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人工肌肉組織的新希望

cacbug
・2011/08/27 ・1406字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 562 ・九年級

荷蘭恩荷芬科技大學的研究人員已經在實驗室裡找到一種簡單的方法來培養肌肉組織具有真正的肌肉結構。他們發現給予肌肉細胞單一個方向的張力,肌肉細胞會自然而然地彼此相互排列,這是肌肉能夠產生力量的主要條件。內皮細胞(血管)在同樣的體外培養環境下也會自動地組合起來形成新的血管。這個發現讓人工肌肉組織的工程技術向前邁進了一步,例如能夠使用更厚的肌肉組織植入術後的傷口。這個研究成果發表在本週《組織工程》期刊。


這個重要的發現還包括該技術不需要添加任何生化合成的生長因子來啟動整個過程。荷蘭恩荷芬科技大學的范德‧施哈芙特教授(Daisy van der Schaft)提到,組織形成的過程通常都需要生長因子來調節,但是生長因子的作用則非常不容易去控制。

漫無章法

其他研究人員也成功地用生物工程的技術做出包含血管的人工肌肉組織,但是在這些情況下,肌肉細胞與血管是呈現漫無章法的生長。為了讓肌肉能夠產生力量,所有的肌肉細胞必須被排列在同一方向。此外,肌肉需要血管提供他們氧氣和營養。

張力

荷蘭恩荷芬科技大學團隊製作的人工肌肉組織是從先在膠體上混合幹細胞與血管細胞(來自老鼠)進行前培養而來。然後,他們使用一小片魔鬼沾,將一小塊人工培養的組織(2 x 8 mm)固定在同一個方向。這些幹細胞之後會轉變為肌肉細胞,而這個過程通常會讓組織收縮。但是,由於這個組織被固定住,收縮的情況就被限制住,因而產生張力使得肌肉細胞在組織培養的過程中能夠排列整齊。這種整齊排列的特性是讓肌肉能夠發揮力量的必要條件。

製造生長因子

再則,血管細胞能夠自我組織形成血管,不需要研究人員額外添加生長因子,而這些都是自動創建而成。經過研究人員的檢驗發現,肌肉細胞在受到張力拉扯的情狀下會製造自己所需的生長因子。

較厚的組織

血管的形成是讓人工肌肉組織變厚的一個重要步驟。直到目前為止,人工肌肉組織的厚度僅能夠達到0.4 公厘,因為肌肉細胞不能夠跟血管距離超過0.2公厘,否則他們得不到充足的營養與氧氣。透過血管來提供血液的運輸意味著在不久的將來我們能夠提供養分給人工肌肉,可望將他們培養成更厚的組織。

不僅是化妝品

這個研究的最終目的是希望能夠治療失去肌肉組織的人,像說因為事故或是手術切除腫瘤的病人。范德‧施哈芙特教授解釋:「以修復顏面組織當作例子來說,使用這種人工肌肉組織不再只是化妝的遮掩,而是能夠給臉部組織回復功能性!」他期待在未來的十年這樣的想法能夠被實現。

荷蘭恩荷芬科技大學的研究人員近期要完成的下一步工作便是製作更厚的肌肉組織。同樣的技術也會被應用在人類細胞上。范德‧施哈芙特教授總結:「格羅寧根的醫療中心大學裡面的研究人員已經和我們合作,開始著手開發人類的人工肌肉組織。」

翻譯自: TU/e: Chained muscle tissue culture develops blood vessels and aligned structure

原始論文:Daisy W.J. van der Schaft, Ariane C.C. van Spreeuwel, Hans C. van Assen and Frank P.T. Baaijens. Tissue Engineering Part A. -Not available-, ahead of print. doi:10.1089/ten.tea.2011.0214.

看到這個研究成果,讓我開始預想未來我們身體受傷的地方能夠獲得完善的修復!研究人員很巧妙地先在同一平面上固定未分化的幹細胞,利用幹細胞轉形(tranformation)會自然地發生萎縮形變的特性,讓細胞感受到張力的拉扯,而分泌出生長因子。不僅提供肌肉細胞正常的排列生長,而且促使血管細胞的自我組織。此外,他們採用的膠體環境能夠讓肌肉細胞在3度空間下成長,同樣對於未來人工肌肉組織工程的應用提供重要的幫助。

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cacbug
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研究昆蟲的人,腦袋不時地轉來轉去,對於這個世界充滿好多想像與疑問。


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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》