跳到主要內容

科技大觀園商標

分類項目
Menu

人體囊泡「胞外體」 蘊藏失智症的祕密

109/11/24 瀏覽次數 292

(圖/Cassi Josh,Unsplash)(圖/Cassi Josh,Unsplash)

 

人體內無論好細胞或是癌細胞,為了傳遞信息都會吐出胞外體。試著將台北市區當作是人體,城市裡的各個建築物就像是不同的器官。要從大樓移動到大樓間,可以靠計程車代步,而一台又一台的計程車,就像是胞外體,運送建築物之間的人和物品。

 
胞外體結構示意圖(圖/吳佳慶教授提供)胞外體結構示意圖(圖/吳佳慶教授提供)

 

胞外體直徑是頭髮的千分之一

 

胞外體有多小?如果站在台北101的頂樓往下看,計程車只是一個又一個黃色小點,想看清楚計程車的車牌、型號,得走到一樓才行。以實際尺寸來看,胞外體的直徑落在50到200奈米左右。大概多小?一根頭髮的直徑是200微米,胞外體的直徑約是一根頭髮的千分之一。

 

1983年生化學家Rose Mamelak Johnstone在研究鐵如何進入成熟紅血球細胞時發現,未成熟的紅血球—網狀紅血球,在轉變為成熟紅血球時,會遺失一種「鐵結合蛋白」(iron-binding protein)。

 

Johnstone進一步在綿羊的紅血球細胞中發現一種全新的囊泡結構,她稱此為胞外體。網狀紅血球可以藉由胞外體,將鐵結合蛋白帶離細胞,促進紅血球的成熟。在當時,醫學界認為胞外體只是細胞的垃圾袋,收納人體細胞吐出的廢棄碎片。

 

在胞外體被正式命名的30年後,美國學者謝克曼(Randy Schekman)、羅斯曼(James Rothman)和德國學者居德霍夫(Thomas Südhof)因為解開胞外體的運輸秘密,一舉拿下2013年諾貝爾生理醫學獎。微小的囊泡,自此有了不凡成就。

 

胞外體偵測技術,最開始被用在癌症的精準醫療。吳佳慶解釋,胞外體就像是癌細胞的先遣部隊,病患雖然已經移除癌細胞、進行化療,但它的胞外體仍在持續吐出致癌因子。目前醫學上透過分析癌細胞胞外體的生物因子,來預測病程發展以及治療方式。

 

醫學家以胞外體來研究失智症

 

既然能透過胞外體來預測癌症發展,吳佳慶便把腦子動到失智症上:胞外體是不是也能拿來研究失智症呢?因為根據最新研究(註1註2),阿茲海默症病患的大腦所分泌的胞外體,會與β類澱粉蛋白結合,並在腦細胞間傳遞,形成更多類澱粉蛋白斑塊,導致病情惡化!

 

要實現這樣的願景,要先解決如何抓取胞外體的問題。吳佳慶解釋,血液裡的胞外體都是藉由高速離心或是分子檢測試劑去抓取。但這兩種方式都有局限性,第一種需要大量的血液、臨床檢體來檢測,第二種則是靈敏度不高。

 

抓取出的細胞還要純化出研究所需的胞外體,來進行病變的分析。吳佳慶舉例,假設10c.c.的血液可以抓取1000顆胞外體,其中有200顆是失智症細胞所製造的,該如何找到這200顆胞外體,就是現階段技術所要解決的核心。

 

吳佳慶的團隊運用台灣的半導體製程專業,製作奈米級晶片來抓取胞外體。他解釋,目前生醫微晶片有兩種抓取胞外體的方式,一種是將血液打入晶片中,直接抓取,但這種方式抓取到的胞外體純度較低。因此團隊更進一步,抓取到胞外體後,再透過晶片純化成不同尺寸的胞外體,以提高純度。

 

抓到想要的胞外體,就可以立刻解開失智症的祕密嗎?還漏了「檢測」這一步。吳佳慶的團隊用半導體技術製作出與腦部微血管相同尺寸的微流道,並在其上打出幾個蛋白質孔洞,當純化出的胞外體流過,就會被捕捉在圓圈之中。就像是彈珠台,過濾不同大小、型態的胞外體,被捕捉的胞外體就能進行下一步的檢測。

