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讓生物學家可以小偷懶的Uno Life生物晶片

劉珈均
・2016/03/26 ・2175字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 596 ・九年級

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晶片上下兩層微孔陣列各有470個微孔,下層的篩選微孔尺寸接近單細胞大小,可有效抓取單細胞;抓取後翻轉,上層較大的培養微孔可進行長時間單株培養。圖/張浩禎提供

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。

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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510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。

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Uno Life生物晶片的研發團隊,左起為指導教授許佳賢、林璟暉、張浩禎。圖/劉珈均攝

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。

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「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:

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  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:RemicadeEnbrelHumira(此三者治療類風濕性關節炎)Rituxan AvastinHerceptin(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
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劉珈均
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PanSci 特約記者。大學時期主修新聞,嚮往能上山下海跑採訪,因緣際會接觸科學新聞後就不想離開了。生活總是在熬夜,不是趕稿就是在屋頂看星星,一邊想像是否有外星人也朝著地球方向看過來。

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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2021 年《Science》年度十大科學突破
PanSci_96
・2021/12/29 ・5289字 ・閱讀時間約 11 分鐘

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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!

十大突破之首——利用 AI 預測蛋白質結構

AI 預測兩種蛋白質如何在酵母菌中形成參與修復 DNA 的複合物。圖/SCIENCE

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!

探勘古代洞穴,解鎖 DNA 寶庫

在墨西哥 Chiquihuite 洞穴記錄沉積物樣本的研究員。圖/SCIENCE

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。

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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。

「核融合反應」的歷史性突破

192 道雷射光聚在微小的燃料芯塊周圍,準備進行融合反應。圖/SCIENCE

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!

COVID-19 口服藥「莫納皮拉韋」問世

默克藥廠研發的 COVID-19 口服藥「莫納皮拉韋」。圖/SCIENCE

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。

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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。

創傷後壓力症候群的新興療法——搖頭丸

正在進行 MDMA 治療的創傷後壓力症候群患者。圖/SCIENCE

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。

開發單株抗體,對抗各類傳染性疾病

單株抗體(紅色和藍色)對抗 COVID-19 病毒(紫色球狀物)假想圖。圖/SCIENCE

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」。

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「洞察號」揭密火星內部結構

地震波顯示火星有一層薄薄的地殼、地函和液態核心。圖/SCIENCE

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。

改寫粒子物理學模型的繆子實驗

繆子在美國費米實驗室的磁場中旋轉。圖/SCIENCE

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。

CRISPR 基因編輯——確實能在體內發揮療效!

RNA(藍色)將 DNA 切割酶(白色)引導至目標(橙色)。圖/SCIENCE

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。

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體外胚胎培養——研究生命體早期發育歷程

在罐中成長的小鼠胚胎可以幫助科學家更了解人類發育的早期階段。圖/SCIENCE

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。

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

這座位於德國博克斯貝格(Boxberg)的燃煤電廠預計 2038 年才會關閉。圖/SCIENCE

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。

充滿爭議的阿茲海默症新藥「Aduhelm」

正子斷層掃描(PET)顯示 Aduhelm 能有效清除 β 類澱粉蛋白斑塊。圖/SCIENCE

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。

當疫情碰上政治形態——夾縫中求生存的科學家

比利時病毒學家範蘭斯特(Marc Van Ranst)收到來自極右派狙擊手柯寧斯(Jürgen Conings)的死亡威脅後躲避自保。圖/SCIENCE

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。

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《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。

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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
科技大觀園_96
・2021/08/25 ・3658字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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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。

劉士任博士。圖/劉士任博士提供

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。

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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。

HPV疫苗的分類及接種對象。資料來源:衛福部HPV疫苗仿單

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。

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施打HPV疫苗可以減少伴侶雙方感染HPV的風險。圖/pexels

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。

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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。

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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。

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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

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