精準使用益生菌3大原則: 胎幼兒期、生病時、個人化

楊 崑 德 醫師

馬偕兒童醫院醫研部主任、馬偕醫學院生醫所教授、

台灣胎幼兒期防治成人疾病學會理事長

一.人體內外充滿著善良合作壞的微生物體:

在人類生存的地球上,充滿著多樣的物種,特別是肉眼看不見的微生物體,而人類是最會善用體內外微生物體共伴效應的一個物種。尤其是在人類的腸道、口腔、皮膚和生殖道充滿著比世界人口還多的微生物數量(~1014),其中好多益生菌在幾十億年的互動裡,被人類納入共生和共伴的整合運用!透過生益菌(prebiotics)分子,例如母奶內的寡糖可以滋養好益生菌(probiotics)聚落,旣可以抑制病菌也可以促進免疫協調作用,更可以透過益菌生(postbiotics)的分子,促進代謝和滋養神經發育等作用 [1-3]。當嬰兒出生經過產道就取得好的微生物群,來滋養腸道和皮膚的上皮細胞發展,剖腹生產沒有經過產道取得益生菌的嬰兒比較容易過敏或肥胖,產道存在異常菌叢也會讓嬰兒生病。釐清人體從產前到產後體內外的微生物體分布與作用,變成是胎兒長大成人後是健康或疾病很重要的課題!

二.人體生長發育需要微生物體配合:

隨著嬰兒(特別是早產兒)的出生,他(她)們需要母奶內寡糖或是滋養分子與益生菌的共伴作用,才讓腸道發育成熟不會滲漏和發炎的傷害(例如壞死性腸炎),或是過敏性的腸漏症。甚至與後續肥胖、神經發展、自閉症或自體免疫病的相關。在30年前人們還不了解早產兒出生後的腸道需要母奶內寡糖、生長素或生益菌(prebiotics)的滋養或是益生菌的補充,才會成熟的發育。所以起先在早產兒身上因為體重太小無法進食,而給予禁食和靜脈點滴注射營養,加上早產兒容易感染而使用抗生素,結果就讓那個時代的早產兒很容易發生壞死性腸炎而束手無策!後來才因為動物實驗發現,新生兒(尤其是早產兒)的動物需要母奶內的寡糖,和各種生長因子或益生菌,才會滋潤腸細胞的發育與成熟,減少壞死性腸炎。所以現在的早產兒照顧是盡早使用母奶、生益菌分子或益生菌而避免壞死性腸炎! 就使用益生菌防治極度早產兒壞死性腸炎而言: 早期使用單一菌株B. infantis效果不錯,後來更多的研究分析認為多樣益生菌同時使用比單一(Bifidobacterium species 或 Saccharomyces boulardii)使用為佳。

延伸這個模式,後續的研究也在過敏病、自閉症、第1型糖尿病的防治上,使用益生菌 (表1.)。在過敏病防治上有人使用LGG從產前1個月至產後6個月使用,可以減少兒童的異位性皮膚炎的發生;然而我們使用相同LGG的試驗:從產前4個月使用至產後6個月,發現對兒童的異位性皮膚炎沒有效果,但是對孕婦的過敏性鼻炎有顯著的改善! [2] 另一個研究在狗的過敏性疾病研究,讓狗一出生就使用母狗產道內的乳酸菌(Lactobacillus johnsonii),發現可以防治呼吸道過敏和感染的效果 [3]。

使用益生菌防治自閉症: 證據顯示缺乏母奶餵食或異常腸道微生物菌叢(細菌和黴菌)差異和自閉症密切相關。使用肥胖老鼠比較容易生出社交異常小鼠的特性,一個重要的研究發現4週內使用正常老鼠的糞便移植(FMT),可以改善社交異常小鼠的行為,8週後才使用糞便移植則沒有效果,顯然腸腦軸系(Gut-Brain Axis)的交流需要愈早愈好! [3, 4]

第1型糖尿病的防治使用益生菌: 在一個歐洲和美洲同時進行的大型世代研究,發現,在出生27天以內使用益生菌者,對具有HLA DR3/4體質者容易發生第一型糖尿病胰臟細胞自體抗體的產生,具有顯著的保護性 [5];相反地,大於28天以後才使用益生菌者,則沒有保護性。顯然早期益生菌使用對自體免疫的調節更具效用。

表1. 人類生長發育需要微生物體情況與防治

人類發育需要微生物體情況 生益菌 (prebiotics)+益生菌(probiotics)
腸道細胞發育避免滲漏

預防壞死性腸炎

預防過敏症

預防自閉症

預防第1型糖尿病抗體產生

母奶內寡糖/鐵蛋白/生長素(e.g. TGFb)

母奶+益生菌 (B. infantis或多樣益生菌使用)

產前產後使用(e.g. L. rhamnosus GG, LGG)

哺育母乳和調整腸道Bacteroidetes > Firmicutes

HLA DR3/4兒童在1個月內使用益生菌

三.人體多種疾病與微生物體相關 (表2):

1) 腹瀉: 特別是旅遊腹瀉,不論使用單一或多重菌株的益生菌,大多會顯著改善腹瀉症狀;但是也有一些使用單一菌株於急症腹瀉的研究,發現使用益生菌不會改善腹瀉症狀。腹瀉的原因很多,所以很難一種益生菌治百病! 一般相信旅遊腹瀉使用Bifidobacterium bifidum 、 Lactobacillus acidophilusSaccharomyces boulardii 相關益生菌有助益;感染性腹瀉尤其是輪狀病毒是Lactobacillus reuteri 、 Lactobacillus rhamnosus 和/或Saccharomyces boulardii有效;抗生素引起的腹瀉一般會是使用黴菌性益生菌Saccharomyces boulardii較合適(因為抗生素是抗細菌會把細菌性益生菌殺掉,所以比較合適使用黴菌性益生菌協助)。有趣的是,許多益生菌既可以治療腹瀉也對便秘有幫助!顯然是透過腸道調節作用才會腹瀉和便秘都有效;當然也有人認為這當中也許是不同劑量的作用關係,等待大家進一步研究。

2) 偽膜性大腸炎: 偽膜性大腸炎多半是在使用抗生素後造成大量梭狀困難菌( difficile)的繁殖所促成。使用糞便移植效果很好,或是使用C. scindentsL. lactis益生菌不錯;也有報告顯示黴益菌Saccharomyces boulardii有幫助。

3) 發炎性腸疾病: 發炎性腸疾病(IBD)大致包括潰瘍性大腸炎(ulcerative colitis, UC)和克隆氏症(Crohn disease, CD)。使用益生菌治療發炎性腸疾病的療效,可以歸納為3大原則: 1) 多重菌株組合優於單一菌株使用佳,例如美國FDA通過VSL#3 ( acidophilus SD5212, L. casei SD5218, L. bulgaricus SD5210, L. plantarum SD5209, B longum SD5219, B. infantis SD5220, B. breve SD5206, S. thermophilus SD5207) 是8合一的400億組合包使用於潰瘍性大腸炎;2) 益生菌用於潰瘍性大腸炎的療效優於使用在克隆氏症; 3) 使用於兒童發炎性腸疾病比成人發炎性腸疾病效果較好。

4) 過敏性異位性皮膚炎: 如前述所說明,從歐洲開始在產前產後使用益生菌,防治異位性皮膚炎有成果 [6],就有一些歐洲國家嘗試以回到過去的養育嬰幼兒的方式,研究農場裡出生與長大的小孩是否較少過敏兒。結果確實發現農場裡生長的小孩過敏病較少,因此推論出”比較髒亂的養育比較不會養出過敏兒;太乾淨的養育容易養出過敏兒”。進一步分析原因,有過敏病與沒有過敏病的人,其腸道菌叢的分佈顯著不相同,而且這種腸道菌像與其免疫調節功能相關,顯然嬰幼兒期的環境與飲食會影響腸道菌像,進而影響免疫功能。再深入的關聯研究發現,過敏病與嬰幼兒在喂哺母奶或農場食用的牛奶內細菌像或內毒素無關,而與牛奶的低溫處理,和牛奶或母奶內的乳鐵蛋白質和免疫調節素含量有關(或稱生益菌-prebiotics) [7]。所以髒亂養育兒女避免過敏兒的內含是:〝精準的使用母奶與低溫處理牛奶、補充乳鐵蛋白質、益生菌和免疫調節素,而非髒亂養避免過敏病〞 [1]。

5) 肥胖/胰島素阻抗: 文獻已知嬰幼兒早期腸道的微生物體的差異和兒童肥胖有關。使用不同單一或多重益生菌防治肥胖在動物實驗已有很好的進展,但是在實際的人體試驗則主要有3種: 使用LGG、 gasseri 或糞便移植對肥胖及其相關的胰島素阻抗和降低膽固醇具有改善的效果,值得進一步發展

