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奈米星形化身疾病診斷急先鋒

NanoScience
・2012/07/18 ・958字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 630 ・十年級

英國及西班牙科學家們研發出一種新型生物奈米感測器,在標靶分子濃度較低時,反而能產生較強的偵測訊號。此感測器能偵測到遠低於醫院現行檢驗法所能測得的分子濃度,因此可以在疾病初期幫助醫生判斷,而在許多情況下早期發現往往有助於病情的治療與痊癒。

一般生物感測器產生的訊號大小與標靶分子的濃度成正比,因此在低濃度時靈敏度會下降。對於癌症抗原之類的疾病生物標記分子而言,生物感測器能否區分零檢出或微量檢出,是件非常重要的事。倫敦帝國學院(Imperial College London)的 Molly Steven 與西班牙維戈(Vigo)大學的合作伙伴利用星形奈米金粒製作出此新式感測器,能探測的濃度比目前最先進的測試技術靈敏十倍以上。

圖片來源:physicsworld.com

此星形奈米金粒又稱奈米星(nanostar),大小約 50 nm,其結構可產生表面電漿子(surface plasmon),亦即傳導電子在表面的同調振盪行為。研究人員以可見光/近紅外光照射奈米星,找出最大吸收的頻率位置,便可量測出表面電漿子的共振頻率。

上述團隊在金粒表面接上葡萄糖氧化酶(glucose oxidase, GOx),作為生物催化劑來還原溶液中的銀離子。在低 GOx 濃度時,銀原子會沈澱在金粒表面上,使表面電漿共振頻率產生藍位移(blue shift);而濃度較高時,銀離子會在溶液中快速成核結晶,導致共振頻率的偏移較不明顯。所以,量測加入 GOx 前後的吸收頻率,便能非常靈敏地獲得葡萄糖氧化酶的濃度。

該團隊接著利用奈米星量測前列腺特異抗體(prostate specific antibody, PSA)的濃度,此生物分子為前列腺癌的生物標記。研究人員先在奈米星表面鍍上一種可從溶液中抓取 PSA 的抗體,然後再將與 GOx 相連的第二個抗體閂在 PSA 上。GOx 會進行上述的銀還原步驟,測量表面電漿共振的偏移量即可得到待測物濃度。

此技術可偵測濃度低至 10-18g/ml 的前 PSA,和目前醫院常使用的酵素免疫分析法(enzyme-linked immunosorbent assay, ELISA)相比,濃度低上十億倍。Steven 表示,此感測器在最低的濃度時能產生最強烈的訊號,因此能偵測出極低的標靶分子濃度。

目前,研究人員僅完成前 PSA 的檢測,但 Steven 認為此法亦應用於其它疾病的初期診斷,其中尤其吸引人注意的是與人類免疫缺乏病毒(HIV)有關的 p24 蛋白質。詳見 Nature Materials|DOI:10.1038/nmat3337。

譯者:林主恩(中央大學光電科學研究所)
責任編輯:蔡雅芝
原文網址:New nanosensors could detect disease earlier—physicsworld [2012-05-28]

本文來自 NanoScience 奈米科學網 [2012-07-07] 

文章難易度
NanoScience
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主要任務是將歐美日等國的尖端奈米科學研究成果以中文轉譯即時傳遞給國人,以協助國內研發界掌握最新的奈米科技脈動,同時也有系統地收錄奈米科技相關活動、參考文獻及研究單位、相關網站的連結,提供產學界一個方便的知識交流窗口。網站主持人為蔡雅芝教授。


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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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