在人類細胞中發現「四重螺旋體」DNA

本文與  益福生醫 合作，泛科學企劃執行

昨晚，你又在床上翻來覆去、無法入眠了嗎？這或許是現代社會最普遍的深夜共鳴。儘管換了昂貴的乳膠枕、拉上百分之百遮光的窗簾，甚至在腦海中數了幾百隻羊，大腦的那個「睡眠開關」卻彷彿生鏽般卡住。這種渴望休息卻睡不著的過程，讓失眠成了一場耗損身心的極限馬拉松 。

皮質醇：你體內那位「永不熄滅」的深夜警報器

要理解失眠，我們得先認識身體的一套精密防衛系統：下視丘-垂體-腎上腺軸（HPA axis） 。這套系統原本是演化給我們的禮物，讓我們在面對劍齒虎或突如其來的危險時，能迅速進入「戰鬥或快逃」的備戰狀態。當這套系統啟動，腎上腺就會分泌皮質醇 (壓力荷爾蒙)，這種荷爾蒙能調動能量、提高警覺性，讓我們在危機中保持清醒 。

然而，現代人的「劍齒虎」不再是野獸，而是無止盡的專案進度、電子郵件與職場競爭。對於長期處於高壓或高強度工作環境的人們來說，身體的警報系統可能處於一種「切換不掉」的狀態。

在理想的狀態下，人類的生理時鐘像是一場精確的接力賽。入夜後，身體會進入「修復模式」，此時壓力荷爾蒙「皮質醇」的濃度應該降至最低點，讓「睡眠荷爾蒙」褪黑激素（Melatonin）接棒主導。褪黑激素不僅負責傳遞「天黑了」的訊號，它還能抑制腦中負責維持清醒的食慾素（Orexin）神經元，幫助大腦順利關閉覺醒開關。

然而，當壓力介入時，這場接力賽就會變成跑不完的馬拉松賽。研究指出，長期的高壓環境會導致 HPA 軸過度活化，使得夜間皮質醇異常分泌。這不僅會抑制褪黑激素的分泌，更會讓食慾素在深夜裡持續活化，強迫大腦維持在「高覺醒狀態（Hyperarousal）」。 這種令人崩潰的狀態就是，明明你已經累到不行，但大腦卻像停不下來的發電機！

長期的睡眠不足會導致體內促發炎細胞激素上升，而發炎反應又會進一步活化 HPA 軸，分泌更多皮質醇來試圖消炎，高濃度的皮質醇會進一步干擾深層睡眠與快速動眼期（REM），導致睡眠品質變得低弱又破碎，最終形成「壓力－發炎－失眠」的惡行循環。也就是說，你不是在跟睡眠上的意志力作對，而是在跟失控的生理長期鬥爭。

從腸道重啟好眠開關：PS150 菌株如何調校你的生理時鐘

面對這種煞車失靈的失眠困局，科學家們將目光投向了人體內另一個繁榮的生態系：腸道。腸道與大腦之間存在著一條雙向通訊的高速公路，這就是「菌-腸-腦軸 (Microbiome-Gut-Brain Axis, MGBA)」，而某些特殊菌株不僅能幫助消化、排便，更能透過神經與內分泌途徑與大腦對話，直接參與調節我們的壓力調節與睡眠節律。這種菌株被科學家稱為「精神益生菌」（Psychobiotics）。

在眾多研究菌株中，發酵乳桿菌 Limosilactobacillus fermentum PS150 的表現格外引人注目。PS150菌株源於亞洲益生菌權威「蔡英傑教授」團隊的專業研發，累積多年功能性菌株研發經驗的科學成果。針對臨床常見的「初夜效應」（First Night Effect, FNE），也就是現代人因出差、換床或環境改變導致的入睡困難，俗稱認床。科學家在進行實驗時發現，補充 PS150 菌株能顯著恢復非快速動眼期（NREM）的睡眠長度，且入睡更快，起床後也更容易清醒。更重要的是，不同於常見的藥物助眠手段（如抗組織胺藥物 DIPH）容易造成快速動眼期（REM）剝奪或導致睡眠破碎化，PS150 菌株展現出一種更為「溫和且自然」的調節力，它能有效縮短入睡所需的時間，並恢復睡眠中代表深層修復的「Delta 波」能量。

科學家發現，即便將 PS150 菌株經過特殊的熱處理（Heat-treated），轉化為不具活性但保有關鍵成分的「後生元」（Postbiotics），其生物活性依然能與活菌媲美 。HT-PS150 技術解決了益生菌在儲存與攝取過程中容易失去活性的痛點，讓這些腸道通訊員能更穩定地發揮作用 。

