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從細胞分裂動作片中 王慧菁找出B肝致病機制——拜見科學界女力(四)

彭 琬馨
・2016/06/07 ・2719字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 525 ・七年級

俐落短髮、爽朗笑聲,榮獲 2016 年吳健雄傑出女科學家新秀獎的清華大學分子與細胞生物研究所副教授王慧菁,其實很「學生樣」,若非特別說明,要從學生群中認出她可得費一番功夫。

王慧菁2

對社會貢獻所學 研究聚焦 型肝炎

「我們發現 型肝炎病人的毛玻璃肝細胞(ground glass hepatocytes, GGH),若發生 preS2 突變,未來得到肝癌的機率也比較高」。

王慧菁笑著說,研究 肝完全是個意外。雖然家中沒有人得到這個疾病,但基於「科學家要做對大眾有益的事」的想法,進入成功大學微生物及免疫學研究所之後,王慧菁就跟著指導老師蘇益仁,在成大醫院的病理部實際觀察 B 肝病人的臨床病理檢驗。而「真實看到檢體」的經驗,也讓她的研究更貼近醫療現場,為患者著想。

被稱為國病的 型肝炎,其實是一種世界性疾病,只是較常見於亞洲、非洲、南歐、拉丁美洲等地。根據長年從事肝病研究的台大醫學院名譽教授許金川,從民國 85 年到 94 年、針對全國各縣市十六萬民眾的流行病學調查研究指出,民國 96 年時,台灣大約有 17.3% 的 肝帶原者(約 300 萬人),比例不算太低。由於過去研究已經證實,肝帶原者肝炎若持續發作,有 15~20% 會發展成肝硬化,最後導致肝癌,罹癌機率比非帶原者高上數十倍。

B型肝炎是一種世界性疾病,只是較常見於亞洲、非洲、南歐、拉丁美洲等地。圖/By below – CDC Travelers’ Health: Yellow Book Chapter 4 – Prevention of Specific Infectious Diseases: Hepatitis, Viral, Type B map based on http://i33.tinypic.com/mh37sx.png, CC BY-SA 3.0, wikipedia.

找出 肝致病機制 新藥設計對症下藥

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B型肝炎病毒。圖/CC0

這麼龐大的族群帶來健保沉重負擔,醫界卻還沒找出根治方法,只能透過干擾素或抗病毒藥物來抑制受感染的細胞反應。由於 型肝炎主要透過血液與體液感染,台灣在民國 73 年開始全面施打疫苗後,帶原者數量已經大幅下降。只是已經感染的病患卻因為沒有方法根治,終身都得跟病毒共處。

看見這個學術缺口,從研究所時就開始接觸 肝的王慧菁說,根治 肝病毒是這個領域科學家的最終夢想。她從研究中發現,肝病人肝臟中的毛玻璃肝細胞,基因若發生 preS2 蛋白突變,就會影響細胞有絲分裂,讓細胞不正常製造含有很多細胞核的突變細胞,這類細胞基因不穩定、往往就是癌細胞產生的前兆。

「我們希望可以找出被感染的細胞有什麼弱點、跟正常細胞有何不同,針對這個特性設計新藥」。

在有絲分裂過程中發生了什麼事?

所以有絲分裂是什麼?它又怎麼影響被 B 肝感染的肝細胞?

提到這個關鍵字,王慧菁眼睛一亮,彷彿開啟一道異世界之門。有絲分裂(mitosis)其實是指細胞分裂時將細胞核染色體分配到子核的過程,事實上細胞在進行分裂時,不單單只是將複製好的姊妹染色體粗暴的分開,其中需要許多調控機制的配合,才能確保細胞正確分離。

透過重重實驗王慧菁發現,細胞內的 PICH 蛋白會和拓撲酶(topoisomerase)一起作用,在拓樸酶剪斷姊妹染色體纏繞結構的過程中,PICH 蛋白會負責確認拓樸酶有剪斷所有 DNA,整個工作才算完成;換句話說,如果沒有 PICH 幫忙,姊妹染色體很容易在還沒完全剪斷前就被迫分開,損傷的 DNA 容易產生錯誤蛋白,而帶有 DNA 損傷的細胞「最後就很有可能成為癌細胞」,找到這個關鍵,等於找出細胞癌化的重要因子。

此外,因為癌細胞的新陳代謝與正常細胞不同,往往需要產生更多蛋白質來應付細胞所需,而熱休克蛋白是製造(摺疊)蛋白質的重要因子。王慧菁發現,被 B 肝病毒感染的毛玻璃肝細胞,需要很多熱休克蛋白、製造比一般正常細胞更多的蛋白質才能存活,一旦破壞這個平衡,細胞很快就會因為失去能量而死亡。

