生物科技：微陣列生物科技
93/09/07
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張雅芳｜
陽明大學放射醫學科學研究所
黃正仲｜
陽明大學放射醫學科學研究所
挑戰基因與蛋白質
繼桃莉羊所引起的複製風潮之後，「人類基因體計畫」可說是近幾年來最受矚目的生物科技項目。在人類基因完成定序之前，對於生物體基因的研究，長期受限於每次只能做單一基因或蛋白質的研究方式。然而大多數的生物反應或疾病卻牽涉到數十個基因同時作用或交互調控，因此基因體序列解碼帶給基礎醫學研究很大的進展。
雖然有了基因序列的資訊，我們卻仍然無法完全掌握這些基因表現製造出來的蛋白質；其所應具備的結構與分子功能，它們存在於細胞中的位置，以及所扮演特定生物調控與反應的路徑，甚至跟疾病致病機轉之間的關係，這些問題目前均尚未得到有意義的解答。因此，生物學家需要發展高通量的實驗技術，用以同時測量成千上萬的基因表現，這也就是所謂的蛋白質晶片與蛋白質體學間的互動。由於生物晶片具有體積小、操作方便、高產量的特性，可以用來檢測多個基因及基因產物在生物體中的表現變化，因此這項技術已被公認為二十一世紀最強大的分析工具之一。
組成DNA的生物分子
去氧核醣核酸（deoxyribonucleic acid, DNA）是負責遺傳的主要分子，由Ａ（adenine，腺嘌呤）、Ｔ（thymine，胸腺嘧啶）、Ｃ（cytosine，胞嘧啶）、Ｇ（guanine，鳥糞嘌呤）四個基本鹼基單位、五碳醣及磷酸根所組成。一條DNA上的鹼基Ａ，只會與另一條DNA上的鹼基Ｔ配對，鹼基Ｃ只會與鹼基Ｇ配對，因此DNA雙股是互補的關係。生物體內的遺傳訊息均儲存在DNA分子中，細胞藉著轉錄過程，將儲存在DNA中的遺傳訊息轉成mRNA，mRNA再利用轉譯過程，製造出相關的蛋白質。而在生物細胞中，蛋白質才是最終具有生化反應及新陳代謝功能的分子。
指甲大的實驗室
廣義上，生物晶片是指將與生物有關的分子，如基因、蛋白質、碳水化合物或細胞組織等，利用微面積、高密度的技術，精確地點製在玻璃、矽片、塑膠等材質上。依植入晶片物質的不同，可以分成兩大類：基因晶片與蛋白質晶片。
欲了解生物體某些基因的表現情形，可把已知序列的單股DNA分子，或稱為DNA探針，先固定在玻璃片或其他固體上，另一段未知且有興趣的DNA片段，稱為標的DNA，則標定上螢光物質。標的DNA與探針DNA進行雜交反應後，即可藉著雷射光的激發來偵測基因的表現結果。因此，若是某個腫瘤組織樣本的DNA可與晶片上帶有AATGC的探針結合，就可得知此腫瘤樣本的DNA帶有TTACG的序列。
從植入晶片上的探針DNA不同，基因晶片大致可分成兩類：（1）cDNA晶片：利用反轉錄方式所產生的互補DNA，以精密儀器布放至尼龍薄膜或玻璃載玻片上。每段互補DNA的代表性片段約在數百至兩千多鹼基配對（base pairs, bp）。（2）寡核酸（oligonucleotide）晶片：直接在晶片上合成寡核酸，或依傳統方法合成寡核酸後再將之點至尼龍薄膜或玻璃載玻片上，每段寡核酸約有數十個核酸。這兩類生物晶片性質不同，適用於不同的基因體研究，並且擴展了生物晶片應用的範圍。 在微陣列晶片系統上，不論是製作cDNA或寡核酸晶片，都各有其生產技術上的瓶頸存在。
cDNA 晶片微系統需耗費許多時間於前置作業，例如打點之前需先確認探針DNA的序列，然後加以複製放大，外加繁瑣的操作程序，而且是針對大片段的基因雜交結合，因此偵測敏感度較低，但其最大優點是成本較低。至於寡核酸晶片系統，由於只採用一小段高專一性的寡核酸當探針，因此與標的 DNA的專一性結合較高，因此偵測敏感度較cDNA晶片為高，但由於技術層面門檻較高，而且價格高昂，因而降低了這種方式的普及性。
