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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。

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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。

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腦科學結合 AI 科技:提供「頑固型憂鬱症」患者服藥以外的選擇!
科技魅癮_96
・2021/11/15 ・1981字 ・閱讀時間約 4 分鐘

你身邊也有憂鬱症的朋友嗎?根據世界衛生組織 2021 年的報告顯示,全球有超過 3.5 億人受憂鬱症所苦;在臺灣,衛福部統計調查指出,約有 200 萬人罹患憂鬱症,其中,重度憂鬱症患者更超過五成,約 125 萬人。罹患憂鬱症的人會出現 2 週以上的情緒低潮、食慾不振、失眠、自責、有輕生念頭等症狀,嚴重者會無法集中精神,進而影響到工作及生活──憂鬱症已然是 21 世紀不可忽視的健康殺手!

憂鬱症不只是「心病」,也是「腦病」

過去,人們總認為憂鬱症只跟心情不好有關,但其實是大腦也生病了。人腦內有一套情緒自動調節機制,情緒的產生與邊緣系統、下視丘、大腦皮質等區域有關,而若要抑制情緒,則由掌管理性思考的前額葉負責。前額葉也是人腦中主動抑制憂鬱症狀最重要的腦區,一般人在遇到壓力大或憤怒的狀況時,能在短時間內平息下來,就是因為有前額葉幫忙踩剎車,抑制衝動的行為。即使遇到令人非常生氣的事情,也能透過找人討論、看書或爬文等等,讓心態改變,化解情緒危機。然而,憂鬱症患者的情緒調節功能失常,包括:前額葉、杏仁核、海馬迴……等,導致即使沒有任何外力干擾,也會陷入情緒低潮,且無論怎麼溝通都無效。

「頑固型憂鬱症」並非無藥可醫

臺北榮民總醫院精神部社區復健精神科主任李正達醫師表示, 一般的憂鬱症患者,大腦功能雖然出問題,但仍有一定的控管能力,透過服藥或心理治療就能有不錯的效果,但若是頑固型憂鬱症(TRD)患者,大腦的情緒迴路異常會更加明顯,使得患者一直被負面思維綁架。李正達醫師表示,在這種狀況下,吃藥不一定有效,且這類患者腦部的情緒迴路出問題的地方不盡相同。因此,他投入頑固型憂鬱症及腦刺激治療的研究,發現以磁脈衝活化神經元的經顱磁刺激術(TMS)治療憂鬱症成效不錯,且為非侵入性的治療方式,對藥物治療反應不佳的患者來說,是一大福音。

頑固型憂鬱症的額葉功能之所以表現失常,與大腦中的興奮性神經傳導物質和抑制性神經傳導物質的失衡有關。對此,李正達醫師表示,可用 TMS 治療患者的情緒迴路,讓上述分子的表現正常化,進而有效改善症狀。此外,他也提到美國已上市能夠調控上述神經傳導物質的新藥,透過鼻噴劑、注射,甚至未來也會有口服的方式,快速平衡大腦的情緒控管系統。

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結合 AI 科技,找到適合的療法

李正達醫師提及 TMS 有不同的刺激方式,目前 TMS 雖然有效,但為病患找到合適的打法才是關鍵,不然有些個案已經長期陷入負面情緒,有著想不開的念頭,若又遇到治療無效,會增加病人的挫敗感,甚至錯過挽救情緒的黃金時機。對此,他也分享,目前最新的研究可運用新科技,例如:結合腦影像學跟人工智慧(AI),透過蒐集與分析過去做過腦波且成效較好的病患數據,幫助未來要施打 TMS 的患者,更快篩選出合適的治療方式。

透過腦影像、腦波分析等技術,解析人類大腦的奧秘,重新定義了精神疾病、揭示人類決策行為背後的神經基礎。圖/科技魅癮提供

補充深海魚油,有效緩解憂鬱症

除了 TMS 能造福憂鬱症患者外,憂鬱症也可以透過營養補充的方式,讓病情好轉。臺灣身心醫學專家、中國醫藥大學安南醫院副院長的蘇冠賓醫師提到,許多精神醫學研究顯示,飲食習慣與精神健康有直接的關聯,而特定營養素的單獨療法或合併療法也有一定的療效。世界營養精神醫學會(ISNPR)發表的臨床指引和治療共識的論文中提到,推薦透過調整飲食、補充保健食品及類藥劑營養品,來幫助增進精神健康。其中,蘇冠賓醫師的研究團隊針對 Omega-3 脂肪酸,即深海魚油,進行多項跨國研究,發現 Omega-3 對於焦慮有低到中度的療效,也發現 Omega-3 可用於治療兒童過動症;蘇醫師的團隊也與英國倫敦國王學院(King’s College London)合作研究發現,當憂鬱症患者攝取 Omega-3 多元不飽和脂肪酸時,可有效減輕人體發炎反應,並且改善憂鬱症的症狀。此外,蘇冠賓醫師的團隊也致力於尋找腦疾病的致病機轉及創新治療,包含:重覆性經顱磁刺激(rTMS)、針灸、經顱光刺激等創新療法,希望提供病患更多元、更有效的治療方式。

