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港大醫學院與法國巴斯德研究所合作 採用試管演化方式開發新型分子作瘧疾診斷

2020年07月16日

香港大學李嘉誠醫學院(港大醫學院)與法國巴斯德研究所合作,研發出與生物學截然不同的分子演化方式,並利用這個方式演化出依附瘧疾生物標記的分子。透過這些特殊的非生物分子,可以執行一般生物分子本質上無法完成的工作,例如用以分辨病人所感染的瘧疾類型。這項研究已在跨領域科學頂尖期刊《美國國家科學院院刊》(PNAS)上發表(按此瀏覽期刊文章)。

領導該研究的港大醫學院助理院長(生物醫學課程)、生物醫學學院教授兼副總監(教學)唐柱霖教授表示:「演化是生物學的中心思想,這項研究利用物競天擇的概念,應用於生物學以外的情景上,繼而創造出試管演化的方式。人們可以利用演化取代人工設計,以研發能解決與診斷及治療等難題相關的分子。如果我們能將演化延伸至一般生物分子例如脫氧核醣核酸及蛋白質以外,我們將能夠開創一個革新醫學的創新平台。」

 

研究背景

演化在生物學中定義為,生物為適應特定的環境壓力,將自身特徵遺傳至下一代的過程。演化由概率引導,在過程中群體中的部分成員有能力超越其他個體,並隨著時間過去,最終界定該物種的物理特徵及行為。

這個演化篩選的過程其實亦可以應用於分子的層面上,分子之間以類似的形式互相競爭,在演化的過程中發展出對應外在環境的特徵,例如這個特徵是因應某種疾病的存在,而發展出可以依附在該種疾病生物標記的特定分子,這個演化出來的分子就可以用於該種疾病的診斷與治療。這一點過往已在常見生物分子,包括脫氧核醣核酸及蛋白質之中證實。然而,要將「分子演化」的概念延伸至常見生物分子以外,卻一直是學術界的一大挑戰。

 

研究结果

研究人員所面對的最大挑戰,是如何發展出一個適用於瘧疾的即時檢測,以分辨病人到底是被惡性瘧原蟲或間日瘧原蟲所感染。這分辨能力十分重要,因為透過這兩種不同類型的瘧原蟲所感染的瘧疾有不同的後果,相應的藥物治療亦會有分別。然而,以往開發的即時檢測方法均只能用於判斷病人是否感染瘧疾,而不能夠分辨造成感染的瘧原蟲所屬的類別。

要解決這個難題,研究團隊研發並應用新的方式,將立方烷導入脫氧核醣核酸,並透過試管方式將之整合到整個演化過程中。立方烷從來沒有在生物學中被發現,因此將演化的原理應用在一套非生物的系統中,屬罕有例子。我們發現融入了立方烷的新型脫氧核醣核酸,能夠完美地依附在瘧疾生物標記的結合位置中,以致能夠針對性地指出由間日瘧原蟲引起的瘧疾感染。

這是歷來首項將非生物分子融入分子演化實驗的研究。這項研究不單進一步改善瘧疾的即時檢測,更同時開創一個革新的平台,以研發出有助診斷及治療不同疾病的分子。

 

過往的研究结果

過去十年,港大醫學院團隊已經開發了利用核酸適體於診斷上的多項全新應用,特別是用於即時檢測層面。團隊早於2013年已在《美國國家科學院院刊》發表使用正常脫氧核醣核酸分子的研究,並提出利用核酸適體用作瘧疾檢測的概念。其後,團隊研發出多種類型的瘧疾即時檢測,並在2015年《化學通訊》、2016年《美國化學學會傳感器》及2018年《生物傳感器與生物電子學》上發表。團隊亦曾研發生殖系统失調的診斷方法,並於2019年在《自然-通訊》上發表。這次研究是首次將核酸適體的演化概念延伸至與生物學截然不同的化學領域。

 

關於研究團隊

本研究由港大醫學院及法國巴斯德研究所共同領導。兩位首席研究員為港大醫學院助理院長(生物醫學課程)、生物醫學學院教授兼副總監(教學)唐柱霖教授,及法國巴斯德研究所 Marcel Hollenstein 博士。港大醫學院前研究員張綺蕙博士及法國巴斯德研究所 Pascal Rothlisberger 博士同為第一作者。其他港大醫學院研究員為 Andrew Kinghorn 博士、盧洋先生及黃煒聰先生。

 

鳴謝

這項研究在香港方面得到莎莉‧博爾德基金的慷慨支持。該基金於1989年成立以紀念博爾德女士,用以發展醫學及環保研究。

 

傳媒查詢

請聯絡香港大學李嘉誠醫學院(電郵︰medmedia@hku.hk)。
(medmedia@hku.hk).

港大醫學院助理院長(生物醫學課程)、生物醫學學院教授兼副總監(教學)唐柱霖教授(右),以及其研究團隊成員,Andrew Kinghorn 博士(左一)及盧洋先生(左二)。