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太瘋狂了!注射細菌,竟然能夠「以毒攻毒」打敗癌細胞?細菌療法的前世(上)

羅夏_96
・2021/03/05 ・4551字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 534 ・七年級

近年來,「免疫療法」是癌症醫學最火紅的議題之一,科學家會利用各種手段喚醒我們體內的免疫系統,並利用免疫系統來對抗癌症,讓我們的身體恢復健康。

雖然免疫療法到了近十年才被醫學界正式認可、走入大眾的視野,但事實上,早在兩百多年就有醫師寫下相關的報告,甚至古埃及時期也有類似的文獻,只是這些資料曾經被當作毫無價值的民間偏方。

這些文獻指出,只要將細菌打入我們的體內,就可能用以毒攻毒的方式治療癌症!

這種瘋狂療法被稱為「細菌療法」,它不僅真實存在,甚至是今日免疫療法的先驅,接下來,且聽我娓娓道來細菌療法的故事吧!

皮膚炎可以治療癌症?那些年的細菌療法

古埃及出土的醫學典籍中,就曾描述當時有病患出現腫瘤的症狀,並記錄了相應的處理方式:在腫瘤部位上劃上一個創口,讓該部位產生感染,就能有效使腫瘤消退1

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到了 1800 年中期時,也有兩位德國的醫師 Busch 和 Fehleisen 分別發現,患有腫瘤的病患在不慎感染丹毒註1後,腫瘤會大幅度的消退1

丹毒是由化膿性鏈球菌所引起的急性皮膚炎症,以患部皮膚紅如塗丹故名,多發於小腿或者面部。
圖/Wikimedia

其中, Busch 就曾經「故意」讓腫瘤病患感染丹毒,並發現當病患感染丹毒後,病患身上的腫瘤真的消退了1,而另一位醫師 Fehleisen 重複 Busch 的治療方式後,也得到類似的結果,並且確認丹毒是因病患感染化膿性鏈球菌 (Streptococcus pyogenes)所造成,顯示細菌感染與腫瘤的消退有關1

當然,不僅僅只有這兩位醫師會將細菌感染用於治療腫瘤,除了它們之外,也有其他零星的報告紀錄2,但這些報告在當時的醫學界看來充其量只是八卦,並沒有被認真看待。

直到了一位醫師的出現,才讓細菌療法正式進入近代醫學的視野中,甚至啟發現在被視為治療癌症明日之星的「免疫療法」。

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細菌療法的鼻祖——威廉.柯立

年輕醫師威廉.柯立 (William Coley) 畢業於哈佛醫學院,並於 1890 年開始在紐約癌症醫院開設門診,也就是這一年,柯立遇到一位令他永生難忘的病患。

十九世紀時,醫生治療癌症的有效方法就只有那麼一種:藉由外科手術來切除患部,因此當柯立遇到伊莉莎白 (Elizabeth Dashiell) 時,也是透過截肢手術以治療她手臂上的肉瘤 (Sarcoma)註2

但手術後不久,年僅 17 歲的伊莉莎白仍然因癌細胞的擴散 (Metastasis) 而不治死去,這對柯立是很大的打擊,因此他下定決心,一定要找出治療肉瘤的有效方法!

首先,柯立查閱紐約癌症醫院中,所有肉瘤病患的就診紀錄和相關資料,希望吸收其他醫生治療肉瘤病患的經驗,其中,有一位病患的就診紀錄引發他的興趣。

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威廉.柯立 (William Coley) (中間)。圖/Wikipedia

7 年前,31 歲的史登 (Fred Stein) 曾被診斷出在頸部上長有肉瘤,即使經過多次手術肉瘤仍舊復發,甚至在手術期間不幸感染丹毒,丹毒讓史登發起了嚴重的高燒,幸好史登撐過去並且順利出院。

引起柯立注意的是,這一份報告顯示在史登高燒期間,腫瘤有明顯消退,然後…就沒有然後了,因為醫院之後就再也沒有史登的就醫紀錄了!親自前往紐約拜訪史登後,柯立更驚奇地發現,如今的史登不僅是一尾活龍,連頸部的肉瘤也完全消退,而且至今都並沒有復發!

此時,柯立產生一個大膽的想法:如果用細菌感染病患,以毒攻毒,癌症病情會好轉嗎?

不如,在腫瘤上面塗一些細菌試試看?

