讓生物學家可以小偷懶的Uno Life生物晶片

轉眼就來到 2021 年的尾聲。今年，《Science》雜誌評選的「年度十大科學突破」橫跨眾多領域，包括 AI、天文、物理、生物、醫學，以及備受矚目的能源議題，趕快來看看究竟是哪十項突破吧！

• 文／Heidi
• 本文編譯自《Science’s 2021 Breakthrough of the Year: AI brings protein structures to all》

十大突破之首——利用 AI 預測蛋白質結構

蛋白質是組成生物體不可或缺的分子。在 1950 年代，科學家透過分析 X 射線繪製蛋白質結構。然而，既有的方法在繪製成本上過於高昂，往往得耗費數年時間，因此在 1970 年代，科學家開始運用計算機建模，預測蛋白質的折疊方式。直到 2018 年，Google 旗下的 DeepMind 團隊開發了 AI 軟體「阿爾法摺疊」（AlphaFold），使得該領域研究取得突破性進展。

多虧這項 AI 技術，科學家得以精準、快速、大量繪製蛋白質結構。今年 7 月，DeepMind 團隊宣布他們成功分析了 350,000 種人體蛋白質，佔所有已知人體蛋白質的 44%，更預計在明年發布所有已知物種的蛋白質結構，約莫 1 億個。團隊也正在進行更進一步的研究，預測這些蛋白質如何在生物體內相互作用，用來製作新型抗病毒藥物。

在這 COVID-19 肆虐的大疫之年，科學家更利用阿爾法摺疊模擬 Omicron 變種病毒，研究棘蛋白突變帶來的影響，試圖找出中和抗體失效的原因。AI 預測蛋白質結構的技術不僅徹底革新分子生物學領域，也勢必在醫學領域大放異彩！

• 延伸閱讀：AI 預測蛋白質結構贏過科學家，科學家也要失業了？才不會呢！

探勘古代洞穴，解鎖 DNA 寶庫

誰說沒有化石就不能研究古生物？科學家今年踏足古代洞穴，採集土壤裡的人類細胞核 DNA，藉此重建古代生態系，釐清世界各地穴居人的身份。在美國，Satsurblia 洞穴存有尼安德塔人未知譜系的女性 DNA；在西班牙，Estatuas 洞穴中的土壤 DNA 揭露 8 萬至 11.3 萬年前人類的遺傳特徵，證實在 10 萬年前的冰河時期結束後，某個尼安德塔人譜系取代了其他眾多人類譜系。

除了人類以外，這種研究方法還可以運用在其他生物上，比如在墨西哥 Chiquihuite 洞穴中，有研究員採集到 1.2 萬年前的黑熊 DNA。與現代熊 DNA 比對後，科學家發現黑熊在上個冰河時期結束後，向北遷徙到阿拉斯加。

• 延伸閱讀：沒有化石沒關係，從泥土也能取得尼安德塔人 DNA！

「核融合反應」的歷史性突破

太陽之所以能發光發熱，供給地球能量，都要歸功於太陽內部不斷進行著的核融合反應。長期以來，科學家為了解決地球能源不足的問題，不斷嘗試人工進行核融合反應，可是要達到足夠產生融合反應的壓力和溫度非常困難（請參考：融合能量增益因子／維基百科）。今年，美國國家點火設施（NIF）運用 1.9 兆焦耳的雷射脈衝，壓縮胡椒粒大小的氘（氫的同位素），產出 1.35 兆焦耳的能量，遠高於先前實驗獲得的 17 萬焦耳。

目前，NIF 仍持續進行實驗，試圖藉由更換燃料或調整雷射脈衝數值來提高能量產出，找出能夠最大化能量轉換比例的組合。未來，或許融合反應能夠成為供給地球能源的主流方法！

• 延伸閱讀：托克馬克反應爐：地球上創造的人造太陽——成功大學電漿所向克強教授專訪

COVID-19 口服藥「莫納皮拉韋」問世

COVID-19 口服藥終於問世啦！今年秋季，美國默克（Merck）藥廠發布數據，證明其研發的 COVID-19 口服藥「莫納皮拉韋」（Molnupiravir）可將未接種疫苗者的重症和死亡率降低 30%；如果在出現症狀的 3 日內服用輝瑞開發的口服藥 PF-07321332，則可降低 89% 住院率。