在臨床實驗中，科學家觀察到一個耐人尋味的現象：當詢問受試者的主觀感受時，往往會遇到強大的「安慰劑效應」，無論是服用 HT-PS150 還是安慰劑的人，主觀上大多表示睡眠變好了。這種「體感上的進步」有時會掩蓋真相，讓人分不清是心理作用還是真實效益。

然而，客觀的生理數據（Biomarkers）卻揭開了關鍵的差異。在排除主觀偏誤後，實驗數據顯示 HT-PS150 組有更高比例的人（84.6%）出現了夜間褪黑激素分泌增加，且壓力荷爾蒙（皮質醇）顯著下降，這證明了菌株確實啟動了體內的睡眠調控系統，而不僅僅是心理安慰。

最值得關注的是，對於那些失眠指數較高（ISI ≧ 8）的族群，這種「生理修復」與「主觀體感」終於達成了一致。這群人在補充 HT-PS150 後，不僅生理標記改善，連原本嚴重困擾的主觀睡眠效率、持續時間，以及焦慮感也出現了顯著的進步。

了解更多PS150助眠益生菌：https://lihi3.me/KQ4zi

重新定義深層睡眠：構建全方位的深夜修復計畫

睡眠從來就不只是單純的休息，而是一場生理功能的全面重整。想要重獲高品質的睡眠，關鍵在於為自己建立一個全方位的修復生態系。

這套系統的基石，始於良好的生活習慣。從減少睡前數位螢幕的干擾、優化室內環境，到作息調整。當我們透過規律作息來穩定神經系統，並輔以現代科學對於 PS150 菌株的調節力發現，身體便能更順暢地啟動睡眠開關，回歸自然的運作節律。

與其將失眠視為意志力的抗爭，不如將其看作是生理機能與腸道微生態的深度溝通。透過生活作息的調整與科學實證的支持，每個人都能擁有掌控睡眠的主動權。現在就從優化生活型態開始，為自己按下那個久違的、如嬰兒般香甜的關機鍵吧。

• 作者／照護線上編輯部
• 本文轉載自 Care Online 照護線上《大腸直腸癌必知５問，基因檢測、標靶治療、手術方式解析，外科醫師圖文懶人包》，歡迎喜歡這篇文章的朋友訂閱支持 Care Online 喔
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近期，有位拍攝過多支知名鄉土劇的男星，雖然不菸不酒且有每日運動習慣，卻公開自己罹患大腸直腸癌的消息，引起各界一陣譁然。

臺中榮民總醫院外科部大腸直腸外科林志安主治醫師提醒，大腸直腸癌的發生率不容小覷，但今日在政策支持下，符合資格者即可進行免費糞便潛血檢查；臨床上也有多元的標靶藥物，幫助延長存活期、爭取治癒。舉例而言，沒有RAS突變的癌友，即有望透過抗EGFR單株抗體標靶藥物，提升疾病控制、延長存活時間，更有機會快速縮小腫瘤，增加手術切除、拚治癒的機會。同時，考量到第三期、第四期的患者癌細胞已經有所轉移，也應該在醫囑下積極檢查骨轉移，避免因為骨轉移而生活、治療規劃受衝擊。

知己知彼才能百戰百勝，為此，林志安醫師特別彙整患者與家屬對大腸直腸癌的常見5大問題，幫助大家輕鬆攻略大腸直腸癌關鍵資訊。

第一問：大腸直腸癌有哪些症狀？要做哪些檢查？

林志安醫師表示，大腸直腸癌常見的症狀包含：貧血、血便、排便習慣改變（包括腹瀉、便秘）、裡急後重（一直覺得想排便，但又排不太出來）、糞便形狀改變（大便變細）、體重減輕、疲倦等。然而，這些症狀並不明顯，等到症狀加劇後再求醫，可能已屬晚期大腸直腸癌。

「大腸直腸癌大多從『瘜肉』慢慢演變而來，如果能夠及早切除瘜肉，便有望減輕大腸直腸癌的衝擊。」林志安醫師鼓勵，「根據我國的數據，每2年進行1次糞便潛血篩檢可降低40%大腸癌死亡率。因此，國民健康署補助45至74歲民眾，及40至44歲具家族史民眾，每2年1次免費的糞便潛血檢查。若檢查結果為陽性，代表大腸直腸中可能存有腫瘤或是息肉，需要進一步進行大腸鏡檢查，以及早確認是否具有大腸直腸癌風險。」