最早研發的生物晶片是基因晶片或基因微陣列，可偵測細胞中mRNA濃度或量的變化程度，但是真正影響細胞生理狀態的是蛋白質。有別於mRNA層次，蛋白質需經過轉譯後修飾及功能任務分派。如此多樣化的蛋白質資訊，加上成熟蛋白質間或蛋白質與其他小分子／藥物／巨分子間的交互作用，縱使利用傳統的分子生物學研究方法，也無法同時偵測整個細胞中所有蛋白質的功能及變化情形，因此蛋白質晶片若能與cDNA晶片或寡核酸晶片交互為用，在整個生物科技的研究發展及應用上，是非常重要的。
至於蛋白質晶片，是以蛋白質、抗原或是抗體當作生物探針，固定在晶片上，藉著抗原與抗體之間的專一性質，來檢測特定蛋白質。例如，可以用來檢驗某些疾病中特殊抗原抗體的濃度，作為疾病的診斷依據。它的原理是先把第一重抗體固定在晶片表面上，然後加入含抗原的待測物與這個第一重抗體結合，接著再加入第二重抗體，與抗體－抗原的結合物結合。由於第二重抗體的一端已先固定特定酵素，當特定受質加入時，受質就會被這個結合物末端的酵素所催化，而釋放出或轉換成有色產物，再利用顯色的方式，就可以測量出待測物中所含抗原的濃度。因此，把這種方式運用到晶片上，就可以測出檢體中是否含有可與晶片上抗體結合的抗原了。
生物晶片功能多變
微小化並能快速大量的處理樣品是生物晶片的最大優點，目前應用生物晶片的領域很廣，例如：基因表現、癌症分類、新藥開發、疾病檢驗、食品生技、農業發展等。
基因表現 研究人員藉由測定樣本中不同mRNA的濃度，可得出基因的表現形態。一般而言，細胞製造越多的mRNA，也就會產生越多與之對應的蛋白質，所以樣本中各種mRNA的含量，可間接反應蛋白質的種類及數量。例如，我們想了解正常細胞與乳癌細胞的基因表現有何不同時，可從正常細胞與乳癌細胞中分別抽取出mRNA，再利用反轉錄酉每製造互補DNA（cDNA），並在正常細胞的cDNA上標定綠色螢光，乳癌細胞的cDNA上則標上紅色螢光。將兩種cDNA混合後加在同一晶片上，與晶片上的DNA進行雜交反應，由此可知哪些基因在乳癌細胞中大量表現。
癌症分類 傳統病理學家依腫瘤的形態學加以分類，這種分類方法對於某些組織，其病理形態相似，但病程和癒後迥異的癌症並無法有效區分。由於生物晶片的進步，科學家現在可利用生物晶片來分類癌症，同時也讓我們對於腫瘤形成的分子機制的研究，有了一項非常犀利好用的工具。例如二○○三年《美國病理學期刊》（American Journal of Pathology）中，希金（Higgins）等人利用生物晶片來區分腎細胞癌。由於腎細胞癌有數種不同種類，若以傳統的病理學與臨床表現為依據，常常不能有效區別，作者以cDNA晶片技術的研究結果顯示，不同的腫瘤形態，其基因表現有所不同，所以能加以區分。
新藥開發 開發新藥的策略，一般是找到和疾病有直接關係的細胞標的物，通常是蛋白質，然後再篩選能抑制或競爭此蛋白質的分子。過去要從病理或癌症組織內找到一個具有關連性的蛋白質，往往需要消耗許多人力及物力且曠日廢時，但是蛋白質晶片的發展可以克服這方面的困難，而且可以同時找出數個與疾病相關的蛋白質來。例如：從蛋白質晶片上分析得知，Her-2／neu蛋白質在乳癌細胞中會大量表現，因此我們可以設計抑制Her-2／neu表現的分子，加速發展治療疾病的新藥物。此外，人體往往因免疫系統失常，會產生傷害到自身的發炎反應，而發炎反應與介白素－2有密切相關，所以若能藉著生物晶片，找出免疫系統的白血球裡有哪些基因產生的蛋白質與介白素－2有相同升降反應的趨勢時，該基因所製造的蛋白質應可作為抗發炎反應的有效標的。
