內嵌電子感應知器的組織培養術問世

本文由 新萃 Nutri Source 委託，泛科學企劃執行。

你有發現家裡的狗狗經常舔自己四肢，或是身上出現不明紅疹？當心這可能是過敏反應。寵物和人類一樣，也會有過敏反應，過敏可依照「來源」分為三種：吸入性過敏、接觸性過敏和食物性過敏。

不管是哪一種過敏反應，在人的身上都比較容易發現和排除。但狗狗的過敏卻很難處理，如果是接觸性或吸入性過敏，即使你把家裡打掃得很乾淨，還是無法排除帶狗出去散步時可能接觸到的環境過敏原。因此，對飼主來說，最容易控制的是食物性過敏。

食物性過敏是怎麼發生的呢？其實，「食物過敏」這個詞並不太準確。正確的臨床醫學用詞是「食物不良反應」（Adverse Food Reaction, 簡稱AFR）（Jackson, H. , 2009），指的是吃下食物後身體產生各種不良反應。並進一步分為食物過敏（Food Allergy）和食物不耐受（Food Intolerances）兩種。

如果你看過動漫作品《工作細胞》，你就會知道過敏其實只是免疫系統對特定成分產生的過度反應，因此全名為「過分敏感」；而食物不耐受則並非免疫性反應，而是消化系統無法代謝或對該生物體有毒，例如狗不能吃洋蔥或巧克力，否則會致死等等。

由於寵物沒有選擇權，只能吃飼主提供的食物，如果飼料中恰好有會造成牠 AFR 的成分，就可能產生各種症狀。除了腸胃發炎和拉肚子外，最明顯的外在症狀就是皮膚問題，包括搔癢、脫毛和紅疹等。後者容易被誤判為皮膚性疾病，讓許多飼主狂跑獸醫院的同時，獸醫也難以對症下藥。

雖然曾有研究透過讓醫師用血液或唾液是否檢測出 IgE 抗體來判斷狗是否過敏（Ermel, R et al.,1997），但最新的研究卻發現，無論使用無論血清的 IgE 抗原或是唾液裡的 IgM 或 IgA 抗原都無法有效檢測出狗狗的過敏來源（Udraite Vovk Let al., 2019 & Lam ATH et al., 2019），甚至會造成偽陽性誤判。因此，目前學界公認唯一能識別食物過敏原的方法就是「食物排除法」（Food Elimination Method）。

食物排除法的原理相當簡單粗暴，類似我們過去在學校做的實驗一樣，抓出「控制組與對照組」。首先，將狗狗的食物換成牠沒吃過、單一來源且易消化的高蛋白質或水解蛋白質；同時嚴格限制牠對其他食物接觸，包括其他人餵食或路上亂吃等可能性都要注意，此為「對照組」，如此持續 8～12 週，觀察皮膚是否有改善。如果確實有改善，那就證明了確實是 AFR 而非皮膚病。

下一步我們可以進行「食物挑戰」，在每餐食物中逐一嘗試可能的過敏原（例如常見的牛肉、雞蛋等），有如「控制組」，等到症狀又出現，就可以確認哪種食物成分是過敏原，未來就可以在飼料中排除，讓狗狗健康快樂地成長。

這個方法需要飼主的大力配合和耐心紀錄，不僅要在漫長的試驗期，更需要在控制期一一排除所有不可能之後，才能找到答案。而其中最困難的部分，也是實驗的基礎可能是第一步：「提供狗狗牠從未吃過，且肉品單一的蛋白質」，這點對多數飼主來說幾乎是不可能的任務，因為大部分的寵物飼料成分都很複雜。不要說狗狗了，搞不好你連自己沒吃過什麼恐怕都不知道。

那該怎麼進行食物排除法呢？別擔心，沒有找不到的肉品，只有勇敢的狗狗。市面上已經有了針對過敏狗狗的低敏飼料，新萃推出了一系列低敏肉，包含單一肉種的袋鼠肉、鹿肉以及野豬等相比牛豬羊等較不容易取得的肉類，是進行食物排除法第一步測試的首選。

