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進入身體的迷你醫用機器人

PanSci_96
・2016/03/13 ・1780字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 553 ・八年級

本文由科技部補助,泛科學獨立製作

文/喻守謙 | 台灣數位文化協會

在1966上映的電影《聯合縮小軍》中,劇情講述一群科學家透過高科技將自己縮小,乘著飛船進入人體中進行治療的冒險故事。雖然電影年代久遠,許多鏡頭與畫面在今日看來有些荒唐,但仍能看出人們對迷你世界的想像與野心。時至今日,雖然我們還無法將人縮小,但在醫療領域,小到足以進入人體執行治療任務的技術已經不是科幻小說中的空想,而是正在實踐的理想。

機器人
讓微型機械進入體內治療。(圖片來源:Photo-Illustration: Dan Saelinger; Prop: Swell)

終極目標:實用醫療

過去十年,已經陸續出現各種研究成果,例如由公牛精子與細菌推進的微型機器人、如海星般遇熱能緊密關閉的顯微夾具、由藥丸包裹的可控制磁球、由胃酸驅動的馬達以及能夠在眼球玻璃體中前進的扇貝型微機械。

這些案例有些還躺在實驗室,有些則已經進入動物實驗,科學家們的終極目標則是投入實用醫療領域。期望這些技術能夠應用在放射性藥物針、清除血塊、組織篩檢、在支架上培養新細胞等等任務,醫界期望能夠在「及早預防」與「精準治療」兩個領域有所突破。

當然,夢想的路上還有許多障礙要克服。在微觀尺度下,科學家們必須重新思考機器人運作的方式。其中又以續航力與動力最為棘手。此外還必須確保這些微小裝置沒有毒性,以免傷及組織,並設計一套在任務完成後,安全分解或離開身體的方式。

如何維持續航力?

關於續航力的問題,微型化不利於傳統的化學電池技術,因為一旦物體小於一毫米,電池的容量就會急遽下降。其中一種替代方案是「無線電力傳輸」,透過無線電波獲取電力,從體外進行發電。但這種做法仍須面對微型化挑戰,因為機器人需要有能夠接收電波的天線,且天線不能太小,同時也要確保電源與裝置的距離不能太遠,避免收不到信號。

此外,也有團隊研製出不帶有電源與天線的「變形細菌芯片」。在芯片兩端有兩個電極,當芯片遇到胃酸變形時,電極便會結合並透過化學作用獲取5~10分鐘的短暫電力。在這期間,裝置本身可以有足夠的電力來發送一組識別碼到肌膚表層的接收器上。

找到持續推進的動力

面對續航力的限制,工程師勢必要尋找新的途徑來讓裝置得到推進的動力,才能到達身體內的目的地。其中一個選擇是透過微型的化學火箭,經由特定反應對象獲取能量,例如胃酸。研究人員也正積極探索生物技術,例如藉由在組織間游動的細菌、或是隨著特定分子的濃度變化信號而前進。

在某些情況下,也可能不需要任何能量載體。約翰霍普金斯大學的大衛格拉西亞斯(David Gracias)與其同事,已經開發出一種星型的微型鉗,能對環境因素產生反應,例如溫度、pH值、或是特定酶的濃度。偵測範圍在直線距離500微米以內,當偵測溫度靠近人的體溫時,微型鉗就會關閉。只要擺放的位置得當,微型鉗便能採集周遭的組織,進行篩檢。微型鉗的應用,可提供慢性腸道疾病患者一種新的篩檢選擇。

格拉西亞斯表示,患者可以透過「服用」大量的微型鉗,讓裝置直接抵達腸道,增加篩檢取樣的面積。與之相對,醫生也能從直腸直接注入微型鉗,稍後再經由患者的糞便回收採樣結果。

精準投放的困難

胃腸道系統相較於其他器官,到達的門檻較低,且能搭配排遺回收裝置。但其他如眼、腦、血液等組織,前往正確位置的難度就高上許多,需要更為複雜的機械設計。

來自蘇黎世聯邦理工學院的布萊德利納爾遜(Bradley Nelson)正致力於視網膜的微型治療裝置。他表示,即使是能夠感應溫度和PH值的最先進微型機器人,都難以抗衡血液中強大的電流,因此這些裝置需要更好的「嚮導」。雖然納爾遜的團隊目前已經能讓攜帶藥物的裝置在視網膜中慢慢擴散,但最終僅有少數能到達患部。團隊希望能夠未來提高投放的精準度,進一步減低藥物的劑量,以減少副作用。

目前採用的解決方案,是在裝置外圍添加磁性材料,並透過核磁共振機器,引導裝置到達目的地,此舉已在動物實驗獲得成功,但納爾遜仍想尋找其他不需動用到巨型電磁鐵的方案。目前團隊除了摸索如何透過磁力線圈控制裝置運動所需的物理、數學機制,也開始研究大腸桿菌的鞭毛推進模式,希望將人工鞭毛技術結合到現有的裝置上。

(本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫-智慧生活與前沿科技科普知識教育推廣」執行團隊撰稿)

責任編輯:鄭國威
審校:陳妤寧


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試管嬰兒「非侵入性胚胎著床前染色體篩檢」,有效提升懷孕成功率

careonline_96
・2022/05/12 ・2484字 ・閱讀時間約 5 分鐘

「不孕症其實是文明病!」禾馨生殖醫學中心陳菁徽醫師指出,現在平均結婚的年紀遠比十幾、二十年前晚了七、八歲左右,隨著年紀越大,自然受孕也就越困難。根據統計,約有 15% 的夫妻會面臨不孕症,也就是每七對夫妻就有一對遭遇不孕的問題。

如果夫妻沒有避孕,卻長達一年無法自然受孕,即符合不孕症定義。究竟何時該尋求生殖醫學的協助呢?陳菁徽醫師表示,這需要依據備孕時的年齡來決定,如果是 35 歲以下,努力一年就該找醫師;如果是 35 至 39 歲之間,大概半年即可尋求協助;如果是 40 歲以上的女性,最好是一有備孕需求,就先諮詢醫師,預先進行基礎檢查,了解自身當下的生理功能狀態,再進一步擬定生育計畫。

父母染色體都正常,為何胚胎染色體會異常?