疾病檢驗 以肺癌為例，肺癌是最具腫瘤性的疾病之一。臨床上肺癌的診斷往往已屬晚期，因此直至目前為止，並無有效的治療方案，所以任何有助於肺癌診斷或預後發展的，也將有助於肺癌的治療。分析不同種類組織病理的肺癌細胞時，會有不同的蛋白質表現圖譜。因此利用蛋白質晶片技術可有效地鑑定出新的腫瘤標誌。另一個例子是腎臟癌，人類的腎臟癌是比較少見的癌症，其中源自於近端腎小管上皮細胞的腎細胞癌大約占成人惡性腫瘤的3％。如同許多實質性腫瘤一樣，腎細胞癌發現時均屬癌症末期，已接近外科手術難以治癒的階段，並且沒有適當的腫瘤標記可以參考。不過在研究腎臟癌的病理組織時，發現有些蛋白質的表現在腎癌細胞中會消失，雖然還沒有發現特定的標誌蛋白質，不過還有許多可能與這種癌症的生成有關的蛋白質仍待鑑定。
食品生技 最近數年生技產業的突飛猛進，受到人類基因體計畫成功的激勵很大。以農業為例，目前全世界最熱門的基因轉殖食物，就是一個例子。基因轉殖食品包括基因轉殖微生物、糧食作物及家畜等。目前在食品領域中，利用基因轉殖微生物進行生產酵素、胺基酸、維生素、香料及色素等食品添加劑已相當成熟。而在基因轉殖農作物上，已有商業化生產的抗除草劑及抗病蟲害的基因轉殖作物，目前的研究則朝向育種以改變作物的營養成分為主，例如：金米，是一種富含胡蘿蔔素的稻米。這些食品生技上的成就雖然斐然，但由於基因轉殖食物在食品安全及生態環境上具有爭議性，科學家想要利用生物晶片在偵測技術上的突破，來觀察基因表現是否改變，判定轉殖作物是否有危險性，以符合食品安全的要求。
二十一世紀最重要的研究工具
目前的醫學技術，常常要等到疾病已經成形，才能做出診斷與治療。也因此，大部分的病患被發現時，其病灶已經相當嚴重，而此時所做的治療相對地也較困難，治癒機會也較低。雖然臨床上已經應用許多先進的診斷儀器，諸如磁振造影（magnetic resonance imaging, MRI），正子放射斷層造影（positron emission tomography, PET）等，然而這些儀器的解析度，大約只能達到0.5～1厘米，對於分子層面的變異並無法有效地深入探討，特別是對於分子醫學所亟需的分子影像資訊。
利用生物晶片，我們可以同時觀察上百種甚至上千種基因或蛋白質的表現，並從中挑選出有意義的基因或蛋白質，製造早期生物標誌，或報導基因，並以報導探針與之結合，再配合分子醫學影像，不僅可提供細胞的生理途徑及疾病成因，也使得正常或腫瘤細胞的基因表現可以經由分子影像表現出來。另也可藉由DNA晶片技術，大量地快速尋找標的基因，並發展出基因探針，或所謂的報導基因（reporter gene）來建立分子影像。
因此，藉著分子醫學的幫助，我們可以診斷及偵測疾病的分子層面病變，提供一個完全不一樣的醫療照顧。在可預見的將來，疾病的起始治療將可提前至疾病剛剛萌芽的分子階段，而不會像現在，等到組織病變已長大成形，才開始治療，因而喪失治療的先機，這將會是臨床醫療上的一次重大革命。而生物晶片無疑地將在二十一世紀成為最重要的生物醫學研究工具。
磁（共）振造影 一九四六年，普塞爾（Edward Pucell）和布拉克（Felix Block）這兩位科學家分別發表有關核磁共振（nuclear magnetic resonance）的論文，並且因而共同獲得一九五二年的諾貝爾物理獎。他們的發現不僅對物理和化學界的研究有重要的影響，更促成現代醫學影像學的突破性進展——也就是磁振造影（magnetic resonance imaging, MRI）的出現。事實上，人體橫斷面的磁振影像，是在一九七七年才首次成功發展出來的，又經歷十多年的研究、改進，磁振造影才成為現代醫學影像的重要診斷利器。
磁振造影不同於一般的Ｘ光攝影或電腦斷層，它並不是利用X光來形成影像。其成像原理簡單來說是利用原子「核」自轉及在「磁」場中「共振」的現象及特性，經由電磁波來形成影像的。物質的基本單位是原子，而原子內有原子核及電子。身體是由很多原子所組成，在正常情形體內的原子核的自轉沒有一定方向。若將人體放入一個靜磁場內，原子核便如小磁棒般，變成相同方向排列並且自轉，如給予垂直於靜磁場方向的無線電波，原子核會吸收能量而改變方向。當無線電波關閉後，原子會恢復原來排列狀態，並釋出所吸收的能量，此時還原的過程中會放出電磁波，而經由接收器收集及電腦分析後就可得到一幅磁振影像圖。不同於Ｘ光檢查和電腦斷層掃描，磁振造影可看清楚體內的軟組織和水分多寡。例如，MRI可以看到病人從最外層皮膚到脊椎內神經層次分明的構造，而這些神經組織、水、骨骼、肌肉、脂肪在電腦斷層掃描的影像中是混成一片無法分辨的。MRI影像的清晰度是電腦斷層的20倍。
