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內嵌電子感應知器的組織培養術問世

NanoScience
・2012/09/23 ・959字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 592 ・九年級

在人體組織內嵌入電子電路長久以來一直是科幻小說的主要情節之一,現在美國科學家發明一種新方法,能將活組織培養生長於含有微小電子感知器的基質中。這項研究不僅有助於更佳的組織培養以供藥物測試之用,同時也可望促進了移植用人造器官的發展。

具有內嵌電子感應器的活組織可以在生物及醫藥上找到許多應用,然而目前的作法只能是先成長生物組織,再將電極插入其中。這種作法並不理想,因為這種像打針般將電極插入組織中的方式精準度及靈敏度皆無保障,再者,電極的插入難免會壞破組織結構。

最近,哈佛大學的Charles Lieber團隊與麻省理工學院(MIT)及波士頓(Boston)兒童醫院的組織工程師聯手,研發出一個能較佳整合組織與電子電路的新方法。他們捨棄了傳統以電極為主的探測器,而改用矽場效電晶體(FET)。愈小的電極探測器所能提供訊號愈微弱,而該實驗中的FET探測器是由直徑30 nm的奈米線所構成,依然提供精準的讀數。

研究人員先將電晶體與內連線電路一併嵌入具生物相容性的多孔三維基質中,接著在基質上方進行組織培養,在組織內部形成佈滿電晶體感知器的精細網路。團隊成員Jia Liu表示,與以往方法不同之處在於他們的作法是一個非侵入性的過程,也就是在記錄數據或刺激組織時,毋需額外使用電極來穿刺組織造成破壞。

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研究人員花了數週進行測試,發現這些感知器的存在對細胞存活率的影響微乎其微。不過他們也承認,在此技術實際使用於醫學移植用途前,仍需長期研究以確認其安全性。為了展現此技術在藥物測試上的應用價值,該團隊製作了整合電晶體感知器的心臟細胞組織。他們利用該裝置監控去甲腎上腺素(noradrenaline,一種可使心跳加速的藥物)對心臟組織的影響,結果發現使用去甲腎上腺素後,組織的收縮頻率增加了兩倍。

該團隊認為此研究成果的應用近期內可能侷限於改良藥物測試中的組織培養。不過Liu表示,長期看來此研究對於製作人造器官可能會有重要的貢獻。他解釋,在此領域的研究人員已經使用這類細胞外基質來培養人造組織,不過以往此組織支架一直作為被動材料並僅用來支撐成長中的細胞,而他們現在製作的奈米電子組織支架不但能支撐細胞的成長,同時能監控其功能。詳見Nature Materials |DOI:10.1038/nmat3404。

譯者:劉家銘(逢甲大學光電學系)
責任編輯:蔡雅芝

資料來源:Living tissue is laced with electronic sensors. nanotechweb [Sep 5, 2012]

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轉載自 奈米科學網

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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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停工即停薪:如何證明你的時間值多少?車禍背後的認知 x 情緒 x 金錢 x 法律大混戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/01/09 ・3286字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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本文與 PAMO車禍線上律師 合作,泛科學企劃執行

走在台灣的街頭,你是否發現馬路變得越來越「急躁」?滿街穿梭的外送員、分秒必爭的多元計程車,為了拚單量與獎金,每個人都在跟時間賽跑 。與此同時,拜經濟發展所賜,路上的豪車也變多了 。

這場關於速度與金錢的博弈,讓車禍不再只是一場意外,更是一場複雜的經濟算計。PAMO 車禍線上律師施尚宏律師在接受《思想實驗室 video podcast》訪談時指出,我們正處於一個交通生態的轉折點,當「把車當生財工具」的職業駕駛,撞上了「將車視為珍貴資產」的豪車車主,傳統的理賠邏輯往往會失靈 。

在「停工即停薪」(有跑才有錢,沒跑就沒收入)的零工經濟時代,如果運氣不好遇上車禍,我們該如何證明自己的時間價值?又該如何在保險無法覆蓋的灰色地帶中全身而退?

