Author: 韋文曦

血液檢測癌症不再是夢

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source: pixabay

 

根據衞生署的統計,癌症是香港人主要死因的第一位,過去五年香港平均接近一萬四千多人死於惡性腫瘤,且有上升的趨勢。隨著醫療科技的進步,現在已有不少的方法診斷癌症,例如大腸鏡便是一種常見診斷大腸癌的檢查,乳房X光造影檢查和子宮頸細胞檢驗分別能及早發現乳房和子宮頸細胞變異等。醫生也可能從病人身上抽取腫瘤組織進行化驗,但這種方法有一定的入侵性,在技術上也較繁複。問題是,可否能以無創性或創傷性較低的方法檢測體內是否有腫瘤存在,好讓普羅大眾能較容易發現腫瘤並能及早治療?

血液活檢 (liquid biopsy) 的原理是癌症的細胞帶有突變的DNA,當這些帶有突變DNA的細胞死亡後,便在血液釋放出這些突變DNA。這些在血液中的腫瘤DNA名為 ctDNA (circulating tumor DNA)。簡單來說,如果有一個方法能在血液裡準確地找出這些突變的ctDNA,我們便可以知道某個人是否有癌症。

最近,美國約翰霍普金斯大學 (John Hopkins University) 硏究團隊發表了文章,探索在血液裡測試早期癌症的可能性。他們首先篩選58個與癌症有關的基因,然後抽取健康人士與確診早期癌症病人的血液,並對血液進行DNA深度測序 (DNA deep sequencing)。由於腫瘤突變的DNA數量很少,要找出這些DNA並不容易,但有電腦的幫助便能把血液中的DNA排列出來。情況就好像把一幅數以百萬計的拼圖重組,然後在拼圖中找出那麼一個黑點。而團隊所發明的DNA深度測序方法,更可把測序錯誤從3百萬個鹼基 (DNA單位) 排列降低至少於1個鹼基的假陽性,即大大降低測序出錯的機率。

結果發現,在44個健康人士的血液中,並沒有發現任何與那58個癌症有關的基因突變。但在200個大腸癌、乳癌、肺癌和卵巢癌病人的血液樣本中,DNA含量是健康人士的4倍。而在大腸癌的樣本當中,第四期大腸癌的ctDNA含量是第一至三期癌症的ctDNA含量的3倍。

另外,團隊也比較了大腸癌的血液樣本中的腫瘤DNA含量和傳統腫瘤標記CEA指數。他們發現如果大腸癌樣本的CEA含量高於每毫升5納克(ng/ml),樣本同時也能測到ctDNA。而19個大腸癌樣本的CEA指數呈陰性或邊緣數值時,有13個含有ctDNA,說明血液DNA測序可能比CEA更準確。團隊也發現血液有高ctDNA的病人的病情發展較差,病人也有較低的存活率。最後,新技術測試第三至四期的癌症樣本的檢測率大概75%,而第一至二期癌症的檢測率則有62%。

團隊承認,技術仍然有很大的改善空間,例如需要提高早期癌症的檢測的敏感度。另外,檢測也需要進行大型臨床硏究。加上DNA深度測序這種技術在現階段仍然是較昂貴,要達到以上所描述的測序準確度,最少也要數千美元,這類測試因此暫未能普及。但隨著科技發展,相信DNA深度測序的成本有望在未來降低。

參考文章:

  1. Phallen et al. Direct detection of early stages cancer using circulating tumor DNA. (2017) DOI: 10.1126/scitranslmed.aan2415

 

 

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非洲小孩對愛滋病感染者治療的啟示 – 這是一場未完的戰爭

 

 

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Source: pixabay

 

Never give in, never give in, never, never, never, never….Winston Churchill

聯合國愛滋病計劃的數據顯示,世界上三千多萬的愛滋病感染者,有多於一半正在接受抗病毒藥物治療。在2010至2016年期間,新的愛滋病感染者個案下降16%,而因愛滋病死亡的人數也下降三成。主要原因是有效的預防計劃和措施,以及患者能及早得到適當的治療。

剛剛在巴黎舉行的2017國際愛滋病協會會議上,南非金山大學 (University of the Witwatersrand) 的Violari醫生發表了一項研究。硏究把感染了愛滋病病毒的嬰兒接受抗病毒藥物療程一段時間後分到兩組,其中一組在第40週停止接受抗病毒藥物,另一組則在第96週停止藥物。

臨床試驗中的一名南非小孩是其中一名參與試驗者,他在出生後第八週接受抗病毒藥物治療,病毒數量因此大幅下降,證明抗病毒藥物能有效抑制愛滋病病毒生長。其後小孩在第四十週停止接受藥物治療,期間定期檢查血液的病毒數量和免疫細胞反應。在之後八年半的觀察期,研究團隊發現這名小孩的血液中的病毒數量都維持極低水平,雖然他對愛滋病病毒有少量的免疫反應,但沒有出現發病跡象。