此外，新萃牌無論哪種飼料都有美國專利 Good 4 Life® 奧特奇專利保健元素，能促進飼料中的營養都被狗狗完整吸收。不僅過敏的狗狗能吃，有消化不良症的狗狗也適用。

• 新萃產品說明

參考資料

1. Thus for the purpose of this discussion, although the term food allergy is used throughout, it should be recognized that this term is a presumptive clinical diagnosis and adverse food reaction is a more accurate term for these canine cases. – Consensus
2. Jackson, H. (2009). Food allergy in dogs – clinical signs and diagnosis.. Companion Animal Practice.
3. Assessment of the clinical accuracy of serum and saliva assays for identification of adverse food reaction in dogs without clinical signs of disease – PubMed (nih.gov)
4. Lam ATH, Johnson LN, Heinze CR. Assessment of the clinical accuracy of serum and saliva assays for identification of adverse food reaction in dogs without clinical signs of disease. J Am Vet Med Assoc. 2019 Oct 1;255(7):812-816. doi: 10.2460/javma.255.7.812. PMID: 31517577.
5. Direct mucosal challenge with food extracts confirmed the clinical and immunologic evidence of food allergy in these immunized dogs and suggests the usefulness of the atopic dog as a model for food allergy. – Consensus
6. Ermel, R., Kock, M., Griffey, S., Reinhart, G., & Frick, O. (1997). The atopic dog: a model for food allergy.. Laboratory animal science.
7. https://www.moreson.com.tw/moreson/blog-detail/furkid-knowledge/pet-knowledge/dog-food-allergen-TOP10/
8. 狗狗因為食物過敏而搔癢不舒服，為什麼做「過敏原檢測」沒什麼用？
9. 【獸醫診間小教室】狗狗皮膚搔癢難改善？小心食物過敏！ – 汪喵星球 (dogcatstar.com)
10. 寵物知識+／毛孩對什麼食物過敏？獸醫：驗血完全不準！診斷法只有一個 | 動物星球 | 生活 | 聯合新聞網 (udn.com)
11. Is there a gold-standard test for adverse food reactions? – Veterinary Practice News

國小高年級科普文，素養閱讀就從今天就開始!!

本文轉載自諾貝爾化學獎專題系列，原文為《【2003 諾貝爾化學獎】細胞膜的分子通道》

• 譯者／蔡蘊明｜台大化學系名譽教授

譯者前言：今年的諾貝爾化學獎頒給了兩位醫生，或許有些奇怪，然而仔細的去瞭解他們所做的工作就會發現，其實他們的研究已經深入到了原子的層次，那不是化學又會是什麼呢！這其實也告訴了眾多對生命科學有興趣的年輕人，其實真正精采的還是在這個化學的層次。考慮加入我們吧。

所有的生命體都是由細胞所構成，一個人身上所擁有的細胞數目就好像銀河中的星星一般，約有上千億個，在每一個人身上，例如肌肉，腎臟與神經等不同的細胞，聯合的運作而形成一個精密的系統。透過他們有關細胞中水與離子通道的開創性發現，今年的化學諾貝爾獎得主， Peter Agre 與 Roderick MacKinnon，在增進瞭解細胞如何運作的基礎化學知識方面，有重要的貢獻。他們讓大家看到一個精采的分子機器家族：通道、閘門與活栓，這些元件是細胞功能所必須的。

通過細胞膜的分子通道

為了維持細胞內外壓力的平衡，讓水能通過細胞膜是非常重要的，這是早為大家所熟知的。然而這種通道的形狀與功能，卻成為生物化學中一個典型的久未解開的問題，一直等到約 1990 年 Peter Agre 發現了第一個水的通道，就如同細胞中許多其它功能所需一般，都是由於一個蛋白質。

水分子並非唯一能進出細胞的分子，為了讓成千上萬的細胞成功的運作而非聚集在一起的肉塊而已，協調是很重要的，因此細胞之間必須溝通，而細胞之間的訊號傳遞則是靠著離子或是一些小分子，由此導致一系列的化學反應，造成我們的肌肉緊繃，眼睛濕潤 ─ 實際上包括了整個身體的運作。在我們腦部的訊號亦與這些化學反應有關。當我們弄斷了一個腳趾時，一個訊號就會上傳至腦部，透過一連串的神經細胞以及化學訊號及離子的流動，訊息就好像接力賽的棒子般在細胞間傳遞。

