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圖 新聞投稿
2015-04-02
腦神經研究技術:從免疫檢測到腦磁圖造影
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師大光電科技研究所講座教授洪姮娥(右三)與副教授謝振傑(左三)、廖書賢(左一),和台灣大學醫學院醫師邱銘章(右一)、台大物理系教授楊鴻昌(右二)、磁量生技公司總經理楊謝樂(左二)等人共同組成團隊,從磁性生醫技術切入,開發腦神經研究全新技術,涵蓋免疫檢測技術到腦磁圖造影技術,對腦疾病與認知進行全方位探索。
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阿茲海默症檢驗技術比較 (洪教授團隊開發的磁減免疫檢測技術僅需安全、簡易抽血 vs 坊間免疫檢測技術必須危險抽脊髓液)
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眼動儀與腦磁圖儀結合,同步結合眼動資訊與大腦活化訊息。

從血清篩檢到高靈敏度感測腦波 對腦疾病與認知進行全方位探索

師大光電所研發磁減量免疫檢測 一窺奈米世界 可透過血液檢體篩檢阿茲海默症 技術領先全球唯一

【公共事務中心胡世澤報導】國立臺灣師範大學光電科技研究所洪姮娥講座教授帶領謝振傑、廖書賢兩位副教授,長年從事磁性生醫技術,在邁向頂尖大學計畫的支持下,並與臺大醫院神經科邱銘章醫師團隊從事腦神經方面研究,開發技術涵蓋免疫檢測技術到腦磁圖造影技術,對腦疾病與認知進行全方位探索。

研究團隊所開發的磁減量免疫檢測技術,具高靈敏度與專一性,領先全球唯一,可透過血液檢體篩檢阿茲海默症,除能診斷出比早期的阿茲海默症更前一期的輕度知能障礙,準確率達85%以上,檢測時間約五小時,比目前臨床採脊髓液檢驗,不僅更簡單快速、準確度更高,也減少醫療風險,「在阿茲海默症體外診斷的成就,讓大家一窺奈米世界」,是近年臺灣奈米技術在全球發光的亮點技術之一,且該技術並已成功技轉生技廠商磁量生技公司,正在進行大規模的臨床測試。

今年獲得奧斯卡影後獎座的「我想念我自己」電影,改編自真人實事所撰寫的小說,描述這部電影的女主角愛麗絲赫蘭(Alice Howland),是知名的語言學家,聰慧又獨立,學術成就傲人,家庭幸福讓人豔羨。但年方50歲的她,卻被醫師診斷得了早發性且會遺傳的阿茲海默症,不僅得面對自己事業及生活能力逐步崩壞,她還因女兒也遺傳早發性失智症基因而心碎。

電影中,正值人生黃金期的語言學教授,因早發性阿茲海默症,人生從頂點回歸原點,從散發光采的自信女性,到最後無自主能力的失魂病患。事實上,阿茲海默症是老人失智症中的一種,屬於漸進性神經退化性疾病,通常和年齡老化有一定程度關係,但中壯年一樣有可能罹患與發病。

目前,此疾病在全球老年化社會中,成為一個重要健康問題甚至社會問題,在臺灣,大於65歲的人口中,有二至四成的發病人口。然而,此疾病至今仍無根治的方法,僅有治療或減緩症狀的藥物而已,所以「提早發現病發症狀,就可早期減緩症狀」,甚至去年最新的諾貝爾醫學獎和化學獎得主,都對研究阿茲海默症(或稱老人失智症)有貢獻,可見諾貝爾委員會對這種退化性疾病的重視。

(1)血清篩檢阿茲海默症技術

洪教授團隊所開發的磁減量免疫檢測技術,具高靈敏度與專一性,領先全球唯一可以血液檢體進行阿茲海默症篩檢,不必如目前臨床僅能冒醫療風險採脊髓液進行檢驗,為近年臺灣奈米技術的亮點技術之一。

除已發表多篇優質的論文,今年再度與臺大醫院神經科團隊共同發表的論文發表於Human Brain Mapping(IF:6.924)受到學界注目,更已完成技轉與產業化,由於該技術先進,並促成該技轉廠商吸引包含國發基金等的創投公司興趣投資。