科學家認為基因或許能解釋這個特別的病例,但他們在小孩身上並沒有發現之前研究發表能有效抑制愛滋病病毒的基因特徵。因此對為甚麼這名非洲小孩能抵抗愛滋病病毒未有清楚的解釋。從技術的層面來看,這並不是完全消㓕了愛滋病病毒,但肯定的是病症得以緩解,而病者的免疫系統也能正常運作。

其實之前也有類似的病例,在2010年美國科學家發現的密西西比嬰兒(Mississippi baby)。這名女嬰在出生後30天便接受抗病毒藥物療程直至18個月大,但在停止藥物治療後的第27週,病毒數量便大幅增加。

另外,2015年發表另一項硏究結果,一名法國小孩在出生後三個月接受抗病毒藥物治療並停止療程約5至7年,其後的11年在沒有藥物治療的情況下也能控制病毒數量在低水平。

而今次發現的南非小孩個案,是第三個同類型個案。

當然,以上都是個別病例發現。科學家強調這是一個極罕有的病例,發表硏究的意思也絶不是叫一些從出世接受抗病毒藥物的愛滋病感染者停止療程,或治療愛滋病過程有甚麼捷徑。雖然這些病例對治療愛滋病嬰兒有一點啓示,但引伸的問題似乎也不少。為甚麼某些人能在停止藥物療程病毒數量仍然保持低水平,而其他人卻不能?這些病例的病毒複製機制和病者免疫系統之間的平衡又是怎樣?

即使科學家對愛滋病有前所未有的認識,但對抗愛滋病仍然是一場漫長而艱苦的戰爭。目前美國國家健康硏究院 (NIH) 正進行另一項臨床試驗,希望能驗證在48小時內給予感染愛滋病病毒的初生嬰兒抗病毒藥物治療一段時間後即使停藥也能有效抑制體內愛滋病病毒的假設。臨床試驗仍在進行中,預計在2017年底才會有第一個小孩停止接受抗病毒藥物治療。

 

參考文章:

  1. A. Violari, M. Cotton, et al. Viral and host characteristics of a child with perinatal HIV-1 following a prolonged period after ART cessation in the CHER trial. 9th IAS Conference on HIV Science, Paris, France.
  2. Science. What can science learn from a child who has controlled HIV without drugs for more than 8 years? 26 Jul 2017

五萬隻鳥蛋告訴你甚麼?(下)

 

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鳥蛋多樣性的進化模式 (Source: Stoddard et al. Science 356, 1249-54)

上集提到,科學家過去有很多理論,例如他們覺得鳥巢的種類、地點、或鳥蛋的數量等因素都和鳥蛋的形狀有關。但當Stoddard博士分析5萬隻鳥蛋的時候,發現以上的理論都未能完全地解釋整體數據。相反,他們發現鳥蛋形狀和另一個因素有很大的關聯。

這個因素便是雀鳥飛行的能力。

數據顯示,鳥蛋形狀和其大小,以及雀鳥的爪翅指數 (Hand-Wing Index, HWI ) 有關。爪翅指數計算雀鳥的翅膀長度和形狀,是一個能反映鳥類飛行能力的指標。越高爪翅指數的雀鳥,飛行能力便越强。

Stoddard博士推論,鳥蛋的形狀可能與牠們的飛行模式有關。有些雀鳥會長時間飛行,因此牠們擁有一個流線型的身體。由於體重較輕,牠們一般有較小的盆骨和輸卵管,即是說島蛋在鳥媽媽體內形成的時候不能過寬,而只有較長形及不對稱的鳥蛋形狀才能保持蛋的容量。

舉個例子,一些飛翔好手如普通海鴉 (Common Murre,海鳥的一種)和鷸 (Sandpipers,鷸蚌相爭的那種鳥) 的蛋都呈較長型和不對稱。另一方面,一些傾向飛短程和甚少離開自己地盤的雀鳥如東美鳴角鴞 (Eastern screech owls,貓頭鷹的一種),牠們的蛋則呈球體形狀。較大型的雀鳥如鴕鳥的蛋也傾向球形。有趣的是,科學家發現不會飛的企鵝所產的蛋反而是傾向不對稱。他們解釋,儘管企鵝不會飛,牠們卻是非比尋常的游泳高手,流線型的企鵝身驅即使在沒有飛行的情況下或許都能影響企鵝蛋的進化。

總括來說,這項研究提供了一個鳥蛋形狀進化的合理解釋,同時亦推翻了之前鳥蛋形狀的推論。

Stoddard博士在最新一期《科學》發表的報告說,自物種從3億6千萬年前從水裡走到陸上繁衍,物種在地上的發展相比在水裡是一個很大的轉變。蛋的形成,包括蛋黃、薄膜、氣室、以及鈣化的殼,就像是一種專門的設計去適應新的環境。

五萬隻鳥蛋的故事告訴我們,即使遇到一些普通如一隻鳥蛋那樣熟悉的事物,我們仍可在當中發掘新的知識,並需要勇氣挑戰舊的假設。

筆者相信五萬隻鳥蛋的故事還未完結,如果進一步硏究,會否為我們帶來一些對恐龍蛋的啟示?