MRI的問世也窺探許多從前不詳的腦部問題，如多發性硬化症病人的腦神經末端髓鞘質病變，或是大腦皮質發育異常等。科技發展的結果，也讓MRI可以捕捉不斷移動的瞬間影像。以前的MRI就像不夠迅速的攝影快門，照了一個正在跑步的選手，相片洗出來卻是模糊不清，現在的MRI已經解決原本如心跳、呼吸、腸子蠕動造成的假影。目前的MRI不只克服假影的困擾，捕捉血流的正常與否，也可了解是否有血管阻塞、血管瘤或是血管畸形的問題。例如，阻塞性中風的範圍，在第一時間只有MRI能即時偵測，甚至預測後續的可能發展，電腦斷層則要等上數小時或一兩天。MRI不只沒有游離輻射的問題，有時為了加強訊號對比，必須注入病人體內的對比劑，也遠比電腦斷層的對比劑更安全，這是MRI最值得推薦的兩個特點。雖然沒有游離輻射，但數萬倍於地球磁場的磁力對人體是否有害？至目前為止，並沒有任何研究發現MRI對人體有害。然而，除非必要或無其他方式可供使用，懷孕初期的婦女也應避免MRI檢查。
雖然看似萬夫莫敵，碰到骨頭，MRI可就沒輒了，因為骨頭在影片上是一片漆黑。若是要看如鈣化或是如外傷產生的骨碎片，仍是需要用電腦斷層。不過，專家們皆表示，有時也可利用缺點，例如骨頭部分因為不顯示訊號，所以呈現黑色，一旦顯示訊號就是異常，就知道有問題了。如常見的肺癌轉移至脊椎的偵測，就非常倚賴MRI這樣的特點。MRI仍不斷改良，除加強功能外，也朝向令病人感覺舒適的方向發展，如加寬隧道的寬度避免閉鎖恐懼症，或是減低噪音，甚至讓病人可以一邊做一邊聽音樂或看電影。此外，由於醫學造影的三大工具，電腦斷層掃描（CT）儀、磁振造影（MRI）儀，正子放射斷層造影（PET）儀，各有各的長處。CT和MRI看結構上的異常，而PET則是檢查功能方面的問題。因此，科學家正努力將這些優點結合。
正子放射斷層造影（positron emission tomography, PET） PET是近幾年來核子醫學中一門發展相當快速且嶄新的影像診斷技術。其基本原理乃是利用正子衰變同位素標示藥物注入體內，當釋放的正子遇到細胞的電子時產生「互毀反應」，形成一對方向相反的511 K電子伏特的加瑪射線，經正子放射造影儀測得後，再經電腦運算重組出影像，並綜合血液中正子放射物濃度的變化，即可獲得功能圖像及各種功能參數，諸如腦葡萄醣代謝率、心肌脂肪酸的代謝等，藉以了解該放射性追蹤劑在人體內的分布狀況或新陳代謝是否異常。
正子放射造影的追蹤劑利用的正子放射核種，主要有碳-11、氮-13、氧-15及氟-18，半衰期由2分鐘到110分鐘不等，可標幟到葡萄糖、氨基酸、水等可參與人體代謝的化合物，卻不致改變化合物的生物反應特性，因此是極其優異的追蹤劑。PET 所使用的核子醫學藥劑多屬具有高度專一性的生命基質或其衍生物的標化物，可以針對特定組織或器官，以定量的方式測定其單位體積內的放射性濃度，藉以了解該特定組織或器官對特定藥劑的代謝情形，進而探討出疾病的致病機轉，因此，PET所能提供的是有關人體中特定組織或器官的生理、生化和代謝活動方面的資訊，以及解剖結構的相對位置。
由於絕大多數人類疾病在發生初期，其生理、生化和代謝活動方面的變化皆在解剖結構變化之先，使PET能在疾病初期便精確地提供多方面定性與定量的資訊。PET是屬於三度空間的造影掃描，所得影像為包含立體及三個斷層切面的影像，其影像品質與解析度皆優於一般核子醫學掃描。
