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奈米分子壩讓低濃度分子聚集起來 快速檢測疾病

彭 琬馨
・2016/05/21 ・1704字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 585 ・九年級

如何在癌症發生初期掌握病情、及早介入治療,一直是醫界和科學界努力的目標,只是在各種癌症發生原因還不完全明朗的情況下,想達到這個目標簡直難上加難!

中研院物理研究所研究員周家復帶領研究團隊,在 2013 年研發「奈米分子壩」技術,能利用簡單的晶片快篩,有效快速縮短癌症篩檢的時間、提高篩檢精準度。三年後,這個技術研發更成熟了,周家復說,「我們已經能將技術實際應用在攝護腺癌標誌分子、神經胜肽分子、皮質醇的檢測,如果通過臨床標本試驗,預計最快五到十年可以開始廣泛應用」。

絕緣體外加電場 分離正負電荷分子

奈米分子壩其實是一個相當複雜的技術,要解釋得先從晶片本身的材料「絕緣體」說起。由於絕緣體若外加電場,本身電子因為被原子核束縛得很緊,沒辦法大幅移動,只能在原子附近小幅位移,最後原子本身的正負電荷分離、形成電偶極矩,這個現象被稱為「介電質的極化」,這些電偶極矩也會產生電場,在外加電場越大的情況下,正負電荷分離會越明顯。

Dielectric_model
介電質極化示意圖。圖/Public Domain, wikipedia.

分子濃度不高 也能快速聚集!

中研院研究團隊利用絕緣體的這個特性,將矽晶或石英玻璃當作材料,製作奈米流通道,其中關鍵的隘口設計只有數十奈米大小。

這有什麼優點?絕緣體有了外加電場、會產生正負電荷分離的特性,讓研究員可以透過外加電場、分離帶有正負電荷的分子;此外,調配液體濃度或種類,也能藉此操控游動其中的帶電微粒,讓不同帶電粒子依照某些特性在游動過程中分離開來。

奈米分子壩
奈米分子壩原理。圖/科技部記者會簡報

周家復設計的這個快篩晶片系統,主要透過高度聚焦電場,讓奈米流道在交直流電場下、利用分子介電反應產生的負介電泳排斥力,形成分子壩效應,這個效應會讓要檢測的蛋白質分子,快速大量聚集在隘口處。由於過去分子診斷在濃度低的檢測液體中,較難找到目標偵測物、需要耗費的時間也很長,分子壩技術的突破在於,能有效提高偵測物分子的區域濃度,相較傳統方式半小時才能蒐集足夠濃度的偵測物,晶片快篩系統靈敏許多,以攝護腺癌標誌分子 PSA 為例,晶片系統三十秒就能測出 1 pg/mL(每毫升一皮克),濃度是現在的千分之一。區域濃度提高的結果,能讓原先分子診斷技術中,難以偵測的生物標誌物(通常是生物分子,如 DNA 、蛋白質等)檢測成為可能。

醫生制定濃度標準 準確掌握罹癌時機

高濃度聚集要偵測的分子還不夠,接下來必須有生物辨識分子來分辨這些待測物、加上傳導器傳遞偵測完成的結果,整個流程才算成功。依據美國聯邦食品藥物管理局核定的臨床應用癌症標誌分子來看,只要有生物標誌物的癌症,都可以用這個技術檢測,只不過周家復強調,並非偵測到這些分子就表示罹患癌症,檢測到的物質達到什麼程度才算患病,需要由醫師進一步制定,「我們主要希望做出靈敏的快篩技術,讓第一線醫護人員能即時掌握病情、介入治療」。

分子壩晶片
奈米分子壩原理應用在生醫檢測器的設計。圖/科技部記者會簡報

生物標誌物主要透過找出某些病症與生物標記變化的相關性,藉此協助醫生診斷疾病、進行個體治療。雖然這是個具有相當研究歷史的領域,但在臨床上的應用其實還有許多努力空間。事實上,周家復研發的這項技術,不只能針對癌症偵測生物標記分子,也可以偵測神經胜肽分子,由於神經胜肽分子 NPY、OXA,有潛力作為飛行員身心狀態的檢測指標,未來這個晶片快篩技術,若能發展相關標準搭配檢測,在臨床應用上勢必能成為一大利器。