五萬隻鳥蛋告訴你甚麼?(上)

或許你每天都會吃雞蛋做早餐,炒滑蛋、烚蛋、甚至雲中蛋,款式可以層出不窮。但當你享受一頓雞蛋早餐的時候,可曾想過為甚麼雞蛋會有這樣的形狀?

普林斯頓大學的Stoddard博士是一位年青的進化生物學家。她擅長研究雀鳥的進化,也喜歡硏究鳥蛋的結構和功能上的多樣性。

“為甚麼鳥蛋的形狀如此繁多?鳥蛋形狀的分佈是甚麼?”Stoddard博士嘗試解答這些問題。

她和她的團隊於是去到加州柏克萊大學的脊椎動物博物館,搜尋博物館多年來收藏接近5萬隻鳥蛋的圖像數據庫,並利用電腦軟件記錄及分析這5萬隻鳥蛋的各項特徵和所屬的1400種鳥類品種。

他們嘗試找出鳥蛋形狀的兩個系數,一個是不對稱性 (asymmetry),較尖形狀的鳥蛋的不對稱性較高。另一個是橢圓率(ellipticity), 鳥蛋形狀與球體 (spheroid) 的分別越大,橢圓率便越高。結果發現5萬隻鳥蛋的形狀是有連續性的,並沒有一條清楚的界線。第二,某些鳥種的蛋形狀分佈可以很廣,而且不同種類雀鳥的鳥蛋形狀分佈也有很大的重疊。

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(1400種雀鳥的鳥蛋分佈. Source: Stoddard et al. Science 356, 1249-54 and Museum of Vertebrate Zoology, Berkeley)

 

分析這樣的大數據後,他們便問,為甚麼鳥蛋有這樣的分佈? 這些形狀的分佈是否和雀鳥的某些特徴有關?

於是Stoddard博士尋找哈佛大學的Mahadevan教授的幫助,Mahadevan教授是一名應用數學家,擅長利用數學模型解決生物學上的問題。他的團隊利用數學模型,發現鳥蛋的形狀受到兩種壓力影響,一種是蛋內的物質從內向外所形成的壓力,另一種是鳥媽媽的輸卵管環境從外向內的壓力,而後者則從鳥蛋殼下薄膜的厚度反映出來 (注意:不是蛋殼的厚度) 。

其實之前曾有很多理論嘗試解釋鳥蛋的形狀,例如在懸崖峭壁上築巢的雀鳥,牠們的蛋呈圓錐型 (conical), 是因為較尖的鳥蛋即使滾動,也能像陀螺一樣旋轉,因此較難滾落懸崖。 其他的理論,包括雀鳥本身的飲食、環境、鳥巢的地點和類型,在某程度上和鳥蛋的形狀都有關連。

但當Stoddard博士嘗試分析鳥蛋形狀和各項數據的時候,便發現以上理論都未能完全解釋整體數據。相反,他們發現鳥蛋形狀和另一個因素有莫大的關連。

(待續)

 

 

 

 

半人半豬生物合成體面世

 

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四週大的人豬胚胎 Credit: Juan Carols Izpisua Belmonte / Salk Institute

器官移植在很多國家一直都是問題。主要原因不在於技術而是器官的短缺。有時候即使捐贈者死前已登記捐贈器官,但死後由於家人反對也可以否決死者捐贈的意願。在美國,每天有22人得不到器官移植而死亡, 而香港仍然有二千人在器官移植輪候冊上。最近法國宣佈通過法例,除非死者生前明確地表示反對捐贈器官,否則所有人死後都可以成為器官捐贈者,但是類似的法例在大部分國家暫未推行。

在器官捐贈的問題還未得到解決之前,科學家一直硏究是否可以用其他動物如豬隻的器官代替。選擇豬隻的原因,是因為牠們體積較大,以及器官體積和結構與人相約。當然,其他技術問題如不同物種的細胞在人體內會有排斥的現象,以及病毒感染的可能性也是考慮移植其他動物器官的因素。

那麼,如果把人的幹細胞注入豬的胚胎,最終能否減少排斥等問題而能在豬隻身上提供可移植的器官?美國加州索克生物硏究所 (Salk Institute) 的科學家Prof. Belmonte的團隊嘗試解答這個問題。他們最終的目的,是希望能製造能作移植用的器官,以及更像人類的疾病的動物模型和作為測試藥物的平台。