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如果運氣不好遇上車禍,我們該如何證明自己的時間價值?/ 圖片來源: Nano Banana

薪資證明的難題:零工經濟者的「隱形損失」

過去處理車禍理賠,邏輯相對單純:拿出公司的薪資單或扣繳憑單,計算這幾個月的平均薪資,就能算出因傷停工的「薪資損失」。

但在零工經濟時代,這套邏輯卡關了!施尚宏律師指出,許多外送員、自由接案者或是工地打工者,他們的收入往往是領現金,或者分散在多個不同的 App 平台中 。更麻煩的是,零工經濟的特性是「高度變動」,上個月可能拚了 7 萬,這個月休息可能只有 0 元,導致「平均收入」難以定義 。

這時候,律師的角色就不只是法條的背誦者,更像是一名「翻譯」。

施律師解釋「PAMO車禍線上律師的工作是把外送員口中零散的『跑單損失』,轉譯成法官或保險公司聽得懂的法律語言。」 這包括將不同平台(如 Uber、台灣大車隊)的流水帳整合,或是找出過往的接單紀錄來證明當事人的「勞動能力」。即使當下沒有收入(例如學生開學期間),只要能證明過往的接單能力與紀錄,在談判桌上就有籌碼要求合理的「勞動力減損賠償 」。

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PAMO車禍線上律師的工作是把外送員口中零散的『跑單損失』,轉譯成法官或保險公司聽得懂的法律語言 / 圖片來源: Nano Banana

300 萬張罰單背後的僥倖:你的直覺,正在害死你

根據警政署統計,台灣交通違規的第一名常年是「違規停車」,一年可以開出約 300 萬張罰單 。這龐大的數字背後,藏著兩個台灣駕駛人最容易誤判的「直覺陷阱」。

陷阱 A:我在紅線違停,人還在車上,沒撞到也要負責? 許多人認為:「我人就在車上,車子也沒動,甚至是熄火狀態。結果一台機車為了閃避我,自己操作不當摔倒了,這關我什麼事?」

施律師警告,這是一個致命的陷阱。「人在車上」或「車子沒動」在法律上並不是免死金牌 。法律看重的是「因果關係」。只要你的違停行為阻礙了視線或壓縮了車道,導致後方車輛必須閃避而發生事故,你就可能必須背負民事賠償責任,甚至揹上「過失傷害」的刑責 。 

數據會說話: 台灣每年約有 700 件車禍是直接因違規停車導致的 。這 300 萬張罰單背後的僥倖心態,其巨大的代價可能是人命。

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陷阱 B:變換車道沒擦撞,對方自己嚇到摔車也算我的? 另一個常年霸榜的肇事原因是「變換車道不當」 。如果你切換車道時,後方騎士因為嚇到而摔車,但你感覺車身「沒震動、沒碰撞」,能不能直接開走?

答案是:絕對不行。

施律師強調,車禍不以「碰撞」為前提 。只要你的駕駛行為與對方的事故有因果關係,你若直接離開現場,在法律上就構成了「肇事逃逸」。這是一條公訴罪,後果遠比你想像的嚴重。正確的做法永遠是:停下來報警,釐清責任,並保留行車記錄器自保 。

正確的做法永遠是:停下來報警,釐清責任,並保留行車記錄器自保 。/ 圖片來源: Nano Banana

保險不夠賠?豪車時代的「超額算計」

另一個現代駕駛的惡夢,是撞到豪車。這不僅是因為修車費貴,更因為衍生出的「代步費用」驚人。

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施律師舉例,過去撞到車,只要把車修好就沒事。但現在如果撞到一台 BMW 320,車主可能會主張修車的 8 天期間,他需要租一台同等級的 BMW 320 來代步 。以一天租金 4000 元計算,光是代步費就多了 3 萬多塊 。這時候,一般人會發現「全險」竟然不夠用。為什麼?

因為保險公司承擔的是「合理的賠償責任」,他們有內部的數據庫,只願意賠償一般行情的修車費或代步費 。但對方車主可能不這麼想,為了拿到這筆額外的錢,對方可能會採取「以刑逼民」的策略:提告過失傷害,利用刑事訴訟的壓力(背上前科的恐懼),迫使你自掏腰包補足保險公司不願賠償的差額 。

這就是為什麼在全險之外,駕駛人仍需要懂得談判策略,或考慮尋求律師協助,在保險公司與對方的漫天喊價之間,找到一個停損點 。

談判桌的最佳姿態:「溫柔而堅定」最有效?