表2. 人類疾病需要益生菌療癒的發展狀況

人類疾病需要益生菌療癒 特定益生菌(probiotics)使用
腹瀉

抗生素腹瀉

偽膜性大腸炎

發炎性腸疾病

過敏症

肥胖/胰島素阻抗

癌症

單一或多重菌株的益生菌

使用黴益菌Saccharomyces boulardii

糞便移植; C. scindents; L. lactis, S. boulardii

多重菌株如VSL#3(含8種)的益生菌

單一益生菌有些有效、有些沒效

LGG, L. gasseri, 或糞便移植

CTLA4抗體合併B. fragilisB. thetaiotaomicron

6) 癌症免疫治療仰賴腸道菌叢: 最近已有研究報告指出免疫查核點CTLA4抗體合併益生菌 fragilisB. thetaiotaomicron 使用於癌症治療,其療效比沒有使用益生菌者好 [8],進一步的動物實驗也發現合併使用免疫查核點PD1抗體和比菲德菌,可以顯著防止腫瘤擴散的作用! 對於使用嵌合式抗原受體T細胞(CAR-T)治療,會造成免疫細胞素風暴的嚴重併發症,也可以使用帶有心房利納肽(atrial natriuretic peptide, ANP)重組蛋白的益生菌,注射腫瘤達成毒殺腫瘤和抑制異常免疫發炎的狀況! [9]

四.人體與微生物體代謝的生態共伴效應:

當人體的疾病和腸道微生物體異常有關時,人們就希望使用益生菌來治療!這樣的發展確實取得了一些成果,但是不完善是可以預期的,因為這廣大(~1014)的微生物體,只改變一種或10種細菌就改善不容易。所以如何善用生態環境的塑造,來恢復正常微生物體也是重要: 包括早期的使用母奶、寡醣或纖維(或稱生益菌 (前益生菌); prebiotics)促進益生菌的環境塑造;以及利用益生菌的代謝物(或稱益菌生(後益生菌); postbiotics),對人類器官組織的滋養和健康促進的效應 [10]。這種腸道微生物體的環境塑造對健康的好處包括腸道發育、腸腦軸系促進神經發育和避免憂鬱、肥胖、防治癌症和心血管等疾病的作用 (表3.)。

表3. 利用微生物體生態共生共伴效應的應用

生理與病理變化 生益菌(prebiotics) 益生菌(probiotics)/益菌生(postbiotics)治療
1. 健全腸道發育

2. 神經發育與老化    (巴金森病, PD)

3. 預防憂鬱症

4. 預防心血管硬化

 

5. 預防發炎性腸炎

6. 預防肥胖糖尿病

 

7. 防治癌症

 

母奶、寡糖和生長素

 

丁酸 (Butyric acid)

 

Dimethyl-1-butanol: 橄欖、醋、葡萄籽等

 

乳酸菌/比菲德氏菌

短鏈脂肪(butyrate-producing microbials) 㐃Prevotellaceae > Enterobacteriaceae

4-ethylphenylsulfate (4-EPS) ↓

嗜膽鹼菌 > 嗜纖維菌

Trimethylamine (TMA) ↓

Bacteriocins 㐃

Chaperon ClpB㐃

N-acylethanolamide㐃

Ferrichrome㐃

Atrial natriuretic peptide, ANP㐃

 

1) 健全腸道發育: 新生兒尤其是早產兒腸道的發育需要特殊寡醣、特別益生菌或其代謝物,甚至於母奶的生長素 [1,3,11]。沒有這些寡醣或益生菌的代謝物滋養,腸細胞發育失常,容易滲漏甚至發炎壞死。所以需要補充乳酸菌和比菲德菌之外,善用母奶,以及純化或是科學化重塑母奶內的產物,會是環保和科技的結晶。包括選用優良益生菌開發,合成母奶內的寡醣或生長素,甚至利用多潛能幹細胞分化為人類乳腺細胞分泌特定母奶成份,來滋養新生兒或早產兒腸道細胞也是重要的方式!

2) 神經發育與老化: 腸道裡的許多益生菌可以透過消化我們人類不能消化的食物或纖維,並且釋放出對我們人類有益的代謝物,促進神經的發育,稱之為腸腦軸系的滋養路徑(Gut-Brain Axis),但是相反的如果有壞的菌叢存在也可能釋放出傷害神經的物質: 直接傷害腸道神經回傳到腦部中樞神經系統或是透過血液循環影響腦部 [12,13]。例如嬰兒自閉症者腸道菌叢顯著不同於正常嬰兒,而且血中可以測得超高值的細菌代謝物: 4-ethylphenylsulfate (4-EPS)!在動物實驗發現如果給予特定益生菌(g. B. fragilis),動物4-ethylphenylsulfate (4-EPS)血中濃度會降低,行為會改善。另外,老化或退化的神經系統也受腸道微生物體影響,巴金森病 (Parkinson disease, PD)者腸道微生物體不同於正常人,其中Prevotellaceae 減少而Enterobacteriaceae增加,在動物實驗發現產生短鏈脂肪(butyrate-producing microbials)的菌叢減少 [12-14],反轉上述生態,例如使用丁酸(butyric acid)或使用糞便移植可以校正這個菌叢,並且改善動物疾病症狀!人體試驗仍在試驗中。

3) 預防憂鬱症: 類似上述嬰兒動物的腦部影響研究,一般成人或成熟動物也發現憂鬱行為與4-ethylphenylsulfate (4-EPS)濃度相關,改善腸道菌叢可以降低4-ethylphenylsulfate (4-EPS)濃度和改善憂鬱症狀。另外腸道被稱為人類第二個大腦,因為腸道內的腸道菌會製造血清素(90%是由腸道所產生),而血清素如果過低,也會引起憂鬱 [14]。

4) 預防心血管硬化: 類似腸腦軸系的滋養路徑(Gut-Brain Axis),影響腦部的腸道好壞菌叢,可以釋放好物質也可能釋放出傷害血管的物質,直接傷害腸道血管或是透過血液循環影心血管(包括心臟和腎臟):例如腸道的細菌可以代謝紅肉內膽鹼(cholin)成分而產生Trimethylamine (TMA),循環到身體被氧化為trimethylamine-oxide(TMAO)而傷害心血管和腎血管,造成慢性發炎並且影響壽命! 相對幸運的是有些素食、或是地中海飲食的橄欖、醋、葡萄籽或芥末,含有二甲基丁醇(2-dimethyl-1-butanol, DMB)可以抑制膽鹼代謝為TMA,或許可以防治血管發炎! [15]

5) 預防發炎性腸炎: 旅遊因為水土不服或食物不適應而腹瀉,或是使用抗生素而造成異常腸道菌滋生,造成偽膜性大腸炎,或是自體免疫性腸炎(UC或CD),多半是「鳩佔鵲巢」的微生物體異常所造成[16] ! 治療上以多重或高菌量益生菌有幫忙,但是最好的方法還是精準化進行,就是找尋益生菌可以排除壞菌的排毒素(又稱細菌毒素:bacteriocins),利用具有排毒素的益生菌或是直接純化排毒素,也可能清除壞菌叢而恢復正常微生物體而恢復健康! [3]

6) 預防肥胖與糖尿病: 影響肥胖的因素比較多!包括母親懷孕時的營養、體重或生殖道(包括腸道)微生物體,都可能影響兒童甚至成人期的肥胖。透過調整腸道菌叢,或是使用基因重組的益菌製造抑制胃口的代謝物,或是促進胰島素感受性的分子,例如可以重組Chaperon ClpB基因的細菌,因為可以抑制胃口而減少肥胖,以及使用可以產生N-acylethanolamide的益生菌,已經可以在動物實驗,防治肥胖和胰島素阻抗的效用 [3]。再者,一個喜歡吃肉的人,他體內會養出很多偏好吃肉的腸道菌,而這些細菌還會排擠其他嗜吃纖維、蔬果的細菌,並向大腦要求吃更多肉食,肥胖也增加。

7) 防治癌症: 癌症和腸道菌叢的平衡也有關係,腸道微生物體異常可以影響大腸癌的形成是很容易理解的事情,腸道微生物體異常也會影響身體其他部位的癌症,多半是因為異常腸道微生物體,失去益生菌或前益生菌具有的免疫調節(Treg)作用,好菌無法調節腸道細胞的免疫調節作用,讓壞菌可以促進發炎(特別是Th17的發炎),就容易有促進腫瘤的機會 [17]。所幸有些特定益生菌可以產生殺腫瘤因子(又稱後益生菌;postprobiotics):例如有一種益生菌 casei (ATCC334)可以產生ferrichrome就有殺腫瘤細胞的作用,或是使用基因重組的益菌表現ANP(atrial natriurectic peptide),也已經可以在動物實驗證實在免疫治療殺腫瘤細胞時,防制自體免疫過度發炎的細胞素風暴,促進治癌效果 [9]: 另外使用特定益生菌(B. fragilisB. thetaiotaomicron),配合查核點抗體的治療癌症效果,也被證實比單獨使用查核點抗體的免疫治癌效果好 [3, 8]!

