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破解膜蛋白研究瓶頸 趙玲打造更真實細胞世界

顯微觀點_96
・2026/03/04 ・3376字 ・閱讀時間約 7 分鐘
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本文轉載自顯微觀點

細胞膜是區隔細胞與其外在環境的屏障,表面佈有許多特殊蛋白,透過不同的位置、結構和物理化學性質,讓細胞膜具有「辨別敵我」選擇讓特定物質進入細胞的功能,因此成為現今藥物設計最重要的靶點之一。

然而,這類蛋白一旦脫離細胞膜就容易變性,像被拉上岸的水母,瞬間失去原有形狀甚至硬化,導致後續的檢驗和研究遭遇瓶頸。

任教於台大化工系的教授趙玲,便以膜蛋白為研究主題,發展新方法來分離膜蛋白,建造各式細胞膜晶片以完成後續的功能研究。她更以傑出的研究於2018年獲得台灣傑出女科學家獎的新秀獎

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善用化工所學 創造細胞膜安心「躺平」環境

許多人對化工系的印象常與石化工業、傳統工廠或是有毒化學物質畫上等號,但在趙玲的研究室裡,卻充斥著培養皿、生物晶片和各種光學儀器。

「化工其實滿廣泛的,就是化學加上工程」,趙玲老師解釋,只是早期產業以石油工業為主讓大眾誤以為化工系的出路就是如此,但化工是以工程的方式將化學產品實用化,因此舉凡生活用品、製藥甚至現在提倡的永續、減碳,也都是化工觸及的研究領域。

趙玲實驗室的研究核心包括建造細胞膜平台來分離膜蛋白、利用生物晶片了解與細胞膜相關的疾病機制,以及利用細胞膜和特殊生物現象來做來做生物檢測應用或工程、材料上的應用。

對於自己以膜蛋白作為研究重心,趙玲表示起心動念希望協助科學家解決過去始終難以突破的問題。以細胞膜上主要受體之一的GPCR(G protein-coupled receptor)為例,這類受器非常重要,是許多藥物的主要靶點。

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但過去研究GPCR的方式通常是在「非自然狀態」下取得。由於膜蛋白必須先用界面活性劑溶解、脫離細胞膜,直接或帶著界面活性劑一起結晶,最後研究者會嘗試把蛋白重新插入脂質體(liposome)或 奈米圓盤(nanodisc,一種保留膜蛋白結構與功能的技術),再以X光或冷凍電子顯微鏡分析。但以此傳統方法取得的膜蛋白不僅構型改變,產量也較低。

然而,GPCR 的運作非常依賴其「真實構型」與上下游分子的互動。因此,即使研究者成功取得某一個「靜態狀態」的結構,也仍無法確定那是否符合它在真正細胞環境中的運作形式,更難以推測與藥物結合後,蛋白質到底發生了什麼改變。

趙玲所開發的平台正是為了解決這個瓶頸。趙玲團隊採取的方法是在抽取膜蛋白時,以脂質微胞的方式將蛋白和細胞膜一起取出。將類似膜泡的脂質微胞鋪在平台上,再透過平台下的感測器,觀察膜蛋白再給予刺激物後,鍵結是否發生。由於研究目標的膜蛋白始終待在原本的脂質雙層中,完整保持原本的天然構型,因此與刺激物的交互作用也就更接近在原本環境中的樣貌。

而平台本身支援多種偵測方式。除了最常用的螢光分析之外,為了驗證無標記(label-free)感測的可靠度,趙玲團隊也經常把兩種方法同時使用,以便確認訊號的正確性。目前平台也正在擴展到可整合電子顯微鏡等其他技術,只要能讓膜泡穩定地鋪在感測層上,就能進一步觀察更細緻的構造與動態。

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但脂質微胞如何「完整」的貼附在平台上並保持天然構型?趙玲笑稱,「這便是化工人的優勢」。

她解釋,細胞膜一旦離開細胞,就容易因為鹽濃度、pH 值或環境不穩定而破裂,因此必須精準調整這些條件,使膜能保持完整。而到了平台上,也要創造「膜喜歡」的環境,才能讓膜穩定地依附上去。