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Paxlovid能有效降低死亡風險嗎?COVID-19口服藥現況

台灣科技媒體中心_96
・2022/05/17 ・2421字 ・閱讀時間約 5 分鐘
示意圖/envato elements

今年四月台灣宣布將走向「重症清零,輕症管控」:非放任病毒肆虐式「與病毒共存」(living with covid-19) 的控管疫情策略。 若需要達到「重症清零,輕症管控」的目標,醫療人員的支援與 COVID-19 藥物的使用,將是關鍵手段,對於感染後容易導致重症的個案,也需要有抗病毒藥物來治療或預防惡化

目前有哪些治療新冠肺癌的藥物?

目前首度獲得美國 FDA 許可的抗新冠藥物「Remdesivir」 (瑞德西韋),是透過抑制病毒的 RNA 合成酶達到藥效。美國 FDA 更在近期批准,注射液劑型的 Remdesivir 適用於「出生 28 天及以上、至少 3 公斤」的嬰幼兒染疫患者,成為首款嬰幼兒的新冠療法

然而注射液劑型需要專業的打針技術,並非一般民眾可居家自行使用,因此抗新冠口服藥物的開發,各國一直都很重視。現行已通過美國 FDA 緊急使用授權(EUA)的抗新冠口服藥物,有輝瑞公司研發的「Paxlovid」,以及默克(或稱默沙東)公司研發的「Molnupiravir」(莫納皮拉韋)

而 Paxlovid 是由 Nirmatrelvir(奈瑪特韋)和 Ritonavir(利托那韋)兩種藥物所搭配使用,其中 Nirmatrelvir 主要作用是抑制新冠病毒的 Mpro 蛋白酶活性,進而干擾病毒的複製,達到抗病毒的效果。而 Ritonavir 則是能延長 Nirmatrelvir 在人體內的血中濃度,透過抑制人體內正常酵素 CYP3A4 酵素活性,避免 CYP3A4 快速將 Nirmatrelvir 代謝掉,而失去 Nirmatrelvir 該有的藥效。

這兩個藥物所構成的 Paxlovid 好像一對好夥伴互相協助,成為具有高效力的口服抗新冠藥物

Paxlovid 能有效降低死亡風險?

Paxlovid。圖/ Kches16414 , CC BY-SA 4.0

根據文獻指出,Paxlovid 能降低 COVID-19 感染後的 85-89% 住院或死亡風險,是目前對抗新冠肺炎最佳的選項之一。《新英格蘭醫學期刊》(NEJM)期刊於上個月發表最新 Paxlovid 臨床試驗的研究報告:「Oral Nirmatrelvir for High-Risk, Nonhospitalized Adults with Covid-19」證實,使用 Paxlovid 治療未施打疫苗且有症狀的 Covid-19 患者,能將 Covid-19 的重症風險降低 89%,且藥物的安全性在臨床上可接受,且沒有明顯的安全問題。

不過,此研究個案限於未施打疫苗者,而目前大多數人已經接種過新冠肺炎疫苗,情況略有不同。已有將此藥使用於已施打過疫苗者的研究正進行中,但若在未施打者有幫助,對於施打過疫苗而可能具有部分保護力的人,推測仍應會有治療效果,此研究是在症狀出現三天內給藥得到良好的效果,至於再晚一些時後才給藥,就沒有數據可參考。

但需要注意的是,有在服用其他藥物的患者(如:降血脂、抗腫瘤藥或神經精神藥物等),若服用 Paxlovid 會影響 CYP3A4 的作用,可能也會改變其他藥物的作用效果,若藥物在血中濃度無法被安全控制,往往對病情有負面的影響。因此服用 Paxlovid 需要有專業醫師的評估並開立處方簽才能使用,民眾無法自由服用

Paxlovid 需要有專業醫師的評估並開立處方簽。圖/envato elements

Molnupiravir 口服藥的表現又是如何?