在 1998 年 Roderick MacKinnon 第一次成功的展示了離子通道在原子的層次到底長的是什麼樣子 ─ 這個成就加上 Agre 的水通道之發現，打開了生化與生物學中一個嶄新的研究領域。

Agre 與 MacKinnon 的發現在醫學上的貢獻也是很重要的，有一些疾病的成因就是因為水與離子的通道不能流暢的運作有關。隨著逐漸的瞭解這些通道的長相以及它們如何運作，我們就有機會發展更新更有效率的藥物。

水通道

搜尋水通道

早在 19 世紀中葉，人們就知道細胞一定有一個管道讓水與鹽類流通。在 1950 年代中期，發現有一個只能讓水分子迅速進出細胞的通道存在，在這之後的三十年間，透過詳細的研究，結論是一定有某種選擇性的過濾裝置能阻斷離子通過細胞膜，但卻能讓中性的水分子自由通過，而且每秒鐘有成千上萬的水分子通過一個單一的通道！

雖然知道這些，但一直等到 1992 年都尚無人能指出這個分子機器到底長相如何；換言之，就是能找到一個或多個蛋白質所構成的真正通道。在 1980 年代中期，Peter Agre 研究紅血球細胞上的各種細胞膜蛋白質（插在細胞膜上），他也在腎臟中發現一個同類型的蛋白質，在解開了這個蛋白質的序列以及相對應的 DNA 序列之後，他體認到這一定就是在他之前的眾多學者所搜尋的那個蛋白質：細胞的水通道。

Agre 利用一個簡單的實驗（圖 1）來測試他的假設，在此實驗中，他比較含有此膜蛋白與不含此膜蛋白的細胞，當這些細胞放入水中時，那些含有此膜蛋白的細胞因為滲透壓之故會吸收水分而漲大，而那些沒有此膜蛋白者則聞風不動。Agre 又利用一種稱為 liposome 的人造細胞來測試，那是一種內外都是水的一種肥皂泡泡，他發現當此肥皂泡的膜上植有此膜蛋白時，水就可以自由進出。

由於 Agre 知道汞離子會阻礙細胞吸收及釋放水，因此他也證明了這個他所發現能控制水進出細胞的蛋白質，也會因為汞離子的存在而無法讓水通過。這使得他更確定這個蛋白質就是真正的水通道，他命其名為 aquaporin，即＂水洞＂之意。

一個結構與功能的問題：水通道如何運作？

在 2000 年，透過與其他研究團隊的合作，Agre 發表了一個 aquaporin 的高解析度 3D 圖像，藉這這些數據，就能按圖索驥，仔細的描繪出一個水通道是如何運作的（圖 2）。為何它只讓水通過而不讓其它的分子或離子放行？例如細胞膜是不允許質子（H+）滲漏的，這點非常重要，因為細胞就是靠著內外質子濃度的差異來維持細胞能量儲存的系統。

選擇性是這個通道的主要性質，水分子必須順著由構成通道壁的原子所形成的電場方向，鑽過一個狹窄的通道，質子（或應稱之為 oxonium 離子，H₃O⁺）將會在中途因為其所帶的正電荷而被驅逐。

水通道在醫學上的重要性

在過去十年裡，水通道已發展成為一個不斷被討論的研究領域。大家發現 aquaporin 是屬於一個蛋白質大家族的成員，它們存在於細菌與動植物中；僅在人體就發現至少有七種不同的變體。

這些蛋白質在細菌與動植物中的功能正被勘測中，特別集中在企圖瞭解它們在生理上扮演的角色。在人體的各組織中，水通道在腎臟扮演了重要的角色。

腎臟是一個人體用來排除廢棄物的精巧裝置，在它做為篩子用的線圈中（稱為絲球體），水、離子與其它的小分子與血液分離成為所謂的初尿，在 24 小時中，約生成 170公升的初尿，其中大部分透過一系列靈巧的機制被重新吸收，最終每日產生約 1 公升的尿排出體外。