因此不論是鹽濃度、pH值、靜電力、凡得瓦力(van der Waals force)等物理化學相關的參數,都必須被考量控制。「我們理解這些力如何作用,也了解熱力學和動力學,因此可以微調整個系統」,因為這樣的學習背景,趙玲認為者也是化工人才切入生醫領域的優勢。

膜蛋白平台示意圖
細胞平台新方法示意圖。圖:趙玲提供

研究沒有冤枉路 十年磨一劍確定方法學

跨足生醫領域對趙玲來說,是偶然也是必然。雖然不是從大學就決定專注膜蛋白或細胞膜領域,但趙玲一直對生物充滿興趣,認為生物體經過漫長演化所呈現的複雜與精巧令人驚嘆,尤其當中其實藏著大量物理與化學原理。不過大學時期的學習以化工基礎學科為主,真正開始接觸相關研究主題,是進入研究所之後的事了。

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當時她和許多老師討論各自的研究主題,只要覺得有興趣、能用化工的工具與思維去理解與延伸,加上原本對生命系統著迷,因此更傾向跟隨研究生物、醫藥相關題目的老師進行研究。

而博士班在美國麻省理工學院(MIT)的學習也深刻影響著趙玲。她回憶,當時麻省理工學院化工系要求學生必修生物。因為系方認為不論要要什麼解決問題,研究主題最後都回歸到「與人(生命系統)有關」,因此希望所有學生都必須修習過基礎生物,若過去沒有基礎便必須在入學後補修。

這樣的制度更讓她確信,化工並不是被侷限在化學製程或石化工業,而是能支援所有「與化學相關、且需要工程化」的領域,包括生物與醫學。

至於後來跨到細胞膜的研究,則是因為當時博士班指導教授的研究方向從表面化學逐漸延伸到生物界面。

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她提到,指導教授研究領域在於表面化學不限於細胞膜,主要研究高分子塗佈、自組裝(self-assembly)等主題,後來開始對蛋白質與脂質等「生物高分子」感到興趣,開始購買不同脂質成分、在平坦的基板上自組裝,嘗試打造「人工細胞膜」。

趙玲便也開始了一系列相關研究,直到回台灣也成立了仿生膜現象及及工程實驗室,繼續從事仿細胞膜生物晶片和細胞膜上特殊現象的研究及應用。

而平台方法學的開發,一路走來也將近十年。一開始,她們必須先拿相對成熟、背景資訊充分的系統來做概念驗證,例如使用大家常使用的海拉細胞(HeLa)作為測試標的。因為這些蛋白的特性早已有完整文獻記載,研究團隊才能將自己的平台結果與既有資料比對,證明方法的可靠性。「要跟其他團隊合作,尤其是涉及昂貴或珍貴的蛋白質,合作方一定要先相信你的工具是穩定可靠的」,因此只有在前期驗證充分後,別人才會願意把高成本的蛋白或細胞系交付測試。

從一開始的概念,到平台能夠被不同領域採用、開始和外部團隊合作,趙玲認為,這段歷程不只漫長,也必須面對許多方向上的選擇。例如團隊曾經嘗試以電訊號作為主要偵測方式,結果發現為了拉高訊號強度,必須把鹽濃度降得非常低,卻不利於生物樣本的維持。「我們還是會把不同方向都試過,最後再把力氣集中在真正可行的地方」,趙玲表示這條路最後雖被放棄,但並未白走,不僅讓學生得以完成研究所學位,也讓團隊更清楚研究的方向。

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建立方法學後,在應用面也需與許多不同領域的研究者合作。以新藥開發來說,細胞膜平台可作為「眾多候選藥物」的第一層過濾器。透過平台,可以讓新藥開發者觀察作用機制,甚至透過理解分子如何「從細胞膜通關」,反向思考設計符合機制的新藥。

但要建構一個能解析機制的平台,「要模仿到什麼程度才算接近真實?」趙玲認為,這也體現工程師的價值-在複雜的真實世界中抓出最重要的幾個步驟。

也因此跨領域合作對她而言不可或缺,更必須視需要應用的面向,在選擇合適合作的對象。例如生物學家提供細胞與組織層級的資訊;臨床醫師則帶來病患端的觀察。兩者的資料深度不同,可解答的問題也不同。工程師則必須在不同資料之間縫補拼圖,找到系統的「痛點」,才能設計出有效的平台。