第二問：各期別的大腸直腸癌要怎麼治療？預後如何？可以活多久？

林志安醫師彙整大腸直腸癌的五年存活率以及各期別的主力治療：

• 第一期、第二期：五年存活期率為8至9成。以手術切除腫瘤為主，術後通常不需化療，只需規律追蹤，避免復發。
• 第三期：五年存活率約為7成5。因為癌細胞已轉移到區域淋巴結，所以除了手術切除腫瘤與淋巴結以外，仍建議再加上術後輔助性化學治療，以消滅可能殘存於體內的腫瘤細胞，此舉約可降低20%的復發風險。
• 第四期：此階段的預後差異較大，而是否可以手術切除腫瘤，是預後重要指標。患者若可透過標靶藥物、化療先將腫瘤消除或縮小，再接續手術，五年存活率有機會達到50至60%。若無法手術切除，存活期可能會低於2成。

第三問：第四期大腸直腸癌如何治療？基因檢測要做哪些項目？有哪些治療選擇？

第四期大腸直腸癌的治療，除了化學治療以外，大多需要使用標靶藥物，因為標靶藥物是針對突變基因精準出擊，故治療前一定要確認患者的基因型。林志安醫師表示，目前臨床上重要的基因檢測，包括：RAS基因（含KRAS、NRAS）、BRAF基因、微衛星不穩定（MSI）。這三類檢測約可涵蓋8至9成可以使用對應標靶或免疫治療藥物的患者。

林志安醫師舉例說明，若經基因檢查確認RAS野生型（即基因未突變）的患者，可接續使用抗EGFR單株抗體標靶藥物。根據研究指出，其有望幫助患者穩定控制大腸直腸癌10至13個月，爭取30個月以上的存活時間。除此之外，超過8成的患者腫瘤會明顯縮小；其中，近2成的患者有望手術切除腫瘤，有望將5年存活期提升至約65%，甚至還有爭取治癒的機會。

第四問：大腸直腸癌有哪些手術選擇？達文西機械手臂的優勢是什麼？

目前大腸直腸癌的手術方式，包括：傳統開腹手術、腹腔鏡手術、達文西機械手臂手術。林志安醫師解釋，腹腔鏡手術與達文西機械手臂手術屬於微創手術，傷口較小、術後疼痛較少、恢復期較短、住院天數較短，且長期預後與傳統開腹手術相當。其中，因為達文西機械手臂手術相當靈活，對直腸狹窄空間特別有優勢，根據研究，在直腸癌的局部復發率上優於腹腔鏡手術。

第五問：大腸直腸癌患者腰酸背痛？骨轉移是什麼？

第四期大腸直腸癌患者，因為癌細胞可能轉移到全身，因此，除了治療原發腫瘤，也要積極提防癌症骨轉移。林志安醫師說，骨轉移初期，可能只會有腰痠背痛、骨骼疼痛的症狀，但若放任病程惡化，可能會發生病理性骨折、甚至癱瘓，患者不僅活動受限、嚴重影響生活品質；還可能因為疼痛而吃不好、睡不好，會使營養狀態變差、體力下降，而無法接受化學治療或標靶藥物的治療。因此，除了原發癌症的治療以外，也應該按照醫囑積極進行骨轉移治療。

參考資料：

• 衛生福利部國民健康署《大腸癌篩檢簡介》，https://www.hpa.gov.tw/Pages/Detail.aspx?nodeid=621&pid=1136

1953 年，劍橋研究者 Watson（華生）與 Crick（克里克）發表一篇論文，描述交織在一起的 DNA「雙螺旋體」結構 — 所有生物的化學編碼。現在，在科學上具指標性之 60 週年紀念的這一年中，劍橋研究團隊發表一篇論文，證明由四股 DNA 構成的「四重螺旋體（quadruple helix）」 結構 — 稱為 G-quadruplexes 也存在於人類基因體中。它們在幾處富含鳥嘌呤（guanine，通常簡稱 G）的 DNA 區域中形成。

這些發現代表著科學家進行了超過十年以上的研究，要證明這些複雜的結構存在在於活體（活的人類細胞中）之內 — 從假說開始，透過計算模擬到實驗室的合成實驗，以及最後利用螢光生物標記，終於在人類癌細胞內確認。

這項研究發表在《Nature Chemistry》上，由 Cancer Research UK 資助，接下來要證明四股的四重螺旋體與 DNA 複製過程（細胞分裂與製造的關鍵）之間的明確關連。

以能夠捕捉（trap）及抑制（contain）這些 DNA 結構的合成分子來瞄準四重螺旋體 — 防止細胞複製它們的 DNA，阻礙了細胞分裂 — 科學家從而認為那也許有可能在癌症的根源阻滯如脫韁野馬般的細胞增殖。

