a role for carbohydrate restriction in the treatment and prevention of cancer?

碳水化合物 (carbohydrate) 是所有醣類的總稱,身體攝取碳水化合物(纖維素除外)後會代謝為葡萄糖,當身體處於一個高血糖的狀態便會分別誘發胰臟與肝臟分泌胰島素 (insulin) 與類胰島素生長因子 1 (insulin-like growth factor 1)。這兩個激素對腫瘤具有促進生長的效果,因此若能藉由控制血糖而不要讓胰島素類胰島素生長因子 1 過度分泌,理論上是有可能延緩腫瘤進展。

然而這些理論大多只在腫瘤細胞培養及小鼠的腫瘤模式得到初步驗證,在人類腫瘤患者身上則是效果不一。

  • 27 位腸胃道腫瘤的患者分別採用低糖與高糖飲食 14 天後,腫瘤細胞的生長速度並沒有明顯差異。
  • 在腦部腫瘤方面,兩位患有腦瘤的女童病患接受低醣飲食 8 週後,腫瘤對葡萄醣的代謝活性減少了約 20%,其中一位患者在後續的一年中持續低醣飲食,腦部腫瘤都沒有惡化的跡象。
  • 另一個病例則是多型性膠質母細胞瘤的患者在接受腫瘤部分切除手術後搭配放療、化療及嚴格的低醣飲食,兩個月後進行核磁共振檢查腦部已經看不到腫瘤的痕跡,可惜的是在停止低醣飲食兩個多月後腫瘤便再次復發。

需要強調的是,細胞株或實驗動物的腫瘤治療效果不見得可以在人體得到相同的反應,這些案例只能告訴我們低醣飲食或許在某些情況下會產生效果,後續仍需要更多的臨床驗證才能釐清更多細節,千萬不能有「不吃糖可以餓死腫瘤細胞」的想法,畢竟腫瘤細胞不是省油的燈,就算沒糖吃也還是會想盡辦法從其他地方填飽肚子的。

有腫瘤的狗狗怎麼吃才健康?

那麼有腫瘤的狗狗到底需不需要低醣飲食呢?

我吃!我吃!我都吃!(非當是狗狗)圖/giphy

2012 年 JAVMA 的文章整理了網路或書本上的腫瘤食譜以及商品化的腫瘤配方產品,其中大約有六成的配方皆以低醣(醣類卡路里占比 < 20% ME)進行設計,顯然也是奉行瓦爾堡先生的遺志。

然而目前為止仍然沒有實際的臨床證據告訴我們低醣飲食對於犬貓腫瘤控制有所幫助,況且低醣飲食通常意味著有較高比例的脂質,要注意高脂的食物可能會引起腸胃不適的問題。

值得一提的是,這些網路或書本的腫瘤食譜以及少部分的商品化腫瘤配方並未符合美國飼料管理協會 (AAFCO) 或美國國家科學研究委員會 (NRC) 的營養需求建議,長期食用反而會有營養失衡的疑慮。

因此,在沒有更明確的報告出來之前,其實可以不用糾結腫瘤的狗狗到底要不要限制醣類攝取,所謂能吃就是福,只要動物還願意主動進食都還算是萬幸,如果開始出現厭食才是真的傷腦筋!

參考資料:

  1. Gatenby, R. A., & Gillies, R. J. (2004). Why do cancers have high aerobic glycolysis?Nature reviews cancer4(11), 891-899.
  2. Klement, R. J., & Kämmerer, U. (2011). Is there a role for carbohydrate restriction in the treatment and prevention of cancer?Nutrition & metabolism8(1), 1-16.
  3. Heinze, C. R., Gomez, F. C., & Freeman, L. M. (2012). Assessment of commercial diets and recipes for home-prepared diets recommended for dogs with cancer. Journal of the American Veterinary Medical Association241(11), 1453-1460.