1891年,柯立迎來第一次實踐他想法的機會:一位名為佐拉 (Zola)的患者,被診斷出在頸部上長有無法用手術方式切除的肉瘤。

前文有提到,在當時治療肉瘤的唯一方式就是手術切除,因此可憐的佐拉等同被判了死刑。柯立想著,或許讓佐拉感染丹毒,是一個值得嘗試的辦法,於是他說服佐拉,開始試驗他的瘋狂想法。

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病患佐拉。圖/Cancer Gene Therapy

柯立在佐拉的腫瘤上劃開幾個創口,並塗上化膿性鏈球菌,隨著佐拉感染丹毒,雖然肉瘤組織確實有消退,不過沒有完全消除。

即使沒有完整去除肉瘤,但這個結果依舊讓柯立很興奮,柯立認為細菌感染真的可以有效地對付腫瘤!此外,柯立也推測,應該是當時引起的感染反應不夠強烈,才讓腫瘤無法完全消退。

沒有成功?一定是因為沒有發燒啦!

那麼怎樣才是「夠強烈」的感染反應呢?

柯立覺得「發燒」是感染夠強的指標,於是他從柯霍醫師註3那邊拿到了感染力更強的細菌3,在柯立的獨門配置下,佐拉被感染 1小時後就出現發冷、噁心、嘔吐等感染症狀,並高燒到 41 度,感染症狀整整持續了 10 天。

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更重要的是:在兩星期內,佐拉頸部的腫瘤竟然完全消失,並且在 8 年半的追蹤下都沒有復發!

柯立對這次試驗的成功感到相當振奮,因此在後續的兩年他持續用活細菌感染 10 個腫瘤病患,希望也能治癒他們。

發燒,被柯立當作感染夠嚴重的指標。圖/Pixabay

可惜的是,這兩年來的試驗結果並不理想,有些病患在高燒後,腫瘤確實消退;有些病患出現高燒,但腫瘤卻不會消退;有些病患百毒不侵,不會發高燒;而有兩位病患則因感染後高燒不退,導致死亡4

因此柯立決定不再使用活細菌感染病患,他改用熱滅活註4的化膿性鏈球菌 (Streptococcus pyogenes)和黏質沙雷菌 (Serratia marcescens),將其混合後注射到患者體內,他發現這種方式更安全,也能引起患者高燒。

在往後的試驗中,這種混和熱滅活菌被稱為「柯立毒素」 (Coley’s toxin)。

柯立毒素的興起和殞落

隨著柯立毒素的使用,柯立得到不少正面的結果,他將這些結果彙整出版5。因柯立的報告相當豐富,柯立毒素也廣為大眾所知,民間不少人認為柯立是治療癌症的明日之星。

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除了民間,當時一些醫師也響應了柯立毒素的治療效果,Parke-Davis 製藥公司更生產了柯立毒素作為藥物使用。隨著消息傳到國外,德國一家小藥廠 Südmedica 也生產了柯立毒素。

化膿性鏈球菌啟發柯立製作出柯立毒素。圖/Wikipedia

然而,雖然民間和少部分醫師認可柯立毒素的效果,但醫學界普遍對柯立毒素的效用帶著高度懷疑,不少醫師都認為柯立毒素不過是「蒙古大夫的小偏方」。

其中,柯立在紐約醫院的上司更是最強力反對他的人(可想見柯立在醫院的壓力有多大!),而美國癌症學會 (American Cancer Society) 更毫不客氣的表示:「我們還需要更多研究確定這種療法,是否對腫瘤病患有任何幫助,如果有的話!」。

美國癌症學會意思就是:他們認為這東西根本沒有用,連試都不必試!

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面對醫學界的質疑,柯立雖然也想反駁,但無奈的是,他面對好幾個無法迴避的問題。

第一:最重要的,他無法解釋柯立毒素的「作用機制」!

雖然他有兩個想法:一個是細菌本身的毒素殺死了癌細胞;另一個是細菌引發的高燒,可能讓身體產生一些機制,讓腫瘤消退。但柯立都沒有對自己的想法,有更深入的研究。

第二:柯立並沒有一套有系統的實驗方法!

例如每次給病患注射柯立毒素時,不僅毒素的比例和劑量都很隨興,連注射的部位也都不同。加上病患的反應各異,太多變數的存在,讓不少醫師根本無法重現柯立的結果。

第三:感染後的副作用太危險了!