雖然口服藥無法取代疫苗接種，卻扮演非常關鍵的角色。若是 Omicron 變異株造成大量突破性感染，或許口服藥就能接棒，防堵病毒擴散。

• 延伸閱讀：新冠口服藥即將問世！——為何它不能取代疫苗？嗑完藥就好棒棒嗎？

創傷後壓力症候群的新興療法——搖頭丸

什麼？搖頭丸還能治病？沒錯！這份發表在《Nature Medicine》的研究證實搖頭丸的主要成分「3,4-亞甲基二氧基甲基苯丙胺」（MDMA）可以減輕創傷後壓力症候群（PTSD）患者的症狀，而且效果十分顯著。該研究將 76 名受試者分成 MDMA 組和安慰劑組，接受 3 次療程，發現 MDMA 組有 67% 的病患試後不再符合 PTSD 的診斷標準，而安慰劑組僅有 32%。

可是這項結果也引起了對於雙盲實驗的質疑，因為試後有高達 90% 的受試者表示他們其實知道自己的組別，這可能大幅影響症狀改善的機率。目前正在進行更大型的實驗，若實驗結果確定 MDMA 能治療 PTSD，預計將在 2023 年提交美國食品藥物管理局（FDA）批准上市。

• 延伸閱讀：美國狙擊手：淺談創傷後壓力症候群
• 延伸閱讀：自己真的不夠好嗎？——長期被否定下的「複雜性創傷後壓力症候群」

開發單株抗體，對抗各類傳染性疾病

單株抗體（mAb，簡稱單抗）是融合腫瘤細胞與免疫細胞製造而成的人工抗體，不但有腫瘤細胞不斷分裂的能力，也有免疫細胞產生抗體的能力——簡單來說，單抗可以大量製造相同的抗體，更有效地打擊病毒。除了往年的伊波拉病毒、炭疽病、狂犬病單抗以外，今年也順利合成了瘧疾、愛滋病和呼吸道合胞病毒（RSV）的單抗。目前，科學家正在積極開發更多種類的單抗，首要目標是打擊流感、茲卡病毒和巨細胞病毒（CMV），使得這項新技術有望成為打擊傳染病的「標配」。

• 延伸閱讀：「Delta 變種病毒」對中和抗體的敏感度降低，那會影響疫苗保護力嗎？

「洞察號」揭密火星內部結構

自 2018 年「洞察號」（InSight）登陸火星至今，科學家蒐集 35 筆地震數據，藉以估計火星的地殼厚度、地函結構和地核大小。今年的數據分析結果出爐後，發現這顆紅色行星的平均地殼厚度不到 40 公里，地函非常淺，而且只有一層（不像地球有上、下兩層地函），地核特別巨大，佔了火星體積一半，主要組成元素是低密度的液態鐵和液態鎳，以及硫、氧、碳和氫等較輕元素。這是人類首次使用地震數據探測其他行星的內部結構，也是探索神秘火星的一大步。

• 延伸閱讀：「洞察號」成功登陸火星，NASA 展開深度探索
• 延伸閱讀：風聲、手臂聲、地震聲？洞察號在火星上聽到的震波訊號代表了什麼？

改寫粒子物理學模型的繆子實驗

在 1960 年代，粒子物理學家提出理論解釋強核力、弱核力和電磁力，這三種理論被稱為標準模型。然而，科學家今年發現「繆子」（Muon）——一種比電子更重、更不穩定的粒子——其實際測得的 g 值（自旋角動量與磁性大小之間的關係）比標準模型所預測的還要大，且兩者的誤差範圍沒有交集。

目前，眾多科學家正在美國費米實驗室（FNAL）進一步分析實驗數據。假如繆子實驗沒有任何閃失，這樣的結果將撼動物理學界，徹底改寫擁有 50 年歷史的標準模型。

• 延伸閱讀：物理學又出現裂縫？！Muon g-2 實驗結果與「標準模型」的預測不符

CRISPR 基因編輯——確實能在體內發揮療效！

去年，科學家運用 CRISPR 基因編輯技術，在實驗室修改造血幹細胞，治癒鐮刀型貧血和乙型（β 型）地中海貧血。今年，科學家更大膽了，直接在人體內部署 CRISPR！研究結果顯示，這種基因編輯技術可以有效減少一種有毒的肝臟蛋白質數量，甚至改善遺傳性失明患者的視力，讓兩名幾乎完全失明的患者能夠感覺到光線，並且在昏暗的光線下避開障礙物。