初尿通過絲球體後繼續通過一個彎管，在其中約 70% 的水通過 aquaporin AQP1 而被重新吸收回血液中，在此管的末端，另外 10% 的水通過另一個類似的 aquaporin AQP2 而被吸收。除此之外，鈉、鉀與氯離子亦被吸收回血液中。抑制尿分泌荷爾蒙（vasopressin）的功能，是促進 AQP2 傳送到腎管壁的細胞膜，因此增加了初尿中水的回收，如果一個人缺乏這種荷爾蒙，將會得到一種稱為 diabetes insipidus 的疾病，每天產生10-15 公升的尿。

離子通道

鹽類產生的細胞訊號

第一個物理化學家奧斯華（Wilhelm Ostwald , 1909 年諾貝爾化學獎）在 1890 年就認為在活體組織中所量到的電流訊號，應該是來自於離子透過細胞的進出，這個電化學的想法很快的廣為接受。到了 1920 年代，又興起了一種看法，認為有某種狹窄的離子通道存在，有兩位英國的學者 Alan Hodgkin 與 Andrew Huxley 在 1950 年代初期得到了一項重大的突破，因此得到了 1963 年的諾貝爾醫學獎，他們的研究顯示，透過神經細胞膜的離子傳輸，所產生的訊號可透過一個個神經細胞，以接力賽的方式傳遞，這些反應裡面最主要的角色就是鈉離子（Na⁺）與鉀離子（K⁺）。

這也就是說，早在 50 年前就已經充分瞭解了離子通道的主要功能，這些通道必須選擇性的只讓一種離子通過，同樣的這些通道也必須有能力打開、關閉或只讓離子往一個方向流動。然而這個分子機器到底真正是如何運作的，卻長久以來一直是個謎團。

選擇性的離子通道

在 1970 年代的研究就已顯示，離子通道只能讓某些離子通過，是因為它裝有某種＂離子過濾器＂。特別有趣的是，雖然鈉離子比鉀離子要小，卻發現有一種通道只能讓鉀離子通過，卻不會讓鈉離子通過。猜測這可能是由於蛋白質中的氧原子們扮演了一個重要的＂取代角色＂，取代了原先溶於水中的鉀離子周圍所包的水分子層，當鉀離子要進入通道中，必須先脫離這個水層的包圍。

但是進一部要證實這個猜測卻很困難，因為真正需要做的是需取得只有 X-射線晶體繞射才能得到的清楚圖像，問題是運用這種方式去解膜蛋白的結構是非常困難的，當然要去解鉀離子通道的結構也不會例外。動植物的膜蛋白比細菌中者要更複雜而更難研究，但是藉著與人類離子通道非常類似的細菌通道蛋白質之研究，或許能提供進一步的瞭解。

許多研究人員在這個方面的努力均無功而返，可是卻在另一個方向的研究中意外的得到了突破。 Roderick MacKinnon 在修完生化的學位後，轉入了醫學的領域，成為一個合格的醫師。在成為醫師之後若干年，他開始對離子通道產生極高的興趣，並開始了這方面的研究。他自承＂我的研究生涯從 30 歲才開始＂，不過他的研究卻快速的起飛。由於體認到要瞭解離子通道如何運作，必須要有更好而且更高解析度的結構圖像，他決定從最基本的 X-射線結晶學開始學起，在短短的數年之後，他提出了一個清楚的離子通道圖像而震撼了整個學界，這個重要的事件正是發生在 1998 年的一個四月天。