大腦與情感的連結,超乎你的想像

大腦的活動與人類的情感表達有著密切關連,隨著腦科學的進步,新興的研究工具如功能性磁振造影(fMRI)、腦電圖(EEG)、TMS 等技術出現,更能幫助科學家清楚地看到大腦裡的分子影像及變化,不僅重新定義了精神疾病,幫助憂鬱症的治療,還能解釋為什麼人們在購物時會有「腦波弱」的現象,如何看待人類的同理心、道德與正義,甚至可應用到法治層面如測謊等等。

神經科學除了在醫學上的應用外,社會應用上則以測謊的角度切入,協助警方辦案。圖/科技魅癮提供

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人體吸收新突破:SEDDS 的魔力
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/05/03 ・1194字 ・閱讀時間約 2 分鐘

本文由 紐崔萊 委託,泛科學企劃執行。 

營養品的吸收率如何?

藥物和營養補充品,似乎每天都在我們的生活中扮演著越來越重要的角色。但你有沒有想過,這些關鍵分子,可能無法全部被人體吸收?那該怎麼辦呢?答案或許就在於吸收率!讓我們一起來揭開這個謎團吧!

你吃下去的營養品,可以有效地被吸收嗎?圖/envato

當我們吞下一顆膠囊時,這個小小的丸子就開始了一場奇妙的旅程。從口進入消化道,與胃液混合,然後被推送到小腸,最後透過腸道被吸收進入血液。這個過程看似簡單,但其實充滿了挑戰。

首先,我們要面對的挑戰是藥物的溶解度。有些成分很難在水中溶解,這意味著它們在進入人體後可能無法被有效吸收。特別是對於脂溶性成分,它們需要透過油脂的介入才能被吸收,而這個過程相對複雜,吸收率也較低。

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你有聽過「藥物遞送系統」嗎?

為了解決這個問題,科學家們開發了許多藥物遞送系統,其中最引人注目的就是自乳化藥物遞送系統(Self-Emulsifying Drug Delivery Systems,簡稱 SEDDS),也被稱作吸收提升科技。這項科技的核心概念是利用遞送系統中的油脂、界面活性劑和輔助界面活性劑,讓藥物與營養補充品一進到腸道,就形成微細的乳糜微粒,從而提高藥物的吸收率。

自乳化藥物遞送系統,也被稱作吸收提升科技。 圖/envato

還有一點,這些經過 SEDDS 科技處理過的脂溶性藥物,在腸道中形成乳糜微粒之後,會經由腸道的淋巴系統吸收,因此可以繞過肝臟的首渡效應,減少損耗,同時保留了更多的藥物活性。這使得原本難以吸收的藥物,如用於愛滋病或新冠病毒療程的抗反轉錄病毒藥利托那韋(Ritonavir),以及緩解心絞痛的硝苯地平(Nifedipine),能夠更有效地發揮作用。

除了在藥物治療中的應用,SEDDS 科技還廣泛運用於營養補充品領域。許多脂溶性營養素,如維生素 A、D、E、K 和魚油中的 EPA、DHA,都可以通過 SEDDS 科技提高其吸收效率,從而更好地滿足人體的營養需求。

隨著科技的進步,藥品能打破過往的限制,發揮更大的療效,也就相當於有更高的 CP 值。SEDDS 科技的出現,便是增加藥物和營養補充品吸收率的解決方案之一。未來,隨著科學科技的不斷進步,相信會有更多藥物遞送系統 DDS(Drug Delivery System)問世,為人類健康帶來更多的好處。

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精準治療大腸直腸癌!檢測突變基因,對症下藥
careonline_96
・2024/04/10 ・2292字 ・閱讀時間約 4 分鐘

「大腸直腸癌患者,確診時已出現多處肝臟、淋巴結轉移的情形並不罕見。」臺北榮民總醫院外科部大腸直腸外科黃聖捷醫師指出,「大腸癌的發展主要以息肉基因突變、漸進式累積的方式形成,因此早期發現並切除息肉,可以避免發展為癌細胞,達到疾病預防的效果。黃聖捷醫師說,世界各國皆大力廣糞便潛血篩檢,主要目的是發現息肉,在還沒有癌化之前就把它處理掉。」

大腸直腸癌初期症狀不明顯,許多早期癌症患者只能靠健康檢查發現。黃聖捷醫師說,第一期大腸直腸癌通常是透過健康檢查才被診斷出來,因為癌細胞在早期時體積不大,且沒有向外侵犯,腸子本身又沒有感覺神經,因此不會有症狀。直到中晚期,腫瘤佔據一定體積才會造成排便異常、腹脹等症狀。由於腫瘤細胞不穩定容易出血,所以能在糞便中發現出血的情況。