隨著方法學的建立,一個更貼近真實細胞世界的細胞膜平台也逐步拓展應用範圍,盼成為未來探索生物機制、開發新藥物的重要推進力量。

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仿細胞膜生物晶片給予刺激物後,可藉由底部感測器偵測訊號。攝影/林任遠
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仿細胞膜生物晶片給予刺激物後,可藉由底部感測器偵測訊號。攝影/楊雅棠

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顯微觀點_96
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一站起就頭暈?醫師解析腎性貧血注射與口服治療全攻略
careonline_96
・2026/03/24 ・788字 ・閱讀時間約 1 分鐘
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「「哎呦……一站起來就頭暈。」

你有過這種感覺嗎?其實,貧血的原因很多,其中一種叫『腎性貧血』,常發生在慢性腎臟病或透析的患者身上。

腎臟會製造一種叫『紅血球生成素』(EPO)的物質。腎臟衰竭的病人常會因為紅血球生成素分泌減少、鐵質缺乏、營養不良等因素導致貧血。

目前腎性貧血的治療方式主要有兩大類:一種是透過注射補充基因重組的紅血球生成素;另一種是口服藥物缺氧誘導因子穩定劑(HIF PHi)。

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注射型治療是透過補充外來的紅血球生成素,幫助刺激骨髓製造紅血球。

口服穩定藥物則是利用身體對缺氧反應的自然機制,促進體內自行產生紅血球生成素,並增加鐵質移動,治療貧血。

兩種方式各有使用時機,由醫師依照病情、血紅素數值、治療反應等因素來共同決定。

不管是注射藥物或口服藥物,都需要在醫師處方下使用。治療期間應配合主治醫師醫囑定期抽血追蹤血紅素、鐵質、血壓、肝腎功能等指標。若出現頭痛、噁心、血壓變化、過敏、血栓、痙攣、注射部位反應等不適,請務必告訴您的醫療團隊。

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每位患者的腎臟功能、發炎程度、鐵狀況與生活需求都不同。選擇哪一種治療方式,都是由『醫師評估』並『與您討論後』一起做出的決定。只要持續追蹤、按時治療,大多數腎性貧血都能穩定管理!

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渺小如塵埃的果蠅大腦,藏著解開人類記憶與意識之謎的鑰匙
顯微觀點_96
・2026/03/20 ・2156字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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FlyWire 果蠅大腦50條大型神經元圖譜

2024年10月,神經科學的劃時代里程碑,成年雌果蠅完整大腦神經圖譜系列研究,發表在《自然》期刊(Nature)。此圖譜詳盡至果蠅腦中每一條神經的所有分支、每一個突觸的尺寸和型態,這樣的腦神經圖譜稱為「連接體」(connectome)。要繪製完整成熟雌性果蠅連接體,需要辨識近14萬個神經元(神經細胞)與其間的5千萬個突觸(不同神經元的連接處)。

「世上還沒有另一個如此複雜的成年動物全腦連接體。」

馬拉.莫西/普林斯頓大學神經科學研究所長

普林斯頓大學神經科學研究所長馬拉.莫西(Mala Murthy)、神經科學與電腦科學教授承現峻(Sebastian Seung)率領跨國科學團隊建造果蠅連接體雲端平台「FlyWire」,並在《自然》同時發表12篇論文,以《成熟大腦的神經連接圖》(Neuronal wiring diagram of an adult brain.)為旗艦研究,展現果蠅大腦的完整神經迴路,包含8453種神經元的構造與位置,其中4581種為本系列研究的新發現。

連接體開拓腦科學高速公路

有了詳細的腦神經地圖,科學家得以規劃嶄新的神經科學研究路徑,更加直接、詳盡地實驗神經構造與行為之間的關聯。例如,按圖索驥蒐集所有關於果蠅「剎車」動作的神經元,建構完整的動作神經網路,找出過往研究方式所遺漏的因素;或是利用果蠅連接體推論出「觀看」等動作的完整神經活動,捕捉新的神經科學現象。

生物資料科學家更進一步利用此完整連接體搭配演算法建立一個虛擬蠅腦,不僅完全重現神經元線路,更能及時推算各神經訊號的傳輸路徑與功能,模擬果蠅的真實腦內活動。接收初始訊號之後,這個虛擬蠅腦啟動一連串神經訊號,最後以運動神經元控制肢體作為結果,就像活生生的果蠅在對環境刺激進行反應。