• 延伸閱讀：人體基因編輯是在編什麼？五分鐘搞懂基因神剪 CRISPR
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體外胚胎培養——研究生命體早期發育歷程

透過研究胚胎，科學家得以找出先天性缺陷和流產的原因，但礙於倫理學和法律規範，目前對於體外胚胎培養的了解並不多。今年，有團隊利用誘導性多能幹細胞（Induced pluripotent stem cell，簡稱 iPS 細胞）成功複製人類的囊胚（受精後準備孵化及著床的胚胎），另外有團隊發現皮膚細胞經 iPS 細胞誘導、轉化後，也可以產生類似囊胚的結構，作為體外胚胎實驗的替代品。

• 延伸閱讀：著床即開啟的恆久忍耐：胚胎如何逃過母體免疫系統追殺？

除了十大科學突破以外……

《SCIENCE》今年也特別列出三項影響科學發展的重大阻礙，包括難解的氣候議題、備受爭議的癌症新藥，以及在疫情之下遭受猛烈砲火抨擊的科學家。

越來越熱！減碳目標恐難以達成

自從工業革命以來，全球氣溫升幅達到了 1.2°C，近年極端氣候事件更是層出不窮。對此，今年的聯合國氣候變遷大會（COP26）達成多項協議，包括將全球氣溫升幅限制在 1.5°C 以內、確立碳交易市場架構，以及減少碳排放量。然而，全球經濟現在依然大幅仰賴化石燃料，況且聯合國協議不具約束力，是否能達成減碳目標，必須取決於各國政策制訂。

• 延伸閱讀：IPCC 報告揭示全球氣候危機，解方是：2050 年溫室氣體零排放——《科學月刊》

充滿爭議的阿茲海默症新藥「Aduhelm」

美國食品藥物管理局（FDA）近 20 年來首次核准阿茲海默症藥物，即百健（Biogen）藥廠開發的 Aduhelm。經臨床實驗證實，這種藥物能清除異常堆積在患者腦內的「β 類澱粉蛋白斑塊」，也就是失智症發病和惡化的原因。照理說，這是患者和家屬期盼以久的好消息，卻被不少大型醫院和醫學中心拒絕採用，因為在兩項大型臨床實驗中，只有一項實驗證明其改善認知功能的療效勝過安慰劑，卻沒有證據顯示 Aduhelm 有顯著的改善效果。

• 延伸閱讀：阿茲海默症新藥 Aduhelm ，為阿茲海默治療帶來更多可能？

當疫情碰上政治形態——夾縫中求生存的科學家

長期以來，科學家遭受攻擊的事件層出不窮，但在今年，對於 COVID-19 的政治分歧引發大眾對科學家前所未有的敵意，包括各種形式的恐嚇、抗議和死亡威脅。遭受威脅的有美國首席防疫專家佛奇（Anthony Fauci）、英國首席醫療官惠提（Chris Whitty），以及世界各地的學者和防疫工作者。

《Nature》訪問 321 名研究人員，發現有超過 50% 的人信譽受到攻擊，15% 的人收到死亡威脅，甚至有許多人從此辭去他們熱愛的研究工作。

• 本文轉載自科技大觀園，原文為《不只預防，更要能治療！HPV疫苗的現況與前景——國衛院感疫所生物製劑廠 劉士任執行長 專訪》
• 作者 / 科技大觀園特約編輯｜何沁蓉

由於難以預防及治療，癌症一直是許多人心頭揮之不去的夢魘，只是儘管醫學尚無法完全確定多數癌症成因，仍有一些癌症已知可透過注射疫苗預防病毒感染來大幅減少罹病機率，像是在台灣好發率相當高的肝癌、子宮頸癌便同屬這種類型。

國家衛生研究院感染症與疫苗研究所劉士任博士解釋，這兩種疫苗之所以具有這種特殊性，是因為肝癌、子宮頸癌均與慢性病毒感染密切相關。以肝癌為例，目前已知台灣有近 8 成肝癌患者為慢性 B 型肝炎感染導致，而子宮頸癌更有近 9 成與人類乳突病毒（HPV）感染相關，這也是為什麼接種 B 肝、HPV 兩種預防病毒感染的疫苗同時也能大幅降低未來罹患相關癌症機會。