結合之前的研究經驗,科學家希望找出人類「多功能幹細胞」 (human pluripotent stem cells, 簡稱hPSCs) 和蹄類動物 (例如豬、牛、羊) 的跨物種嵌合體 (chimera)1的可行性。為了證明一個物種的幹細胞能融合在另一個物種身上,科學家首先利用大鼠的「胚胎幹細胞」(ESC) 及「誘導多功能幹細胞」(iPSC) 注射入小鼠的囊胚 (blastocyst)2 ,然後移植入另一隻代孕小鼠。結果發現小鼠不同的器官組織均有不同比例的大鼠細胞,當中心臓所含的大鼠細胞比例最高。另外,大鼠本身是沒有膽囊的,但是大小鼠嵌合體的胚胎卻有膽囊,證明大鼠細胞在嵌合體的胚胎未能完全取代宿主某些器官的發育。

他們更發現,大小鼠嵌合體能活命達一般小鼠大約兩年的生命周期。而且細胞都和正常細胞有老化的跡象,證明即使大鼠和小鼠這兩個物種雖然在進化史上相差一千八百萬年,但兩個物種的細胞仍然能共同生存,並能如一般正常生物細胞般老化。

既然他們證明了不同物種嵌合體的可行性, 他們嘗試問一個問題:「利用同樣的道理,我們可否把人類的細胞注射入豬的胚胎?」

他們在豬隻胚胎注射不同的人類「iPS細胞」,然後植入豬隻子宮並生長四個星期並觀察其生長變化。他們發現,人類「iPS細胞」在豬隻胚胎的成功率比大小鼠嵌合體為低。從2075個胚胎當中,只有186 個胚胎能成為人豬嵌合體,而當中估計只有十萬分之一的細胞是人的細胞。這樣的低成功率可能是人與豬的進化距離比大鼠和小鼠較大有關。而兩個物種的懷孕期相差也很大 – 豬的懷孕期大概有三個半月,而人則為九個月。他們更發現,多於一半的人豬胚胎發育較遲緩,體積比一般正常胚胎要小,反映人類「iPS細胞」有可能對豬隻胚胎的正常發育造成某程度上的影響。

這項硏究首次能成功證明人和豬兩個物種結合而成長的胚胎的可能性。為了避免相關的道德爭議,人豬胚胎只能生長28天,有關的實驗便需要停止。很多硏究問題如捐贈者和宿主的細胞之間的互動、如何增加人類細胞在其他物種宿主的生存率,以至增加人類器官在其他動物身上生長的機會等還未能得到完全的解答。因此,這項硏究的結果與能在其他動物身上產生移植用途的器官仍有一段很長的距離。

當然,這項硏究所帶來的道德問題也不少。跨物種胚胎硏究會否製造如科幻電影橋段一樣,人類細胞會走到豬的腦袋而形成高智慧生物? 而有人類細胞的動物如何介定是人類還是動物?其權利如何?會否出現不受控的生長?恐怕當中所引起的道德爭議不比科研上的技術問題難道低。

 

 

1 嵌合體 (chimera) -字源於希臘神話,形容一隻獅子身上有山羊頭、尾巴則為蛇尾的怪物。在生物學上,chimera指天然或人工合成、含有兩種以上生物的細胞的合成體。

囊胚  (blastocyst)- 動物受精卵卵裂所形成的球形幼胚。

參考文章:

  1. Wu et al. Interspecies chimerism with mammalian pluripotent stem cells. (2017) DOI: dx.doi.org/10.1016/j.cell.2016.12.036
  2. First human-pig ‘chimera’ created in milestone study. The Guardian.

半人半豬生物合成體面世

 

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四週大的人豬胚胎 Credit: Juan Carols Izpisua Belmonte / Salk Institute

器官移植在很多國家一直都是問題。主要原因不在於技術而是器官的短缺。有時候即使捐贈者死前已登記捐贈器官,但死後由於家人反對也可以否決死者捐贈的意願。在美國,每天有22人得不到器官移植而死亡, 而香港仍然有二千人在器官移植輪候冊上。最近法國宣佈通過法例,除非死者生前明確地表示反對捐贈器官,否則所有人死後都可以成為器官捐贈者,但是類似的法例在大部分國家暫未推行。

在器官捐贈的問題還未得到解決之前,科學家一直硏究是否可以用其他動物如豬隻的器官代替。選擇豬隻的原因,是因為牠們體積較大,以及器官體積和結構與人相約。當然,其他技術問題如不同物種的細胞在人體內會有排斥的現象,以及病毒感染的可能性也是考慮移植其他動物器官的因素。

那麼,如果把人的幹細胞注入豬的胚胎,最終能否減少排斥等問題而能在豬隻身上提供可移植的器官?美國加州索克生物硏究所 (Salk Institute) 的科學家Prof. Belmonte的團隊嘗試解答這個問題。他們最終的目的,是希望能製造能作移植用的器官,以及更像人類的疾病的動物模型和作為測試藥物的平台。

