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2022 年 4 月回顧:Biophotonics主題月

「至若春和景明,波瀾不驚,上下天光,一碧萬頃」這是范仲淹想像的洞庭湖春景。歷代文人經常描摹山水景物,其中關鍵是光線,生物學家更經常使用光線觀察研究題材。去年春天(2022年4月),我們介紹了生物光學(biophotonics),於此冬去春來之際,最適合回顧這個前景光明的研究領域。

光線不僅可以用於觀察,如各式光學顯微鏡,也是傳遞能量的載體,可以用於產生能量、斷開鍵結,許多生物學家致力於高專一性的媒介,以達成特定目的。談到生物體內具專一性的分子,最容易讓人想到抗體,再搭配螢光,其應用早已成千上萬,例如幾年前我們報導過的晶格層光顯微術,美國加州大學 Eric Betzig團隊為其翹楚 。那麼,如果不靠任何抗體、染劑,我們又能看到什麼呢?中紅外光光熱顯微鏡(mid-infrared photothermal microscopy, MIP)能夠幫我們照見五蘊皆空,喔不,是照見病毒的化學組成,還可以照見蛋白質的動態變化!不同分子結構的吸收光譜相異,巨觀呈現的即是顏色,但測量吸收光譜要縮小到微米尺度,則變得相當困難。社員林鈺翔撰寫的小新聞介紹一項新的技術組合,結合共軛焦(confocal microscopy)、干涉式顯微鏡(interferometric microscopy)及 MIP 顯微鏡三者的特長,能夠直接觀測單一病毒顆粒的吸收光譜,因整顆病毒的化學組成造成吸收光譜相異,便能區分病毒的種類 [1]。社員張曉瑜則報導另一個充滿巧思的設計:紅外光的波長較長,能達到的解析度較低,倒不如使用紅外光加熱蛋白質,再以可見光觀察熱造成的折射變化。實驗證明,此技術能直接觀察活跳跳的神經細胞,看到囊泡運輸 [2]。

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另一個生物光學應用的領域則是治療,包含打打殺殺與促進修復。為了殺死細胞,通常需要先運送特定光敏分子到目標,如癌細胞,再使用光線激發,使這條路徑困難重重的阻礙包含:設計高專一性分子、運送光敏分子到目標。社員葉國掄介紹一款小型糖基底分子,SPiDER-killer-βGal,被細胞攝取之後,β-半乳糖苷酶(β-galactosidase)切斷糖苷鍵 [註1],釋放可光敏感的部分,照射綠光之後,便能產生毒性,且該分子還無法離開細胞[3]。社員游霈柔則介紹另一款較巨大的運輸系統。合成微胞(micelle)包覆著被嵌合的銅離子、兩款前驅物,整個微胞被細攝取之後,與還原劑麩胱甘肽(glutathione. [註2])反應生成亞銅離子,亞銅離子再催化前驅物生成毒性分子。因為癌細胞內的麩胱甘肽含量較高,使其較容易被毒害 [4]。更大一坨的分子也能運送光敏藥物,例如社員梁文張芷榕分別介紹蠶絲蛋白 [5]、紅血球凝膠(結構與血塊類似)[6]。添加聚多巴胺(polydopamine)奈米粒子的蠶絲蛋白,可以吸收紅外光,轉換成大量熱能,熱死固體骨腫瘤,並且蠶絲的生物相容性高,能填塞至組織內,作為再生的骨架。注射紅血球於皮下可以凝結成膠體,用近紅外光照射,會加熱、破壞膠體結構。這次凝膠搭載著TLR7 促效劑(Toll-like receptor 7 agonist),注射至小鼠皮下的腫瘤,照光後腫瘤開始縮小,小鼠體還能偵測到強烈的專一、非專一免疫訊號。以上就是科學家們研究如何跟 Uber Eat 一樣精準,直接遞送「鶴頂紅」到腫瘤家。

最後,兩篇小新聞探討光線促進修復,不僅修復傷口,還可以修復精神症狀。張智婷報導一款超薄有機發光二極體(OLED)貼片,直接貼在傷口上發出波長650 nm的光線,促進纖維母細胞遷移、修復傷口 [7]。劉姿婷分享雷射光照的應用,以808 nm的近紅外線雷射穿透皮膚、顱骨,照亮整個大腦,發現能夠治療甚至預防小鼠的創傷後壓力症候群(PTSD),避免情境記憶受損 [8]。或許哪天,一道潔白無瑕的光乍現,照亮研究生的心。

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註1:反應跟藍白篩(Blue white screen for cloning)使用的X-gal原理相同。

參考文獻:

  1. 看見病毒:高解析度共軛焦干涉式中紅外光光熱顯微鏡用以辨識和區別病毒
  2. 中紅外光譜光熱顯微鏡 : 一窺細胞內的動態變化
  3. 細胞界的破壞死光:光感物質選擇性的誘導細胞凋亡
  4. 光向癌細胞進攻:一條由 Cu(I) 催化的光動力療法實現途徑
  5. 以蠶為師──可用於光熱治療及組織修復的絲蛋白材料
  6. 抗癌新利器 — 紅血球凝膠於光免疫療法的應用
  7. 可穿戴式 OLED 光生物調節貼片應用於皮膚傷口癒合
  8. 精神疾病治療新曙光:光生物調節應用於預防創傷後壓力症候群

撰文|王振宇

審稿|劉姿婷

About the author

王振宇

王振宇

臺灣大學醫學系畢業後即到診所服務,開始當醫生半年內就遇到COVID-19疫情爆發。度過漫長的兩年,終於在2021年開始就讀加州大學爾灣分校,生態演化博士班。專長為分子演化、基因體結構、植物分類學。大學時期,第一的研究企劃由王震哲教授指導,研究臺灣紫背草屬植物的分類及雜交,第二個研究計畫由王弘毅老師指導,研究台灣淡水魚類的雜交及族群遺傳學。其他的興趣還包含園藝、攝影、製茶、陶瓷。
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