然而就像所有疾病一樣，預防與治療手段必須並行發展才能有效圍堵疫情，除了傳統預防型疫苗和治療藥物，全新的治療型疫苗也正在發展中。

HPV 病毒與現有疫苗介紹

在談治療性疫苗之前，我們先來看看 HPV 疫苗的現況。

與全球相同，台灣目前有二價、四價跟九價 3 種 HPV 疫苗可供選擇，三款疫苗的差距主要是在預防 HPV 型別數量上的差異，二價針對造成子宮頸癌主因的 16、18 型重點防護，四價進一步納入可能造成菜花的另外兩型 HPV 病毒，九價則納入共計 9 種型別提供更廣泛防護；儘管守備範圍略有不同，但考量到 70% 子宮頸癌均為 16、18 型演變而來，可以說不論哪一款疫苗都能有效減少子宮頸癌的發生。

當然，並非感染 HPV 就表示未來會罹患癌症。劉士任指出，絕大多數的 HPV 感染都能被人體免疫系統自動清除，但仍有非常少數的情況中潛藏的病毒逃過免疫系統，感染的細胞經過漫長時間產生癌化，讓患者在數十年後罹患相關癌症，也因此在及早預防上相當重要。

HPV 主要傳染途徑是性行為，為了提高防護效果，一般會建議在還沒有性行為前的青少年階段施打，但也並非有過性經驗後施打就全然無效。劉士任指出，HPV 有相當多型別，其中約有十幾型與致癌相關，即使已感染一種或以上，疫苗還是能協助預防其他型別感染進而減少可能罹癌機會，才會聽到甚至是性工作者也還是會鼓勵施打。

由於能有效預防子宮頸癌，HPV 疫苗過去也經常被稱為子宮頸癌疫苗，但並不表示男性就不會受 HPV 感染影響。劉士任解釋，過去實驗主要以女性為主，加上男性外生殖器癌症發病率低於女性子宮頸癌，且男性感染檢體採集、與 HPV 感染建立連結性困難，才會讓人有這種錯覺，但從研究發現女性感染多來自男性可以確定，不論男女均都有感染 HPV 風險，也並非只有女性可能因感染罹癌，男性同樣也存在感染罹癌風險，因此現在才會建議男性也及早施打減少自己與伴侶威脅。

治療性疫苗是什麼？

談到疫苗，人們第一時間聯想到的可能是用來預防某種疾病，但許多人不知道的是，除了預防性疫苗，科學家也正在「治療性疫苗」領域中努力。

與傳統疫苗預防個體感染疾病的目的不同，治療性疫苗主要在個體受感染影響後才施打，也就是說，治療性疫苗的施打對象的是已經罹患疾病的人，目的是協助他們對抗體內現有的感染。過去數十年間，現任職於國衛院的劉士任博士便持續投入在 HPV 治療型疫苗的開發中，也曾因此獲得許多獎項，在最近採訪中，他也為我們簡單介紹了一般人較為陌生的治療性疫苗領域及國際上的開發狀況。

可能有人會好奇，治療性疫苗與常規治療藥物有何不同？劉士任解釋，常規藥物是針對疾病標的直接起作用，而治療型疫苗則是透過誘發患者自身的免疫反應來提升體內清除受感染細胞能力，作用上與傳統疫苗更為相近，由於主要利用免疫系統反應，治療性疫苗也可以算是一種免疫療法，只是因為免疫療法涵蓋甚廣，且近年來抗體藥物更加有名，為了更精準區分才會加會以此加以稱呼。

目前治療性疫苗多針對癌症、慢性病毒感染治療進行開發，因為這些患者的免疫系統難以有效對抗疾病，包含 HPV、HIV、慢性肝炎及癌症都是主要研究標的，儘管還是相當新穎的領域，但因為能涵蓋到其他治療方式所不及之處，目前全球治療性疫苗研究已相當廣泛，劉士任指出，除了已獲得美國 FDA 批准、針對癌症的 3 款治療性疫苗，美國、歐洲也都有 HPV 治療型疫苗正在臨床三期，HIV 疫苗的開發也聽聞有一些好消息傳出，而日本甚至有團隊正在針對「高血壓治療型疫苗」的奇想在進行研究。