並於中華民國103年11月12日~14日,受邀參加由奈米國家型科技計畫(NPNT)、智慧電子國家型科技計畫(NPIE)、國家型奈米產學橋接計畫及智慧電子產學橋接計畫4個國家型計畫辦公室所組的臺灣學界、業界聯合參展團,代表臺灣學界與新創技術產業,赴德國杜塞道夫國際醫療展(MEDICA)暨國際醫療零組件及原料展(ComPaMED)會議參展。德國杜塞道夫醫療展(MEDICA)展為為全球最大、最具代表性的專業醫療器材展會,每年吸引全球十幾萬人次參訪,有些國家更是產官學包團看展覽,只為窺視未來醫療器材發展趨勢,尋找代理、未來合作的對象。ComPaMED展則為以科技產品為主軸,包含各式生醫與醫療原料與高度精密感應器發表會。此次臺灣團參展增加國際知名度與曝光度,並提高我國醫療及醫電研發成果之國際知名度,增進跨國技術交流與合作,提升產出之成果於國際展覽中之能見度,以建立臺灣醫療產業的國際地位,提升臺灣醫療及醫電科技之整體形象,最終可望促成臺灣醫療及醫電國際廠商交流與合作。

洪教授團隊磁減量免疫檢測技術,與坊間免疫檢測技術差別,將可以檢測阿茲海默症的生物探針,不接螢光呈色劑,批覆在奈米級大小的磁性奈米粒子上(比一般鐵粉小數百萬倍)。因此臨床上酵素連結免疫吸附的疫檢測技術,易受到血液檢體中因其他干擾物(如紅血球破裂的血紅素、膽黃素、脂質)等存在而影響光學檢測,因此檢測過程需要繁複的人工清洗這些干擾物。而該磁減量免疫檢測技術則以交流磁場使磁性奈米粒子轉動,將磁性奈米粒子上的生物探針,即使沾黏不是要檢驗的抗原也可以離心力方式甩離,所以完全不需要任何人工清洗,在檢測上大量縮小檢測時間與人力成本,並達到檢測性能的高專一性。

而洪教授團隊更領先全球於超導量子干涉儀技術,開發許多磁性生醫的檢測儀器,應用於磁減量免疫檢測技術的平臺,更具有比質譜儀更高的靈敏度(10-4 ppt),因此對於阿茲海默症的檢測可以領先全球,唯一可以檢測血液中極低濃度的指標蛋白,因為腦部發生阿茲海默症等腦神經病變時,該疾病的指標蛋白會大量出現於腦脊髓液中,而自神經系統透過好多擴散機制到血液中時濃度極低。而超導量子干涉儀具有極高的磁感測靈敏度,洪教授團隊深耕於超導量子干涉儀領域,從感測器製作到應用的系統自行開發,因此不僅開發應用於磁減量免疫檢測的超導量子干涉儀平臺,更長年與臺大醫院內科吳造中醫師團隊、神經科邱銘章醫師團隊分別從事利用超導量子干涉儀進行心磁圖(全臺唯一)、腦磁圖的臨床研究。因為目前臨床對於心臟、腦波的量測皆以量測電壓的方式,檢測上不僅不方便,在靈敏度等許多性能上有所不足。而電、磁訊號相伴情況下,以量測這些生理磁場具有量測更輕鬆、且許多性能上都優於目前臨床的心電圖、腦電圖檢測技術,因此已在許多德國、日本等先進國家都將超導量子干涉儀為基的心磁圖、腦磁圖納入健康檢查的終極武器。因洪教授團隊於超導量子干涉儀領域技術居於全球學界領先地位,並與許多國際該領域重要的研究中心長期密切合作,如已與韓國國家標準及科學研究院(Korea Research Institute of Standards and Science)已簽訂MOU,與德國尤利希研究中心(Forschungszentrum Jülich GmbH)將於2015 年與本校簽訂MOU。