 

五、精準使用益生菌3原則:從出生前後開始、生病時調整和個人化使用

1) 胎幼兒期使用可塑性佳

人類從無菌的子宮腔出生時,經過產道和出生後吸入第一口空氣,就融入許多微生物體。從出生至一歲的腸道微生物體受到產道菌叢和母奶的影響執行共生共伴發展,使得其多樣性著重腸道發育的益生菌孳長;直到母奶介斷後才有更大量的多樣性增加;從1-5歲開始腸道增加發酵菌和維生素製造的共生菌;從6-12歲則是維生素製造菌的活躍期; 12歲以後進入成熟穩定期,以調和醣類、脂肪和磷酸或硫酸化的調節作用;直到60歲以後減少發酵菌叢變得明顯 [3, 18]。顯然這個產前產後的微生物環境的好壞不但影響著當時的互動或排斥,或是共生共伴生態。若是前者會是影響發育或是疾病,若是後者則是神經與免疫調和促進健康的根基。所以不難理解早期塑造微生物體為最高原則,特別是早產兒最需要優良的生益菌的環境生態;接著是在兒童期孕育優良腸道微生物體避免過敏病和感染症 [19];在生病時了解異常為生物體,進而校正腸道微生物體以利恢復健康 [3, 10, 20];甚至利用益生菌代謝物或是基因重組益生菌的產物,執行個別化精準醫療使用!面對這個發育與益生菌共生發展的趨勢,歐洲國家的父母已經有1/3讓嬰兒在出生1個月內就使用益生菌,美國和台灣的父母在1個月內使用的比率只有5% [5]。這些原則的運用既可以促進腸道發育健康,又減少腸胃道疾病、減少肥胖、過敏、自閉症,甚至預防糖尿病和精神等疾病 (表3.)。

 

2) 生病時使用益生菌的效益較明顯

生病時,尤其是腸道感染或腸道發炎的疾病多半對益生菌的使用有效用,只有少數免疫力很差的人需要小心植入益生菌造成感染的個案報告! 一般來說:旅遊腹瀉、病毒性腹瀉或抗生素引起的腹瀉,使用單一或三合一益生菌配方都是減緩症狀的好方法;對於自體免疫性腸道炎症疾病,則需要大量多重菌株的配方使用,效果才會好。困難的事是,並非所有的個案使用益生菌就可以控制,所以需要更精準的在使用前檢測腸道菌叢是那些異常分布,再根據異常微生物體分布給予精準的菌株校正。例如針對自閉症有許多研究發現,缺乏母奶餵食或異常腸道微生物菌叢(細菌和黴菌)差異,有密切相關,特別是Bacteroidetes 少於Firmicutes,所以鼓勵餵食母奶和使用 B. fragilis益生菌是防治自閉症的方法之一。

 

3) 不同疾病不同人的精準(個人化)使用益生菌的時代

(1) 不同疾病不同作法

不同疾病各有不同腸道微生物體的差異,所以需要不同的處方恢復微生物體。例如表2所示的不同疾病各不相同的用法: 多重菌株高效量對自體免疫病腸炎較佳、單一菌株早期使用對過敏有效果,使用B. fragilis對自閉症可能有效,以及糞便移植對偽膜性腸炎很有效。但是問題都是並不是所有病人都有效,顯然需要更精準地知道異常在哪裡而給予精準的調整 (表3.),或是在發育上在不同年齡給予預防性的微生物體調整。

(2) 不同年齡不同用法:

不同年齡的人其腸道微生物體有階段性不同,所以不同年齡者應該有不同的設計:出生後到斷奶前是第一段,著重接近母奶內容的生益菌和益生菌為主; 斷奶後增加副食品時是第二階段,此時段(學齡前;5歲前)應該是著重可以製造維生素和發酵的益菌,以及調整免疫力的細菌:例如比菲德菌和糞桿細菌等配方;學齡期(6-12歲),此時期至成人的期間仍有許多微生物體差別的空間可用,需要大家進行研究;正常的腸道(尤其是大於12歲)的人,他的腸道菌叢是相對穩定,但實際那些細菌或黴菌,厭氧或嗜氧,好膽汁或親纖維菌,都仍有很大空間發展精準益生菌叢應用。例如葷食者會較多嗜膽汁菌;而素食者會多親纖維菌,前者可能因為膽鹼(cholin)的成分讓親膽汁菌製造較多TMA而有慢性發炎,後者就比較會發酵纖維而製造短鏈脂肪而促進免疫調節作用。再者地中海型食物的醋、橄欗、芥末和葡萄籽等可以提共二甲基丁醇(DMB)而拮抗膽鹼代謝為TMA的炎性物質。以上這些兒童和成人疾病與腸道微生物體相關的說明,都應驗大家已知的產前產後的「關鍵1000天」,是培育優秀的下一代很重要的時間。為了培育優良國家未來主人翁,我們也在2015年成立台灣胎幼兒期防治成人疾病學會(TW-DOHaD)來推廣。不論產前孕婦期、產後嬰兒期、學齡兒童或是成人,都可以因為了解食物-腸道益生菌-腦或心血管的軸系,而執行精準的前益生菌、益生菌、後益生菌,促進健康。

 

參考資料:

  1. 楊崑德著: 打造健康免疫力秘笈。免疫叢書、大屯出版社、 2017、台北市。
  2. Ou CY et al. Prenatal and postnatal probiotics reduces maternal but not childhood allergic diseases: a randomized, double-blind, placebo-controlled trial. Clin Exp Allergy. 2012;42:1386-96.
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台灣物聯網產業技術協會(TwIoTA) 的精準醫療發展

台灣物聯網產業技術協會 智慧及精準醫療委員會

「台灣物聯網產業技術協會」(Taiwan IOT Technology and Industry Association,TwIoTA)由力晶集團 黃崇仁總裁發起成立,協會宗旨為針對物聯網技術發展,結合台灣半導體關鍵零組件及其中下游軟硬體裝置、應用服務商、物聯網平台等業者,與全球暨中國大陸各界合作,制定產業標準並推廣於兩岸和國際市場,提升台灣在物聯網新興產業的核心競爭力。台灣物聯網產業技術協會在 黃崇仁理事長領導下,目前設有「智慧及精準醫療」、「半導體」、「車聯網」、「智慧工業」、「智慧安全」及「人工智慧及大數據」等六個專業委員會。

智慧及精準醫療委員會召集人為智合精準醫學總經理 汪嘉林博士,副召集人為蓋德科技 許賓鄉董事長,委員會主要工作目標為促進跨業交流,邀請各界專家針對智慧及精準醫療與照護議題進行分享。截至目前,已有包括 汪嘉林召集人、中央大學動態生醫指標團隊 葉家榮博士、台灣精準醫學學會 王子豪秘書長、交大智慧醫療辦公室 黃乙白主任、滙嘉健康生活科技 楊淑貞董事長、高雄醫學大學生技醫療團隊、中華兩岸頤養促進會 王浩任副秘書長、台北市私立貴族老人長期照顧中心 桑予群主任、天奕科技 袁維廷業務總監等,就智慧及精準醫療、跨業合作的智慧醫療創新產品、智慧醫院、台灣及大陸長照市場現況、透過感測器實現非侵入性監測人體生理活動、室內定位系統導入醫療照護領域之相關應用議題進行分享。

為了強化物聯網與醫療跨業合作,達到「強」「強」結合,台灣物聯網產業技術協會與台灣精準醫學學會於2017年12月14日簽署合作備忘錄締結為姐妹會,期望有效運用雙方資源,增進醫學研究與產業更加智慧化發展。

台灣物聯網產業技術協會(TwIoTA) 的精準醫療發展_1

簽署合作備忘錄當天亦舉辦「探索智慧及精準醫療未來趨勢研討會」,就精準醫學、智慧醫院、AI在醫療應用、智慧醫療等議題發表演說,包括台灣精準醫學學會 王子豪秘書長分享「精準醫學的範疇與挑戰」、交通大學智慧醫療推動辦公室 黃乙白主任介紹「如何透過資通訊技術打造智慧醫院」、HTC智慧醫療事業部 鄭志偉處長分享「以人工智慧和虛擬實境實現精準醫療」、IBM 紀鴻文顧問經理介紹 「智慧醫療的認知未來」,當天吸引爆滿聽眾交流熱絡。