除了有單據的財損,車禍中最難談判的往往是「精神慰撫金」。施律師直言,這在法律上沒有公式,甚至有點像「開獎」,高度依賴法官的自由心證 。

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雖然保險公司內部有一套簡單的算法(例如醫療費用的 2 到 5 倍),但到了法院,法官會考量雙方的社會地位、傷勢嚴重程度 。在缺乏標準公式的情況下,正確的「態度」能幫您起到加分效果。

施律師建議,在談判桌上最好的姿態是「溫柔而堅定」。有些人會試圖「扮窮」或「裝兇」,這通常會有反效果。特別是面對看過無數案件的保險理賠員,裝兇只會讓對方心裡想著:「進了法院我保證你一毛都拿不到,準備看你笑話」。

相反地,如果你能客氣地溝通,但手中握有完整的接單紀錄、醫療單據,清楚知道自己的底線與權益,這種「堅定」反而能讓談判對手買單,甚至在證明不足的情況下(如外送員的開學期間收入),更願意採信你的主張 。

車禍不只是一場意外,它是認知、情緒、金錢與法律邏輯的總和 。

在這個交通環境日益複雜的時代,無論你是為了生計奔波的職業駕駛,還是天天上路的通勤族,光靠保險或許已經不夠。大部分的車禍其實都是小案子,可能只是賠償 2000 元的輕微擦撞,或是責任不明的糾紛。為了這點錢,要花幾萬塊請律師打官司絕對「不划算」。但當事人往往會因為資訊落差,恐懼於「會不會被告肇逃?」、「會不會留案底?」、「賠償多少才合理?」而整夜睡不著覺 。

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PAMO看準了這個「焦慮商機」, 推出了一種顛覆傳統的解決方案——「年費 1200 元的訂閱制法律服務 」。

這就像是「法律界的 Netflix」或「汽車強制險」的概念。PAMO 的核心邏輯不是「代打」,而是「賦能」。不同於傳統律師收費高昂,PAMO 提倡的是「大腦武裝」,當車禍發生時,線上律師團提供策略,教你怎麼做筆錄、怎麼蒐證、怎麼判斷對方開價合不合理等。

施律師表示,他們的目標是讓客戶在面對不確定的風險時,背後有個軍師,能安心地睡個好覺 。平時保留好收入證明、發生事故時懂得不亂說話、與各方談判時掌握對應策略 。

平時保留好收入證明、發生事故時懂得不亂說話、與各方談判時掌握對應策略 。 / 圖片來源: Nano Banana

從違停的陷阱到訂閱制的解方,我們正處於交通與法律的轉型期。未來,挑戰將更加嚴峻。

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當 AI 與自駕車(Level 4/5)真正上路,一旦發生事故,責任主體將從「駕駛人」轉向「車廠」或「演算法系統」 。屆時,誰該負責?怎麼舉證?

但在那天來臨之前,面對馬路上的豪車、零工騎士與法律陷阱,你選擇相信運氣,還是相信策略? 先「武裝好自己的大腦」,或許才是現代駕駛人最明智的保險。

PAMO車禍線上律師官網:https://pse.is/8juv6k 

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從「細胞機械力」解開癌症抗藥性之謎
顯微觀點_96
・2025/10/16 ・2830字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文轉載自顯微觀點

許多癌症患者在初期對藥物反應良好,腫瘤明顯縮小,但經過一段時間後因為癌細胞會適應治療,例如可能改變藥物的目標分子,使藥物無法再有效作用;或是繞過原本被切斷的「生存」路徑,變得對藥物不再敏感,使得原本的化療、標靶藥物失效。因此癌症治療的一大挑戰「抗藥性」。

為了解決這項難題,臨床治療上有些使用「雞尾酒療法」,也就是同時使用多種藥物攻擊癌細胞的不同弱點;有的則是積極開發新一代藥物,針對已知的抗藥性機制設計不同路徑;或是透過改變腫瘤微環境讓患者產生持久的免疫反應,延緩或克服抗藥性產生。

但癌症逐漸走向精準醫療,藥物是否能夠針對特定癌細胞甚至癌細胞的特定機轉、基因產生作用,是醫療界正努力研究的方向。而從中國醫藥大學生命科學院細胞生物學研究所助理教授徐昭業的觀點,細胞機械力便是一個可以切入的研究窗口。

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微小機械力 左右細胞表現力

過去,生物學多注重在基因、化學對對細胞的影響,而力學生物學(或稱機械生物學,Mechanobiology)則在近二十年迅速興起。因為科學家發現,不論是細胞要維持形狀、移動,或是回應微環境的變化,都受到力學影響。