不孕的原因很多,除了功能異常與生殖系統相關疾病外,其中約有六成與染色體異常有關。陳菁徽醫師解釋,習慣性流產常發生於高齡夫妻,其中約有四成原因是因為胚胎染色體數量異常而造成流產,且流產機率隨著年齡上升。

聽到染色體異常,患者通常都會感到困惑,「為何夫妻的染色體都正常,卻會出現染色體數量異常的胚胎?」

這就要從減數分裂說起,人類在產生精子或卵子的時候,細胞會經過減數分裂的過程,從原本 46 條染色體分裂成 23 條,如此一來,當未來精子與卵子結合時,才會形成具有 46 條染色體的正常胚胎細胞。

陳菁徽醫師指出,染色體數量異常的原因,可能發生在產生精子或卵子的減數分裂時期,由於沒有正常分裂成 23 條染色體,所以受精後便會形成染色體數量異常的胚胎。這是在每個人體內都可能發生的狀況,而且隨著年齡增長,發生機率也越高。所以國健署規定,34 歲以上的孕婦,羊膜穿刺及染色體檢查是必要的檢查項目。

通常減數分裂異常的狀況,較常發生在女性身上,因為女生的卵子自出生之後,就已存放於卵巢中,而男性的精子則是可以不斷製造。陳菁徽醫師比喻說明,減數分裂的過程需要耗費能量,如同電池的蓄電力,當年紀越大,電池的電量越不足,而無法正確地把染色體平均分成兩半,以至於胚胎的染色體異常率,會隨著年紀節節上升。

為了預防胚胎染色體數量異常的問題,目前在生殖醫學方面,試管嬰兒已可運用胚胎著床前染色體篩檢 (PGS/PGT-A) 來提高懷孕成功的機率。

胚胎著床前染色體篩檢(PGS)有效提升懷孕率

試管嬰兒的過程為分別取出女性的卵子以及男性的精子,使其在體外受精並培養成健康的胚胎,再放回女性的子宮內,增加懷孕的機率。試管嬰兒成功的關鍵在於母體狀況是否良好、是否具有正常染色體數量,以及型態良好的胚胎。

陳菁徽醫師也提及,自然懷孕的成功率約 10% 至 15%,且會隨著年齡增長而下降;若能夠成功取卵並透過試管嬰兒療程的幫助,懷孕成功率可以增加至 4 成;若試管嬰兒療程再加上胚胎著床前染色體篩檢 (PGS/PGT-A),則可以將懷孕成功率進一步提升至大約 7 成。

「胚胎著床前染色體篩檢(PGS/PGT-A)」的過程為在受精卵培養至第五天,大約有 200 多個細胞時進行胚胎切片,資深專業胚胎師會在顯微鏡下,使用一根極細的玻璃針,小心取出胚胎外圍的數顆細胞來進行檢測。

陳菁徽醫師表示,胚胎切片取樣的是胚胎最外層的細胞,又稱為「滋養層細胞」,也就是將會發展成胎盤的部位,因此不會影響到未來發育成寶寶的「內細胞群」。

目前胚胎切片技術的發展已經相當成熟,但侵入性的切片取樣仍有約 1% 的耗損風險,主要與胚胎的發育狀況有關。因此,發育不佳的胚胎,並不適合使用胚胎切片進行胚胎著床前染色體篩檢。

替胚胎抽羊水,非侵入性胚胎著床前染色體篩檢(niPGS)

如果想要知道胚胎的染色體狀況,但又不想動到胚胎,有沒有什麼其他的方法呢?

隨著生殖醫學科技的進步,現在已有不需要侵入胚胎的染色體檢測技術,稱為非侵入性胚胎著床前染色體篩檢(niPGS/niPGT-A)。 

陳菁徽醫師也提到,因為胚胎在培養液裡生長的過程中,會不斷釋放出微量 DNA 到培養液中,所以我們只需要抽出培養液,取得微量 DNA,不需取用胚胎上任何細胞,此做法很像是在幫胚胎「抽羊水」,然而,培養液中的 DNA 量非常少,所以需要非常精密的技術來進行檢測。

非侵入性胚胎著床前染色體篩檢(niPGS/niPGT-A)是未來的趨勢,陳菁徽醫師說,對胚胎生長狀況較差的媽媽們來說,也是一大福音,更能廣泛使用於試管嬰兒療程的胚胎染色體篩檢,幫助醫師判斷並選擇最有潛力的胚胎進行植入,提升懷孕成功率。

貼心小提醒

陳菁徽醫師同時也分享,「我自己也是病人,一路走來,我能了解在做試管嬰兒的過程中,會很需要家人與醫護人員的支持,夫妻才可以共同渡過這一關。」

不孕症、習慣性流產常與胚胎染色體數量異常有關,目前有多項科技都已隨著生殖醫學的發展而誕生,包括胚胎著床前染色體篩檢(PGS/PGT-A)、胚胎切片,以及非侵入性胚胎著床前染色體篩檢 (niPGS/niPGT-A)等,所以在進行試管嬰兒療程的同時,更能夠協助醫師診斷以及提高懷孕率。

陳菁徽醫師也鼓勵,希望大家都可以互相支持,不要灰心、也不要失望,我們都會陪伴大家一起度過,迎接寶貝的到來!


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careonline_96
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