也就是說,只要「抑制熱休克蛋白,就能幫助清除被 型肝炎感染的細胞」,若能將目前進展到小鼠階段的實驗,推進到製作「能清除被 型肝炎感染細胞的新藥」,也許根治 B 肝就不會只是夢想,王慧菁這樣形容。

喜歡看細胞動作片 一頭栽進有絲分裂領域

修過生物基礎課程的人應該都知道,細胞有 90% 的時間都處在分裂的準備期(又稱為「間期」),只有進入有絲分裂時,才會真的「動起來」。相較於動也不動的細胞,王慧菁說自己超級喜歡看「細胞動作片」,這也是她在國家衛生研究院完成博士後研究、到德國馬普生化所研究時的意外發現。

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細胞有 90% 的時間都處在分裂的準備期(又稱為「間期 Interphase」),只有進入有絲分裂(Mitotic phase)時,才會真的「動起來」。圖/drs18@flickr, CC BY-NC-SA 2.0.

只不過像分子生物這種針對細胞間訊息傳遞的基礎研究,往往和臨床應用還有一大段距離,正因為如此,王慧菁時刻提醒自己,不管做得再認真「基礎研究的最終目的,還是希望幫助患者」。

採訪即將結束之際,王慧菁指著牆上一幅貓頭鷹畫像,笑著說這是帶她入門的恩師蘇益仁,送來祝賀她當選吳健雄傑出女科學家獎的賀禮,以整夜不睡覺、掛著厚重黑眼圈的貓頭鷹,代表老師眼中日以繼夜做研究的自己。

甫離開辦公室,我心裡想的是,用研究成果回饋社會,大概就是科學家最浪漫的事吧。

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彭 琬馨
32 篇文章 ・ 1 位粉絲
一路都念一類組,沒什麼理科頭腦,但喜歡問為什麼,喜歡默默觀察人,對生活中的事物窮追不捨。相信只要努力就會變好,相信科學是為了人而存在。 在這個記者被大多數人看不起的年代,努力做個對得起自己的記者。

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B 型肝炎病毒可能爆肝!新一代口服抗病毒藥物,逆轉肝硬化、降低致癌風險
careonline_96
・2023/07/25 ・2139字 ・閱讀時間約 4 分鐘

「醫師,這次的抽血報告還好嗎?」30 多歲的陳先生問。

「數值又進步了!」醫師翻開病歷說,「這次的血小板是 16 萬/UL,已經在正常範圍。」

「肝硬化的狀況呢?」陳先生問。

「肝臟也有漸漸改善喔。」

患者從小便是 B 型肝炎帶原,但都沒有追蹤治療。當初到門診檢查時,已進展到肝硬化。高雄長庚紀念醫院胃腸肝膽科主任洪肇宏醫師指出,正常的血小板濃度約 15 萬/UL 至 45 萬/UL,患者的血小板濃度只有 5 萬/UL,相當不理想。

經過討論後,患者開始接受 B 肝口服抗病毒藥物治療,口服抗病毒藥物能夠有效降低體內的病毒量。洪肇宏醫師說,經過長期治療後,我們能觀察到肝臟的狀況逐漸改善,血小板濃度也回復到正常範圍內。

「B 型肝炎帶原者一定要定期追蹤,及早接受治療。」洪肇宏醫師強調,「肝硬化是有機會逆轉的!」

肝病是台灣的國病,B 型肝炎是導致慢性肝炎的主要原因之一。洪肇宏醫師說,B 肝帶原者多數沒有症狀,必須抽血檢測才知道是否有 B 型肝炎帶原。過去,台灣有很多 B 型肝炎帶原者是經由母嬰傳染,也就是由媽媽傳給嬰兒。如果知道母親有 B 型肝炎的民眾特別需要去檢測,確認自己是否有 B 型肝炎帶原。

B 型肝炎病毒可能爆肝又致癌

B 型肝炎病毒在造成慢性肝炎的時候常常沒有明顯症狀,容易讓人輕忽。洪肇宏醫師說,部分患者可能出現倦怠、噁心、食慾不振、黃疸、茶色尿等症狀。如果出現猛爆性肝炎,會導致嚴重黃疸、肝腦病變,患者可能昏迷,甚至死亡。