「大腸直腸癌初期完全沒有症狀!」黃聖捷醫師說,「相關症狀都需要腫瘤長到一定大小,佔據一定空間後才會出現,因此當出現症狀時,通常不是早期大腸直腸癌。」

大腸直腸癌初期症狀不明顯

根據臺灣癌症登記資料,大腸直腸癌第一期約占一成五至兩成,第二期、第三期大概是兩成五至三成,第四期大概在兩成到兩成五。黃聖捷醫師說,大腸直腸癌患者的五年存活率與分期有關,第一期患者約九成,第二期患者約八成五至九成,第三期患者約七成,第四期患者約兩成。

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雖然第四期患者的五年存活率較早期患者低,但是大腸直腸癌的治療持續在進步,即使是第四期患者,仍有兩成的五年存活率,甚至有機會治癒,達到長期存活。

大腸直腸癌的治療取決於癌症分期,第一期和第二期通常以手術為主,第三期除了手術外,還會輔以化學治療。第四期大腸直腸癌的治療瓶頸在於腫瘤分佈的範圍和廣度,若要提高預後,須將大腸腫瘤切除,並清除轉移的腫瘤,但若轉移的腫瘤侵犯到胰臟或主動脈等部位,便會比較棘手。

晚期轉移性大腸直腸癌患者在接受手術治療後,仍需要接受化學治療或標靶治療,才能控制全身的腫瘤。黃聖捷醫師說,化學治療或標靶治療可以殺死或抑制癌細胞的生長,降低疾病復發的風險。大腸直腸癌第四期的治療需要團隊合作,包括醫師、護理師、營養師、心理師等,共同為患者提供全方位的照護,才能提高治療的成功率。

精準醫療對抗轉移性大腸直腸癌

現今癌症治療已趨向個人化醫療,醫師會在使用標靶藥物前進行基因檢測,以了解患者大腸直腸癌的基因突變特性。黃聖捷醫師指出,基因檢測的結果對臨床治療有重大影響,根據不同的基因突變,會選擇相對應的標靶藥物,例如 BRAF 基因突變可以使用 BRAF 抑制劑、HER2 基因突變可以使用 HER2 抑制劑、RAS 基因突變會使用抗 VEGF 標靶藥物。

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「在台灣,RAS 基因突變比例約佔三成,MMR 基因突變比例約佔 10%,BRAF 基因突變比例約佔 5%,雖然比例不高,但若檢測到則非常有意義。」黃聖捷醫師說

「在過去,基因檢測若發現大腸癌有 BRAF 基因突變,由於 BRAF 基因突變的患者對化學治療的效果通常較不理想,因此一開始大多不會進行遠端轉移的切除手術。」黃聖捷醫師指出,「但病人如果有機會接受雙標靶藥物治療,往往效果會相當顯著,若腫瘤明顯縮小、後續便可安排手術切除腫瘤,爾後患者繼續接受雙標靶治療,有機會可以有極佳的預後,甚至有痊癒的機會。」

BRAF基因突變的大腸直腸癌

BRAF 基因突變的大腸癌較容易出現轉移,患者在接受傳統化療時,反應率低且容易產生抗藥性,平均存活期不到兩年。黃聖捷醫師說,近年來,BRAF 陽性的治療已經進入了標靶治療時代,透過標靶藥物的介入,有望幫助 BRAF 基因突變的大腸癌患者爭取更好的治療反應,並延長患者的存活時間;同時,還可以幫助縮小腫瘤,增加未來手術切除的機會,進一步提升治療成效。

筆記重點提醒

一、 大腸癌的發展主要以息肉基因突變、漸進式累積的方式形成,因此早期發現並切除息肉,可以避免發展為癌細胞,達到疾病預防的效果。

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二、 大腸直腸癌初期完全沒有症狀!相關症狀都需要腫瘤長到一定大小,佔據一定空間後才會出現,因此當出現症狀時,通常不是早期大腸直腸癌。

三、 晚期轉移性大腸直腸癌患者在接受手術治療後,仍需要接受化學治療或標靶治療,才能控制全身的腫瘤,降低疾病復發的風險。

四、 基因檢測的結果對臨床治療有重大影響,根據不同的基因突變,會選擇相對應的標靶藥物,例如 BRAF 基因突變可以使用 BRAF 抑制劑、HER2 基因突變可以使用 HER2 抑制劑、RAS 基因突變會使用抗VEGF標靶藥物。

五、 BRAF 基因突變的大腸癌較容易出現轉移,建議患者透過標靶藥物,爭取更好的治療反應,同時提升存活時間。

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