本文轉載自 FB專頁 獸醫好想告訴你

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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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感覺晚上精神特別好?癌細胞也是——趁你熟睡時偷偷進行的「癌症轉移機制」
Charlotte 熊_96
・2022/08/17 ・2780字 ・閱讀時間約 5 分鐘

我們都知道:癌症轉移,是惡化的開始
癌細胞轉移是幾乎是所有癌症狀況變糟的開始。

當癌細胞開始轉移的時候,情況可能會變得不太樂觀。 圖/elements.envato

臨床上,癌症期別最常使用的是 TNM 分期系統:

T(tumor)為腫瘤大小
N(node)為淋巴結侵犯
M(metastesis)為遠端轉移

其中,轉移對於癌症期別的估測極為重要,「遠端轉移」的意思,便是癌細胞由原本的器官組織,跑到另一個器官。

癌細胞從原發器官脫落後,經過重重障礙,包括基底膜、細胞骨架、細胞外基質等,進入到淋巴或是血液循環,而抵達遠方組織,長出新的腫瘤。譬如說大腦本身原發的癌症非常少,如果發現病人腦中出現癌細胞,合理的推論是這個癌細胞來自其他器官,常見的腦轉移可能來自肺癌、乳癌等等。這些轉移可能導致病情更難以控制,到最後演變成多重器官衰竭。

癌細胞轉移的先鋒部隊——循環腫瘤細胞

循環腫瘤細胞(Circulating tumor cells)是癌細胞遠端轉移的前驅[1],血液中的循環腫瘤細胞量可以預測腫瘤的轉移能力,是一個腫瘤的生物指標。這些循環腫瘤細胞由原發的腫瘤剝落下來,進入血液循環。上皮細胞間質化(Epithelial to mesenchymal transition)是一個例子。

大部分的上皮細胞癌(譬如說大部分的乳癌、卵巢癌等等)都喜歡聚在一起,當細胞被打散反而生長得比較差,甚至無法生長。但是當這些細胞準備要遠端轉移時,他們會由表皮細胞轉換成間質細胞,脫離原本的基質,進入血液循環。

循環腫瘤細胞由原發的腫瘤剝落下來,進入血液循環。 圖/wikipedia

當他們準備好要「定居」在新的目標器官時,再由相反的程序–間質細胞上皮化而穩定下來。大部分的循環腫瘤細胞會在血液循環系統中死亡。但是少部分的癌細胞可以保持其繁殖的能力,在找到下一個器官並成功附著後,就是所謂的遠端轉移。

因此很多癌症只要有遠端器官轉移,就屬於三期癌症以上,無法進行局部治療(譬如手術切除),而必須要進行系統性治療,譬如像是化學治療、賀爾蒙治療、標靶治療、免疫療法等等。

晚上不睡覺的癌細胞又凶又積極

在 Nature 醫學新知中[2],密西根大學的 Harrison Ball 以及 Sunitha Nagrath 兩人對於癌症如何轉移有新的發現。

Harrison Ball 以及 Sunitha Nagrath 發現這些循環腫瘤細胞有他們特別喜歡出沒的時機當人沈睡之時

Masked thief using lock picker to open locked door stock photo
看來睡覺的時候除了小偷要防,還要小心癌細胞。圖/istock

主宰人類晝夜規律的,是一個複雜的系統。其中包括許多賀爾蒙,如褪黑激素和皮質醇。研究者在 30 人組成的乳癌受試者中,分別在凌晨 4 點(休眠期)以及上午 10 點(活動期)取血液樣本,發現 78% 的循環腫瘤細胞在休眠期出現。

在他們建立的小鼠模型也發現一致的結果。這些模型包括使用藥物控制老鼠褪黑激素濃度、控制燈光以改變老鼠活動/休息期、基因改造過的紊亂晝夜週期老鼠等等。實驗的結果都指向循環腫瘤細胞在老鼠休息時表現特別活躍。

這些休眠期取到的腫瘤循環細胞,不僅在原宿主體內表現得比活動期取到的腫瘤循環細胞更具侵略性,當注入下一個小鼠體內時,一樣表現得比較惡形惡狀。

Harrison Ball 以及 Sunitha Nagrath 發現,這不是一個「被動」的原發腫瘤剝落過程,而是一個「積極」侵略的號角。在小鼠休眠時,這些腫瘤細胞內的蛋白質表現基因變得更活躍,可以產生更多的蛋白質,以利其生長及繁殖。