結合之前的研究經驗,科學家希望找出人類「多功能幹細胞」 (human pluripotent stem cells, 簡稱hPSCs) 和蹄類動物 (例如豬、牛、羊) 的跨物種嵌合體 (chimera)1的可行性。為了證明一個物種的幹細胞能融合在另一個物種身上,科學家首先利用大鼠的「胚胎幹細胞」(ESC) 及「誘導多功能幹細胞」(iPSC) 注射入小鼠的囊胚 (blastocyst)2 ,然後移植入另一隻代孕小鼠。結果發現小鼠不同的器官組織均有不同比例的大鼠細胞,當中心臓所含的大鼠細胞比例最高。另外,大鼠本身是沒有膽囊的,但是大小鼠嵌合體的胚胎卻有膽囊,證明大鼠細胞在嵌合體的胚胎未能完全取代宿主某些器官的發育。

他們更發現,大小鼠嵌合體能活命達一般小鼠大約兩年的生命周期。而且細胞都和正常細胞有老化的跡象,證明即使大鼠和小鼠這兩個物種雖然在進化史上相差一千八百萬年,但兩個物種的細胞仍然能共同生存,並能如一般正常生物細胞般老化。

既然他們證明了不同物種嵌合體的可行性, 他們嘗試問一個問題:「利用同樣的道理,我們可否把人類的細胞注射入豬的胚胎?」

他們在豬隻胚胎注射不同的人類「iPS細胞」,然後植入豬隻子宮並生長四個星期並觀察其生長變化。他們發現,人類「iPS細胞」在豬隻胚胎的成功率比大小鼠嵌合體為低。從2075個胚胎當中,只有186 個胚胎能成為人豬嵌合體,而當中估計只有十萬分之一的細胞是人的細胞。這樣的低成功率可能是人與豬的進化距離比大鼠和小鼠較大有關。而兩個物種的懷孕期相差也很大 – 豬的懷孕期大概有三個半月,而人則為九個月。他們更發現,多於一半的人豬胚胎發育較遲緩,體積比一般正常胚胎要小,反映人類「iPS細胞」有可能對豬隻胚胎的正常發育造成某程度上的影響。

這項硏究首次能成功證明人和豬兩個物種結合而成長的胚胎的可能性。為了避免相關的道德爭議,人豬胚胎只能生長28天,有關的實驗便需要停止。很多硏究問題如捐贈者和宿主的細胞之間的互動、如何增加人類細胞在其他物種宿主的生存率,以至增加人類器官在其他動物身上生長的機會等還未能得到完全的解答。因此,這項硏究的結果與能在其他動物身上產生移植用途的器官仍有一段很長的距離。

當然,這項硏究所帶來的道德問題也不少。跨物種胚胎硏究會否製造如科幻電影橋段一樣,人類細胞會走到豬的腦袋而形成高智慧生物? 而有人類細胞的動物如何介定是人類還是動物?其權利如何?會否出現不受控的生長?恐怕當中所引起的道德爭議不比科研上的技術問題難道低。

 

 

 

1 嵌合體 (chimera) -字源於希臘神話,形容一隻獅子身上有山羊頭、尾巴則為蛇尾的怪物。在生物學上,chimera指天然或人工合成、含有兩種以上生物的細胞的合成體。

囊胚  (blastocyst)- 動物受精卵卵裂所形成的球形幼胚。

 

參考文章:

  1. Wu et al. Interspecies chimerism with mammalian pluripotent stem cells. (2017) DOI: dx.doi.org/10.1016/j.cell.2016.12.036
  2. First human-pig ‘chimera’ created in milestone study. The Guardian.

香港海洋生物物種,多到你唔信

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Jeremy Bioshop @ unsplash.com / Pexels

 

香港是個彈丸之地,只有1100平方公里,卻居住了七百多萬人口。我們常常關注佔香港四成的郊野公園,不想被發展破壞。但你可能不知道,香港海洋區域比陸地更大,大概有1600平方公里。小小一個地方,卻有260多個離島,海岸缐總長1180公里。然而,香港卻沒有做過本土的海洋生物物種的大型統計。最近,由Gray Williams教授帶領香港大學轄下的太古海洋科研究所團隊,得到政府的環境及自然保育基金資助,用一年半的時間檢閱本港的海洋生物多樣性並評估其狀況。

團隊發現,早在八、九十年代時已記錄超過4200種海洋生物物種。目前更發現接近6000個種類,數量與波羅的海所記錄的海洋生物物種不相伯仲。他們估計,香港最少有6500種海洋生物種類。即使香港的海洋面積只是佔全中國的0.03%,但其海洋生物物種的豐富程度已佔了整個中國所記錄的海洋生物物種的兩成半。