柯立毒素要發揮效用,要讓病患有足夠強的感染反應,「發燒」就是關鍵中的關鍵。雖然柯立毒素是用熱滅活的細菌,感染風險已低於活細菌,但讓病患產生感染反應的風險還是很高,稍有不慎就極有可能死亡。

因此,這種明顯將病患至於高風險的行為,也引起很多醫師反感。

足夠強的感染反應,「發燒」就是其中的關鍵。圖/Pexels

放射線療法成為主流,柯立毒素淪為偏方

除此之外,20 世紀初,隨著放射線療法的問世,放射線療法逐漸成為主流的癌症治療方式,這更使得柯立毒素成為公認的偏方,而柯立也被醫學界視為庸醫,只剩柯立及少數相信柯立毒素療效的醫師,仍用這種「偏方」為病患治療。

到了 1936 年柯立過世,柯立毒素幾乎淡出了歷史舞台,二十多年後, 1963 年美國 FDA 甚至公告:不承認柯立毒素為核准的藥物!

至此,柯立毒素的傳奇「暫時」告一段落。

雖然柯立毒素逐漸被人們淡忘,但柯立的女兒海倫 (Helen Coley Nauts) 卻不這麼想,她不僅重新整理了柯立的病患資料,更成立美國的癌症研究中心 (CRI) 、招募了一群頂尖科學家,配合著免疫學的爆炸式成長,當年細菌療法的謎題一一被解開,柯立與柯立毒素也不再被視為一文不值……

註釋

  1. 丹毒:由化膿性鏈球菌所引起的急性皮膚炎症,以患部皮膚紅如塗丹故名,多發於小腿或者面部。患處皮膚有略高出皮面的大片紅腫,邊緣明顯而且表面光滑發。患部附近淋巴結腫大,伴有寒顫、高燒、頭痛、骨節疼痛等全身症狀。
  2. 肉瘤 (Sarcoma):指惡性軟組織肉瘤,就是由中胚層間葉細胞癌化從各種軟組織如脂肪、骨骼肌、平滑肌、神經、神經鞘、血管及各種結締組織等產生的肉瘤。
  3. 羅伯.柯霍:德國醫師兼微生物學家,為細菌學始祖之一,與巴斯德共享盛名。1905年,因結核病的研究獲得諾貝爾生理學或醫學獎。柯霍因發現炭疽桿菌、結核桿菌和霍亂弧菌而出名。他發展出一套用以判斷疾病病原體的依據——柯霍氏法則。
  4. 熱滅活 (heat inactivation),是用高溫殺死細菌。這種方式會讓細菌死亡並無法繁殖,但不會完全破壞細菌的結構。在注射到人體後,免疫系統仍能辨識這些病原體,並產生免疫反應。

參考資料

  1. Hoption Cann, S. A., van Netten, J. P., & van Netten, C. (2003). Dr William Coley and tumour regression: a place in history or in the future. Postgraduate medical journal79(938), 672–680.
  2. Coley’sToxins
  3. Loughlin K. R. (2020). William B. Coley: His Hypothesis, His Toxin, and the Birth of Immunotherapy. The Urologic clinics of North America47(4), 413–417. https://doi.org/10.1016/j.ucl.2020.07.001
  4. Coley W. B. (1991). The treatment of malignant tumors by repeated inoculations of erysipelas. With a report of ten original cases. 1893. Clinical orthopaedics and related research, (262), 3–11.
  5. Coley W. B. (1910). The Treatment of Inoperable Sarcoma by Bacterial Toxins (the Mixed Toxins of the Streptococcus erysipelas and the Bacillus prodigiosus). Proceedings of the Royal Society of Medicine3(Surg Sect), 1–48.

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羅夏_96
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同樣的墨跡,每個人都看到不同的意象,也都呈現不同心理狀態。人生也是如此,沒有一人會體驗和看到一樣的事物。因此分享我認為有趣、有價值的科學文章也許能給他人新的靈感和體悟

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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

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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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3D組織學技術突破舊有視野:專訪銀獎得主簡宏任
顯微觀點_96
・2025/08/18 ・4337字 ・閱讀時間約 9 分鐘

