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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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ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

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工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

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為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

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可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

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2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

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軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

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月子中心群聚風險高!一人感染呼吸道融合病毒(RSV)可傳五人,寶寶最危險
careonline_96
・2025/05/07 ・2274字 ・閱讀時間約 4 分鐘

圖 / 照護線上

「年紀越小,感染病毒與併發重症的風險就越高!尤其是未滿六個月前的嬰兒」台中榮民總醫院兒科主任陳伯彥醫師表示,對新生嬰幼兒來說,因為免疫系統尚在發育,容易受到各種病毒的威脅。在後疫情時代,群聚感染更是需要慎重看待的議題。

群聚感染指的是在同一環境中,至少有兩名或以上人員先後出現相似症狀或感染同一病原,這容易造成病毒快速且具規模的傳播,常發生於月子中心等產後護理之家、幼兒園、長照機構等場所。陳伯彥醫師提到,現在很多產後護理機構都美輪美奐,重視舒適環境與設備,有許多共用空間與團康活動。但因為人流複雜、若陪伴探望家屬有輕微症狀、家中有大寶等都可能讓病毒入侵,若無妥善做到分區照護與管控,群聚感染就很容易爆發。

嬰幼兒最常見感染病毒RSV 傳染力極高

常見的嬰幼兒群聚感染病毒包括呼吸道融合病毒、COVID-19、流感病毒、腸病毒、輪狀病毒、流行性腦脊髓膜炎等。其中以呼吸道融合病毒(Respiratory syncytial virus, RSV)最為常見。陳伯彥醫師表示,研究統計資料表示,約九成嬰幼兒在2歲前都有感染過 RSV,因 RSV 具有高度傳染性,一名感染者可傳染給五位,主要透過飛沫與接觸等方式傳染。從觀察來看,台灣一年四季都有案例,其中在夏秋兩季達到高峰,四、五月雨季也會多一些。

嬰幼兒慎防呼吸道融合病毒
圖 / 照護線上

RSV 無終生免疫 嬰幼兒重症嚴重恐致命 

陳伯彥醫師指出,每個人都可能感染 RSV,不過兩歲以下的嬰幼兒、早產兒與慢性肺病、先天性心臟等高風險族群更容易因感染併發急重症,住院比例很高。特別是感染 RSV 後也不會產生終生免疫,仍有機會再次感染。

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感染 RSV 的常見初期症狀包括鼻塞、咳嗽、喉嚨痛、發燒等。因嬰幼兒的氣管細小,容易因為 RSV 感染而堵塞,造成嬰幼兒出現喘鳴、發出咻咻聲、呼吸急促甚至呼吸窘迫、發紺等情況。RSV 潛伏期約3天,病程進展快速,從像感冒的症狀演變成重症不到一週,容易導致下呼吸道感染,發展成細支氣管炎、肺炎等嚴重併發症,若心肺功能較差,還會危及生命。部分患者可能出現續發性的細菌感染或中耳炎,讓整個住院治療時間拖更長,短則十天,嚴重者甚至要在加護病房接受插管治療,治療期間可能長達兩週以上。

對於 RSV 感染後的治療,陳伯彥醫師表示,考量到嬰兒身體發育狀況,擴張劑、類固醇、與抗生素這些治療方式都不建議使用,主要採取支持性療法,給予氧氣、補充水分及營養,慢慢對抗病毒。「因為RSV沒有特效藥來專門治療,目前的防治策略是大力呼籲預防勝於治療。」

呼吸道融合病毒預防勝於治療
圖 / 照護線上

由於成人在感染 RSV 後的症狀較輕微,可能在不知不覺中將病毒傳染給嬰幼兒。建議家長、照顧者要戴口罩、勤洗手,特別是嬰幼兒容易有唾液、鼻涕沾附物體,環境加強消毒非常重要,也可檢視托嬰機構是否有做好消毒與分區照護控制管理。另一方面,可以選擇替嬰幼兒施打單株抗體。陳伯彥醫師說明,目前尚無嬰幼兒使用的 RSV 疫苗,單株抗體與疫苗不同,是直接打抗體到身體提供保護。雖然保護期比起疫苗透過抗原產生的自發抗體較短,但對於容易受到急重症威脅的嬰幼兒是非常重要的有效防護措施。

呼吸道融合病毒預防重點提醒
圖 / 照護線上

群聚感染高風險環境 接種單株抗體保護嬰幼兒

目前除了針對早產兒、慢性肺病、先天性心臟病等高風險族群,有健保的短效型單株抗體之外,也已有可適用於一般嬰幼兒的自費長效型單株抗體,單次施打提供六個月以上的保護力,可以在嬰幼兒免疫系統發育期給予及時支援。根據臨床數據,健康嬰兒施打長效型單株抗體後,可減少併發重症,並降低八成住院率,家長也免於工作請假日夜看顧,大幅減輕照護壓力和經濟負擔。

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陳伯彥醫師表示,國外會在明顯的 RSV 流行季來臨前替嬰幼兒接種。但台灣無顯著的流行季,且考量 RSV 的高傳染性與後續健康威脅,建議高風險族群一定要盡早施打。此外,父母送嬰幼兒送到月子中心或托嬰機構等群聚感染高風險的場所之前,都可以考慮接種單株抗體,以降低感染與重症的風險。萬一不幸發生 RSV 群聚感染,也可以盡快施打,能快速產生肺部保護性抗體,降低急重症產生。

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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

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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PanSci_96
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