香港的地理環境得天獨厚,位於南中國海北部,西面靠近珠江口鹹淡水交界,東面則受到包括海南潮、台灣潮以及黑潮等多股海洋洋流影響。由於東西面的海水環境不同,因此海洋生物多樣性非常豐富,多於60%的南中國海多毛類生物都在香港水域找到。香港更有84種石珊瑚,比加勒比海還要多二十種。另外,香港也記錄了26種寄居蟹,佔全球最大的世界海洋物種名冊 (World Register of Marine Species (WoRMS)) 的三成。可是,只有少於2%的香港水域是受保護的海岸公園或海岸保護區。為了應付土地供應,近二十年的填海工程及基建發展更令很大部份的天然海岸缐被取代。最近,環境局定下《香港生物多樣性策略及行動計劃》,目標是加強保育生物多樣性,支持香港的可持續發展,並將生物多樣性的理念納入規劃,希望在發展及保育生態兩者之間取得平衡。

生物多性是指地球上所有形式的生命,而一般認為生物多性包括基因生物系統等三個面的多性,而不僅局限於生物種類的多

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石澳 / 韋文曦

 

全球有二十多種新發現的生物以「香港」命名。當中海洋生物包括香港石磺 (Onchidium hongkongense) 、香港巨牡蠣 (Crassostrea hongkongensis) 以及香港紅斑 (Hong Kong Grouper)。除了海洋生物,陸上生物包括香港雙足蜥 (Dibamus bogadeki)、香港茶 (Camellia hongkongensis)、 香港鳳仙 (Impatiens hongkongensis) 和香港瘰螈 (Paramesotriton hongkongensis) 等也是香港特有的品種。

香港有各類藝術館、文化館、歷史博物館、太空館及科學館,卻獨欠一個自然歷史博物館,以集中收藏香港本土的陸地及海洋的生物標本。與其花35億興建一個人有我有的故宮文化博物館,倒不如建立一個很多國際都會如倫敦及華盛頓都有的自然歷史博物館,好讓香港人及外地遊客認識香港本土的生物物種,並教育下一代珍惜及保育我們的家,不是更有意義嗎?

 

參考文章:

  1. Ng et al. Hong Kong’s rich marine biodiversity: the unseen wealth of South China’s megalopolis. Biodiversity and Conservation. (2016) DOI: 10.1007/s10531-016-1224-5
  1. 香港生物多樣性策略及行動計劃

 

 

撕煙,別思煙

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Anastasia Massone / flickr

 

「吸煙危害健康」這句口號,相信沒有人未聽過。很多年前,科學界已證實了吸煙對增加患上癌症的風險,而煙草裏最少含有60種已知的致癌物。肺癌是香港致命癌症中的首位。2014年的數字統計顯示,死於肺癌的有大概3900人,佔癌症死亡人數的28.5%。然而,科學家對吸煙如何影響DNA,以及煙草致癌物如何改變基因突變的機制仍然是不太清楚。

最近美國及英國科學家團隊做了一項大型基因圖譜調查,嘗試全面探討吸煙對人體DNA的影響,並在國際權威雜誌《科學》刊登了研究結果。他們檢視了2500個吸煙者和1000個非吸煙者的基因圖譜,並比較兩者不同器官,包括肺、咽喉、口腔、食道、膀光、腎、肝、胰藏及子宮等5000多個癌症基因圖譜的DNA突變,當中發現在肺、咽喉、肝、腎等癌症中,吸煙者的鹼基替代(base substitutions; DNA突變的一種) 高於非吸煙者。鹼基是DNA的基本單位,如果配對錯誤則有可能影響蛋白質的製造,甚至引致癌症。

在肺癌病患者當中,吸煙者的DNA插入、缺失突變明顯高於非吸煙者。而吸煙者的咽喉癌及肺癌樣本當中發現有某種DNA突變的特徵(即C>A; C被A代替1),這種特徵是非吸煙者中的癌症樣本中較少的。另外,吸煙者其他沒有直接接觸煙草致癌物的器官如胃、大腸、卵巢等癌症樣本發現沒有發現這種C>A的DNA突變特徵,顯示吸煙對這些器官的癌症的DNA破壞沒有明顯的增加。

科學家的硏究結論是,這種C>A特徵主要發現在吸煙增加風險的癌症和吸煙直接接觸的表皮細胞。另外,在細胞實驗中,科學家把一種煙草中已知的致癌物苯並(a)芘 (beneze(a)pyrene) 加入細胞培養。結果發現細胞的DNA突變特徵和C>A特徵相似。因此,C>A特徵很可能是煙草致癌物所引致的DNA錯誤複製的結果。