本文轉載自顯微觀點

畫面中以腫瘤與腸道的交界處作為分割,上方為十二指腸的腸絨毛血管和神經網絡,下方則是侵襲的胰臟癌腫瘤,呈現出生命與疾病在邊界對峙的氛圍

2024台灣顯微攝影競賽評審都忍不住讚嘆:「影像具有魄力與情緒渲染力,讓人直觀感受到人體對抗癌症的不適和緊張。」

這幅「劍拔弩張」的影像由中研院基因體中心的博士後研究員簡宏任所拍攝。他目前的研究主題之一為探討胰臟癌的漸進發病過程中,出現的病變(lesion)和微環境變化。

他提到拍攝這張影像契機是當時正在做腫瘤轉移的試驗,正巧收到這個小鼠胰臟樣本。

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「那隻老鼠的胰臟腫瘤剛好長在十二指腸的旁邊」,簡宏任表示,胰臟有很多神經,而胰臟癌特別之處在於腫瘤長大後,神經也會跟著長進去。

「但腫瘤中的神經從哪裡來?是從胰臟裡面自己長進去,還是從旁邊的器官?以概念上來說,你各自的器官神經理論上應該不會交錯吧!」但過去很少有人做過這樣的觀察和研究,而透過顯微鏡的觀察,發現神經從十二指腸的肌肉層,沿著血管長到胰臟腫瘤裡面。

「下面這是腫瘤範圍,神經會長進去耶!這還滿神奇的」,簡宏任一邊對著影像比劃,一邊興奮地分享研究發現。

胰臟癌很難治療的原因之一是腫瘤中沒有或是很少具有免疫細胞浸潤,即無免疫源性的腫瘤-「冷」腫瘤。但從影像中看到標記成藍色的免疫細胞順著血管和神經的網路進到腫瘤生長區域。「可見免疫細胞其實是可以進去的,但是為何這些免疫細胞無法發揮殺死癌細胞的作用或是僅駐留在腫瘤中的局部位置」,簡宏任坦言目前還沒有答案。

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雖然對於免疫細胞和癌症之間的作用尚無明確解答,但影像的呈現仍然多少解開過去對於神經、血管和腫瘤之間如何交錯的疑惑。簡宏任表示,這都得歸功於3D組織學技術的發展。

器官很大病變很小 從2D走向3D找目標

胰臟癌又稱為「癌王」,因為癌症初期病人沒有任何不適,加上胰臟在腹腔深處,難以用超音波早期發現癌症病變,等到壓迫到其他器官出現腹痛、胃口差等症狀,腫瘤都已長得很大或是出現轉移,惡化速度快。

簡宏任研究的一部分就是觀察癌前病變的病理樣態。

胰臟很重要的功能分為內分泌和外分泌。內分泌為分泌胰島素調解血糖,外分泌則是分泌胰液含有多種消化酵素,進行醣類、蛋白質、和脂肪的消化作用。

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簡宏任表示,胰臟腺泡細胞分泌的消化液需要透過導管結構送到消化系統,而研究發現這種導管結構可能會出現癌前病變,這些病變稱為胰臟上皮內瘤樣病變(pancreatic intraepithelial neoplasia, PanIN)。而PanIN也可能會由胰腺泡到導管化生(acinar-to-ductal metaplasia, ADM)發展而來。病變的進展是多重步驟的過程,除了病變細胞本身基因層面的改變之外,外在的微環境也會影響這些PanIN的發育。

因為胰臟組織裡細胞種類眾多,不同種類細胞的組成可能塑造出適合病變成長的環境;雖然這些病變並不一定最後都會走向癌症。而他所待的胡春美老師研究室,就在關注病變過程微環境的變化。

另一方面,胰臟癌難以早期發現,通常是轉移到肝臟,發現肝臟腫瘤後才回頭找出胰臟腫瘤。而發生遠端轉移之前,從原位胰臟腫瘤脫離的細胞團可能在血液中循環,這些細胞團被稱為循環腫瘤細胞簇(Circulating tumor microemboli, CTM)。

簡宏任另一部分的研究重心便是放在這些循環腫瘤細胞簇的特徵及其是否有喜歡的微環境,藉以找出可能的轉移熱點,以更好地了解癌症轉移並尋找治療的契機。

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然而微環境「長成什麼樣子」,難以用一般分子生物的技術觀察,必須整合病理學的技術來「看見」其真實的樣態。

「但問題又來了,要怎麼找到這些小小的、開始發生病變的位置?」簡宏任說,在模式小鼠中,胰臟病變的平均直徑僅約100至200微米(µm,micrometer),以老鼠胰臟2公分乘以1.5公分的面積、厚度0.5公分來看,一個病變保守估計可能只佔胰臟體積的十萬分之一到百萬分之一。