了解他們,打擊他們

知道這些細胞比較喜歡在哪個時機出沒有什麼好處呢?難道都不要睡,腫瘤就不會遠端轉移?大多數的醫學研究,基本上都會回歸到臨床治療中,而這項發現對於腫瘤科醫師而言,潛在很多益處。

大家不要因為睡覺的時候癌細胞比較容易出現就不睡覺喔!圖/elements.envato

癌症的檢驗方式。Harrison Ball 以及 Sunitha Nagrath 的研究告訴我們,在宿主休眠時,循環腫瘤細胞的表現會增加,被診斷出癌症的機率也就上升。

目前要診斷癌症,僅有少部分可以用影像直接判斷(譬如肝細胞癌),但絕大部分都是需要透過取組織樣本進行病理鑑定(就算是血癌,雖然可以由抽血做初步判斷,但很多時候仍要取骨髓樣本)。畢竟癌症的治療,需要用到很多副作用強大的藥物,或是進到手術房切除身體的一部份。在這種狀況下,醫生絕對不能亂槍打鳥的判斷。

但取組織樣本是一個非常具有侵略性的醫療措施,比較「表淺」的部位,譬如皮膚、子宮頸、口腔等等的還比較好處理,如果是大腸癌可能就要借助大腸鏡,胃癌要胃鏡,肺臟等其他「深層」組織,就得要進到開刀房了。如果抽血就可以檢驗得到循環腫瘤細胞,絕對是非常有幫助的發明。

再來,治療疾病。當軍師算準了敵軍何時現身,我們就可以來個迎頭痛擊。

目前還沒有證據說循環腫瘤細胞大量表現時,施打藥物會比較有效果。也尚未有研究表明,一天之中施打藥物的最佳時機是什麼時候。相信這是將來另一個非常值得探討的議題。

目前尚未有研究表明,施打藥物的最佳時間點。 圖/elements.envato

最後是追蹤。當治療到一定階段,病人被認定「康復」,實質意義上是「由目前的醫療技術無法偵測出體內有無癌細胞殘餘」。所以後續的追蹤是非常重要的,以免前期的辛苦,被後來的復發給全部抹滅。

如果將來可以用循環腫瘤細胞當成血液生物指標,那麼我們也可以根據這項研究,調整抽取血液樣本的時間,以期達到最精確的檢測結果。

不過就如所有必須應用到人體的研究一般,這項研究還是屬於早期萌發階段的研究。小鼠的模型建立起來,並且經過反覆認證還只是第一階段。如果真的要適用在臨床,還要經過醫學倫理委員會、第一期臨床、第二期臨床……等等漫漫長路。

然而這項研究,絕對開啟了血液樣本生物指標的一片新天地。也道出了癌症轉移的各項可能變因,包括賀爾蒙以及生物晝夜規律。這些積累,在日後都將是癌症治療的進步動力。

參考資料

  1. Poudineh, M., Sargent, E.H., Pantel, K. et al. Profiling circulating tumour cells and other biomarkers of invasive cancers. Nat Biomed Eng 2, 72–84 (2018). https://doi.org/10.1038/s41551-018-0190-5
  2. Nature 607, 33-34 (2022) doi: https://doi.org/10.1038/d41586-022-01639-6
Charlotte 熊_96
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著迷於世界的多彩,也希望帶給人對生命的熱愛。現任美國愛因斯坦醫學中心小兒科住院醫師,畢業於台大醫學系。目前最希望成為小兒心臟科醫師,也沒忘從高中就想去無國界醫生當臨時醫師的夢想。 https://www.instagram.com/charlottethesunbear/

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英國「學童」取代「病理學家」?!辨識癌細胞的人工智慧
胡中行_96
・2022/05/30 ・2391字 ・閱讀時間約 4 分鐘

18 世紀工業革命,人力從家庭進入工廠,連孩子們也無法倖免。為了保障童工的權利,1819 年英國制定了《工廠法》(Factory Act),規範合法工作年齡和時數。[1]現在 COVID-19 又把部份勞工趕回去,在家工作的現象,竟讓英國企業動了「善用」童工的念頭……。