本身有醫學教授背景的 黃崇仁理事長在致詞時表示,對於癌症的個人化治療就是屬於精準醫學的應用之一。以乳癌為例,乳癌細胞外觀上長得都很像,但實際上卻是異質細胞,因此會把乳癌區分不同次群組(subgroups),以找出正確的治療方式。若能透過次世代基因定序(Next Generation Sequencing,NGS),確認病患乳癌特殊性,並找出符合特定病患個人化的治療方式,就可以獲得更好的治療預後效果。在半導體技術的介入與進步下,次世代基因定序成本越來越下降,也更能針對個人特定疾病發生機率提供預測、預防與治療方式。

台灣精準醫學學會 張廷彰理事長在致詞時表示,精準醫學有三大核心,包括個人化的醫療、病人的參與、大數據的分析,也就是透過DNA測序與大數據分析的方式,醫生可以真正提供個人化的診斷與治療。台灣IT產業技術非常進步,甚至有很多IT單項技術的隱形冠軍就在台灣,透過與台灣IT產業跨業交流合作,可加速台灣精準醫學的學術與產業發展,讓台灣能成為精準醫學產業的燈塔。

精準醫療與科技產業的結合,開創了產業新契機,力晶旗下晶相光與全球基因定序市場龍頭大廠 Illumina 合作,共同開發新世代基因檢測設備,未來並與台灣家醫學中心共同研發基因定序檢測。展望未來,台灣物聯網產業技術協會將搭建跨業交流平台,持續強化物聯網產業與醫療、照護、健康進行跨業合作,落實物聯網智慧場域應用。

新型腸道益生菌與減肥

吳宗儒,賴信志

長庚大學 醫學生物技術暨檢驗學系

微生物相研究中心

333桃園縣龜山鄉文化一路259號

e-mail: hclai@mail.cgu.edu.tw

tel: 03-2118800 extn 3585

因應NGS (Next generation sequencing)及bioinformatics相關技術及平台的持續發展,大約10多年的時間,世界上各種菌相(Gut Microbiota)之相關研究很快地風起雲湧,包含環境,生態,水圈,農業,能源,動物及至人類等等有微生物存在的地方,皆迅速地由瞭解其微生物相基本結構開始,進而拓展至解開其中菌相所含的所有基因,找出其新的功能,並解開其內在之生化反應機制及途徑。在各種不同之研究領域,迅速地在全世界快速推行及發展,找到其新的知識及應用範圍。以動物微生物相研究而言,對於這些絕大多數為厭氧環境生長的微生物族群而言,在不同生存環境中,需先適度收集,儲存及運送這些待分析的菌相檢體。接著瞭解菌相在這些特定的環境的結構及組成。以此找到是否某些特定的菌群與特定的生存環境具有有意義的關聯性。具有厭氧菌相關基本生理及培養知識為進入此研究領域之必要條件。接下來的研究則需建立此特殊菌群與其相關之特殊環境的因果(cause and effects)關係。有基於此,利用抗生素來刻意引起不正常微生物相(dysbiosis)情形及無菌鼠(Germ Free mice)等技術平台則需引入利用。依照特定目的,經果冗長而辛苦的分析,測試及研究,若方向正確,可將菌相縮短至一至數隻的細菌,進行下一階段的功能及分子機制分析。找到有特定功能的菌(群),可經由進一步驗證,發展成為新的次世代益生菌(probiotics),並且對於特定的疾病,可進行菌群的基因代謝體(metagenomics)分析,配合其對動物宿主的細胞組織之epigenetics (methylome, ATACseq), transcriptomics (RNAseq, single cell RNAseq), 及各種metabolomics影響分析,經由生物資訊分析平台將這些大數據之間的關聯性拉出來,可進一步瞭解這些菌(群)如何影響動物之免疫力,調整其發炎狀況,進而發展及設計出可能的小分子化學分子,作為新藥開發之標的。在未瞭解實際臨床應用之初,對於許多疾病之預防及治療,目前先以整個完整菌相為基礎,轉移至疾病發展的動物體內。此便是所謂的菌相移植(microbiota transplantation)。

目前已知Gut Microbiota主要指棲息在動物及人體腸道內的預估佔有1012至1014數目的龐大菌群。Gut Microbiota在全世界扮演非常重要之生理及病理調控角色。正常情況下,Gut Microbiota透過與腸道適度的免疫互動,調控腸道及全身發炎及免疫力,直接或間接影響人體各種重要生理及病理現象。除了細菌本身複雜的成份之外,各種腸道菌相所代謝出的物質,對於維持腸道環境的恆定,促進免疫力及抗發炎皆有扮演重要的角色。細菌本身的組成成分可經由腸壁進入淋巴系統,腸肝循環及肝臟,並進入血液循環,影響全身各種重要器官,調控全身的免疫力及發炎狀態。基本上,溯及母親胎兒,嬰幼兒起,正常菌叢(Normobiosis)即調控動物之正常免疫發炎反應。某些情況下,諸如不正常生活方式,或抗生素使用導致不正常菌叢 (dysbiosis)時,腸道無法維持完整結構及功能,引起發炎物質滲漏,導致長期而慢性發炎,產生諸多重要疾病。不久的未來,全世界大量人力及物力將集中於找出新的特定功能性菌群及其代謝產物,研究其在疾病之預防及治療方面之功能及分子及生化機制。此外,各種糞便銀行建立及糞便移植(Fecal Microbiota Transplantation, FMT)技術之改進,營養領域之新的益菌素(prebiotics),新的益生菌(probiotics),或新的生化調控方式,會快速發展。快速進步的NGS及bioinformatics大數據技術,也會大量推廣應用於健康檢驗及諮詢,發展生技產業,對於疾病之預防及治療將有重要貢獻。台灣如何在此國際競爭激烈的環境屹立不搖,為一項值得思考之事。

隨著生活品質的提升,食物的選擇及攝取在生活當中扮演著維持人體健康重要的一環。因長期攝取『高脂肪、高醣』的飲食習慣,肥胖及其代謝症候群在臨床上層出不窮。自教育部的資料顯示,約有三成比例的國中、小學生有肥胖現象(BMI >25 kg/m2),且有逐年上升的趨勢,而世界肥胖聯盟(World Obesity Federation)的統計結果也發現台灣不論成人或學童的肥胖比率都高居亞洲第一。1997年,世界衛生組織正式將『肥胖』列為一種慢性疾病,其可怕之處在於體內過多的脂肪或膽固醇容易造成心血管疾病、非酒精性肝炎、第二型糖尿病,甚至是後期的癌症發展。此外,社會成本及醫療費用也因為肥胖比例的成長而增加了國家的經濟負擔,因此,無論是開發中國家或已開發國家皆積極的想尋找出一個有效預防並控制肥胖的方式。

臨床上治療肥胖,『勤運動、飲食控制』為最基本的要素之外,胃繞道手術或藥品服用則是進階的治療策略,但往往容易造成後續副作用產生。因此我們實驗室開始思考如何採用另外一個方式來預防降低肥胖的風險。2015年本實驗室團隊發表於自然通訊雜誌(Nature Communications)的內容中,發現中草藥的靈芝水萃高分子量多醣體能有效的降低高脂飲食造成的肥胖及代謝症發炎,由該研究中,指出靈芝水萃高分子量多醣體的功能為促進戈氏副擬桿菌(Parabacteroides goldsteinii)的數目;之後在2018年本研究室發表另外一篇文獻於腸道期刊(Gut),此研究指出,中草藥冬蟲夏草高分子量多醣體可有效減肥,且其機制為改造小鼠的腸道菌叢,其中也特別增加一隻戈氏副擬桿菌(P. goldsteinii)來降低高脂飲食造成的肥胖及代謝症候群。

新型腸道益生菌與減肥_1

在高脂飲食誘發的肥胖小鼠實驗中,同時介入高分子量的冬蟲夏草多醣體後,除了明顯的降低體重增加及代謝症候群的指標(如腸道內毒素透過腸道上皮細胞滲漏、全身性發炎、胰島素抗性、不正常脂肪細胞肥大及非酒精性肝炎),同時也發現改善因肥胖而失衡的不正常微生物相(dysbiosis),瞭解到腸道微生物菌叢在肥胖的發展過程中扮演著重要的角色。透過微生物相移植(FMT)及抗生素處理等實驗,搭配NGS及bioinformatics相關技術及平台的分析下,發現腸道戈氏副擬桿菌(P. goldsteinii)隨著高分子量的冬蟲夏草多醣體攝入而增加,同時戈氏副擬桿菌(P. goldsteinii)能與所有的肥胖指標呈現負相關。如此一來,戈氏副擬桿菌(P. goldsteinii)不僅是能提供作為肥胖治療前後的生物指標,更能有望發展成為新的次世代益生菌。