長期發炎的肝臟會漸漸進展為肝硬化,洪肇宏醫師說,患者可能出現腹水、黃疸、凝血功能障礙、食道靜脈瘤出血、肝昏迷等狀況。

過去 B 型肝炎的治療是使用干擾素,採用皮下注射,副作用較多,效果也不甚理想。洪肇宏醫師說,目前大多使用 B 型肝炎口服抗病毒藥物,透過抑制病毒複製,有效降低血中的病毒量。

新一代 B 型肝炎抗病毒藥物採用口服,一天一顆,且不會受到飲食影響,可於飯前或飯後使用。此外,新一代 B 型肝炎抗病毒藥物較不受肝、腎功能影響,不須隨肝、腎功能調整劑量,便利性高。相較於干擾素類藥物,口服抗病毒藥的副作用較小。

接受治療時,請留意幾個重點。洪肇宏醫師提醒,第一個是要規則服藥、一天一顆,不可以任意改成兩天吃一顆或三天吃一顆,因為藥物濃度不穩定容易使病毒產生突變。

第二個是要規則追蹤,因為病毒可能產生抗藥性,所以在服藥期間,必須規則追蹤,若發現有抗藥性,便得更換藥物。第三個是在療程結束後,也要按時回診,因為 B 型肝炎病毒可能再復發,而有產生急性肝炎的可能性。

很多 B 型肝炎帶原者都有一些慢性疾病,例如糖尿病、高血壓等,洪肇宏醫師說,這些慢性病的藥物與口服抗病毒藥物大多沒有衝突,患者在使用口服抗病毒藥物時,也可以服用原來的藥物。因為新一代口服抗病毒藥物,不需要因為肝腎功能來調整劑量,對慢性病患者較為方便。

「在健保提供的療程結束後,患者一定要規則追蹤。」洪肇宏醫師說,「因為約 5% 患者會產生急性肝炎,約 1% 患者會產生猛爆性肝炎,必須提高警覺。如果擔心停藥後出現急性肝炎的風險,也可以選擇自費使用 B 肝口服抗病毒藥物,持續抑制 B 型肝炎病毒。」

接受 B 型肝炎口服抗病毒藥物治療雖然無法根治 B 型肝炎,但是長期接受口服抗病毒藥物治療,有助於改善肝臟的狀況,可望逆轉肝硬化,而且也能夠將低罹患肝癌的風險。

貼心小提醒

B 型肝炎會導致肝硬化,甚至肝癌,但是很多 B 型肝炎帶原者卻因為沒有明顯症狀,而容易忽略。洪肇宏醫師說,目前國健署有提供免費肝炎篩檢,45 歲至 79 歲民眾(原住民提早至 40 歲),都可以接受一次 B 型、C 型肝炎篩檢。如果不知道自己是否有 B 型肝炎帶原,請趕快至醫療院所篩檢。

目前的口服抗病毒藥物已可有效抑制 B 型肝炎病毒,請務必把握治療時機!

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國中會考即將放榜!自然科時事閱讀題該如何破解?
Student.PanSci_96
・2023/06/07 ・1300字 ・閱讀時間約 2 分鐘

從各種大考的考古題中,我們都能發現「時事」在自然科的重要性,在 108 課綱中,又更強調閱讀素養,重視課程知識與生活概念的結合,可想而知,社會上發生的各種重大事件都有可能融入成為考題。今年(112 年)的國中教育會考,自然科的考題中就拿了三年前的一則真實事件當作考題(圖一),讓學生進行判讀!

(圖一) 112 年國中教育會考自然科第 40 題。圖/台灣師範大學心測中心

這個事件發生在 2020 年三月,俄羅斯一名網紅舉辦泳池生日趴,將 25 公斤的乾冰直接倒入泳池製造氣氛,結果不幸釀成 3 死的意外。這則新聞在社會大眾眼裡可能只是個不幸的意外,但是在自然科教師的眼裡,卻是同學們需要了解的知識,更是個出考卷的絕佳考題(只是沒想到隔了三年才考出來)。

科學生的閱讀任務裡面,搭配八年級上學期的文章「國中理化告訴你:為什麼不該在派對上,將 25 公斤乾冰丟泳池?」(圖二),就針對這個事件做了介紹與科學原理的分析:乾冰的升華、大量二氧化碳對於人體的危害作用機制等,等於同時用理化與生物課程的角度來對事件進行簡單、國中生能夠理解的介紹。

(圖二) 以時事中所含的科學概念來出題,是大考的重要方向。圖/科學生部分截取

雖然這次的考題主要概念,是希望同學們根據空氣的組成成分來進行分析。但如果能對這個事件更有熟悉感,也了解生活時事大概會用哪種方式融入考題,相信碰到類似題型時,就更容易輕鬆作答啦!