學童成為人工智慧幕後推手

橡樹國家學院(the Oak National Academy)宣傳圖片。圖/橡樹國家學院

2020 年英國政府因應 COVID-19 疫情,成立了「橡樹國家學院」(the Oak National Academy)網路平台,提供線上教學課程。這招多少能挽救受學校停課影響的教學品質,但解決不了封城或隔離期間課後活動的匱乏,無聊到快抓狂的孩子,差點逼瘋在家工作的家長。此時,數位病理科技集團 PathLAKE 橫空出世,為家長分憂,「順便」利用學童來發展人工智慧。[2]

  • 人工智慧(artificial intelligence)的「機器學習」(machine learning),大略分為三種:
  1. 監督式機器學習(supervised machine learning):把標註好的資訊,餵給機器。由於標註的步驟是人類執行的,機器在學習的過程中,會逐漸朝人類設定的目標,愈加精準。[3]
  2. 非監督式機器學習(unsupervised machine learning):要求程式從未標註的資料中,找出現象或模式。在人類沒有插手的狀況下,有時會得到出乎意料的結果。[3]
  3. 增強式機器學習(reinforcement machine learning):設下獎勵機制,讓機器從嘗試中學習。例如:告訴自駕車它在行駛中,做對了哪個決定。[3]

PathLAKE 集團想做的是病理圖像的「監督式機器學習」。然而,標註資料的工作耗時費力,近年選擇從事病理科工作的醫師比例又大不如前。於是,「童工」就成為填補業界人力空缺的另類解方。

PathLAKE 的策略,大致上是這樣的:首先,昭告天下說這裡有個線上課外活動,即將開放給學童參加。拐來一票願意簽署同意書的家長後,先教他們的小孩癌細胞長怎樣。等小鬼頭們學得差不多,便可以玩遊戲闖關,藉此驗收他們的學習成果。依循此模式,將來或許就能聘僱為數龐大的「童工」,來標註病理圖像,然後再以此數據資料訓練人工智慧機器。[2]

「打敗病理學家」細胞形態辨識競賽

PathLAKE 集團舉辦的活動分二個梯次,每次都招募 3 個不同年齡層的學童:4 到 11 歲、11 至 16 歲以及 16 到 18 歲。他們透過網路學習基礎的「細胞形態學」(cell morphology),以辨識乳癌細胞染色影像的 4 種類型:陽性癌細胞(positive tumour cell)、陰性癌細胞(negative tumour cell)、陽性非癌細胞(positive non-tumour cell),還有陰性非癌細胞(negative non-tumour cell)。課程結束,便參與競賽。[2]

競賽題目示意圖。圖/參考資料 2

以下是二個梯次競賽部份的內容與差異:[2]

  • 測試版競賽(Pilot competition): 
  1. 關卡:遊戲總共有三關,關卡名稱「微辣」(Mild)、「中辣」(Hot)、「大辣」(Spicy),聽起來頗像麻辣鍋的辣度分級……,每一關分別有 20、30 和 50 張影像,要參賽者辨識。
  2. 成績:報名並完成線上課程的 28 名學童中,僅有 5 人參加競賽。其中只有 1 人成功地從「微辣」晉級到「中辣」,而「特辣」根本沒人玩。教學和遊戲的難度,明顯須要調整。
  • 主要競賽「打敗病理學家」("Beat the Pathologists"):

有了上一梯次的經驗,PathLAKE 團隊修改設計,於 2020 年 10 月的「牛津科學節」(the Oxford Science Festival)推出「打敗病理學家」活動。

  1. 關卡:這回有「微辣」(Mild)、「中辣」(Hot)、「大辣」(Spicy)以及「特辣」(Supercharger),共 4 個關卡,邀請參賽者分別得挑戰 20、40、60 和 80 張影像。
  2. 成績:總計 98 位學童登記報名中,有 95 人參與競賽。其中 91 人通過「微辣」考驗,經過層層過關斬將,最終 22 人成功解鎖(含 15 人晉級)「特辣」關卡。