更甚的是,科學家發現鹼基替代和吸煙煙齡 (每天吸食一包煙並維持一年) 與肺癌成正比的關係。他們估計,如果吸煙者一年365天每天吸一包煙的話,肺組織的一個正常細胞便可能積聚150個DNA突變。

除了發現C>A特徵外,科學家在其他器官的癌症也發現其他的DNA突變特徵,而吸煙對這些DNA突變特徵都有不同程度的影響,反映吸煙影響DNA突變是一個非常複雜的機制。總括來說,這項研究對吸煙引致各個器官的癌症有重新的評估,而吸煙主要對增加肺、咽喉、肝和腎癌的DNA突變的負荷影響較大。

 

1 DNA簡單來說由四個鹼基A, T, C及G 組成。

 

參考文章:

Alexandrove et al. Mutational signatures associated with tobacco smoking in human cancer. Science (2016). DOI: 0.1126/science.aag0299

 

適者生存 – 塔斯曼尼亞惡魔的進化反應

 

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塔斯曼尼亞惡魔 / wikipedia

提起塔斯曼尼亞 ,一個位於澳洲墨爾本南端的一個島嶼,你會想到甚麼?薫衣草?生蠔?野生動物?

塔斯曼尼亞東北一角有一個地方叫威廉山國家公園 (Mt. William National Park) ,沿岸有長長的海灘,那裏有不同的野生動物。其中一種像小狗一樣大小的夜行動物,是僅有的袋獾。牠們身上長著黑色的短毛、尖尖的牙齒,爭奪食物會鬥過你死我活,交配的時候雄性也會咬著雌性,牠們身體上那些大大小小的傷口是最平常不過,而且叫聲恐怖得令人打顫, 因此袋獾被早期的歐洲人改了一個不太受歡迎的名字,叫做塔斯曼尼亞惡魔 (Tasmanian devil)。

由於威廉山國家公園有豐富的野生動物,荷蘭攝影師巴斯很喜歡在那裡拍攝,而拍攝惡魔是他的興趣。1996年的某一天,他如常的架好帳篷,並用不同食物引誘惡魔來臨,好讓他能多拍幾張相片。終於有一刻被他等到了,可是這一隻惡魔竟然讓他看到發呆,巴斯連忙拍下照片,並把照片送到塔斯曼尼亞的自然保育部門給那裡的動物學家看,但沒有一個野生動物專家知道發生甚麼事情。

因為照片𥚃的那隻惡魔,臉上竟然都生了像腫瘤一樣的腫塊,傷口已潰爛不堪,樣貌非常恐佈。

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袋獾面部腫瘤病 / wikipedia

 

後來硏究發現,這些腫瘤叫做袋獾面部腫瘤病 (Devil Facial Tumour Disease – DFTD) ,屬於接觸傳染性癌症 (Contagious cancer)。腫瘤細胞是由突變了的神經鞘細胞 (Schwann cell) 引起1,並透過一隻惡魔咬另一隻惡魔而傳染。基因分析發現癌細胞具有極高的複製能力,而這些具侵略性的癌細胞成功地從一隻惡魔傳到另一隻。可是惡魔的免疫系統沒有能力認出這些外來的癌細胞,因此不能殺死他們。於是癌細胞便能夠逃過這些免疫守衞並在惡魔身上迅速生長。

這些腫瘤多長於面部及顎骨,腫瘤細胞更會令面部組織潰爛而引發細菌感染。如果腫瘤長在口腔內,便會阻礙惡魔進食而令牠們活活餓死。到目前為止,相信超過十萬頭惡魔已被傳染,導致只剩下總數的百分之十,根據IUCN 國際自然保護聯盟的定義,惡魔現已列為瀕危物種紅色類別的瀕危級別。

接觸傳染性癌症並不多見。為甚麼這種傳染性腫瘤會發生在惡魔身上? 其中一個原因是惡魔的遺傳多樣性太低。如果沒有遺傳多樣性,一個物種便很難適應環境所帶來轉變,因而增加了物種滅絶的可能性。 假如某種疾病發生在一個群體,而某一段DNA序列的差異性可以令這個群體對那種疾病產生抵抗力,那麼擁有那段DNA的個體便能繼續生存。但如果多樣性甚低的話,可以選擇的並不多,這個群體便未必能進化而適應某種疾病或環境。

物競天擇,便是達爾文進化論的其中一個重要基礎。

最近科學家從塔斯曼尼亞三個不同地方的惡魔找到接近三百隻沒有感染面部腫瘤病的惡魔和剛開始的發病的惡魔DNA2。基因圖譜分析顯示兩個地區對這個疾病有強烈的選擇性 (selection), 而兩個地區當中的五個基因,包括CD146、CD90、CBL2、USP2和MRT2 都與免疫功能和癌症風險有關。透過統計學分析,在幾代的惡魔已對面部腫瘤病有很大的基因組反應 (genomic response) ,也即是說,惡魔的免疫系統可能已進化並適應這個恐佈的疾病。