第一個被圖解的離子通道

在 1998 年 MacKinnon 所決定的第一個高解析度的離子通道結構稱為 KcsA，乃是由一個稱為 Streptomyces liridans 的菌株得到的。 MacKinnon 第一次展示了在原子的層次，一個離子通道是如何運作的，那個只允許鉀離子通過而拒絕鈉離子的離子過濾器，現在可以仔細的去研究，他不僅能弄清楚離子如何通過這個通道，其實在其晶體結構中甚至於可看到正在通道前被水包圍著的離子，在過濾器之中的離子，以及離開過濾器的離子，水是如何的來迎接它們（圖 3）。 MacKinnon 也能解釋為何是鉀離子而非鈉離子被允許通過此過濾器，說穿了，這主要是由於鉀離子在過濾器中，周圍所圍繞的氧原子之位置，與在外面被水分子包圍著時，水分子的氧原子之位置是相同的，但是對較小的鈉離子而言，它在過濾器中與氧原子的相對位置，就無法與在水中時一樣（圖 4），因此就較喜歡留在水中（因為有較佳的水合能）。這種能讓鉀離子脫離水層，通過通道而且不損失能量的做法，屬於一種所謂選擇性催化的離子傳輸。

細胞也需要能控制通道的開啟與關閉， MacKinnon 也說明了這是藉著一個通道下方的閘門，這個閘門可開啟或關閉一個分子＂感知器＂，這個感知器就在門的附近。不同的感知器會回應於不同的訊號，例如，鈣離子濃度的增加，或一個細胞膜兩邊的電壓差異，或與某種訊息分子的螫合，藉著不同的感知器與離子通道的連接，大自然創造了能回應於眾多不同訊號的各種通道。

瞭解疾病

膜上的通道是所有生命體的基本要件，由於此，增加對它們的認識就成為瞭解許多疾病狀態的重要基礎。各種不同的脫水現象，以及對熱的敏感度，就與 aquaporin 的效率有關；例如最近幾年歐洲的熱浪，導致了許多的死亡，這些死亡，有部分是歸諸於無法保持體液的平衡，在這些過程中 aquaporin 是非常重要的。

離子通道的功能一但受到干擾，就會導致神經系統方面的疾病，以及肌肉，例如心肌，方面的問題，這使得離子通道成為一個製藥界開發新藥的重要目標。

參考資料

這份文章是譯自諾貝爾獎委員會公佈給大眾的閱讀資料：

http://www.nobel.se/chemistry/laureates/2003/public.html

有意進一步的瞭解就得詳讀以下資訊：

http://www.nobel.se/chemistry/laureates/2003/public.html

國小高年級科普文，素養閱讀就從今天就開始!!

• 文／中研院新聞稿

德國植物學家馮莫爾 (Hugo von Mohl) 在 1835 年首次觀察到細胞分裂後，過去 180 年來，大家只知道兩種細胞分裂方式──有絲分裂、減數分裂。透過製造新的細胞，讓生物體的發育、生長與繁殖成為可能。

中央研究院 細胞與個體生物學研究所助理研究員 陳振輝團隊 在研究斑馬魚發育時，意外發現另一種獨特的細胞分裂方式，其分裂過程不需要進行遺傳物質（DNA）複製，因此命名為「無合成分裂」，於今（111） 年 4 月登上知名國際期刊《自然》（Nature），並獲專文推薦。

中研院 細生所 李奇鴻所長 表示，此研究顛覆過去百年來的細胞分裂發現，有助於後續對其他生物體進行深入探究，進一步了解其詳細的細胞生理調控機制。

「細胞分裂」是所有生命的基礎，長久以來，科學家認為細胞分裂方式有兩種：

第一，體細胞（如皮膚細胞、肌肉細胞、幹細胞等）要進行「有絲分裂」，1 個母細胞分裂為 2 個具有相同染色體數量的子細胞，讓個體發育生長。

第二，生殖細胞則透過「減數分裂」，將母細胞分裂成 4 個具有一半染色體數量的子細胞（如精子和卵子細胞），有性繁殖才有可能發生。

首度發現體細胞進行「無合成分裂」：僅增生、無 DNA 複製 

陳振輝以斑馬魚為研究對象，長期深入探索生物再生過程的細胞和分子機制，研發多顏色活細胞標誌工具（Palmskin），用上百種不同顏色來標誌不同的表皮細胞，並能即時、高解析度追蹤斑馬魚體表所有皮膚細胞的動態行為。