在預防傳染病上，疫苗接種已經取得了巨大的成功，如果能未來能同樣運用人們體內自身的免疫系統帶來治療效果，將是所有人都期盼的好事。

預防治療並行打造病毒防護網

在 HPV 預防型疫苗和定期抹片檢查的推廣下，先進國家子宮頸癌的罹病率與死亡率已逐年下降，未來 HPV 治療性疫苗的問世可能幫助這一切更往前進一步。雖然現在仍無法斷定能夠達成什麼樣的效果，但有時候生活中最微不起眼的小事往往是改變一切的關鍵。

根據世界衛生組織統計，2018 年全球約有 58 萬人罹患子宮頸癌，是女性第四大常見癌症，儘管 HPV 疫苗現在已經相當有名，但第一款 HPV 疫苗其實直到 2006 年才正式上世，許多人早已錯失施打的黃金時機，更何況並非所有人都能注射到預防性疫苗。「即使有了預防型疫苗，能夠施打的也都還是已開發國家，開發中國家的婦女沒有這項選擇。」

在預防性疫苗、藥物、各種治療手段結合的防護網下，治療型疫苗或將能補足缺口，打造全方位的病毒防護網來協助人們對抗難以痊癒的疾病。

回顧過去，劉士任提及其實他直至碩班都主要攻讀藥學領域，與免疫治療領域可以說完全沾不上邊，是在碩班畢業時偶然讀到一篇文章，講述癌症抗原與破解免疫逃脫的想法，文章描繪的願景自然一下就吸引了他的注意。作為藥學系背景出身，劉士任很明白癌症治療藥物可能帶來的強大副作用及對患者身體造成的傷害，而這些問題數十年來都並未獲得解決，操縱自己的免疫系統來達到抗癌目的的想法提起他的興趣，也影響他隨後博班決定轉往相關方向進行研究。

「當時覺得這個主題太神奇了，想著如果未來能用免疫系統治療、靠自身免疫系統來對抗癌症，將能夠讓患者在治療過程中少受很多苦，那是一件多美好的事啊。」

研究所畢業後，劉士任短暫進入生技公司進行研究，並在當時參與了針對癌症細胞的治療型疫苗，正式踏入治療型疫苗研發的領域。至於為什麼後來選擇 HPV 病毒為研發主題，劉士任笑著表示，因為當初進入國衛院時 HPV 預防型疫苗還沒有出現，而常見的 HPV 病毒帶來的影響廣泛，除了難以控制慢性感染，更可能造成細胞癌化導致子宮頸癌，也比較容易在臨床上看到刺激免疫系統活化帶來的實際效果。

談到研究過程，劉士任表示，其實治療型疫苗的研究困難相對小，唯一問題是製程產量不足的問題可能造成成本提高，但考量到治療型並非廣泛施打，標的人群為已確定的患病族群，成本稍高應該是尚可接受的問題。

2016 年將研究技轉給廠商後，劉士任在 HPV 治療型疫苗的研究已經告一段落，但在治療型疫苗的努力上仍在持續。劉士任表示，目前團隊的研究方向是以 HPV 疫苗研究作為技術平台基礎嘗試應用到不同疾病上，針對不同慢性病毒感染開發治療型疫苗。

儘管台灣研究環境不如國外完善，市場規模小、研究最終推到臨床的難度也高，但劉士任認為，這些努力還是相當有意義，而且作研究也帶給他許多樂趣。「人生難得能找到有興趣的主題來做，從碩班那篇文章埋下種子，動物實驗到臨床實驗再到生產路途相當漫長，只能說有時作事得遇到契機，在天時地利人和下才能更進一步。」

當然，HPV 治療型疫苗能夠帶來的效果還無法預知，劉士任以肺炎鏈球菌疫苗為例，指當初疫苗涵蓋了主要的 13 型，後續普及後反而造成其他型別成為主流，在HPV的感染是否也會產生，致癌主流型別的改變，一切都還需留待更大規模研究才會知道，但考量到子宮頸癌有近 98% 均與 HPV 感染相關，在預防加治療的防護網展開下，也許有一天，WHO 消除子宮頸癌的願景也並非不可能之事。

在微小努力的累積下，人類對抗癌症的進展或終將往前邁進。

參考文獻

• HPV疫苗懶人包(紫色中文版)
• 8成與你有關－談 HPV疫苗和子宮頸癌防護::台灣癌症基金會FCF
• WHO－ Cervical cancer
• 治療型人類乳突病毒疫苗｜國家新創獎
• How Therapeutic Vaccines Work