由於洪教授團隊於磁性奈米流體、超導量子干涉儀技術領先全球,因此開發出全球唯一『血清篩檢阿茲海默症』,並長期來與臺大醫院等醫師團隊合作,使得研究成果得以於臨床證實,並深耕於產業界多年,成功將該技術技轉,促成國發基金等創頭公司對技轉公司溢注大量資金。技轉廠商獲此技術後也積極與北、中、南數家醫院進行臨床測試,近期將獲歐盟CE、美國FDA等認證。而洪教授團隊對於生技產業的積極協助有佳績,更於2013年獲頒奈米科技貢獻獎。

(2)整合腦磁圖儀與高速眼動儀進行大腦認知研究

洪教授團隊打造全臺唯一搭配高速眼動儀的腦磁圖儀(Magnetoencephalography, MEG)。腦磁圖儀為現今最為靈敏與人性化的腦波檢測儀器,磁場敏感度可達10-15特斯拉,可以檢測大腦約105~106個神經元活化所產生的微小磁場且同時具有高達1毫秒的時間解析度,能檢測瞬間的大腦活動反應。此外腦磁圖儀空間解析度達3毫米,亦能提供精確的大腦神經活化定位訊息,為現今腦波檢測工具中唯一同時具有高時間解析度以及高空間解析度的檢測工具。腦磁圖儀為最為舒適的腦波檢測工具,受測者僅需坐在腦磁圖儀下方即可進行腦波檢測。相對於其他大腦影像工具,如腦電波儀需要於頭皮施打導電膠、正子攝影需要使用顯影劑、功能性磁振造影有聲音噪音等。腦磁圖儀提供受測者相當友善的量測環境,非常適合進行認知功能研究。洪教授團隊深耕於超導量子干涉儀(Superconducting Quantum Interference Device, SQUID)領域與韓國國家標準及科學研究院(Korea Research Institute of Standards and Science)合作,於臺師大大腦科學應用研究中心架設128通道的全腦腦磁圖儀,能準確並同時記錄全腦的腦波訊號,提供大腦科學研究學者一個量測平臺,深化大腦科學認知研究。

眼動儀是一種紀錄眼球位置與運動資訊進而得知受測者觀看圖片或影像時,眼球注視位置的即時記錄工具,已被廣泛應用於視覺系統、心理學、認知與科學學習的研究中。在臺灣部分腦磁圖儀系統亦具有眼動儀,但分辨率僅為50/60赫茲,相較於腦磁圖儀的時間解析度1毫秒,眼動儀解析度過差,往往僅能做為受測者眨眼偵測使用。臺師大腦磁圖儀具有全臺唯一高時間分辨率且腦磁圖儀相容的眼動儀系統,時間分辨率可達1 毫秒。

Fig. 6 與腦磁圖儀相同的高速眼動儀系統。

透過視覺實驗的設計,眼動儀系統可配合腦磁圖儀量測時,同步紀錄受測者在認知實驗中,視覺的觀看歷程,有助於研究者了解受測者在進行認知實驗中的行為歷程。搭配高時間解析度與高空間解析度的腦磁波儀,能同步紀錄大腦活動的反應訊號,經由後續的數據處理能同時呈現眼球軌跡與大腦活化的動態資訊。將認知神經科學的研究從顯露於外的行為研究,進一步深入到蘊藏於內的大腦活化研究。

本大腦科學應用研究中心,除打造全臺最先進的認知研究設備,目前也服務臺師大音樂、體育、教育、心理等數個特色的研究團隊、與臺大醫院等校外學術單位等不同領域利用本中心資源進行廣泛的研究議題。除了研究服務,此外並促成臺師大校內老師爭取相關的科技部研究計畫與產學研究計畫,及積極推動國際化,舉辦相關國際研討會,如2013東亞超導電子學會議、2014臺日磁性生醫會議,並拓展本中心研究議題能與國際學術合作,如日本慶應大學(Keio University)、東京電機大學(Tokyo Denki University)、韓國國家標準及科學研究院(Korea Research Institute of Standards and Science)、德國尤利希研究中心(Forschungszentrum Jülich GmbH)的腦磁圖研究群密切合作進行腦磁圖技術研究。因此本大腦科學應用研究中心,透過腦磁造影與眼動儀的結合技術,將藝文、教育、體育、科教認知與大腦活動結合,凸顯臺師大特色,並推動臺師大邁向全球頂尖大學行列。

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