Taiwan Gut Project – 台灣腸道公民科學計劃

台灣腸道公民科學計畫負責人 郭育倫博士

世界各國研究指出,腸道微生物與人類健康有密不可分的關係。目前已有許多大型微生物體計畫被提出,例如美國NIH所啟動的人類微生物體計畫HMP(2008-2013)、iHMP(2014-2016)與歐盟所發起的MetaHIT(2008-2012)為最早的國際研究計畫,另外如加拿大、澳洲、韓國、法國、巴西等國家也都陸續發起人類微生物體研究,世界各國皆希望定義健康的腸道微生物結構,並探究腸道微生物與人類健康的關聯。目前已知腸道微生態失衡與發炎性腸道疾病、大腸癌、感染性結腸炎、代謝疾病如肥胖與糖尿病、過敏、氣喘、心理疾病如自閉症與憂鬱症等皆有關聯,甚至會影響藥物療效與副作用的產生。

台灣腸道公民科學計畫-1

目前許多先進國家已開始展開腸道菌的大規模採樣,建立資料庫並應用於科學研究與醫療上,例如著名的美國人腸道微生物計劃(American Gut Project)是由Rob Knight博士和Jeff Leach博士於2012年共同發起、開始於2013年4月的一項腸道菌研究計劃,計劃採用群眾募資的方式讓大眾參與,這也是目前世界上最大的群眾募資公民科學項目(Citizen Science)。除了American Gut之外,還有附屬於American Gut的British Gut, Australian Gut及 Asian Gut,這些海外合作都是以海外收樣點模式進行。

 

 

鑑於腸道微生態結構易受飲食、生活習慣、壓力、環境等影響,因此圖爾思生物科技聯合長庚大學微生物相研究中心,共同發起「台灣腸道公民科學計劃」(Taiwan Gut),計劃希望能提供參與者個人化腸道分析服務,同時透過群眾力量建立台灣人群的腸道菌資料庫,以提供日後民眾與醫師參考的指標。Taiwan Gut於2017年9月30日在台灣消化醫學年會上發表,同時團隊為了讓參與計劃的民眾能方便且快速地收集樣本,設計全新的專屬採樣盒(包含採樣管、樣本收集袋以及使用說明書)受到高度關注與討論,現場許多專家學者表示,台灣腸道公民科學計劃將可幫助提升台灣的腸道菌研究與接軌國際。目前計畫團隊正規劃執行第二階段,預期將以更嚴謹、更可靠的流程完成計畫初衷。

 

台灣腸道公民科學計劃提供台灣民眾參與腸道微生物科學研究,透過在地定序及分析提供參與者自身腸道菌相組成、有益菌(如雙歧桿菌、乳酸桿菌及丁酸鹽產生菌等)、致病菌(如大腸桿菌、困難梭狀桿菌及沙門氏菌等)、疾病風險評估(如大腸癌、腸躁症、肥胖及糖尿病等)、營養師制定個人化飲食或營養補充品建議等的評估報告,同時讓民眾共同參與、深入了解在地人群腸道微生物的結構與組成。

 

目前台灣腸道公民科學計劃已完成第一階段的募集,相比美國腸道計劃達成100人次贊助耗時39天,英國腸道計劃更是花了42天才突破100人,然而台灣腸道計劃在短短33天就達成了300人次的贊助,都歸功於民眾的熱情參與及大力支持。接下來,Taiwan Gut團隊將往下個里程碑邁進,期望能透過改善採樣流程、實驗方法、分析演算法等更精準定義台灣人群腸道菌相,達到一定的目標人群收集後將發表『台灣腸道菌地圖關鍵報告』,讓民眾了解台灣健康腸道菌結構及各縣市的腸道菌相差異!

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註:台灣腸道公民科學計劃群募網站: www.taiwangut.com

註:圖爾思生技 – 台灣生物技術服務領導廠商。致力於微生物體科研服務,接軌國際與著名單位建立合作夥伴關係,如美國Rob Knight實驗室、台灣大學醫學院、長庚大學及臺北醫學大學,長期深耕科研及佈局微生物臨床發展,定期發行科普文章及舉辦亞洲微生物體趨勢論壇,促進微生物組研究發展與交流。公司組成包含分子生物、微生物、生物資訊博士及營養學專家等核心成員,目標以打造結合微生物檢測、益生菌、益生元及個性化營養管理服務的方案,達到管理人體微生物進而管理人體健康的目標。

 

 

 

台灣基康以創新DNA 實踐精準醫療核心價值

台灣基康品經理 洪嘉駿

 

前言

全球基因科技產業的發展起源,可回溯到2001年宣布完成的人類基因體計畫(Human Genome Project),傾全球之力耗資三十億美金耗時超過10年,終於完成第一位人類的基因體基因定序解碼完成,為基因體研究與產業發展奠定了重要的基礎。

 

台灣基康(Gene Health)創立於2011年,是台灣最早專注於提供基因檢測服務的公司之一,創辦人曾慶豐董事長有感於基因科技的發展缺乏有效的產品服務商業模式,讓基因檢測僅限於鑽研基礎研究與少數特定疾病的臨床應用,無法造福廣大的民眾。因此,台灣基康建構專業化的產品開發與諮詢服務團隊,與全球頂尖的基因研究單位密切合作,陸續將多年來的基因研究成果,轉化為符合臨床醫療與大眾需求的專業服務,品牌通路遍及全台,至今已取得全台超過三百家醫院、診所、健康管理中心指定合作,提供完整的基因檢測服務項目。

 

疾病風險評估與遺傳性腫瘤基因檢測

2012年,台灣基康(Gene Health)與旅美返台的人類基因體計畫的首席科學家 陳奕雄(Ellson Chen)博士團隊-賽亞基因(Vita Genomics)攜手合作,以亞洲最早的華人基因資料庫和全球性的基因多型性研究Genome-wide association studies(GWAS)為基礎,從消費者需求的思維出發,開發一系列「預防醫學基因檢測」服務,透過基因型比對與數據演算,分析評估一些常見重大疾病的風險,例如:糖尿病、老年失智症、痛風、癌症、心腦血管疾病等的罹病風險,讓民眾與醫療人員能輕易運用及早掌握先天的疾病風險,實現「上醫,醫未病之病」的理想。臨床上還有一系列與基因遺傳具有強烈關聯的癌症,臨床稱為家族遺傳性癌症或遺傳性腫瘤,台灣基康更投入開發提供針對特定癌症家族史的高危險群進行基因檢測,分析是否為家族遺傳性癌症帶因者,以女性最常發生的乳癌為例,臨床醫學證據顯示,BRCA1和BRCA2基因變異與遺傳性乳癌/卵巢癌的關聯性非常強烈,帶因者的罹癌風險通常高於常人10倍以上。然而,具有乳癌家族史的家族性乳癌患者,有16.9%的比例會帶有BRCA基因突變,確實有必要進行廣泛的基因篩檢。2013年,美國好萊塢知名女星安潔莉娜裘莉(Angelina Jolie)就曾接受BRCA遺傳性乳癌/卵巢癌基因檢測而發現自身帶有BRCA1基因突變,自主採取預防性的醫療措施,而掀起「裘莉效應 (Angelina`s effect)」,帶起全球基因檢測發展的熱潮。

 

台灣基康創新DNA 實踐精準醫療核心價值 (洪嘉駿)_1

 

深耕母胎生殖醫學領域 建立本土NGS基因定序實驗室

由於近年來隨著國人晚婚、生育年齡延後,胎兒染色體異常、基因遺傳疾病與不孕、不育的問題已經逐漸被大家所重視,產前染色體篩檢和生殖醫學領域的需求更是蓬勃。

台灣基康(Gene Health)自2014年3月就與全球最大基因體研究機構 華大基因(BGI)合作開發-非侵入性胎兒染色體基因檢測(NIFTY / NIFTY PLUS),致力推廣產前染色體篩檢的概念,提供安全、精準(準確率>99%)的檢測服務,持續創新研發升級篩檢項目,近年來已獲得全台灣超過300家婦產科醫院/診所認同合作,服務超過三萬名懷孕的準媽咪歡喜迎接健康寶寶的誕生。

 

台灣基康創新DNA 實踐精準醫療核心價值 (洪嘉駿)_2

 

2017年,非侵入性胎兒染色體基因檢測(NIFTY / NIFTY PLUS)在全球臨床收案已突破二百萬例,台灣基康更成功取得華大基因(BGI)技術授權,在台灣本土建立次世代基因定序(NGS)實驗室,以全球最大的臨床數據為基礎,提供的非侵入性胎兒染色體基因檢測(NIFTY PLUS),能完整篩檢分布於各染色體上的20項染色體倍數異常與片段缺失。同時,無論是同卵或是異卵雙胞胎皆能透過非侵入性胎兒染色體基因檢測(NIFTY TWINS)精準(準確率>99%)篩檢胎兒最常見的唐氏症(T18)、愛德華氏症(T18)、巴陶氏症(T13)等染色體異常,全球已有兩萬名雙胞胎孕婦受惠,更是唯一具有大規模臨床數據驗證的雙胞胎產前染色體篩檢方法。非侵入性胎兒染色體基因檢測(NIFTY/NIPT)現在已經成為液態生物檢體(Liquid Biopsy)領域最廣泛而成熟的臨床應用。

