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挑戰合成八醣肝素成功, 洪上程和張雯實驗室共創病毒抑制新里程碑

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圖一:左至右,胡育朋、洪上程老師、林書顗
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本文章於C&EN之報導

當化學家遇見分子生物學家,跨領域合作解決有關生命的問題,是再自然不過的了。追根究底,凡是大自然創造的,細分到最後,就是化學元素。因此,洪上程老師,基因體研究中心鑽研於醣化合物合成多年的研究員;張雯老師,本院分生所的研究員,鑽研痘病毒多年;打從1998年,就是合作伙伴。

這個團隊在六月份的 Nature Chemistry期刊網頁發表有關疱疹病毒研究的成果,不但對於『唇疱疹』的治療提出一個創新的解決方法,更重要的是,洪上程老師是第一位成功地合成結構複雜的八醣肝素分子,首開全球醣化學合成的先例、開創出感染性疾病新藥開發的一個模式、也替病毒研究找到一盞明燈。

硫酸乙醯肝素,英文原名 Heparan Sulfate,以 HS 簡稱,為一線狀的多醣體,它含有多個硫酸根,是一個具有高度負電荷的生物分子。HS廣佈於人體的細胞表面,科學家已經知道的是,當多種病毒入侵人體細胞時,HS扮演一個關鍵的角色,這些病毒包括痘病毒、登革病毒、C型肝炎病毒、以及疱疹病毒(包括水痘病毒)等,當病毒找到細胞表面HS這個受體後,它們會與之產生交互作用,然後穿過細胞膜,進入人體細胞內作複製、繁演的工作。就好像是找到一個門,然後用鑰匙開門進入一樣。

然而,HS是一個含多樣化結構的醣集合體,好像一個含有許多不同入口的閘門,科學家們必需要確切的知道,到底某類病毒是用那一扇門進入的,才能以科學方法找出相對的解決方法。由於這每一扇門都是一個獨特複雜的醣化合物結構,因此,把這些個別的門單獨區分出來,是很重要的。

第一型疱疹病毒(HSV-1)是俗稱為『唇疱疹』的病毒,於2002年,有文獻報導一個與HS有關的八醣分子可能就是疱疹病毒進入人體細胞的”那扇門”,若能取得這個八醣體,將可與疱疹病毒的鞘膜蛋白作用,阻止疱疹病毒侵入宿主細胞。於是,研究團隊決定,由洪老師以人工方式展開這個八醣體的合成工作,張老師則負責取得疱疹病毒株,以及驗證病毒入侵的機制。

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圖二:成功合成的八醣分子策略

碳水化合物的分子式為Cn•(H2O)n(n ≧ 3),屬多醇類分子,具有多個氫與氧原子鏈結而成的官能基,以 “–O–H” 表示。同樣的醣分子式,如果O–H基的位向不同時,就成為不同的醣分子。O–H基是醣分子合成時,將多個醣連接在一起的鏈結點,然而,因為最終製備出來的多醣必須在某些特定的鏈結點作組裝,因此,在合成的過程中,化學家就必須先有一個全盤的策略,除了擁有深厚的化學基礎,還要有一套製程,必須先用化學方法將一些不該產生作用的O–H基先保護起來,等到下一個醣接到了正確的位置,再用化學方法把下一個要進行鏈結反應之O–H基的保護拿掉,如此反覆地操作,相當耗時費力,可以想像要建立一個八醣體的難度,是以指數增長。

洪老師選擇這個高挑戰性的研究生涯,起源於他對於醣化學的基本信念。他深深的相信,如果能夠找到組成多醣體的竅門,許多病毒或細菌利用醣為受體的感染病,都將有希望迎刃而解。洪老師表示,登革熱在南部家鄉帶給大家恐慌的震憾經驗,可能是這一切的原動力。

的確,從2002年決定這個專題研究開始,他的團隊一路接力,曾經合成到五個醣的結構,然後,再怎麼也加不上去第六個醣,最後,不得不又從頭做起。2007年,當時洪老師任教於清華大學,曾在自然期刊發表一篇『醣的一鍋法保護』,受到各方矚目。其實,這一路過來,他的團隊不斷的嘗試,一試再試,真得累積出來了硬功夫!

這次的研究發表,包括兩種結構的八醣合成,分別由47個步驟和57個步驟所達成。最後成功合成的這兩個八醣分子,一個是以 [1+6+1] 的策略完成骨架的建立,另一個是以 [3+5] 的方式完成;分別的執行者為林書顗博士與胡育朋博士,倆位目前都是基因體中心的博士後研究員。
這兩種醣化合物,最後由張雯老師實驗室的博士後研究員黃呈彥執行生物實驗,使用猴子的體細胞株Vero,分別與HSV-1病毒株作用。結果顯示,合成物的濃度在每毫升 5.4 微克,以及3.9 微克,即可抑制過半的病毒感染細胞。

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圖三:張雯老師

張老師表示,針對『唇疱疹』病毒,能成功的作出八醣的抑制物,就表示針對其他類似的病毒感染,也有希望依法炮製。她對於有朝一日,打造出一整個類似的化合物藥庫,寄與高度的期望。『有別於殺死侵入細胞的病毒,這個策略是將之阻擋於細胞之外,將來可以與其他抗病毒之方法共同使用,或許會有加成的效果。』張老師表示。

有些病毒感染人以後,雖經藥物治療,仍無法完全殺死病毒,例如,疱疹病毒會藏在神經細胞內,一但宿主的免疫力變差,隨時可能又伺機活躍起來。這個研究結果,若能通過製藥相關的層層關卡,就有可能帶給抗病毒新藥開發一個新方向。

本研究論文, “Synthesis of 3-O-sulfonated heparan sulfate octasaccharides that inhibit the herpes simplex virus type 1 host-cell interaction”已可以於網路取得。

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