惡魔對面部腫瘤病的進化反應對這個物種得以繼續生存或有一點希望。塔斯曼尼亞當局已檢查並挑選一定數量沒有病變的惡魔,並把牠們安置在名叫Maria Island 小島和Forestier半島上3,希望塔斯曼尼亞惡魔這個物種不再受這個疾病傷害並得以繼續繁殖。而暫時沒有證據顯示惡魔的腫瘤細胞可以傳到其他動物及人類。

 

參考文章:

  1. Grueber et al. Genomic insights into a contagious cancer in Tasmanian devils. Trends in Genetics (2015) DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.tig.2015.05.001
  2. Epstein B et al. Rapid evolutionary response to a transmissible cancer in Tasmanian devils. Nature Communications (2016) DOI: 10.1038/ncomms12684
  3. http://www.tassiedevil.com.au/tasdevil.nsf/

 

 

機械八爪魚 – 軟體機械人的突破

 

我們常常看到的機械人或機械臂,其功用主要是取代或協助人類完成某些工作。設計機械人的時候,科學家一般得到人體或其他動物骨骼的啟發,加上關節的控制使機械人移動。但是一般機械人的設計包含零件如電路控制板或電池,這些「硬」零件無可避免使機械人也有其限制,例如在一些地形比較顛簸的環境和狹窄的間隙,「硬體」機械人便未必能發揮所長。

因此科學家嘗試模仿毛蟲、八爪魚等軟體動物的身體構造而設計出「軟體」機械人,目的是希望能做到「硬體」機械人未能做到的伸展或扭曲等動作,使其在狹小的空間也可以靈活移動。

早陣子在網上看到一段短片,拍攝了一隻大型八爪魚從漁船上一個非常小的排水口逃出大海,不禁驚歎這種全身沒有骨頭的無脊椎動物的靈活性。要發明全自動軟體機械人,在操作上其實有一定難度,因為這些硬零件都需要由軟零件代替。

最近哈佛大學的科學家 Wehner et al. 便突破了這個界限。他們能製造出以八爪魚為模型的全自動軟體機械人。與之前機械魔鬼魚所利用光學導向和心臟細胞起跳而移動的原理不同,機械八爪魚移動的原理主要利用微流控 (microfluidics-即微量的液體流動)、氣動式設計、化學反應以及不同物料的運用令八隻爪自動郁動。

可能你從短片裏只是看到看似簡單一上一下的動作,也沒有甚麼大不了。但其設計背後包含了生物學、材料科學、化學等不同科學知識的範疇,經過30個設計及300個模型試驗才能得到這成果。

機械八爪魚是如何運作的呢?

首先,科學家利用3D打印技術造出八爪魚的雛型,不同彈性的聚合物(polymer) 形成八爪魚的不同部份,例如像肌肉和皮膚一樣的內外層,以及像血液一樣的流動液體。八爪魚的頭有兩組相同的液體燃料庫,連接著催化劑「白金納米粒子」(platinum nanoparticles)的儲存庫,管道伸延至每一條爪以及排氣孔。而每組液體燃料庫各自控制四條爪。

至於能源方面,科學家利用簡單的化學反應取代電池。他們利用雙氧水(Hydrogen peroxide – 過氧化氫) 作為液體燃料。當雙氧水遇到流動液體中的催化劑「白金納米粒子」(platinum nanoparticles),便會產生化學反應而形成氧氣及水。氧氣使八爪魚體內流動液體網絡膨漲,肢體中不同物料的力學設計使肢體向上及下移動,最後氧氣及水排出體外。

 

 

那麼八爪魚體內的兩組網絡是如何自動交替?交替的原理與電路原理相似,但不同的是利用液體流動和活門的設計產生壓力。當一個管道受到壓力暫時閉塞,另一組的液體燃料便從另一個管道經過白金納米粒子儲存庫而產生化學反應,下一個循環又再重新開始。

管道物料的厚度、液體燃料的流動及壓力丶排氣孔的大小丶以至燃料濃度都經過嚴謹的計算,才能使兩組爪同步郁動以及時間上準確的交替。初步計算1毫升的液體燃料能維持4-8分鐘的動作。

軟體機械人設計聰明的地方,是利用不同物料的彈性以及氣壓的設計可以令機械人自動產生動作,是同類的機械設計所沒有的。當然,這樣的八爪魚自動機械雛型只是設計全自動軟體機械人概念的第一步驗證。要機械人配合不同的環境而作出不同的反應,以及速度、角度和力度等考量,都是自動軟體機械人的大挑戰。

 

參考文章:

Wehner et al. An integrated design and fabrication strategy for entirely soft, autonomous robots. Nature (2016). DOI: 10.1038/nature19100

Beyond Terminator: squishy ‘octobot’ heralds new era of soft robotics