過去受限於常規組織學技術的切片方法,研究者只能製備厚度3到5微米左右的樣本,以觀察組織薄片上二維(2D)空間的訊息。而且切片過程不僅得破壞樣本,對於無法明確知道起始位置、難以定位的目標來說,也無法準確擷取到想要的影像。

但是組織透明化技術允許研究者在不切片或是增加切片厚度的方式下製備出「厚」樣本,如此一來樣本就能保有立體的三維(3D)空間訊息。使用3D組織學技術便可以看到整體結構,再去找尋「不一樣」、「可能是病變」的部位加以觀察、分析。

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簡宏任表示,3D組織學技術對於觀察隨機分布或是網狀、網路性質的結構特別有利。

組織透明化技術

使用光學系統觀察生物組織時,常會面臨因為光散色(light scatter )的問題,觀察深層樣本時會因為難以對焦而模糊。就算使用連續薄切片再3D重建,不僅耗時費力也常發生影像對位不易或是資訊不連續的問題。組織透明化技術則是將組織內部不同構成物質的折射率趨近一致化,將組織呈現出透明的效果。

圖片來源:擷取自湯學成團隊發表之Transparent tissue in solid state for solventfree and antifade 3D imaging

不過3D組織學技術並不是這麼簡單,其中組織透明化是十分關鍵的步驟。2010年代初期第一代透明化技術出世後,應用這項技術的研究開始變得熱門,但主要都是以大腦為研究主體並加以改良。然而像是胰臟或是其他器官,當時應用此技術的研究較少且製備高品質樣本的過程充滿挑戰。

簡宏任提到,以胰臟為例,製備透明胰臟樣本的難處在於,作為消化器官的胰臟本身會分泌消化液。當實驗進行,老鼠一犧牲,血液停止循環時,那些消化液就「停留在原地,開始消化牠自己」。一旦前置處理不理想,看到有點缺損的器官就無法判定是已經發生病變,還是被消化液破壞,影響後續的影像品質。

除了胰臟外,肝臟也是不易製備出透明化樣本的器官之一。因肝臟受到膽紅素(Bilirubin)影響而有顏色,這些色素一方面會阻擋雷射激發組織內的標定結構,也會限制激發出的螢光訊號回到偵測器。如何漂白可以達到透明化效果又不會去除掉標定的抗原,便成為一大學問。因此,透明化技術必須對應不同器官建立合適的前處理流程以提升樣本品質。

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前處理之外,折射率也是需要考量的因素,簡宏任碩博班期間的指導教授湯學成提出將組織「固化」的想法。

「90%以上的透明化技術最後都處在溶劑中漂浮的狀態,雖然可以從四面八方觀察,但折射率固態大於液態,液態大於氣態。若能把折射率提升,透明度更好便能看到更多資訊」,湯學成教授的團隊反覆試驗後研發出可同時將生物樣本透明化與固化的技術。

由於光在不同介質中的因不同折射率導致光的散射。他們依據流體折射率與密度之間所滿足的Gladstone-Dale關係式,以高折射率的高n丙烯醯胺共聚物(high-n acrylamide-based copolymer)來填充組織的空隙,使折射率一致,達到透明化目的。

再進一步用紫外光(UV)照射成為固態高密度共聚物,提高折射率並成為穩定的透明樣本。

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這樣的透明化技術相較過去,不僅克服組織放在溶劑裡攜帶不易、蒸發等問題,在實驗過程中也發現固體透明組織具有抗螢光淬滅(antifade)的特性。

由於使用共軛焦顯微鏡觀測時,需要使用雷射激發抗體螢光,如果照射多次可能因為螢光強度衰減而漸漸觀測不到訊號。

但是湯學成教授團隊所開發的固態透明化技術,儘管進行500次雷射掃描,螢光訊號僅下降9% ± 2%;相比其他液態透明化技術的樣本下降幅度在55%至95%,可說是非常穩定,適合長時間、多次成像。

「當別人對研究存疑時,以往只能就影片或是拍好的圖片討論,但有了這個材料,就可以將樣本直接寄給對方」,除了上述的優勢,簡宏任認為新材料還能促進學術交流。

簡宏任介紹固態透明化技術,攝影/林任遠

點滿技能樹 喜獲銀獎

不過,組織透明化後雖能更加輕易找到病變位置,但拍攝「有拍照」跟「拍好照」是天差地遠的事。

「既然已經花了那麼多的精力、資源,做了這麼好的片子(樣本),那你要怎麼吸引『觀眾』(論文審查者、同儕),讓人家覺得研究、看到的東西,有那麼重要?」簡宏任認為安排顏色對比、構圖,以突顯影像中的重點是非常關鍵的。

