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質譜技術用於細胞吞噬奈米粒子的定量研究

奈米科技的發展,已經改變了人類的視野。近年來,『金奈米』於生醫科技的研究方興未艾,就是因為科學家發現,當化學分子切割成以奈米量測的大小時,其性質可能大大的改變。科學界用『奈米金』做為癌症治療、癌腫瘤偵測、等等的研究,再再令人大開眼界。一般來說,病毒尺度約在二十奈米至三百奈米之間,原子尺度約是0.1奈米的大小,植物與動物的細胞,就在10微米與100微米之間(1微米為1000奈米,圖一)。目前,科學界賴以由質量來分析檢測的質譜儀,僅能於十奈米以下的物質有效,因此,若要量測這些奈米物質於細胞內的效果,市面上的質譜儀就有見樹不見林的遺憾!

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圖一

本中心『物理與資訊基因體學』專題研究團隊,在『質譜儀技術』的研發,素有專精。本月份,在化學研究領域屬頂尖的化學期刊 (Angewandte Chemie)於其Communicastions 版面,刊載特聘研究員暨中心主任陳仲瑄博士,及本中心的合聘研究員,國立東華大學物理系彭文平博士,所合作領軍研發,證明其突破性質譜技術,不但可以量測細胞的質量,更可以用於非金屬粒子的定量檢測。

早在2007年,包括陳仲瑄、彭文平、陳鈴津、及原分所張煥正、物理所朱明禮等人之團隊,已經合作研發出新型的質譜儀,可以測量細胞的質量以及所帶的電荷數,簡稱為CMS,(Charge-Monitoring Mass Spectrometer),又簡稱細胞質譜儀(Cell Mass Spectrometer) 。這一次,研究小組要進一步的確認,該CMS 可以用來間接量測奈米、微米級的物質。

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圖二:圖左為細胞吞噬30奈米金粒子的前、後質量分布圖。圖右為24小時內,細胞吞噬30奈米金粒子(右上)及250奈米金粒子(右下)的質量分布曲線的變化。

由於基因體中心有跨領域研究的優勢,因此,在與於轉譯醫學研究素有心得的陳鈴津特聘研究員團隊的合作之下,可取得關鍵性的活細胞。首先,研究人員取得單一類細胞的質量的統計分配圖,用以確定這類細胞的質量定量,也就是說,該類細胞的質量應該不超過這個分布圖的範圍(圖二)。

接下來,研究團隊希望探討的是,如果可以測量生物細胞的質量,是不是也可以用來量測,當某些藥物以奈米粒子作為載體時,在它們進入細胞體內時,其所造成細胞質量的改變?以及,能否定量量測其數目?

已知的一個現象是,金奈米顆粒(Gold Nano Particles)會被活體細胞吞噬。近年來,科學家利用這個特性,配合螢光劑,使用在偵測生物體內分子變化的過程。金奈米顆粒已經有專業方法量測其被細胞吞噬的數量。研究人員取得多種不同直徑大小的金奈米顆粒後,將之與一種活細胞,同置於培養皿內。實驗結果發現,經過十五小時後,這些細胞內的金含量不再明顯增加,即達到飽和的狀態,而且這些細胞仍然是活著的。

經過反覆的驗證,實驗結果顯示,從30奈米到250奈米大小的金顆粒,都會被吞噬;而且可以測出每單顆細胞吞噬金奈米顆粒的數量。同時,相同為球形的聚苯乙烯(Polystyrene)奈米粒子,經過細胞質譜儀的實驗量測,同樣也有被吞噬的現象。也就是說,雖然單個生物體內,同一型的細胞,因為該細胞的年齡、健康狀態,而有大小及質量的分別,但是,它們對於球形奈米顆粒都有明顯吞噬的現象

CMSICP-MS
圖三
這個發現很重要,因為目前的奈米科學研究,已經可以把各種藥物包裹在極小的奈米粒子上,然後送到活體內。然而,要如何驗證這些奈米級的粒子會被細胞吸收呢?在這個實驗裏,如果要檢視,到底這些細胞在十五小時後,會吞噬多少個奈米金粒子,可以使用一種商業質譜儀,稱之感應耦合電漿質譜分析儀(ICP-MS)。然而,利用ICP-MS作測量,首先須將細胞與金粒子先用王水溶解為金原子溶液,然後,再置入儀器內測量。

我們運用CMS及ICP-MS,量測奈米金粒子的吞噬數量。發現ICP-MS或CMS均可測出相同的細胞吞噬奈米金粒子的吞噬曲線。不過,運用ICP-MS,要經過5個步驟,而用CMS只需要2個步驟(圖三)。以所花費的時間而言,前者為後者的5 倍。

我們更近一步,運用CMS量測細胞吞噬『非金屬』的奈米物質,也能測出單顆細胞的吞噬量,這個實驗結果是ICP-MS所無法達成的。

更重要的是,CMS是測量細胞質量變化的差異,而換算細胞所吞噬奈米粒子的數量,它就沒有物理性質的限制,也就是說,任何奈米尺度的物質,都可以用細胞質譜儀做量測,這些奈米物質,包括奈米光觸媒、奈米碳管、奈米鑽石、病毒、膠束(micelles) 、微脂粒(liposomes)、人工聚合物等等(圖四)。奈米粒子被廣泛地應用於藥物傳遞的研究,因為它能增加藥物進入癌細胞內的濃度,同時避免造成正常細胞的毒性,藉由修飾特定的受體,更能減少藥物傳遞阻力。另外,奈米光觸媒(TiO2)能分解有機物與具超親水性的性質,所以具有抗菌、防污、除霧、脫臭、淨水、抗癌等功用。但是,若其被人體的表皮細胞過量吸收,卻可能會有不良效果。使用CMS做為量測分析工具,將能回答藥物是否能成功進入細胞內及其濃度的定量。同時,奈米光觸媒是否會進入表皮細胞,及其數量,也都不再是黑箱的猜測了。

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圖四

本研究論文的第一作者,博士研究生林煥彰表示,『這個研究,可以加速的量測細胞的質量變化,包括細胞病變、細胞吞噬外來物質所造成的質量變化等。細胞質譜儀在醫學應用上有可能會是相當重要的工具。研究人員將繼續與生物相關的研究人員合作,研發更精密與方便的量化分析方法,期待帶給生技研發更好的研究與檢驗工具。』

陳仲瑄老師實驗室的研究目標,在於研發可直接量測奈米尺度的物質,例如:病毒粒子。中研院基因體中心著力於質譜儀技術的研發,希望能發展商業用的質譜儀,達到質量量測的範圍可以包含全質量區域(Full Mass Range)的境界。

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