• 本文與新興科技媒體中心合作，內文經泛科學改寫。
• 詳細專家回應請見：「Delta 變種病毒對中和抗體的敏感度降低」之專家意見
• 資料更新至 2021 年 7 月 8 日

今（2021）年 7 月 8 日台北時間 23:00，國際期刊《自然》（Nature）最新刊登了 Delta 變種病毒與中和抗體敏感度的研究。

研究結果顯示，Delta 變種的棘蛋白有部分區域逃脫了抗體的結合，阻礙了抗體中和病毒的能力；但另一方面，儘管抗體針對 Delta 變種的效力比對 Alpha 變種低 3-5 倍，但在施打任一種疫苗的第二劑後，95％ 的個體仍可產生中和反應。

研究怎麼進行？

長庚大學新興病毒感染研究中心主任 施信如說明，由於此份研究是在實驗室內進行，所以可以很仔細的比較四種不同的單株抗體，分別針對四種變種病毒：Alpha、Beta、Delta、D614G 的保護力。

研究從 103 位曾感染的患者，與 59 位疫苗接種者的血清中分離抗體，與新冠病毒的各個變種進行中和抗體試驗，這四個單株抗體在臨床都已可使用，研究結果顯示，其中一種抗體「Imdevimab」對四種病毒株都有很好的保護力，而其他三種單株抗體則是對 Beta 病毒株的效力都下降。

其中有部分的單株抗體無法有效與 Delta 變種上的棘蛋白（S protein）做結合，包括用來治療新冠肺炎的單株抗體藥物「bamlanivimab」。原因是 Delta 變種的棘蛋白有部分區域逃脫了抗體的結合、阻礙了抗體中和病毒的能力。

但研究也發現，只打第一劑的輝瑞或 AZ 疫苗對 Delta 病毒株的效力雖然下降，但下降程度沒有 Beta 病毒株（或稱南非病毒株）來得多，仍有部分保護力，顯示 Delta 病毒株沒有原先大家想像的這麼可怕。

但要注意的是，實驗室做的研究，較難反映真實世界中施打疫苗的情況，還是必須配合先前的臨床研究，才能評估疫苗實際的保護力，所以不能以此份研究直接推論實際施打疫苗的保護力會下降多少。

從研究我們可以知道什麼？

中興大學獸醫病理生物學研究所教授 吳弘毅表示，雖然這是一個試管外的實驗，但是由研究結果也可以讓我們知道，對於變種的病毒，我們不用太恐慌，因為儘管目前的疫苗效果有所降低，但並不會完全失效。

而我們應該正確建立看待疫苗的態度，亦即疫苗不是解藥，只是會減低病毒的感染數目以及疾病的嚴重程度。因此，即使遇到變種的病毒，原來的疫苗雖然效率會下降，可是還是能一定程度減低病毒的感染數目，進而降低疾病的嚴重程度，而這也再度告訴我們，只打一劑疫苗的保護力並不夠，施打兩劑是很重要的。

研究文獻

• Planas, D. et al.. (2021)“Reduced sensitivity of SARS-CoV-2 variant Delta to antibody neutralization”Nature.  https://doi.org/10.1038/s41586-021-03777-9

對科學家而言，實驗室基本配備如同書桌上的文具，這些簡單物品算不上劃時代發明，但舉足輕重，幫助科學家思考與創造，國家衛生研究院實驗室的「Uno Life」生物晶片就是一款給科學家的實用工具。

生技醫藥領域約有六成以上的研究需要提取單細胞，如細胞異質性研究、癌症抗藥性、藥物篩選等。然而，傳統抓取方式繁瑣且效率差，國家衛生研究院生醫工程與奈米醫學研究所許佳賢博士帶領團隊研發一款生物晶片（註1），操作簡單、低成本，且抓取單細胞的效率從兩三成提升至近八成。

研發成員林璟輝博士笑著說：「一開始是想要偷懶地做事情。」Uno Life生物晶片設計相當簡單，點狀微孔分成上下雙層，中間為流道。注入細胞懸浮液之後，靜置一兩分鐘，細胞會平均沉降至下層的篩選微孔，接著將晶片翻面，讓單細胞移轉至相對應的大孔洞中就成了。整個過程只約十分鐘，且成功抓取單細胞的效率將近80%，後續就讓單細胞留在大孔洞中進行單株培養。