團隊意外發現，當斑馬魚在個體發育的特定階段，最表層的皮膚細胞──原被認為是不會分裂增生的體細胞，其單一母細胞竟然可以分裂 2 次，共產生 4 個子細胞，且這些子細胞皆不具有完整的母細胞 DNA。

然而，陳振輝一開始也百思不得其解，為什麼斑馬魚的皮膚細胞需要這樣分裂？而且分裂後的子細胞形狀變小也變扁？多年來與斑馬魚為伍的他，認為答案可能與個體發育成長所遇到的特殊挑戰有關。

細胞由 1 增 4：有效增加斑馬魚體表覆蓋面積

研究團隊利用一個數學幾何模型作為基礎，與中研院 化學研究所 研究員許昭萍、顏清哲博士 跨領域合作，進行細胞體積變化的定量分析，他們發現斑馬魚單一表皮細胞經過兩次「無合成分裂」之後，整體的表面積可增加 6 成。

陳振輝表示，由於斑馬魚幼魚在特定的發育階段長得很快，體表面積需要快速增加。為了維持一個穩定的皮膚雙層結構，下層的表皮幹細胞以正常的「有絲分裂」來增生，但是上層已分化的表皮細胞，恐已失去此選項，轉而進行「無合成分裂」。

這種分裂方式能讓表皮細胞在資源有限的情況下，有彈性的快速延展，使生物個體有效率地增加體表局部面積，以維持表皮細胞穩定的覆蓋率。此為斑馬魚幼魚在特定發育階段所利用的應急策略。

研究團隊表示，目前對「無合成分裂」的了解尚在初步階段。由於斑馬魚是脊椎動物，也是科學家研究個體發育、再生反應及人類疾病常用的模式生物，他們預測此一新型的細胞分裂方式，或許不只限於斑馬魚體表的表皮細胞，仍有待更多研究探索。

投稿過程艱辛 屢屢重複多次實驗 

陳振輝回憶，此篇論文的投稿時間已經是前（109）年底的事，由於顛覆大家過去對於細胞分裂的認識，初期就收到很多審查意見，「但不只審稿人有意見，我們自己也想知道是否還有其它可能的解釋。」

一開始，陳振輝團隊原本只想觀察表皮細胞如何移動或脫落，沒想到卻看到此獨特現象，還以為會不會是研究工具出了錯，「怎麼跟教科書教的完全不同！」重複做了多次對照實驗。

本論文第一作者 陳潔盈，現為 中研院國際研究生學程 的 博士生，也在其中付出許多心力。面對長度僅約 0.5 公分的斑馬魚幼魚，為了反覆觀察其表皮細胞的分裂過程，她必須每 12 小時麻醉幼魚一次，小心翼翼地置於高倍顯微鏡下拍照，並且確定它在鏡頭下的姿勢每次都相同，結束後還得把麻醉後的幼魚喚醒，以持續進行活體實驗。像這樣的過程整整連續十天，重複循環多次。

即使投稿歷程艱辛，團隊成員們興致勃勃，畢竟不是常有這樣的機會可以跟大家分享，「嘿，我想告訴你還有另一種細胞分裂方式的可能。」陳振輝笑說，原來在太陽底下真的能發現新鮮事！ 

• 本論文第一作者為陳潔盈，研究團隊包括顏清哲、阮筱彧、許紹君、曾子倫、蕭崇德、許昭萍、陳振輝，經費由中研院及科技部支持。

延伸閱讀

• 論文：Skin cells undergo asynthetic fission to expand body surfaces in zebrafish 
• 期刊專文介紹：https://www.nature.com/articles/d41586-022-00790-4 
• 影片介紹：https://www.youtube.com/watch?v=fi3pGplAxy0
• Nature Podcast 介紹：https://www.nature.com/articles/d41586-022-01197-x（約 10:35 開始）

新聞連絡人：
陳振輝助研究員，中央研究院細胞與個體生物學研究所
(Tel) 02-2789-9537，chcchen@gate.sinica.edu.tw
郭姵君，中央研究院秘書處媒體小組
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陳昶宏，中央研究院秘書處媒體小組
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