成效與願景

皇家病理學家協會(the Royal College of Pathologists)在 2020 年「國家病理週」(National Pathology Week)期間,宣傳 PathLAKE 的活動。PathLAKE 集團本身也萬分滿意其成效,在 2022 年 5 月 12 日的《科學報告》(Scientific Reports)期刊中,表示「學童有精確標註細胞的高度潛力……,期望此類的競賽不光使他們對病理學和人工智慧產生興趣,還能促進病理學家與電腦科學家的合作」,並預告他們之後會推出一個標註「腺體結構」(glandular structures)的新活動。[2]

當然,看完「資方」的心得與願景,也該來瞭解一下「勞方」的處境。在英國文豪狄更斯(Charles Dickens)小說《孤雛淚》(Oliver Twist)描述的 19 世紀維多利亞時代,兒童被家長或監護人逼迫去工作,工時冗長且勞動環境惡劣。[4]

將近二個世紀的時間過去後,COVID-19 疫情期間的英國學童,是否受到相對優渥的待遇?

19 世紀礦坑童工。圖/National Museum Wales

從 PathLAKE 團隊的片面描述,我們可以得知:除了病理知識外,每位活動成員均得到參與證書一份,前三名則另有獎項。

參考資料

  1. Impact of government acts improving working conditions(BBC)
  2. Lessons from a breast cell annotation competition series for school pupils(Scientific Reports, 2022)
  3. Machine learning, explained(MIT Sloan School of Management, 2021)
  4. Children in Dickens’s Novels(International Journal on Studies in English Language and Literature, 2014)
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胡中行_96
49 篇文章 ・ 16 位粉絲
曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。邀稿請洽臉書「荒誕遊牧」,謝謝。

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時光流變中的偉大渺小:探尋初級纖毛於神經發育的功能
科技大觀園_96
・2022/03/30 ・3493字 ・閱讀時間約 7 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

我們對於纖毛的印象,或許是在氣管、輸卵管表面,擺動的纖毛推動痰液或卵子前進,又或者是在更原始的生物如草履蟲表面,纖毛幫助生物游動。在演化早期,這一類的纖毛對於生物體生存具有重大的意義,細胞仰賴這些纖毛或特化的鞭毛運動,往特定的方向移動。

氣管表面的纖毛,由電子顯微鏡拍攝。圖/Wikimedia

初級纖毛——不會動的纖毛有什麼用?

從單細胞生物演變到多細胞生物的漫長歷程中,纖毛協助運動的功用似乎不再如過往重要,但細胞仍然保留著這個胞器。這種不會運動的纖毛,就是初級纖毛(primary cilia)。許多神經細胞也具有初級纖毛,然而科學界對於這些纖毛的功能或作用仍不清楚。陽明大學腦科學研究所教授蔡金吾致力研究神經系統中的纖毛,試圖解析纖毛與腦部發育疾病以及腫瘤的關係。

科學家曾認為初級纖毛僅是演化過程中,運動纖毛退化而成的痕跡構造,後來卻發現它們的功能發生變化:它們雖不再具有運動的功能,但伸出細胞外的纖毛,成了一個像是天線般的構造,可以感應與接收外來訊息,有助細胞的訊息傳導。

初級纖毛不僅在生理與發育過程中扮演著重要角色,在許多細胞中,當初級纖毛發生缺陷時,也會造成細胞功能的缺失甚至疾病,統稱為纖毛類疾病(ciliopathies)。科學家發現患有纖毛類疾病者,常有智力發展或小腦萎縮等問題,推測初級纖毛的缺陷,影響神經系統的生理功能。

纖毛在神經系統中的功能究竟是什麼呢?蔡金吾在研究神經發育的過程中,發現纖毛也出現在許多神經幹細胞中,包含大腦的放射狀膠質細胞(radial glia cells, RGCs)與小腦的顆粒前驅細胞(granule neuron progenitors)。許多分化完成的神經細胞也具有纖毛,少數的一個例外,則是小腦中成熟的顆粒細胞(granule neurons)不具有初級纖毛。這項發現也促使蔡金吾的研究團隊更加好奇,初級纖毛在不同細胞、不同時期,分別具有什麼功能。