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讓神經科學換檔加速的果蠅連接體,在「FlyWire」網站向公眾徹底開放。由公眾人力與人工智慧合力打造的龐大資料庫,現在平等地提供研究資源,科學界認為,FlyWire的完整度與開放性將大幅加速人類大腦的解密。

「蠅」來連接體學大躍進

人類大腦含有超過500億個神經元,形成上百兆個突觸,具備了人工智慧還無法達成的認知、思考與創造力。若能理解人腦的基礎運作方式,科學家有機會找到帕金森氏症等退化性腦部疾病的解藥,或是掌握思覺失調症等精神疾病的生理機制。甚至逐漸實現承現峻的科學狂想:以連接體科技上傳記憶與意識,讓人類達到永生。

發展四十年後,連接體學家終於掌握了果蠅大腦,這個器官最寬處不到0.75毫米,渺小如塵埃,其中蘊含的連接體奧秘卻超越過去累積的科學資料。以果蠅連接體完成博士學位的多肯沃(Sven Dorkenwald)比喻,果蠅連接體彷彿是一座茂密森林,神經元猶如樹木,可以透過根系彼此溝通。但在空間比例上,果蠅的某個視神經橫跨全腦連接雙眼,有如一棵紐約的樹木能夠和位在洛杉磯的樹木互通聲息。

相對「頭腦簡單」的線蟲與果蠅幼蟲缺少成年果蠅的複雜行為與反應,成年果蠅卻與人類共享許多認知功能與神經生理反應。例如:辨別同類、劃分地盤/食物、求偶交配等行為,以及時差、酒醉、咖啡因亢奮等特殊生理狀態。

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果蠅(Drosophila melanogaster)側面特寫
果蠅(Drosophila melanogaster)。圖片來源:André Karwath / Wikimedia Commons(CC BY-SA 2.5)

果蠅:當前最佳人腦模擬器

在動物行為領域,果蠅大腦與人類大腦面對許多相似的問題,如何前往目的地、判斷氣味來源、觀察周遭物體的移動,以及複雜的社會性行為,如歌唱求偶、爭奪資源;以及注意力與情緒調節等。從神經科學技術的現實面來看,果蠅大腦也是最適合進行全腦研究的複雜連接體,現有科技僅能對斑馬魚、小鼠的大腦進行分區重建。

「連接體研究需要夠複雜但體積不太大的腦,果蠅正好位在這個甜蜜點上。」

馬拉.莫西

莫西實驗室深入研究果蠅行為,發現果蠅的生存、繁殖行為蘊含複雜的模式。例如,雄果蠅演奏求偶時,會依照雌果蠅與它的距離改變演奏的音量與編曲,並追隨雌果蠅。運用FlyWire,莫西團隊清點雌果蠅中腦關於聽覺的600多個神經元與其突觸,辨認出20種新的神經元,發現其功能網路比過往所知更加複雜。

莫西團隊發現,雌果蠅聽覺迴路中,神經元的回饋訊號可以憑藉音訊特徵進行預測,未來可以據此模型預測真實雌果蠅對「情歌」的回應行為。或許我們深深自豪的音樂品味也刻劃在我們的腦神經細胞之間,只是和我們的連接體一樣,比果蠅的複雜萬倍。

在基因層面,果蠅與人類共享約60%的基因,包括學習、時差反應與唐氏症相關的基因。接近3/4的人類遺傳疾病能在果蠅DNA中找到對應的基因。因此,完整的成年果蠅連接體被視為通往人類大腦奧秘的橋頭堡。

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美國太空總署(NASA)在1947年將果蠅送上太空,作為地球生命前往太空環境的實驗品。牠們竟生還返地,為太空人開拓了道路。作為經典模式生物,果蠅相關研究獲得6項諾貝爾獎,生理學、神經科學與行為學領域已累積豐富資料,搭配完整連接體圖譜的跨領域研究,勢必能帶人類深入探索腦宇宙。

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手舉不高痛到睡不著?盤點五十肩與旋轉肌等肩膀痛原因
careonline_96
・2026/03/19 ・1860字 ・閱讀時間約 3 分鐘
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手舉不高、痛到睡不著,盤點肩膀痛原因(圖文懶人包)