徐昭業解釋,其實細胞的機械力在生命活動中非常重要,例如大多數細胞都需要貼附在周圍的環境中,無論是與其他細胞形成組織,或是與細胞外基質(ECM, Extracellular Matrix)連結。而這個「貼附」的行為就是一種機械力的展現。

另外,當細胞在分化時,機械力的影響尤其顯著。例如,將幹細胞培養在柔軟如果凍的基材上時,它們傾向分化為脂肪細胞或神經細胞。然而若是培養在像桌子一樣硬的表面時,則更可能分化為骨細胞。這顯示細胞對外在物理環境具有高度的「機械感知」能力。

這些細胞從外部環境(例如黏附表面、周遭組織)感受到的「機械訊號」,會透過細胞膜上的蛋白傳遞進入細胞內部,影響基因表達並調整行為,例如分化或增生。

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傳統上判定癌症藥效(或是是否出現抗藥性)多是透過測量細胞存活率,例如計算 IC50(半數抑制濃度)──也就是殺死 50% 細胞所需的藥物濃度。但徐昭業表示,這樣的測量方式存在著「非死即活」的二分法限制。例如:針對 100 顆細胞投藥,最後存活 50 顆,只知道存活率是 50%,但無法得知那剩下細胞的實際狀態;可能完全健康、也可能受到藥物影響變得半死不活。

不只管死活 力學訊號看抗藥性更精準

圖說:細胞機械力模型。徐昭業團隊便是將這樣密集奈米圓柱的結構裝置,放進微小的生物晶片。攝影/楊雅棠

透過細胞機械力的偵測則可以彌補這樣的空缺。徐昭業和研究團隊開發出一套生物力學量測系統,結合微結構與光學反射,成功簡化細胞力學的觀察與量化方式。

他們將細胞培養於表面覆有密集奈米圓柱的結構裝置上,當細胞貼附並施力於這些奈米圓柱時會導致彎曲,進而改變表面反射鏡的反射角度,影響光訊號的強度。藉由觀察反射光的衰減量,便可快速推估細胞的力學變化。

這些奈米圓柱通常使用 PDMS(polydimethylsiloxane,聚二甲基矽氧烷)等彈性材料製成,直徑約為1至2微米,高度約 5 微米,排列間距也僅有 1 至 2 微米。

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徐昭業表示,過去這類「micropost array」(微柱陣列)主要透過螢光標記位移來計算細胞所施加的力量,但這樣一來不但需要仰賴高倍率顯微鏡,影像分析也較為繁複。

因此,研究團隊改以反射訊號的變化來替代位移量測。他們將金屬反射層鍍於奈米圓柱頂端形成靈敏的反射面。當細胞攤開在表面時,張力會造成圓柱微幅形變,反射光因此產生角度偏移與散射。通常光強度會下降至原始強度的 20% 至 30%,藉此就能反推出細胞所施加的實際力值,依此分析細胞活力。不僅能大幅簡化操作流程,同時提升訊號讀取的效率與數量。

徐昭業說,當細胞死亡或停止活動時,力學(光學)訊號會完全消失,但「活力下降」的細胞則有部分訊號,但弱於「完全未受影響」的細胞。而這樣分群概念在癌症抗藥性研究的重要性在於:即使多數癌細胞對藥物反應良好,仍可能潛伏少數「對藥無感」或「苟延殘喘」的細胞。這些細胞若存活下來,將來就可能演化出抗藥性的癌細胞。

為了驗證設計出的平台在癌細胞檢測上有效果,徐昭業也和中國醫藥大學從事肺癌研究的老師合作,利用對方既有現成的抗藥性細胞株資料庫和相對應生物標記,與力學檢測平台的標記結合進行確認。

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徐昭業表示,過去要確認癌細胞是否出現抗藥性需透過長時間持續給藥,並耗費三至六個月時間培養,看細胞是否出現變異。但一方面長時間持續投藥,訓練出的是「後天抗藥性」癌細胞,和在真實情境不同;人體中可能部分癌細胞一開始就有「先天抗藥性」,卻難以在一開始就揪出來。另一方面,長期、持續的投藥也不符合臨床投藥方式,且耗時過長。