相較於此款生物晶片，傳統提取單細胞的方式相當繁複：將細胞懸浮液分注在96孔培養盤，靜置待細胞沉澱，再用顯微鏡確認盤上96個微孔中有多少個成功抓取到「一個」細胞。顯微鏡的視野塞不下單個孔洞，所以研究人員得反覆挪移盤子，如此重覆確認近百次。

這傳統的「序列稀釋法」耗時、累人且效率不佳，實務上「一個」孔洞成功獲得「一個」細胞的機率通常只有10%~20%，換句話說，96孔盤最終可能只成功提取5至10顆細胞。若要蒐集一千個單細胞，就得重複製作上百盤才能提取所需的量；一般實驗也要製作二三十盤才足夠。

「細胞生長時會分泌一些生長因子，單顆細胞若感受不到旁邊有細胞同伴，其實比較容易死掉。」晶片上培養單細胞的微孔雖然比傳統培養空間小，但其抓取率高，單細胞彼此像是住在同宿舍的鄰居，生長情況反而較好。

林璟暉解釋單細胞研究的用途，即便來自相同組織或器官，每一顆細胞其實不太一樣，必須把細胞分開看，個別研究特性。「像罹患癌症，吃藥後有的癌細胞會死、有的不會，就是因為存在異質性。」另一大用途是製作專一性佳的「單株抗體藥物」，主要用於抗發炎與癌症治療，根據統計，去年全球銷售前十大藥物中有六項即為單抗藥物（註2）。

團隊的實驗室長期研究微流體晶片，許佳賢說：「希望這塊晶片可以成為醫學基礎研究重要的一部分！」研發成員張浩禎則分享，起初有人覺得這不像一般印象中的生物晶片，因為功能太樸實了，沒有電流或電磁等華麗功能，但正因為它的樸實，適合做成產品量產。

「他不需要繁複的操作技術，很容易上手！」林璟暉說。這款生物晶片能與既有的針筒幫浦、組織培養箱、顯微鏡等常用器材配合，與大部分生物實驗室的配備「相容」，也大幅節省成本與耗材。

已有不少人看到這塊生物晶片的潛力，此晶片研發成果登上英國皇家化學學會發行的期刊《實驗室晶片》（Lab on a Chip），正在申請相關專利。團隊已與清大、國衛院等簽署合作備忘錄，也有美國知名大學前來探問，2015年參加科技部新創業競賽更進入前20強，天使創投也表達投資意願，可望成立新創公司。

晶片規格小檔案
晶片大小：12.75 x 20.25mm²
下層篩選微孔：直徑25微米、深度26及30微米
上層培養微孔：直徑285及485微米、深度300微米

註：

1. 生物晶片可分為「DNA 核酸探針晶片」及「實驗室晶片」兩類。前者是在小面積上安置核酸探針，檢測以獲得基因序列的豐富資訊；實驗室晶片又稱微流體晶片，為近代生物科技一大革命，傳統實驗室的複雜流程就濃縮在一塊數公分大小的晶片上。它利用微機電系統技術，將傳統生化分析中所需的微閥門、微過濾器、微管道、微感測器等元件集中在晶片上，只要一塊晶片以及微小液量，便能進行樣品前處理、樣品分離、試劑傳送、偵測等工作。微流體生物晶片用處廣泛，新藥開發、血液篩檢、感染病原檢測、基因表現分析、法醫辨識鑑定、環境及食品檢測等皆可見其應用。
2. 2014年全球銷售前十名藥品中，六項單株抗體藥物為：Remicade、Enbrel、Humira（此三者治療類風濕性關節炎）、Rituxan、 Avastin、Herceptin（此三者適應症分別為淋巴癌、大腸直腸癌、乳癌）。

參考資料：

• 林璟暉、莊堵安、張浩禎、葉鵑鳳、邱英明、許佳賢。2015。高通量單細胞篩選與細胞單株化培養之雙微孔微流晶片。科儀新知，204，35-47
• Lin, Ching-Hui, et al. “A Microfluidic Dual-well Device for High-throughput Single-Cell Capture and Culture.” Lab on a Chip (2015).
• 李國賓。2005。下一波生物晶片：微流體生醫晶片。科學發展，385，72-77