研究緣起:原來中心體和纖毛息息相關

不過蔡金吾並不是原先就想研究纖毛,起初的研究興趣是探討中心體對於神經細胞遷移(neuronal migration)作用的影響。中心體是動物細胞中的微管組織中心,在細胞分裂時協助將染色體分配到子細胞。

蔡金吾在哥倫比亞大學就讀博士班期間,研究大腦發育疾病——平腦症(lissencephaly)的致病機轉。大腦發育過程中,神經幹細胞分裂並分化成神經細胞的過程位於腦部深層,而神經細胞須遷移至腦部表層,進一步形成大腦皮質。在由 LIS1 基因突變造成的平腦症中,神經細胞的遷移會受阻。蔡金吾透過實驗觀察與文獻探討,認為神經細胞在遷移過程中,中心體就像婚禮禮俗中「帶路雞」的角色,會率先在細胞中往上跑,帶領細胞核往上移動;但 LIS1 基因若突變,中心體便無法往上跑,整個神經細胞無法往上遷移,造成發育上的缺陷。

大腦發育過程:神經幹細胞經過不對稱細胞分裂(asymmetric cell division)後,形成神經細胞,持續朝上遷徙。圖/沈佩泠繪

然而,中心體和纖毛有什麼關係?其實,纖毛是由中心體長出來的!

蔡金吾發現, 神經幹細胞在分裂之前,竟然會先往上、再往下遷移,而這個過程中,中心體並沒有扮演帶路的角色,反而始終位於細胞中的下方。原來是因為,位於神經幹細胞下方的中心體會朝下長出初級纖毛,等到分裂時纖毛則消失不見。

纖毛與中心體示意圖。圖/沈佩泠繪

過度活化的天線,導致腫瘤形成

纖毛的生長在神經發育中扮演著重要的角色,然而當它失去調控時,又會出現什麼情形呢?近年蔡金吾與法國居禮研究所的 Dr. Olivier Ayrault 合作,探討小腦髓母細胞瘤的發展過程,開啟了與纖毛的正面交鋒。小腦髓母細胞瘤是一種嚴重的小兒惡性腫瘤,過往科學家已知有一類型的小腦髓母細胞瘤會過度表現 Atoh1(小腦顆粒前驅細胞生長必須的一種轉錄因子),卻不知道為什麼。

蔡金吾研究團隊透過小腦電穿孔技術,將特定 DNA 送入小腦的神經幹細胞,以操控要表現的蛋白質。

研究團隊以雙光子顯微鏡觀測小腦發育的情形,發現若讓 Atoh1 轉錄因子過度表現,神經幹細胞就無法正常分化與遷移,而是保持神經幹細胞的狀態並持續分裂。此外,也發現初級纖毛受到 Atoh1 的調控,Atoh1 的過度表現,使得初級纖毛持續存在。初級纖毛具有像是天線一般接收外界訊息的功能,因此細胞持續接收特定訊息,促使細胞不斷分裂、增生,進而形成腫瘤。

小鼠出生後的神經發育過程中,小腦的神經幹細胞從小腦表層往下遷徙至小腦深層,與大腦由下往上遷徙至表層皮質相反。當 Atoh1 過度表現,神經幹細胞的初級纖毛會持續存在,促使細胞不斷分裂、形成腫瘤。圖/修改自參考資料 3

過往在癌症研究中,認為腫瘤形成往往與初級纖毛的缺失有關;然而在小腦髓母細胞瘤中,初級纖毛受到失調的訊息傳導而持續存在,卻反而成了促使腫瘤生長的關鍵。蔡金吾表示,原先並沒有特別思索纖毛與神經細胞功能的關聯,如今回顧,卻發現這些研究都與纖毛有著直接或間接的關係。目前蔡金吾與清華大學醫學科學系副教授林玉俊、陽明大學生化暨分子生物研究所副教授王琬菁合作,期望透過先進技術,更精準地進行實驗操縱,共同解開纖毛—中心體複合體在神經發育過程中的功能。