「在利用分子捕捉四重螺旋體以及能夠停止細胞分裂之間，我們看到了關聯，令人大為振奮，」主持這項研究，劍橋化學系與劍橋研究所的 Shankar Balasubramanian 表示。

「研究指出，四重螺旋體更有可能發生在快速分裂的細胞中，例如癌細胞。對我們來說，強烈支持一種有待研究的新典範 — 在未來可以把這些四股的結構當成標靶，進行個人化治療。」

過去二十多年的物理學研究已經證明，四重螺旋的 DNA 能在試管中形成，但此結構被視為一種新奇的事物而非某種在自然界中發現的特色。研究者現在首度明白它們確實在人類細胞的 DNA 中形成。

「這項研究進一步強調『利用這些不尋常的 DNA 結構來打擊癌症』的可能性 — 下一階段是搞清楚如何在腫瘤細胞中瞄準它們，」 Cancer Research UK 的資深科學資訊經理 Julie Sharp 博士表示。

「自其結構被解開以來已經是第六年了，像這樣的研究讓我們明白 DNA 的故事繼續峰迴路轉。」

建立在先前的研究上， Biffi 能產生抗體蛋白，能與人類基因體中富含四重螺旋結構的 DNA 區域結合，證明它們存在於活生生的人類細胞中。

利用螢光反應（fluorescence）來標記這些抗體，研究者能接著確認四股 DNA 出現的「熱點」– 包括在基因體何處，以及理所當然地，在細胞分裂的哪個階段。

雖然四重螺旋的 DNA 被發現，相當一致地遍及人類細胞的基因體各處以及它們的分裂週期中，不過在「s-phase」的螢光反應卻出現明顯的增加，在這階段的細胞週期中，DNA 在細胞分裂前複製。

癌細胞通常由稱為致癌基因（oncogenes）的基因所驅動，已突變成增進 DNA 複製 — 導致細胞增生到完全失控的地步，並引起腫瘤生長。

致癌基因中增加的 DNA 複製速率導致四重結構的強化。這意味可能有害的細胞活動，能成為合成分子或其他形態治療的目標。

Balasubramanian 提到：「我們以合成分子捕捉四重螺旋的 DNA，能將之隔離與穩定，對於『我們如何能削弱（grind）細胞分裂到終止的程度』提供了重要的新觀點。」

「這裡有許多我們尚未明白的。有人認為這些四重結構也許有點像是 DNA 複製期間的累贅 — 如同其所形成的節（knots）與糾結（tangles）。」

「它們涉及某種功能？這就像『其是否經由設計而產生的』這個問題一樣，是一種哲學性問題 — 但它們存在，且自然得要處理它們。也許把它們當作目標，我們從而對其所引發的混亂有所貢獻。」

這項研究證明，如果使用用來阻斷 DNA 複製的抑制劑，四重螺旋體的濃度會降低 — 證明了「DNA 是動態的，結構會一直形成與消失」，這個想法。

研究者們先前亦發現，一個過度活化的基因，具有更高濃度的四重 DNA，更容易受到外在干擾危害。

「資料支持這個想法：某些癌症基因能有效地以小型分子（那被設計成與特定 DNA 序列結合）來干擾，」Balasubramanian 說。

「當前許多癌症療法攻擊 DNA，但並不清楚規則為何。我們甚至不曉得基因體何處會起反應，就像是亂槍打鳥。」

可能性是，以這些模體（motifs，基序）來「窩藏」基因的癌細胞，現在能夠被當成目標，而且顯然比正常細胞易受干擾危害，這是一個令人振奮的展望。

「『四重螺旋體』DNA 結構或許有可能成為選擇性抑制癌細胞增殖的新方法。確認它在人類細胞中的存在，是一個真正的里程碑。」

資料來源： ‘Quadruple helix’ DNA discovered in human cells. Phys.org [January 20, 2013]

研究文獻：Giulia Biffi, David Tannahill, John McCafferty, Shankar Balasubramanian. (2013) Quantitative visualization of DNA G-quadruplex structures in human cells. Nature Chemistry doi: 10.1038/nchem.1548

轉載自 Only Perception

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。

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。

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

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。

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。

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。

「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：

• 為什麼癌症治療會出現抗藥性？看懂 6 種抗藥性機轉
• Why Do Cancer Treatments Stop Working? Overcoming Treatment Resistance
• 漫談力學生物學

延伸閱讀：

從材料到癌症研究 徐昭業的跨界探索