2016年02月18日 星期四 23:57:08

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people | 人物 2019年 Vol. 62

奈米仿生膜塗層 「活捉」腫瘤細胞

「癌細胞捕手」張瑛芝 跨域材料與生物學

撰文、攝影/彭梓涵

中央研究院基因體中心研究員張瑛芝,她成功開發出仿生膜塗層,能在數十億顆白血球中捕獲癌細胞,並且在過程中以「活捉」的方式,收集到腫瘤細胞,打破了CTC技術「靈敏度」、「活性」兩大緊箍咒,靈敏度領先國際大廠數十倍。

 人物_張英芝

 


10年前,液態生物檢體(Liquid Biopsy) 開始被作為臨床診斷,檢測患者血液、或其他如尿液、腦脊髓液等體液中的分子生物標記物。且隨著檢測儀器的靈敏度、精確度、深度提升,液態生物檢體的應用也越來越廣泛。

雖然有許多因素推動液態生物檢測的發展,但其中最主要因素是,與組織切片相比,特別是對於需要連續進行組織切片的患者來說,非侵入性的液態生物檢測改善了患者的體驗。

摩根大通的分析師也預測,液態生物檢體用於預測患者個體疾病的過程與治療,到2020年市場價值可能達到40~70億美元。其中,液態生物檢體應用於腫瘤癌症診斷及監測,發展前景又被最為看好。

 

活捉腫瘤細胞

一般而言,腫瘤液態生物檢體大致上可分為3個範疇,包含游離DNA (Circulating Cell Free DNA, cfDAN)或是循環腫瘤DNA (Circulating Tumor DNA, ctDNA)、循環腫瘤細胞(Circulating Tumor Cell, CTC)、循環胞外體(Circulating Exosomes)或循環胞外泌體(Circulating Extracellular Vesicles )。

目前用於癌症患者的液態生物檢體評估,最早、也是最高度發展的技術是循環腫瘤細胞的分析。循環腫瘤細胞是指,從原位腫瘤分離並透過血流或淋巴系統轉移到身體其他部位的細胞,患者透過血液中腫瘤檢測與計數,以了解腫瘤訊息與治療反應的變化。

然而,要從血液中有效分離腫瘤細胞,並不是一件容易的事,首先要從106~108個白血球中找到1~10個腫瘤細胞,加上患者可能為含量極少的早期階段,使捕捉腫瘤細胞具有很大挑戰性。

不過,中央研究院基因體中心研究員張瑛芝,同時也是美國史丹福大學化學工程系及陽明大學生化暨分子生物研究所兼任教授 ,她成功開發出仿生膜塗層,能在數十億顆白血球中捕獲癌細胞,並且在過程中以「活捉」的方式,收集到腫瘤細胞,靈敏度是國際大藥廠的數十倍。

 

材料與生物跨界交織

臺大化工系畢業的張瑛芝,回想高中志願填選,原本喜歡生物學的她,因為以學校考量為優先,轉而選取了化工第二志願–臺大化工研究所畢業後,又繼續申請進入史丹福大學攻讀化學工程博士。

在史丹福大學攻讀化學工程博士期間,張瑛芝從事自組裝單層膜(Self-Assembling Monolayer)技術的研究,當時她的指導教授知道她很喜歡生物,於是讓她進行以多肽(Polypeptide)在矽基板上組裝成單層膜的基礎研究。

博士班畢業後,她也很快被延攬進入當時知名的半導體記憶體大廠工作。「我的第一份工作,是從事硬碟機濺鍍(Coating),」這是一個技術層面很高、也是很多人羨慕的好工作,但張瑛芝可不這麼認為,「我對這個工作沒有熱情,甚至覺得對人類健康沒有貢獻。」

此時,正逢工業邁向3.0,奈米科技(Nanotechnology)一詞出現,她發現,奈米科技其實跟她做的研究是相關的。

張瑛芝掩不住興奮地說:「你知道嗎?這其實就像是多肽在矽基板上的組裝,當時學的技術除了可用在濺鍍外,還可以應用在很多地方。」

因此,張瑛芝決定回去學校做博士後研究,並且選擇Affymetrix公司在史丹福大學的實驗室。Affymetrix是第一個將半導體技術應用在生物上,並且開出發基因晶片(Gene Chip)的公司。

張瑛芝在此發揮了跨領域的專長,她從生化奈米材料和應用出發,將DNA當作一個普通高分子,透過材料優化使DNA在高密度下植入晶片中,並且最大化螢光訊號以利電腦分析其呈色結果。

 

科學研究必須跳過現在,想到更遠

她也表示,Affymetrix就像一個儲備人才庫,孕育許多後來與生物技術、基因晶片以及NGS定序平台如Illumina、Ion Torrent相關的開發人才,這些人才從Affymetrix離開後,都在這個領域開枝散葉。

結束博士後研究的她,順利到美國加州大學爾灣(Irvine)分校擔任化學工程與材料科學系的助理教授。

然而,就在Irvine任教期間,張瑛芝收到了人生中的第一封律師信函,來信者竟是Affymetrix,要求她不能再做跟過去相關的研究。

張瑛芝只好開始思考新的研究方向。她也認為,「若再次投入基因晶片的研究,已經慢了!即使當時基因晶片還在發展階段,但大廠已爭相投入,就算有新的想法或技術,也很難超越Affymetrix以及說服使用者。」

張瑛芝進一步表示,「在學界做科學研究,必須跳過現在,要能想到更遠,」於是,她將晶片應用從基因組層面轉向細胞層面。

她透過蛋白、寡核苷酸、寡糖和脂質等了解生物分子的特性與功能機制,進而以材料的原理,開發智慧型、功能性生化有機、無機奈米組織的應用界面。

其中之一,就是應用在循環腫瘤細胞及幹細胞的純化分離。

她先從細胞與奈米材料相互作用開始,設計出能讓幹細胞的增生、分化以及從原代細胞中分離出幹細胞的材料。

2003年,中央研究院成立基因體中心,她在當時院長李遠哲邀請下,於2005年回臺任職於基因體中心。

 

>>本文節錄自《環球生技月刊》Vol 62

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