團隊利用力學檢測平台比較抗藥細胞與敏感細胞,發現兩者之間存在顯著差異,且這些力學特徵與既有的生物標記完全對應,證明了這個檢測系統可以直接辨識抗藥性細胞。

研究到臨床 盼打造癌症抗藥性快篩

由於系統採用的是非螢光染色(label-free)設計,偵測的是光學訊號,大幅縮短樣本製備和觀察時間。一片約一平方公分的生物晶片能同時觀測十萬個細胞,儘管有些細胞會彼此黏連,無法進行單細胞分析,但通常仍能取得五萬筆單細胞的力學分布資料。團隊再把這些數據輸入AI模型進行辨識訓練,系統便能在活細胞上快速量測,約半天到一天即可完成分析。

徐昭業表示,癌症病人通常有幾種可選用的藥物,但每個人對藥物的反應不同,第一線有效的藥物不見得適合所有病人。臨床上,醫師通常根據經驗與基因表現推估藥物敏感性,仍難以預測抗藥性的發生;即使用單細胞基因定序也很昂貴且不容易操作。

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「雖然一開始仍需仰賴傳統細胞株去建立模型,但當這一系列流程建構完成,後續就能成為精準醫療的重要輔助工具」,徐昭業說,若是透過此平台,就能以「快篩」的概念檢驗不同病人檢體暴露於不同藥物,哪些藥物最容易產生抗藥性表現型(phenotype),進而提供臨床醫師一份建議清單,選擇不易產生抗藥性、最合適的治療策略。

目前團隊也致力於讓系統更具備高度規律性與可重複性,並易於製作母模再複製,以大幅降低成本與技術門檻。徐昭業期待這套系統除了加速細胞力學研究的量測過程,也能為生醫材料、藥物開發與細胞品質檢測等領域提供實用的解決方案。

參考資料:

延伸閱讀:

從材料到癌症研究 徐昭業的跨界探索

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顯微觀點_96
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從細微的事物出發,關注微觀世界的一切,對肉眼所不能見的事物充滿好奇,發掘蘊藏在微觀影像之下的故事。

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DNA-PAINT:轉瞬標記 奈米解析
顯微觀點_96
・2024/10/03 ・3586字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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本文轉載自顯微觀點

圖/顯微觀點

DNA-PAINT:易脫落的奈米「漆」

DNA-PAINT 屬於單分子定位顯微術(SMLM)大家族一員,它突破繞射極限的途徑類似 PALM 與 STORM:以閃爍(blinking)的螢光讓多個目標分子的位置輪番呈現,最後將多次定位影像以電腦疊合重建成完整的超解析分子地圖。結合電腦運算輔助和光學成像的統計原理,DNA-PAINT 可以達成極端細緻的 RESI 定位術,清楚區別兩個距離不到 1 奈米的螢光來源。

單看字面,DNA-PAINT 給人「以 DNA 作為油漆」的印象。事實稍有不同,這種技術以 DNA 作為「點累積奈米成像術」(PAINT , Point Accumulation for Imaging in Nanoscale Topography)的探針。接上螢光染劑的短小 DNA 片段,可以靈敏標記蛋白質、染色體以及許多細胞內構造。

DNA-PAINT 的特別之處,在於利用「不牢固」的螢光標記製造閃爍效果。不同於 PALM, STORM 以光調控「固著在目標上」的螢光來源,DNA-PAINT 使用與目標連結力量薄弱的螢光探針,結合目標之後會快速分離。只有在探針與目標結合的瞬間,同時被激發光照射,探針上的螢光團才能發出螢光。目標分子與螢光探針分離後,依然保有和下一個探針結合的能力,因此不必擔心螢光團的放光能力衰退。

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Dna Barcoded Labeling Probes For Highly Multiplexed Exchange Paint Imaging
DNA-PAINT 原理:Docking strand(嵌合序列)附著在人造 DNA 構造上,溶液中漂浮著成像序列(Imager strand),成像序列上的螢光團不容易被激發(膚色)。成像序列與嵌合序列結合時,螢光團才會被激發(橘紅色) 圖片來源:Agasti, Sarit S., et al. Chemical science 8.4 (2017): 3080-3091.