 

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許多婦女面臨高齡不孕、重複流產的主要原因是染色體數目與結構異常。根據研究,透過胚胎著床前染色體基因篩檢(PGS)精準篩選出染色體正常的胚胎進行人工受孕,可將人工受孕的懷孕成功率從41.7%大幅提升至69.1%,讓許多不孕症患者得以如願以償,順利生下健康的寶寶。台灣基康(Gene Health)將採用最先進的次世代基因定序(NGS)平台,以華人為基礎的臨床文獻驗證,可全面篩檢23對染色體,精準篩檢染色體數目異常與片段缺失/重複的胚胎(檢出率達99.6%以上) ,造福眾多在生殖醫學中心施作試管嬰兒(IVF)求子/女若渴的家庭。

 

台灣基康創新DNA 實踐精準醫療核心價值 (洪嘉駿)_4

 

領先業界 率先推出擴展性帶因者篩檢

過去民眾與醫療人員普遍誤認為單基因遺傳疾病的發生率低,容易輕忽其嚴重性而沒有進行普遍篩檢,當罹患單基因疾病、帶有嚴重缺陷的胎兒意外出生,就會帶給家庭非常大的衝擊。事實上,全球已經發現超過 10,000 多種的單基因遺傳病,疾病的綜合發生率高達 1/100,而且多數的單基因遺傳病會導致患者死亡、畸形或殘障。

2017年3月美國婦產科醫學會(ACOG)已經提出針對單基因遺傳疾病的擴展性帶因者篩檢(Expanded carrier screening)的臨床需要,台灣基康即率先開發推出單基因遺傳病基因檢測-添好孕,運用次世代基因定序 (NGS)技術,進行擴展性帶因者篩檢(Expanded carrier screening)可一次性準確篩檢多種疾病,相較於傳統的逐一項檢測方式,具有更高的效率。藉由 NGS 技術一次篩檢完整的基因序列,同時檢測點突變、小片段插入和缺失等多種基因突變型態,讓準備生育與正在懷孕的新婚夫妻能夠獲得更完整的保障。

 

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持續創新 實踐精準醫療核心價值

2015年1月前美國總統歐巴馬提出精準醫療倡議(Precision Medicine),提出依據每個人的基因、體質、生理情況等特徵,透過精準的分子檢測,給予量身訂製的精準醫療策略,將能大幅提升醫療效率並減少不必要的醫療資源浪費,在全球掀起一波挑戰傳統醫療的革命浪潮。然而,精準醫療必須仰賴正確的基因資訊為基礎,台灣基康致力於開發基因檢測相關應用服務多年,深刻瞭解臨床醫療人員與民眾的需求,秉持著持續創新的精神,以基因檢測為基礎逐步實踐精準醫療的核心價值。

 

前瞻與創新-訊聯集團引領婦幼精準醫學

訊聯生物科技股份有限公司 董事長 蔡政憲博士

美國前總統歐巴馬2015年國情咨文倡議精準醫學,『Precision Medicine,精準醫學』生物醫學醫療保健策略如浪潮席捲全球。訊聯集團自2005年跨足基因檢測領域起,高科技研發及管理能力一直是支持訊聯成長的重要動力,在以精準醫學為出發基準的『Companion Diagnostics,伴隨式診斷』及『婦幼精準醫學』兩大領域皆有優異的成果。

  • 訊聯集團多年前開始投入「伴隨式診斷」,與多家醫療院所合作進行藥物搭配的研究,協助國內外大藥廠完成FDA核准用藥的基因檢測及其配對,與協助藥廠於新藥之研發,目前已發展自體發炎疾病用藥檢測及C肝用藥相關基因檢測兩大診斷系統,協助臨床建立更全面的用藥評估系統。
  • 『婦幼精準醫學』是當前精準醫學最具體有成的領域,從早期利用母血中的生化值估算胎兒帶有唐氏症的機率,到現在透過許多的基因體學檢測方法,達成個人化的精準胎兒染色體檢測,包含非侵入性胎兒染色體檢測NIPT的發展,以及染色體晶片的應用。其中最成功也最具經濟衝擊性進展的又以「非侵入性胎兒染色體檢測(Non-invasive Prenatal Testing,NIPT)」為首!歸功於次世代基因定序(Next Generation Sequencing,NGS)技術與生物演算技術的進展神速,NIPT正式問世才4年,據Cowen Research顯示,至今全球已超過308萬名孕婦接受這項檢查,對全球的母嬰健康產生非常深遠的影響。政府亦受到精準醫學浪潮的推動,106年度科技部生命科學研究發展司特地制定「建立以婦幼醫學為主軸的精準醫療專案計畫」,致力於推動國內『婦幼精準醫學』實踐。訊聯1

  訊聯自2007年開始配合學會推廣唐氏症篩檢,從第一孕期唐氏症篩檢、第二孕期四指標唐氏症篩檢,合作超過全台95%產檢醫療院所,業務團隊深耕經營17年,一路邁向非侵入性胎兒染色體篩檢的時代:

訊聯2藉由導入NIPT,逐步取代檢出率有限制的血清篩檢

將近10年深耕經營唐氏症篩檢推廣,藉由NIPT的導入,將檢出率具有限制性的血清篩檢逐步取代,新興的分子檢測技術,透過次世代定序直接檢測來自胎盤的胎兒游離DNA,精準篩檢出帶有異常胎兒,再進行確診可有效降低唐氏症篩檢偽陽性率。

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訊聯前瞻眼光早一步將NIPT推到全年齡層的策略。

自2012年開始提供NIPT檢測,持續觀察國際趨勢及各大學會建議方針,將NIPT的適用族群從高風險的第二線篩檢,逐年擴大至全面第一線篩檢,2015年開始致力於「NIPT取代傳統血清篩檢」的推廣策略,至今NIPT逐年普及化,檢測族群也有年輕化趨勢。訊聯前瞻眼光早一步將NIPT推到全年齡層的策略,隔年『American College of Medical Genetics and Genomics,ACMG』宣布NIPT可用來取代傳統唐氏症血清篩檢。

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NIPT不只是取代血清篩檢,檢測平台擴展至染色體片段缺失篩檢。

除了一般常見的染色體套數異常(如唐氏症、愛德華氏症、巴陶氏症)之外,目前已知有數百種染色體片段缺失/重複都會造成新生兒的發育缺陷,綜合發生率大約為 1/1000 左右。已有研究指出,懷孕年齡與胎兒發生染色體片段缺失/重複無顯著相關性。過往僅有透過羊水晶片才能檢測出染色體片段缺失,因此低齡孕婦雖與高齡孕婦有同樣的機率生下帶有染色體片段缺失/重複的孩子,卻容易忽略這潛在的風險。美國Natera在2012年推出SNP-based NIPT,其專利的SNP分析法,可精準區分母體及胎兒DNA,經過臨床數據證實能夠透過母血分析篩檢出特定的染色體片段缺失/重複或單親二體症,例如發生率最高的狄喬治氏症候群 (Digeorge syndrome)及其他相對常見的1p36 缺失症候群、貓哭症候群 (Cri-du chat syndrome)、小胖威利症(Prader-Willi syndrome)、天使症候群 (Angelman syndrome)。觀察到僅僅篩檢常見的染色體套數異常,將無法滿足廣大孕婦的產檢需求,訊聯在2015年正式代理Natera SNP-based NIPT,並在2016年簽訂技術轉移,引進SNP-based NIPT檢測技術。建立兩大NIPT檢測平台『MPSS-based NIPT』與『SNP-based NIPT』,不僅是取代血清篩檢,更提升檢測平台擴展至染色體片段缺失篩檢。

根據過往的產前檢測數據,將超過11萬人次的唐氏症血清篩檢、非侵入性胎兒染色體檢測與染色體晶片結果進行交叉比對發現:

  1. 當NIPT結果異常時,羊水核型分析結果大多與NIPT結果相符(針對唐氏症篩檢檢出率>99%、偽陽性率06%) ,反觀傳統血清篩檢高風險,但羊水核型分析常無檢測出異常(針對唐氏症篩檢檢出率85%、偽陽性率6.2%)。
  2. 篩檢異常但羊水分析卻無檢出異常的個案中,部分因為後續產檢過程中發現其他異常(例如超音波)、或是出生時帶有先天性異常,藉由染色體SNP晶片檢查(SNP晶片小兒檢測),找到傳統羊水分析因其技術上的限制,而無法測得的染色體片段缺失/重複。