病毒在複製的過程當中,往往需要大量的核糖核苷(ribonucleoside),作為合成新的病毒所需要的材料。而 Molnupiravir 口服藥,是一種「核糖核苷類似物」,也就是病毒在複製所需要的「冒牌」材料,透過這樣的方式干擾病毒的複製過程,進而阻止病毒的繁殖

Molnupiravir 不會像 Paxlovid 去影響到其他藥物在體內的作用,然而這些核糖核苷類似物在人體細胞進行複製的時候也會使用,所以可能具有誘導基因突變的風險

雖然一般來說,口服 Molnupiravir 的療程只有 5 天,在這樣的時間周期來說,對一般成人造成基因突變的風險是很低。但是,Molnupiravir 對於胎兒或哺乳中的嬰兒,風險就顯得高出許多。所以,Molnupiravir 在默克公司的官方網站有聲明,不建議孕婦及哺乳中的女性服用

此外,根據新英格蘭醫學期刊在今年三月的報告中,發現將 Molnupiravir 用於非住院的新冠患者治療中,僅僅將高危新冠患者的住院和死亡風險降低了 30%,低於早前估計的 50%。

Molnupiravir 不建議孕婦及哺乳中的女性服用。圖/envato elements

「老藥新用」的開發策略

環顧目前的抗新冠藥物,大都是利用「老藥新用」(drug repurposing)的藥物開發策略,才能在這麼短的時間達到如此的成就。「老藥」是指已被核准做為臨床使用的藥物,「新用」則是指由原來已核准的藥物中發現新的適應症用途或是新的用法。

老藥的好處就是其藥物臨床前的數據都已經被建立,其中包含藥理實驗、藥物動力學、代謝途徑、副作用等,這些數據對藥物開發相當重要。

在目前這些新冠藥物中,瑞德西韋一開始是用來開發對抗伊波拉病毒,而 Paxlovid 中的 Nirmatrelvir 原先用以治療愛滋病,此外 Molnupiravir 則是為了治療流感。這樣的成功經驗相信能提供政府與學者參考,期望台灣開發新冠藥物有亮眼的成績,也讓我們未來在對抗 COVID-19 疫情當中有更好的手段。

引用文獻

  1. Hammond, Jennifer, et al. “Oral nirmatrelvir for high-risk, nonhospitalized adults with COVID-19.” New England Journal of Medicine 386.15 (2022): 1397-1408.
  2. Coronavirus (COVID-19) Update: FDA Approves First COVID-19 Treatment for Young Children
  3. Coronavirus (COVID-19) Update: FDA Authorizes First Oral Antiviral for Treatment of COVID-19
  4.  Coronavirus (COVID-19) Update: FDA Authorizes Additional Oral Antiviral for Treatment of COVID-19 in Certain Adults
  5. Hammond, Jennifer, et al. “Oral nirmatrelvir for high-risk, nonhospitalized adults with COVID-19.” New England Journal of Medicine 386.15 (2022): 1397-1408.
  6. Cox, Robert M., Josef D. Wolf, and Richard K. Plemper. “Therapeutically administered ribonucleoside analogue MK-4482/EIDD-2801 blocks SARS-CoV-2 transmission in ferrets.” Nature microbiology 6.1 (2021): 11-18.
  7. Jayk Bernal, Angélica, et al. “Molnupiravir for oral treatment of Covid-19 in nonhospitalized patients.” New England Journal of Medicine 386.6 (2022): 509-520.

臨床試驗

  • EPIC-HR: Study of Oral PF-07321332/Ritonavir Compared With Placebo in Nonhospitalized High Risk Adults With COVID-19(NCT04960202

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