DNA-PAINT 使用的 DNA 探針片段長度不超過 10 個鹼基,又稱寡核苷酸(oligonucleotides 或oligomers)。這些短小 DNA 片段可以附加上螢光染劑的螢光團分子,成為螢光探針。

DNA 探針的結合對象是另一段互補的 DNA 片段,此互補序列會預先透過抗體與定位目標連結,等待 DNA 探針前來結合。DNA 探針因為具有螢光團,被稱為「成像片段(imager strand)」,而牢固於目標的互補序列則稱為「嵌合片段(docking strand)」。對生物細胞進行 DNA-PAINT 時,嵌合片段與目標分子之間常有抗體或配體做為銜接,需要類似免疫螢光染色的前置作業,目標表面的抗原也可以因應實驗需求進行設計。

因為兩個短小 DNA 片段之間的結合力有限,成像片段與嵌合片段結合後會快速分離。而螢光團只有在結合目標時才容易放光,因此可以形成閃爍的螢光定位標記。經由電腦疊合閃爍的定位影像,DNA-PAINT 可以達成 10 奈米左右的超解析定位,若沒有序列成像的幫助,依然無法突破奈米以下解析度的光學障礙。

Direct Visualization Of Single Nuclear Pore Complex Proteins Using Genetically‐encoded Probes For Dna‐paint
以 DNA-PAINT 對細胞核膜上的 Nup96 核孔蛋白進行 3D 定位。在圖 a. 中,不同的螢光色彩象徵不同的空間深度。圖 b. 箭頭所指處,則是成對出現的 Nup96 蛋白。比例尺:圖 a. 2000nm, 圖 b. 50 nm. 圖片來源:Schlichthaerle, Thomas, et al. Angewandte Chemie 131.37 (2019): 13138-13142.

核孔複合體(Nuclear Pore Complex)上的 Nup96 蛋白是科學家經常探索的重要目標,即使是超解析顯微術也未能在自然狀態下呈現其構造。隆曼團隊以 RESI 對 Nup96 進行定位,不但清楚定位出符合電子顯微鏡拍攝的 8 對 Nup96 蛋白沿著核孔形成環狀結構,還能清楚呈現每對蛋白之間的 11 奈米的間距。

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結合序列成像(Sequential Imaging)與 DNA-PAINT 兩種技術,RESI 讓科學家得以運用一般門檻的顯微儀器、耗材,就能達到超乎以往想像的定位解析度。而 DNA-PAINT 這種巧妙的定位方法並非一蹴而就,而是數種有趣的技術累積而成。

PAINT 起源:不穩定又不專一的尼羅紅

PAINT(Point Accumulation for Imaging in Nanoscale Topography, 點累積奈米成像術)系列定位法的螢光探針由一個螢光染劑分子與一個分子探針(probe)構成。親和性抗體、寡核苷酸(短小 DNA 片段)都可作為分子探針的材料,再由此探針結合目標分子或其上的抗體。除了 DNA-PAINT, PAINT 家譜上還有 FRET-PAINT, Exchange-PAINT, u-PAINT 等不同特質的成員。

在 2006 年由沙羅諾夫(A. Sharonov)和霍克崔瑟(R. M. Hochstraser)發表的第一代 PAINT 中,僅僅使用螢光染料尼羅紅(Nile Red)為標記。這種染劑在含水溶劑中無法發光,必須進入磷脂層等非極性環境才能展現其螢光活性。

因此尼羅紅無須結合探針,只要以低濃度加入樣本溶液中,就能觀察到其進入細胞膜脂雙層、大型磷脂囊泡(large unilamella vesicles)表層等疏水性環境中,受到激發放出螢光。尼羅紅與磷脂層的親和性不強,很快就會再次脫離,也容易遭到光漂白(photobleaching)而失去螢光,因此可作為一種閃爍的螢光定位標記。

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尼羅紅可以結合所有疏水性(hydrophobic)的構造,無法真的標記特定分子,缺乏分子生物學重視的專一性。但它開啟了 PAINT 以「不牢固螢光染劑」增進解析度的先河。與多數螢光顯微術追求螢光團穩定性與強度的定位技巧背道而馳。

Image 2
圖 a. 以尼羅紅標記磷脂層的直接成像;圖 b. 以 PAINT 技術進行上千次成像重建後的磷脂層定位。兩者定位解析度形成強烈對比。圖 c. 為 uPAINT 概念:接受激發光(綠色)照耀的螢光探針才會發光(紅色),漂浮在激發光範圍外的螢光探針保持黯淡(粉紅),即使未結合目標的探針也能發光,且僅能標記細胞膜表面的目標。圖片來源:Nieves, Daniel J., et al. Genes 9.12 (2018): 621.