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  訊聯集團亦致力於海外發展,以國際遵循的檢測品質規範建立國際化基因檢測中心,已連續兩次通過『美國病理學會CAP』實驗室認證; 訊聯集團結合NIPT及染色體SNP晶片,建立從篩檢到異常確診系統,幫助臨床上解決過往血清篩檢偽陽性率過高的問題,找出不明原因流產或先天異常的原因,實踐『精準醫學』的分眾檢測的精神與理想,實現精準醫療運用於促進婦幼健康的社會貢獻。

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有勁生物科技如何利用次世代定序及生物資訊分析來實現精準醫療

有勁生物科技公司  林志鵬博士

  有勁生物科技股份有限公司 (Yourgene Bioscience),成立於2010年,是台灣一間同時擁有國際認證的基因體核心實驗室與專業生物資訊部門的生技公司。本公司擁有Illumina 及 Ion Torrent 兩大定序平台與相關定序設施,且基因體核心實驗室的定序技術更是獲得Illumina Certified Service Provider與Ion AmpliSeq™ Exome Certified Service之認證,更在2016年底以股權交換和現金,合計720萬英鎊(約合新台幣2.7億元)被英國上市公司Premaitha Health收購。此外,實驗室也獲得了ISO 17025 認證並參加CAP舉辦的能力試驗,擁有最可靠與最標準化之操作定序技術。

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  除了提供兩大平台完整的NGS定序儀器之外,實驗室亦建制了Perkin elmer自動化NGS Library 製備系統- NGS Express JANUS® Automated Workstation,可自動化針對不同核酸樣品的文庫(Library)構築製備,並且可以根據不同需求進行客製化,一次可對24個樣品進行製備。依循實驗步驟,輸入程式指令,即可以完成實驗的流程。如下圖:

 

  在萃取核酸方面,我們利用MagCore 自動化核酸萃取儀器來將生物體相關組織或細胞(血液組織或口腔黏膜細胞等)內的核酸萃取出來,依據不同的樣品來源,配置不一樣的萃取試劑組合,進行核酸的分離,一次處理1-16個檢體。透過簡單的操作流程,快速進行樣品處理 (DNA純化最短僅需30 分鐘即可),並利用可拋棄式的耗材與 UV 照射以得到最少的交叉汙染。

 

  在生物資訊方面,除了經驗豐富的分析團隊,有勁也擁有強大的電腦運算資源來符合次世代定序大量的分析需求。

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  有勁生物科技不管在實驗端或是分析端,均投入相當的資源以因應次世代定序的實驗分析需求,以下我們將分享過往有勁生物科技如何協助臨床疾病診斷的案例。

  精準醫療是近年來的流行詞,其概念非常廣,從精準檢測、精準預防到精準治療,然而,精準治療或預精準預防,都必須建立在精準檢測的技術上,如果沒有一個精準的檢測結果,根本談不上後端的治療與預防,而定序技術可以說是精準醫療的根基;人類基因體解序加上次世代定序技術的精進,實現了精準基因檢測的概念,而次世代定序技術又分為兩個部分,實驗與生物資訊,而有勁生物科技不管在實驗端或是分析端,均投入相當的資源以因應次世代定序的實驗分析需求。

  我以下將分享有勁生物科技如何協助臨床醫師進行遺傳疾病的致病探討。首先為兩個外顯子定序的案例,這兩個案例皆是採用Ion TorrentTM Exome sequencing的技術。

  一對近親通婚的夫婦,其女兒由於多發性骨頭畸型(multiple bone deformity)而過世,經診斷有可能罹患Asphyxiating thoracic dystrophy、Thanatophoric dysplasia type 或是Short rib-polydactyly syndrome type I (Saldino-Noonan type),但是,一般的診斷方式是無法判斷到底是哪一種疾病,為了釐清原因,我們接收了委託,針對父母以及小孩進行外顯子定序,除了偵測個別成員之變異位點外,也透過多重過濾條件篩選,從龐大的變異資訊中,探測出最有可能影響基因功能之變異位點。經過我們的分析流程後,偵測到一個點突變,座落在WDR34基因上,這個點突變會造成胺基酸的改變,而WDR34基因恰與Asphyxiating Thoracic Dystophy 有關聯。

  另一個家族則是也使用了 Ion TorrentTM Exome sequencing來針對母親以及兒子進行定序分析後,在媽媽及小孩上,有偵測到 2 筆變異與Wilson’s disease有關,分別座落在ATP7B 基因與CFTR基因上,且在ClinVar資料庫分別紀錄為likely pathogenic與pathogenic變異

功能描述如下:

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  除了以上兩個透過Ion TorrentTM Exome sequencing的家族案例之外,有勁生物科技也引進了Thermol Fisher的Oncomine Targeted NGS Assays產品。這是一個專門用於癌症研究以並且可以提供相關用藥資訊的檢測方式(Oncomine Comprehensive Panel, OCP),此檢測方式已經在次世代定序平台Ion PGM上進行了驗證,相關內容已經發表在2015年4月《Neoplasia》期刊上。此檢測的設計是結合Oncomine 資料庫(https://www.oncomine.org/resource/login.html)以及COSMIC資料庫 (http://cancer.sanger.ac.uk/cosmic) 的內容,來尋找與癌症相關的基因變異,包含SNV, insertion, deletion, copy number alternation, fusion driver等,最後篩選出143種癌症相關基因,其中包括73種致癌基因(oncogene),49種拷貝數變化(Copy number alternation)基因,26種腫瘤抑制(tumor suppressor)基因以及22種基因融合驅動(fusion driver)基因,做為Oncomine Comprehensive Panel (OCP)的偵測目標。

  這些目標位置是利用multiplexed PCR (Ion AmpliSeq) 進行增幅,再搭配ion PGM進行NGS定序,便進行後續分析。這樣的檢測方法起始樣品量僅需20 ng的DNA和15 ng的RNA。如下圖:

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  OCP除了與常規的分子診斷檢測高度一致之外,還能針對這些變異提供目前已知的藥物治療方式,這些藥物可區分為FDA approved、NCCN guildline、Clinical trials,如下圖。我們可以發現在不同的癌症下,可用的藥物數量也會有相當大的差異。 (註:目前OCP的資料庫每一季就會進行一次更新,裡面用藥資訊也把EMA-approved以及ESMO guildline給納入,假如為Clinical trial的藥物,也會提供正在進行藥物臨床試驗的機構的地址及聯絡方式)

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  在這四個分類裡我們可以看到其中一個是NCCN Other,這代表此藥物雖然可以針對此基因的變異進行治療,但在NCCN的建議裡是用在別種類型的癌症。這帶給我們一個新的資訊,去打破過往依據腫瘤類型來進行治療的界線,轉變成根據「基因變異」的類型來進行「精準醫療」。因此OCP已經成為一個在推動「精準醫療」上相當具有潛力的檢測方式,美國癌症研究中心(National Cancer Institute, NCI)將會使用OCP去進行Match Trial,將對3000個腫瘤樣品進檢測。

  從以上的內容我們可以得知,不管在尋找家族遺傳性疾病或是進行癌症藥物指引,次世代定序以及分析方法均扮演非常重要的角色;精準醫療的範圍與應用並不僅僅如此,還有許多等待我們去發掘研究,尤其是在慢性病的精準治療與預防上,更有許多問題有待突破,然而,這需要透過大量的基因體資料與疾病資料的收集分析,而台灣人體資料庫的建構,將會台灣帶入另一項精準醫療的境界,有勁生物科技也協助台灣人體資料庫定序與分析(實驗資訊:https://www.twbiobank.org.tw/new_web/about-export.php, 分析資料網頁查詢:https://taiwanview.twbiobank.org.tw/index ),希望可以在推動台灣在邁向精準醫療的路上能夠略盡棉薄之力。

Taiwan View簡介

臺灣人體生物資料庫 幕僚長 吳佩怡

簡介臺灣人體生物資料庫

  臺灣人體生物資料庫(Taiwan Biobank),歷經約十年可行性評估與先期規畫,在2012年為國內第一個正式通過衛福部核可的生物資料庫。從社區民眾開始,預計收集30萬筆人體生物資料,其中包含20萬位社區民眾與10萬名常見慢性疾病患者,希望能藉由蒐集自願參與之民眾的健康資料,進行長期追蹤與觀察,建立屬於臺灣本土的生物資料庫,供國內相關研究單位申請。從2012年開始至2016年底,Taiwan Biobank已經完成募集近8萬名社區民眾志願者,其中6千多人已完成了第一階段的追蹤,同時也展開與醫學中心合作,收集特定疾病患者。期望能透過生物醫學研究領域專家學者探討常見慢性疾病之基因與環境(包括生活習慣、飲食、行為、職業等)間交互作用,藉由未來各領域研究結果,瞭解國人常見疾病的致病因素,探討慢性疾病發生的可能原因。

