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2021 年諾貝爾生理學或醫學獎,史上最「有感」的得獎研究!ft. 陳志成博士【科科聊聊EP61】

PanSci_96
・2021/10/15 ・2173字 ・閱讀時間約 4 分鐘
2021 年諾貝爾生醫獎得主 David Julius 和 Ardem Patapoutian。圖/Niklas Elmehed

眾所期待的 2021 諾貝爾生醫獎得獎人出爐!朱里雅斯(David Julius)找出辣椒素受體,揭曉熱痛感是怎麼來的;帕塔普蒂安(Ardem Patapoutian)則發現對機械力敏感的離子通道,並證明它無所不在的重要性。

泛泛泛科學邀請到中央研究院的陳志成老師。研究「酸覺」的他,與熱痛感、機械力受體可說是息息相關,他還主張「酸覺」和「痛覺」是不同的感覺!接下來就跟著他一起剖析本屆的諾貝爾生醫獎研究,探討奇妙的身體感覺。

本次專訪感謝 台灣科技媒體中心 的協助。

  • 01:44 Julius 與 Patapoutian 的研究

David Julius 的研究是找到辣椒素受體 1(TRPV1),它具有識別皮膚神經末梢中「熱」的功能;Ardem Patapoutian 是發現可以對皮膚和內部器官中的機械力刺激做出反應的機械力受體(Piezo1、Piezo2),公開了力學刺激也會連結到對應受體的神秘面紗。

延伸閱讀:

The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2021

2021諾貝爾生醫獎記者會 會後新聞稿

【2021諾貝爾生理或醫學奬】為何會有「熱熱的、刺刺的」感覺?溫度與觸覺受體的發現

  • 02:54 關於痛覺來源的三種理論:辣椒素受體、熱痛、酸

有三種刺激可以活化痛感的神經,而這三種會對本體感覺產生反應的分別是辣椒素受體(主要由英國人所支持)、熱痛感、酸感。

  • 08:39 David Julius 選擇辣椒素來了解痛覺

David Julius 過去曾經分析過辣椒素如何引發接觸辣椒時的灼燒感,因此開啟了他後續的研究,最後獲得這次諾貝爾獎榮譽。

其實有許多科學家都在尋找辣椒素受體,但可惜都未在 David Julius 發現前找到。

  • 13:52 志成老師曾和辣椒素受體擦肩而過

志成老師過去在英國唸書時,他的指導教授也在尋找辣椒素受體。但在研究過程中,因為研究方法的篩選,錯過了辣椒素受體,可能也和諾貝爾獎擦肩而過。但是也因為那份研究,才讓本來想研究細胞凋亡的志成老師轉換跑道,開始研究酸痛感覺的離子通道。

  • 18:10「痛」不只一種,不同溫度就有不同痛!

在 David Julius 的研究中,發現到辣椒素受體 1(TRPV1),會在溫度大於攝氏 43 度時被活化。之後 Julius 的研究團隊還發現了會被低溫激發的 TRPM8 受體。透過這些研究,他們因此確認許多受體會因為溫度差,而在神經中產生不同的信號。

  • 24:03 為什麼其他學者找不到辣椒素受體?

早期研究人員所使用的研究方式雖然能夠量測很微弱的細胞電生理訊號,雖然可以知道離子通道存在,但像在大海撈針,難以準確地找到特定的離子通道。而 David Julius 的研究團隊,調整了研究方法,藉由鈣離子影像技術,雖然比較不敏感,但卻能更快的找到辣椒素受體。

  • 28:44 Ardem Patapoutian 發現對機械力敏感的離子通道

Patapoutian 是研究和機械性觸覺有關的機制。在我們的皮膚和內臟中,有類似壓電感測器的機械力受體(Piezo)。而研究團隊找到了 Piezo1 和 Piezo2 兩組離子通道,這兩組通道也被證明,是能調節人類部分的生理現象。

  • 39:08 志成老師用老鼠找出「酸感」的離子通道

志成老師團隊仿過去的德國研究研究,對有纖維肌痛(fibromyalgia)的老鼠注射不同劑量的高滲葡萄糖鎮痛劑、可以觸發「酸感」的生理食鹽水。最後發現,這樣的葡萄糖增生注射療法(Dextrose Prolotherapy)可以緩解纖維肌痛的症狀,且能對其他慢性疼痛病提出見解。

延伸閱讀:

A role for substance P and acid-sensing ion channel 1a in prolotherapy with dextrose-mediated analgesia in a mouse model of chronic muscle pain

  • 45:43 志成老師提出:酸覺和痛覺是不同的感覺

所謂的「酸痛」是「酸」還是「痛」?酸與痛是同一種感覺還是分開的呢?志成老師發現「酸」可以止「痛」,因此他大膽提出「酸覺理論」,主張酸覺和痛覺是不同的感覺。

延伸閱讀:

感覺的故事:痛覺與本體感覺| CASE報科學

酸痛是怎麼一回事? – 談痛覺分子生物學與酸的受體分子

  • 53:53 你說的酸(sng)是什麼感覺?

「Sng」是指非傷害性的酸痛,也是由台語「酸」所轉變而來的名詞。志成老師與他的研究團隊提出「sngception(sng-ception)」的概念,來描述體感神經系統對組織周圍酸中毒的反應,並將「sng」與傷害性的酸痛分開來。

延伸閱讀:Sensing acidosis: nociception or sngception?

  • 59:08 史上最「有感」的諾貝爾生醫獎

看完本次諾貝爾生醫獎的內容,希望能有更多人才投入研究離子通道。當這些對應感覺的離子被一一區分開後,除了能促進我們將自己的感覺說明地更清楚,也能對消炎與止痛等治療方法,提供更多的研究解決方向。

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PanSci_96
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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》的前身為1973年初登場的《科學發展》月刊,每期都精選1個國際關注的科技議題,邀請1位國內資深學者擔任客座編輯,並訪談多位來自相關領域的科研菁英,探討該領域在臺灣及全球的研發現況及未來發展,盼可藉此增進國內研發能量。 擋不住的魅力,戒不了的讀癮,盡在《科技魅癮》