今年(112年)的國中教育會考,自然科的考題裡面,由第 43、44 題構成的題組(圖三),設計上包括較長的題幹敘述、圖片與表格,顯然是要考驗學生的閱讀與圖表判讀。主題內容則是兩個嶄新時事議題的結合──燕麥奶和碳排放。

(圖三)112 年國中教育會考自然科第 43、44 題。圖/台灣師範大學心測中心

第 43 題的考點出自於七上的營養,第 44 題則考跟生物、理化、地科都有點關聯的碳排放,這出題方向相當符合 108 課綱所強調的,學生所學的知識概念必須能夠跨科進行統整。

相比之下,43 題只要記得糖會分解成醣,而蛋白質會分解成胺基酸,就能回答;但 44 題碳排放的概念,同學們可能熟悉度較低。幸好,只要讀懂圖表,也看懂題幹沒有被繞暈(問固定碳排量下能生產的量,所以是碳排最低的杏仁奶生產量最多),還是能夠回答。

延伸閱讀:燕麥奶為什麼這麼好喝?如牛奶般微甜、絲滑的口感是怎麼來的?——解析燕麥奶的加工原理

在科學生的閱讀任務裡面,也提供了許多最新時事與課程結合的閱讀練習,例如:題組中的燕麥奶與碳排放議題。透過練習,可以降低同學們對陌生內容、長篇文章的恐懼感,並且逐漸了解科學文章的構成,而能更快抓住文內的重點。

想要進一步了解更多內容的話,閱讀任務內也有連結可以直通 PanSci 泛科學的原文。透過科學生的閱讀練習,訓練了素養能力,更提升了會考成績。

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Student.PanSci_96
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由 PanSci 泛科學 X 南一書局 X 科學月刊 聯手打造:《科學生》科普閱讀素養線上學習平台,集結三大教育品牌的堅實陣容,提供搭配國中課程的科普文章及試題,增進孩子對科學知識的理解,掌握最新的科學脈動,逐步培養科學素養!

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最安全的核電廠?小型核電廠 SMR 用發電量換安全性,遇到停電也不怕?
PanSci_96
・2023/06/03 ・2582字 ・閱讀時間約 5 分鐘

隨著核電廠陸續退役,台灣也逐漸邁向零核家園,郭台銘突然提出的「一縣市一核電」把核能議題的熱度重新炒到高峰。

雖然看似激進,但有人認為如果是郭董提到的「小型核電廠 SMR」的話,或許就有可能。這個 SMR 到底是什麼?它安全嗎?再者,它真的是核電的未來嗎?

實際上已經有人成功運行小型核電廠,並且已經併網發電了,他們是怎麼做到的?

小型核電廠是什麼?

台灣現在僅存,還在運作的核電廠就是核三廠,核三有兩部機組,每個機組的發電量大約為 950MW。

小型核電廠正式的名稱是「小型模組化反應爐」SMR(Small Modular Reactor),發電量通常在 20~300 MW,比一般核電廠小上許多。還有甚至更小,發電量 1~20 MW 的 MMR(Micro Modular Reactor)的反應爐。

奇怪,發電量怎麼越發展越小了呢?這樣不就得要蓋更多核電廠?

小型核電廠的特點就是小發電量,因為這能創造三個優點:安全、造價便宜、易組裝。

核能那麼危險,為什麼還要用?

這三個優點實際上就是現在核電發展的最大瓶頸。核能發電也已經有 60 年歷史了,但至今全世界的發電量中,核電也只佔大約 10%。最大的問題不外乎就是安全性、造價昂貴和建造時間久。

就算撇除安全性,漫長的建設時間與昂貴的發電成本,是讓許多電力公司卻步的原因之一。根據能源研究公司 BNEF(彭博新能源財經)的調查,從 2009 年到 2021 年,12 年間核能的建設成本增加了 36%;加上核電廠動輒 5~10 年的建設時間,就算核能是屬於低碳排的發電方式,大家也都更傾向選擇發展成熟的再生能源。

核能有一個最大的優點,那就是穩定持續發電。太陽能與風力這些再生能源容易隨天氣與時間影響發電量,反之核能屬於基載電力,本來就與風力、太陽能定位不同。

太陽能與風力等再生能源易隨天氣與時間影響發電。圖/Envato Elements

小型核電廠如何克服安全性?