 

以癌症病患為例,患者的的胞外體可能帶有特殊的生物標記(抗原),因此吳佳慶團隊在晶片上製作可以辨識抗原並抓住胞外體的蛋白質,用來抓取特定的胞外體。(圖/吳佳慶提供)以癌症病患為例,患者的的胞外體可能帶有特殊的生物標記(抗原),因此吳佳慶團隊在晶片上製作可以辨識抗原並抓住胞外體的蛋白質,用來抓取特定的胞外體。(圖/吳佳慶提供)

 

用液體電子顯微鏡觀察胞外體

 

胞外體這麼迷你,該如何檢測?一種是運用乾式電子顯微鏡,第二種則是冷凍電子顯微鏡。乾式電子顯微鏡需要把樣本乾燥,但胞外體是由細胞吐出來的物質,就如同小水滴。吳佳慶形容,乾式顯微鏡下的胞外體就像是平底鍋上煮到乾的水滴,只能看見乾燥的輪廓。這樣的觀測方式雖然已用了十幾年,但科學家近年發現有偏誤存在,因為胞外體乾燥後,形狀與特性都改變了。

 

 

乾式(左)、冷凍(中)、液體(右)處理的胞外體在電子顯微鏡下的型態。左圖與中圖為黑色素瘤細胞所分泌的胞外,右圖則是人類臍靜脈內皮細胞所分泌的胞外體。(圖/吳佳慶提供,資料來源:Raposo, G., and Stoorvogel, W. Extracellular vesicles: exosomes, microvesicles, and friends. J Cell Biol 200, 373-383, 2013.)乾式(左)、冷凍(中)、液體(右)處理的胞外體在電子顯微鏡下的型態。左圖與中圖為黑色素瘤細胞所分泌的胞外,右圖則是人類臍靜脈內皮細胞所分泌的胞外體。(圖/吳佳慶提供,資料來源:Raposo, G., and Stoorvogel, W. Extracellular vesicles: exosomes, microvesicles, and friends. J Cell Biol 200, 373-383, 2013.)

 

 

後來開發出來的冷凍電子顯微鏡,則是把胞外體包在水中冷凍,切薄片後放在電子顯微鏡下觀測。但因為胞外體已被固定在冰中,所以不會流動,不是生理狀態下的胞外體,因此看到的影像也不一定準確。

 

台灣的胞外體觀測,則是運用液體電子顯微鏡,純化出來的胞外體密封在液體樣品槽中,用電子顯微鏡就可以看見胞外體在液體中漂流的樣貌。

 

建立胞外體資料庫助攻細胞療法

 

目前團隊希望能夠知道「為何運動可以預防失智症?」除了運動促進心血管循環,吳佳慶正在研究,是否因為運動時肌肉會產生多一些胞外體,而好的胞外體流經腦部可活化腦細胞,有效預防失智。

 

但胞外體的好壞、是否有致病基因仍然無法判斷,其中的差異關鍵是在胞外體的基因與蛋白質。目前團隊希望能夠提升純化以及分析的技術,建立胞外體的資料庫,不只是失智症、癌症,更希望能普及到往後的細胞療法。

 

註1:Edgar, J.R. Q&A: What are exosomes, exactly? BMC Biol 14, 46, 2016.

註2:Lim, C.Z.J., Zhang, Y., Chen, Y., Zhao, H.T., Stephenson, M.C., Ho, N.R.Y., Chen, Y., Chung, J., Reilhac, A., Loh, T.P., Chen, C.L.H., and Shao, H.L. Subtyping of circulating exosome-bound amyloid beta reflects brain plaque deposition. Nature Communications 10, 2019.

 
參考資料
創用 CC 授權條款 姓名標示─非商業性─禁止改作

本著作係採用 創用 CC 姓名標示─非商業性─禁止改作 3.0 台灣 授權條款 授權.

本授權條款允許使用者重製、散布、傳輸著作,但不得為商業目的之使用,亦不得修改該著作。 使用時必須按照著作人指定的方式表彰其姓名。
閱讀授權標章授權條款法律文字

OPEN
回頂部