4 年後,吉安諾內(G. Giannone)和荷西(E. Hosy)以具目標專一性的配體,例如抗體蛋白,連接螢光團形成螢光探針,達成具有專一性的 PAINT 超解析定位。透過進步的生化技術製作配體,這種技術幾乎可以定位所有類型的目標,因此被命名 universal-PAINT, 簡稱 uPAINT。

uPAINT 可以提升多種目標的定位解析度,但其螢光探針即使游離在溶液中,也能接受激發、放出螢光,形成背景雜訊。且結合螢光染劑的抗體無法穿透細胞膜,因此只能定位細胞膜上的目標。

因此 uPAINT 必須限縮激發光照射的範圍,對準目標、減少雜訊,例如微調全內反射顯微鏡(TIRF)的角度,形成「高傾斜層光照明」(Highly Inclined and Laminated Optical sheet, HILO)以限定激發範圍。

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同在 2010 年,隆曼與史坦豪爾(C. Steinhauer)嘗試以寡核苷酸為探針,定位 DNA 摺紙構造(DNA origami structure)上的目標,達到了奈米等級的解析度。DNA-based Point Accumulation for Imaging in Nanoscale Topography 正式誕生,善用「不牢固的螢光探針」與電腦運算的輔助,以一般螢光顯微鏡就能突破繞射極限。

無限調色的虛擬油漆:Exchange-PAINT

2014 年,隆曼與同事阿凡達尼歐(M. S. Avendaño)、沃爾斯坦(J. B. Woehrstein)發表 DNA-PAINT 的巧妙變化,除了同時以不同探針標記不同構造,達成精準的多重定位(multiplexed localization),更實現以一種螢光超解析定位多種目標,讓多重標記的潛力加速實現。

這種多重標記被隆曼與同事稱為 Exchange-PAINT,同樣使用 DNA 片段作為探針。在同一個樣本的 10 種不同目標上,連結了 10 種不同的嵌合片段(docking strands),隆曼等人再以 10 種互不干涉的短小 DNA 序列(orthogonal sequences)作為成像片段(imager strands)。

他們每次只加入一種成像片段,針對一種目標進行閃爍(blinking)定位,並由電腦套上特定顏色,接著洗去既有成像片段,再加入下一種成像片段。最後將所有目標的獨立定位圖疊合起來,便能得到完整的奈米級定位。

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Multiplexed 3d Cellular Super Resolution Imaging With Dna Paint And Exchange Paint 2
圖 a.為 Exchange-PAINT 概念,每一輪定位針對一種目標,完成後洗去探針,再加入下一種探針進行定位,最後將每一輪的定位影像疊合起來。圖 c., 圖 d. 表現 Exchange-PAINT 的多工能力, 1 個 DNA 摺紙樣本上的 10 種不同目標可以依序定位,賦予顏色(實際上使用相同螢光染劑,不同成像片段),再以電腦重建疊合。每一種目標的定位都進行了 7500 次拍攝。圖 d., 圖 e. 中的比例尺為 25nm. 圖片來源:Jungmann, Ralf, et al.  Nature methods 11.3 (2014): 313-318.

只需要一種螢光染劑接上多種成像片段,Exchange-PAINT 便能以基本的實驗設備達到多重目標的超解析定位,不像多重標記的 DNA-PAINT 受限於染劑顏色數目,Exchange-PAINT 的門檻在於互不相干寡核甘酸片段的數目,在實驗中幾乎不可能窮盡。而可以使用一般螢光顯微鏡與螢光染劑達到埃(ångström)解析度的 RESI 技術,就是將 Exchange-PAINT 的多種目標定位應用於單種目標定位,透過不同探針標記同種目標製造發光順序落差,大幅提升解析度。

在「眼見為真」的生物學影像趨勢中,「增加偵測光子數量」是螢光顯微技術提升解析度的基礎光學原理,也是最主流的技術改良方向。而 DNA-PAINT 系列技術跳脫了對光子數量的追求,不受螢光染劑的光漂白及螢光壽命限制,以快速脫落的探針另闢蹊徑,使低成本的超解析影像得以實現,更展現生物物理學蘊藏的廣泛技術可能性。

參考資料:

  • DNA-PAINT 的最新應用:RESI序列成像解析度增強術
  • Jungmann, Ralf, et al.  Nature methods 11.3 (2014): 313-318.
  • Agasti, Sarit S., et al.  Chemical science 8.4 (2017): 3080-3091.
  • Nieves, Daniel J., Katharina Gaus, and Matthew AB Baker. Genes 9.12 (2018): 621.
  • Schlichthaerle, Thomas, et al.  Angewandte Chemie 131.37 (2019): 13138-13142.
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顯微觀點_96
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