要好要快也要便宜,除了穩定與低碳,還想要兼顧安全跟造價低的核電,小型核電廠真的是那個完美的選擇嗎?

小型核電廠 SMR 主打的特點就是一個字,小!只要夠小、功率降低,反應爐就不會一口氣釋放太多的熱,甚至能免除外部冷卻設備,靠自然循環降溫。

福島核電廠發生意外的主因就是海嘯破壞了核電廠中做為緊急電源設備的發電機與電池,導致冷卻系統失效,最後反應爐內的溫度無法抑制、不斷竄高,將水分解成了易燃的氫氣,產生爆炸。

如果 SMR 的反應爐可以撇除對外部冷卻系統的依賴,靠自己就能降溫,就能最大程度避免發生爆炸以及爐心熔毀的事故。

我們以目前 SMR 發展最成熟的美國公司 NuScale 為例,在他們發展的 60MW 反應爐中,含有 37 個燃料束,整個反應爐高約 17.8 公尺,直徑約 3 公尺。這個大小甚至可以在工廠製造,透過貨車或火車運送至預定地再快速組裝起來,大幅減少建造的時間與成本。

NuScale 把水循環系統都包在了反應爐,一次冷卻劑藉由熱對流上下循環,完全不需要幫浦,減少停電時產生的風險,一次冷卻劑的熱則會傳給二次冷卻劑,讓二次冷卻劑變為蒸氣推動渦輪發電。

如果真的遇上斷電事故,反應爐也有緊急冷卻系統,直接將整個反應爐泡在大水槽中;根據計算,水會在 30 天後完全蒸發,而此時的反應爐功率已經降低為原本的 4% 以下,只要靠空氣循環就能穩定溫度。

福島第一核電廠事故主因是由於海嘯破壞了做為緊急電源設備的發電機與電池。圖/維基百科

中國的小型核電廠是怎麼做到的?

而現在,在中國已經有第一座陸上 SMR 併到電網了!2021 年年底,中國山東省「石島灣高溫氣冷堆核電站示範工程」正式併網發電,發電功率 200MW,雖然發電廠的總體積不小,但以它的發電功率及主打安全的設計,是實實在在的一座 SMR。

所謂的「高溫氣冷堆」,指的是流經燃料棒,充當冷卻劑與熱交換的材料,所使用氣體如:氦氣。與壓水式反應爐用水作為冷卻劑的最大差別在於不僅熱轉換效率更好,也不用擔心水因高溫氣化而有爆炸風險,故可承受更高的反應溫度。

比起傳統反應爐,高溫氣冷堆可以用更少的鈾 -235 進行反應,也就是能在燃料棒中有更多的鈾 -238 可以在溫度飆高時吸收掉多餘中子,加上高溫氣冷堆本身就能承受高溫的特性,如果真的遇到失去電力的情況,整個反應堆的溫度,也會穩定在 1600℃ 上下。

除此之外,石島灣核電廠的設計十分有趣,是球狀反應爐。在如同沙漏般的大反應爐中,燃料棒被做成了一顆顆直徑約 6.7 公分的燃料球,兩萬七千顆燃料球像沙漏中的沙子一般填充在反應爐內。

鈾燃料會被包裹在球狀構造的中心,外頭則是作為中子減速劑的石磨;作為冷卻劑的高溫氦氣會從球的中間通過帶走熱量,燃料球可從下方取出,並從上方填充。

不過,高溫氣冷堆能否成功,還需要許多時間觀察,例如石磨包裹的燃料球是否容易摩擦造成破裂,都是需要進一步注意的。

燃料棒被做成直徑約 6.7 公分的燃料球。圖/PanSci YouTube

小型核電廠的未來?

除了中國外,各國也都在發展不同形式的 SMR,甚至有人在發展功率 20MW 以下的微型核子反應爐 MMR。例如美國愛達荷國家實驗室正在建造的 MARVEL 反應爐,以及核能公司 Radiant,它們正在打造貨櫃大小、可以隨拉隨走的 MMR,希望能取代社區停電時使用的高污染柴油緊急發電機。

不論是小型還是微型核電廠,除了技術還有待發展,成本是否能壓低,也是個重要指標。當然,還有另一個大魔王,就是核廢料問題,還等著被解決。

根據研究推算,NuClear 各種機型每單位能量產生的核廢料可能會是傳統核電廠的 5.5~30 倍不等,球狀反應堆的體積因為球狀包裹物的設計,核廢料的體積也是明顯可見的變大,而這些核廢料的處置問題也是全球都在面對的問題。

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