自2003年全世界第一例全基體定序結果公佈後,全世界的生物醫學研究藉由基因資訊有大規模的進步,許多遺傳性疾病的發生導因於染色體上的某些特定區域或是基因發生變異,許多常見的複雜疾病是屬於多基因體變異交互作用造成,致病因子相當複雜,病因學探討亦較為困難。而且多數研究成果皆以歐美人口群為主,而各提供基因資訊的學術網站亦是以歐美人口群為主,若具有亞洲人口群基因資料則會以中國大陸與日本人為主要人口群,且樣本數規模往往不及歐美人口群,因此Taiwan Biobank希望透過30萬人臺灣人口群,建立臺灣特有的基因資訊。

 

全基因體定型與全基因體定型

  Taiwan Biobank初期利用社區民眾之血液檢體,依據實驗技術成本考量採用全基因體定型(whole genome genotyping),採用美國Affymetrix公司所研發之技術平台,以Axiom Genome-Wide Array Plate晶片系統,內容涵蓋642,832基因位點,目前共完成16,036人,預計於2017年更新版本為20,000人。

 

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圖一 Taiwan Biobank全基因體定型與鄰近國家人口群比

  然而採用全基因體定型具有實驗成本較低的優點,然而僅進行642,832基因位點定型,喪失了其他未進行基因型鑑定的區域可能對疾病造成影響的相關資訊,涵蓋率尚未滿足所有研究者之要求.,因此Taiwan Biobank亦進行全基因體定序(whole genome sequencing),結合全基因體掃描策略與全基因體定序建立完整基因體資料,未來可利用統計演算方法,推估基因定型的涵蓋率,將可增加基因定型資料的應用性。

  1990年代的第一代定序方法,耗費了大量的金錢和時間才能完整的定序出一個人基因組,經過這20年多來的改良,發展出高通量及低成本的稱之為次世代定序(next-generation sequencing,NGS)技術,次世代定序策略是先解讀各個小片段的基因組序列,再運用資訊科技協助進行片段的接合,進而得到全基因體的定序。

全基因定序優點將會為國內學者帶來幾點助益:

  1. 建立臺灣自己的參考序列:目前研究學者所使用的基因參考序列,大部分都是來自於外國人種,而臺灣目前卻都還沒有擁有自己的參考序列,而透過臺灣人體生物資料庫的全基因體定序計畫,可以讓臺灣建立屬於臺灣自己的參考序列,讓國內的學者在進行臺灣本地的獨特研究時,不會因為參考序列上人種的關係進而錯估或損失了原本可能得到的線索。
  2. 為臺灣建立健康對照組的序列資訊:在進行分子流行病學中的病例對照研究法時,研究學者在收集了有興趣的疾病組的序列資訊進行研究時,必須還要花心思收集健康人組的核苷酸序列資訊。而透過臺灣人體生物資料庫收集的健康人檢體,並再加上健康人的全基因體的基因定序,可以幫助學者們不再重複資源收集健康人的資訊,不僅幫研究學者節省時間,也節省了大部分的經費。
  3. 作為基因填補法(genetic imputation)的模板,增加研究效益:建立台灣健康對照組全基因體序列資料庫,可作為基因填補法的模板。(1)在分子流行病學研究中若是研究沒有足夠經費及人力進行全基因型定序分析,只進行部分標誌基因型鑑定時,僅能獲得有限生物標記(biomarker)與疾病的關聯性。研究者可以利用台灣健康族群的全基因體定序作為模板,以基因填補法對於未有鑑定的等位基因預測其可能的基因型,此方式可以增加鑑定單一核苷酸基因多型性的密度,找出已經有關連性的疾病位點(disease locus) 其餘鄰近位點與疾病的關係,同時亦可確認挑選標誌單一核苷酸基因多型性的檢驗效能。(2)若進行多個分子流行病學研究數據的整合分析(meta analysis),也可以全基因體定序作為模板,將單一核苷酸基因多型性密度和個數不同研究以基因填補法填補為相同密度及尺度,進而獲得同個位點不同研究的結果,達到整合性分析結果。(3)若全基因體定序分析的樣本數過少時,可能會造成統計檢定力不足的問題,也可以利用基因填補法可以估計基因型,進而增加樣本量。
  4. 提供台灣健康族群低頻率變異(rare allele)分布情形:目前全基因體定型的設計,主要為尋找全體共通的遺傳變異(common variant),其單一核苷酸基因多型性的變異頻率(minor allele frequency,MAF)必須在健康族群大於5%才會納入晶片中,在演化上共通遺傳變異容易被保留下來,但是這些共通遺傳變異代表的不是致病基因變異(causal allele)而僅是生物標記(biomarker)。事實上,致病基因變異主要是以低頻率變異(rare variant)方式存在,這些低頻率變異較常出現在造成胺基酸改變的位置進而影響蛋白質功能,對於疾病造成重大的影響。然而低頻率變異常常被全基因體單一核苷酸基因多型性晶片忽略,而全基因體定序就可以彌補這個缺點,探測低頻率變異分布頻率,進而可以了解疾病的發生,台灣生物資料庫建立大型的全基因體定序,就可以做為研究者探討這些可能致病的低頻率變異在台灣健康族群分布的情形,以利後續研究。

 

  Taiwan Biobank在全基因體定序同時選用Ion Proton與Illumina平台,有助於全面性的了解基因遺傳變異以及在基因層次上健康與疾病的關係,目前共完成997人,預計於2017年年中更新版本為1500人。

 

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圖二 全基因體定序之基本描述

  圖二以定序讀值平均倍數大於等於三十來看,共定序出兩千六百多萬個單核苷酸變異(Single Nucleotide Varants, SNVs),並且定序出近三百六十萬個Insertion與deletion(INDELs) 顯示Taiwan Biobank可提供有價值的全基因體定序資料給生物醫學界使用,這樣的結果與日本東北大學生物資料庫(ToMMo Biobank)差異性十分接近2

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圖三 以核苷酸變異的頻率與影響進行描述性分析 *Variant at splicing-sites, gain/lost of stop codon, frameshift variant, and variant at initiator codon. +Inframe insertion/deletion, missense variant, variant at splicing region, and incomplete terminal codon.

  圖三顯示從核苷酸變異(包含SNV與INDELs)造成功能的影響進行分類,雖然這些核苷酸數目僅佔所有核苷酸的0.04%與0.31%,但是整體而言,從社區民眾血液中發現這些與生俱來造成功能影響的核苷酸變異,值得生物醫學界更進一步利用Taiwan Biobank資料探討健康狀況與基因的相關性,或是利用基因的變異探討未來罹患疾病的機率

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圖四 以單核苷酸變異與已知資料庫比較

  圖四的結果表示從臺灣人口群的單核苷酸變異中,有一千兩百多萬個單核苷酸變異在已知國際上資料庫可查詢到,但是仍然有一千三百多萬個單核苷酸變異在國際上的資料庫中無法查詢,此結果再一次驗證臺灣有建立自己的基因資訊的必要性,利用屬於臺灣人口群獨特的基因變異,將可能尋找出臺灣獨特的致病原因。

簡介Taiwan View

  Taiwan Biobank將全基因體定型與全基因體定型的Summary data放在網站上,提供有興趣查詢(Taiwan View https://taiwanview.twbiobank.org.tw/index)與下載。

 

 

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圖五 Taiwan View網站可利用染色體、基因名稱、核苷酸編號查詢。

  查詢結果顯示臺灣人口群基因型分布數量與頻率,該並藉由網頁上註解之連結,將Ensembl的核苷酸資訊彙整,將更進一步瞭解核苷酸參考值、變異值相關等等資訊。此外可以藉由資料申請,提供individual data作為基因醫學研究的基礎。

基因資訊未來規劃

  隨著Taiwan Biobank收集的社區民眾與疾病患者陸續增加,也將建立全基因體甲基化與HLA資訊,預計2017年中更新與Taiwan View。此外針對部分疾病患者的組織檢體,將規劃特定基因的深度定序,於協助生物醫學研究領域專家學者以臺灣特有的基因資料,找出對抗疾病的發生,進展和治療上的線索,促進國人未來的健康。

參考資料

  1. Chen CH. Population structure of Han Chinese in the modern Taiwanese population based on 10,000 participants in the Taiwan Biobank project. Hum Mol Genet. 2016 Oct 18.
  2. Nagasaki M. Rare variant discovery by deep whole-genome sequencing of 1,070 Japanese individuals. Nat Commun. 2015 Aug 21.