肩膀是由上臂肱骨、肩胛骨、與鎖骨共同組成的部位。要投球、要捉背,我們都會動用到肩膀,不過當肩膀活動度很大,相對就比較不穩定,造成疼痛的機會也不少。最常引起肩膀疼痛的原因是肌腱發炎、滑囊發炎、肌腱撕裂、以及關節發炎。

肩膀痛的可能原因

肩膀痛的可能原因
  •  沾黏性肩關節囊炎

滑囊是一小包充滿液體的囊袋,位於在骨頭與肌肉、肌腱等組織之間做為緩衝,讓肌肉收縮活動的過程中可以減少與骨頭的直接摩擦。

不過,過度使用肩關節可能會導致滑囊發炎,患者剛開始覺得痛,但是後來主要覺得僵硬,肩膀主動性與被動性活動度減少,穿衣服、梳頭髮、洗澡搓背等動作都會受限,也就是俗稱的五十肩。

延伸閱讀:五十肩要開刀嗎? – 冰凍肩

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  • 肩旋轉肌夾擠或肌腱炎
肩膀的結構

夾擠症候群(Impingement syndrome)與滑囊炎與旋轉肌肌腱炎(Overuse tendinitis)高度相關,大家可以看著圖片想像一下,肩峰骨頭的下方是滑囊與旋轉肌,當我們要把手往上舉,肩峰骨頭對滑囊與旋轉肌的壓力就愈大,萬一本身有滑囊發炎或旋轉肌發炎的人,症狀就會更明顯,只要肩膀做外展、外旋動作時就會感到疼痛。不過,與五十肩不同的是,旋轉肌夾擠患者的肩膀活動度大致正常,不影響肩膀的主動性或被動性活動度。

延伸閱讀:肩膀痛痛的 – 夾擠症候群

  • 肩旋轉肌撕裂傷

旋轉肌是四條肌肉的總稱,這四條肌肉分別是棘上肌、棘下肌、肩胛下肌及小圓肌。每次上臂外展或外旋時,都需要旋轉肌的作用。長期磨損、年紀大會帶來退化性變化,可能出現旋轉肌撕裂傷(Rotator cuff tear)。患者先是覺得肩膀做外展、外旋動作時感到疼痛,夜晚時感覺到肩膀患側的疼痛,痛到不好睡,尤其若靠著患側睡會很痛,後來發現肩膀無力做外展、外旋動作。由於旋轉肌撕裂傷與反覆活動造成的退化磨損很有關係,通常患者年紀大於四十歲。

延伸閱讀:手臂舉不起來,睡覺不動肩膀也好痛!為何我會有「旋轉肌撕裂傷」?

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  • 二頭肌肌腱炎或肌腱斷裂
肩膀痛的症狀與活動度

二頭肌在上臂肱骨的前側,其肌腱也可能會發炎或裂開。與旋轉肌撕裂傷不同的是,二頭肌肌腱炎或肌腱斷裂會讓人痛在肩膀的前側,例如患者會說舉物、提物時容易痛,手舉過頭也會痛,且有時會伴隨無力。

  • 肩關節退化性關節炎

相較於膝關節炎或髖關節炎來說,肩膀這裡的退化性關節炎較少見,萬一發生的話,常常與患者過去受過外傷有關,或本身從事的職業(例:投手)會經常磨損肩關節。患者會於中年時漸進性感覺到肩膀前側與深處的疼痛,同時也容易變得僵硬,主動與被動性的外展和外旋動作減少。

肩膀痛的檢查

當患者因肩膀痛就診,醫師會先了解這個痛是怎麼產生的,是突然某個動作引起的,還是慢性愈來愈嚴重的?接著醫師會檢查患者肩膀是否有任何的腫脹、變形、或肌肉無力,並確認患者主動動作與被動動作是否受到影響。有必要的話會安排X光、電腦斷層、核磁共振等影像檢查確認骨頭與肌肉、肌腱等軟組織狀況。

肩膀痛的復健

確認肩膀痛原因後,我們會比較了解如何面對肩膀痛。如果是反覆的脫臼,或是較嚴重的旋轉肌撕裂傷,可能會需要用手術治療。但大部分因其他狀況而肩膀痛的患者可以因為休息、適當的復健、及改變肩膀活動而有改善。

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延伸閱讀:肩膀僵硬怎麼辦?每日七招自救

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