以「對峙」這幅作品來看,簡宏任解釋,他通常將畫面面積最大的部分以白或灰等顏色處理,因此佔據畫面最大的腸道細胞以白色呈現並降低對比。至於神經與血管是他想強調的部分,便用較亮的紅、黃等色系,尤其大部分的人直覺認為血管是紅色,因此血管套上紅色,神經便給予黃色標示。免疫細胞則選擇藍色,在紅、黃色當中得以突顯,也避免以為是組織間交疊出的疊加色。紅、黃與藍的選色也應用了消減型的三原色(subtractive mixing color model)的概念,以不交疊的原色(primary color)凸顯不同結構的特色。

對於顏色、構圖呈現的敏銳度,也源自簡宏任過去的學經歷。簡宏任並非一開始就走上研究之路。國中畢業後選擇高職就讀的他,選修科目的平面設計與視覺藝術奠定了他美學的基礎;但在學術學程的課程中,他也發現自己對生物也挺感興趣,因此大學選擇分子生物暨人類遺傳學系就讀。

只是相較於「看不見」的分子生物,簡宏任更喜歡「看得見」的生物(顯微)影像。投身固態組織透明化技術的研究後,當中有些需要用到紫外光等儀器設備,也因為簡宏任高職時曾參加微控制相關的社團,喜歡動手操作,因此可以自己架設一些小型機台。

簡宏任笑說:「這次得獎算是把過去學的技能串在一起,技能樹剛好都點滿。」不過他也謙稱,得獎是運氣,在作品展看到其他人的作品時,可以看到不同技術在製備上也都有其厲害之處;銀獎抑或優選還是看評審的選擇,只能把自己最好的部分拿出來展現。


簡宏任介紹固化系統。攝影/楊雅棠

固化過程若是讓液態慢慢凝固,一方面時間漫長,另一方面容易出現不均勻的問題。因此簡宏任索性運用過去社團習得的技術,自行動手製作「固化系統」。從選擇適合波長的紫外線光源和照射時間,以避免蛋白質變性或是氣泡跑進透明化樣本,到組裝焊接,簡宏任全都自己來。

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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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精準醫療新里程碑:免疫療法如何改變晚期頭頸癌一線治療格局?
careonline_96
・2025/08/16 ・2646字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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免疫治療大幅推進了晚期頭頸癌的治療成效,義大癌治療醫院腫瘤科主任謝孟哲醫師表示,「在開始任何第一線治療之前,務必進行PD-L1 CPS檢測,幫助醫師判斷該使用單獨免疫治療,還是免疫治療合併化療,才能發揮較佳的療效!」

頭頸癌是指發生在頭頸部的癌症,例如舌癌、口腔癌、臉頰癌等。謝孟哲醫師指出,根據衛生福利部國民健康署《111年癌症登記報告》,台灣每年有超過8000例新個案,其中近九成為男性,男性患者的年齡中位數為59歲。頭頸癌與吸菸、飲酒及嚼檳榔有很強的關聯性。

頭頸癌常對外觀、語言、吞嚥、呼吸功能造成損害,嚴重影響生活品質,而且可能導致失能。經過治療後,約5成的頭頸癌病灶會復發或轉移。

晚期頭頸癌的治療大多需要使用全身性治療,例如化學治療、免疫治療、標靶治療等。北榮腫瘤科主任楊慕華醫師指出,相較於傳統化學治療,免疫治療的治療機轉較精準,能夠顯著提升治療成效。免疫檢查點抑制劑(immune checkpoint inhibitor,ICI)已是晚期頭頸癌重要的治療工具。

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人體免疫系統的T細胞具有辨識並毒殺癌細胞的能力,但是癌細胞能夠與T細胞的免疫檢查點接合,進而抑制T細胞功能。ICI免疫檢查點抑制劑可以阻斷癌細胞與T細胞的免疫檢查點接合,讓T細胞能夠辨識並毒殺癌細胞。