鼓勵學生多探索,會有意想不到的旅程

蔡金吾鼓勵學生們不要只是照著假說的脈絡走,更要多觀察、多探索。他回顧自己的經歷,有許多意想不到的驚喜發現,例如從事博士後研究時,觀察小鼠大腦的神經幹細胞遷移,眼角餘光的一瞥,意外發現一群新的細胞——外層放射狀膠質細胞(outer radial glia cells, oRGs),當時科學家認為只有靈長類才具有 oRG 細胞。這項發現令他們感到十分驚喜,也打破了過去既定的認知。

還有蔡金吾剛回臺灣時,聆聽一場癌症生物學的演講,聽到講者利用跳躍基因在細胞中隨機誘發突變,以鑑測出癌症進程中重要的基因。看似與自己研究領域無關的主題,卻讓他後來有一天夢到:是不是也能把跳躍基因應用於大腦發育的基因研究?醒來後,他趕緊衝到電腦前,在論文資料庫搜尋相關關鍵字,驚喜地發現還沒有人做過類似的研究。於是他帶領實驗室學生,結合子宮內電穿孔(in utero electroporation)技術,把跳躍基因送到大腦的神經幹細胞中,再進行篩選,成功找出與大腦發育相關疾病的基因。蔡金吾形容這像是一種 eureka moment,一個靈光乍現的時刻。

蔡金吾鼓勵學生多觀察、多探索。圖/劉馨香攝

研究過程雖非一帆風順,但是這些不可預期的、意想不到的發現,卻讓蔡金吾感覺十分有趣,他強調,當實驗結果與預設的假說不符時(當然,前提是結果可重複可再現),不要感到害怕,而是要更進一步去探究。蔡金吾笑說:「這可能也是為什麼我十歲的時候,就想要做科學研究。」 

蔡金吾的跨領域人生

受到華裔太空人王贛駿教授的啟發,小時候蔡金吾便對物理學產生濃厚的興趣。由於對大自然的好奇,上大學後雙主修物理與動物科學,在臺大物理系教授曹培熙的實驗室進行專題研究期間,架設光鑷子(optical tweezers),應用於細胞力學的研究,後來經過臺大生命科學系教授嚴震東推介,進入陽明大學微生物免疫學研究所教授林奇宏的實驗室進行相關研究,後來又到哥倫比亞大學進行神經生物學研究,蔡金吾一路上累積的跨領域研究經驗,其實都不是原先預想到的。他指出,人生並非一路筆直的坦途,但是「當機會來臨的時候,我會去抓住它。」

未來蔡金吾除了延續過往大腦與小腦發育疾病的研究之外,近年來也投入神經退化性疾病的研究,希望能夠找到適合的藥物標靶,減緩患者症狀。蔡金吾說,從事科學研究其實受惠於社會非常多,除了探究疾病的機制以外,也期望能夠找到方法,協助治療疾病,改善患者的生活。

參考資料

1. Tsai, J., Chen, Y., Kriegstein, A. R., & Vallee, R. B. (2005). LIS1 RNA interference blocks neural stem cell division, morphogenesis, and motility at multiple stages. Journal of Cell Biology, 170(6), 935-945. 

2. Hsiao, C., Chang, C., Ibrahim, R. B., Lin, I., Wang, C., Wang, W., & Tsai, J. (2018). Gli2 modulates cell cycle re-entry through autophagy-mediated regulation of the length of primary cilia. Journal of Cell Science, 131(24), jcs221218.

3. Chang, C., Zanini, M., Shirvani, H., Cheng, J., Yu, H., Feng, C., Mercier, A. L., Hung, S., Forget, A., Wang, C., Cigna, S. M., Lu, I., Chen, W., Leboucher, S., Wang, W., Ruat, M., Spassky, N., Tsai, J., & Ayrault, O. (2019). Atoh1 controls primary cilia formation to allow for SHH-triggered granule Neuron progenitor proliferation. Developmental Cell, 48(2), 184-199.e5.

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