針對晚期頭頸癌,ICI免疫檢查點抑制劑可「先發使用」,在疾病復發或轉移時即開始啟用,或「後援使用」在其他標準治療無效後才開始使用。楊慕華醫師表示,最近幾年的研究顯示,免疫治療如果能夠在病人接受其他藥物治療之前使用,效果會比較好。甚至在術前先行給予免疫治療,能夠獲得明顯的臨床效益,包括整體存活期的延長。

可能的原因是當腫瘤尚未接受其他治療時,其抗原表現較清晰、免疫系統辨識力較強。楊慕華醫師解釋,在經歷過其他治療後,腫瘤微環境可能已經改變,而影響免疫治療的成效。因此,將免疫治療提早應用到治療的前線,對患者會比較有利。

目前在復發或轉移性頭頸癌的治療中,免疫療法與標靶治療皆已被列為第一線標準治療,不過台灣的健保限制兩者僅能擇一使用。謝孟哲醫師說,根據國際大型第三期臨床試驗,比較免疫治療與傳統化療合併標靶治療在第一線的治療成效,結果顯示免疫治療的整體存活期(Overall Survival,OS)優於化療合併標靶治療。

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根據PD-L1 CPS(Combined Positive Score)表現分數進行的次族群分析,若CPS 在20以上,單獨使用免疫治療的效果明顯優於化療合併標靶治療,不僅存活期更長,副作用也較少。若CPS介於 1至19,化療合併免疫治療的效果優於化療合併標靶治療。若CPS小於1,化療合併免疫治療與化療合併標靶治療的效果相當,差異不顯著。因此,臨床實務上,醫師會依據病人的PD-L1 CPS表現分數,來擬定合適的治療策略。

免疫治療的特點是反應時間相對較慢。楊慕華醫師指出,如果病況急迫,例如有大範圍的內臟侵犯或重要器官的壓迫(如氣管),可以採用免疫治療合併化學治療,有助於快速縮小腫瘤體積,同時發揮免疫治療的長期維持效果,為後續的根除性療法(如手術或放射治療)爭取更好條件。這種策略在多種癌症類型的研究中已證實具有效益,也逐漸成為臨床考量的重點。

若病人的腫瘤較小,且經檢測發現其PD-L1 CPS表現分數達20以上,這類病人非常適合單獨使用免疫治療。因為單用免疫治療能達到較佳的整體存活率,且副作用較小。謝孟哲醫師說,若腫瘤體積較大、轉移範圍廣或病情進展迅速,醫師就會傾向採用免疫治療合併化學治療。希望能在短時間內有效縮小腫瘤、穩定病情,避免因腫瘤惡化而導致的併發症。

另一個關鍵因素是患者的整體身體狀況,相較於傳統化學治療,免疫治療的副作用較低,對高齡或虛弱的患者而言耐受性較好。持續治療後,腫瘤可能逐步受到控制,不僅能改善症狀,也有助於改善生活品質、延長存活時間。

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精準醫療的發展,讓晚期頭頸癌的治療成效顯著提升,請務必與醫師詳細討論,共同擬定更有效且個人化的治療策略!

筆記重點整理

  • 頭頸癌常對外觀、語言、吞嚥、呼吸功能造成損害,嚴重影響生活品質,而且可能導致失能。經過治療後,約5成的頭頸癌病灶會復發或轉移。
  • 晚期頭頸癌的治療大多需要使用全身性治療,例如化學治療、免疫治療、標靶治療等。最近幾年的研究顯示,免疫治療如果能夠在病人接受其他藥物治療之前使用,效果會比較好。甚至在術前先行給予免疫治療,能夠獲得明顯的臨床效益,包括整體存活期的延長。
  • 目前在復發或轉移性頭頸癌的治療中,免疫療法與標靶治療皆已被列為第一線標準治療,不過台灣的健保限制兩者僅能擇一使用。根據國際大型第三期臨床試驗,比較免疫治療與傳統化療合併標靶治療在第一線的治療成效,結果顯示免疫治療的整體存活期(Overall Survival,OS)優於化療合併標靶治療。
  • 若病人的腫瘤較小,且經檢測發現其PD-L1 CPS表現分數達20以上,這類病人非常適合單獨使用免疫治療。因為單用免疫治療能達到較佳的整體存活率,且副作用較小。若腫瘤體積較大、轉移範圍廣或病情進展迅速,醫師就會傾向採用免疫治療合併化學治療。希望能在短時間內有效縮小腫瘤、穩定病情,避免因腫瘤惡化而導致的併發症。

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