以微流體晶片分析線蟲步態與力學特性以探討運動對脂褐素誘發退化性疾病的影響 FY2014~
運動一直被視為抵抗許多疾病的最佳預防手段之一。最近的研究甚至指出跑步運動可以調節腦元神經生長因子(BDNF) 與血清素(5-HT) 來預防和治療阿茲海默症(Alzheimer’s Disease, AD)。隨著國內高齡社會的逐步來臨,如何有效預防退化性疾病遂成為提升國民健康與確保全民健保能永續經營的關鍵之一。多數研究已證實類澱粉胜肽(Beta Amyloid Peptide, Aβ)在腦神經中異常沉積是誘發阿茲海默症的元兇。其他類似的有害蛋白如脂褐素(Lipofuscin, LF)也往往在老化的動物體內被發現。脂褐素是一種複雜的混合物質,基本上交連了來自細胞內長期承受氧化壓力後所造成的受損粒線體、有害蛋白質、廢棄脂肪 與少量金屬,因此無法透過一般的細胞清除作用移除,且累積到一定程度也會使細胞凋亡。由於其存在與老化過程息息相關,因此又稱作老化指標 (AgeBiomarker)。由於脂褐素可誘發類澱粉胜肽的形成,且在阿茲海默症患者腦病變的細胞中也可發現大量脂褐素沉澱,因此我們相信透過減緩或移 除脂褐素累積,將具有避免退化性疾病發生的效果。有鑑於秀麗隱桿線蟲(Caenorhabditis elegans)與人類在基因與病理特徵上仍保有一定程度的共通性,並且做為動物模型相對容易,因此在本研究中我們計畫以變異株(CL4176: Aβ accumulation、GA480:SOD deficiency 與LB90:CAT deficiency)作為退化性疾病研究的模型並與野生株(Wild Type, N2)比較;另外,透過在微流道晶片中控制線蟲持續游動來達到運動的效果。由於脂褐素具自體螢光,因此可以透過螢光顯微鏡量化其在蟲體累積的進程。此外, 線蟲運動的過程則預計透過本研究所開發的微液滴影像分析法來加以量化。
本計畫的前瞻性在於利用無脊椎動物線蟲來研究運動對退化性疾病的效果,大幅簡化動物模型,因此可以快速建立運動、脂褐素與退化性疾病之間的關聯性,最終可 以具體確立變因,在高等動物模型上重現。而創新點則是(1)在微流體晶片設計微液滴陣列實現多組線蟲平行分析,(2)利用液態環境促進線蟲游動頻率與強 度,(3)發展微液滴影像分析實現對微小生物線蟲運動行為的量化。過去線蟲由於缺乏適當工具,雖然其本身作為動物模型具有相當多優勢,但並無法有效運用。 如今,透過本研究所製作的微流體晶片可隔離單一線蟲,實現大量平行分析線蟲的目的,同時結合微液滴影像分析法,讓線蟲游動過程所產生的推進力、輸出功率與 運動姿態等都可量化分析,因此能提供除了組織生理外,關於退化性疾病對肌肉、運動神經協調影響的資訊。
本計畫的前瞻性在於利用無脊椎動物線蟲來研究運動對退化性疾病的效果,大幅簡化動物模型,因此可以快速建立運動、脂褐素與退化性疾病之間的關聯性,最終可 以具體確立變因,在高等動物模型上重現。而創新點則是(1)在微流體晶片設計微液滴陣列實現多組線蟲平行分析,(2)利用液態環境促進線蟲游動頻率與強 度,(3)發展微液滴影像分析實現對微小生物線蟲運動行為的量化。過去線蟲由於缺乏適當工具,雖然其本身作為動物模型具有相當多優勢,但並無法有效運用。 如今,透過本研究所製作的微流體晶片可隔離單一線蟲,實現大量平行分析線蟲的目的,同時結合微液滴影像分析法,讓線蟲游動過程所產生的推進力、輸出功率與 運動姿態等都可量化分析,因此能提供除了組織生理外,關於退化性疾病對肌肉、運動神經協調影響的資訊。
- Kuo, W.J., Sie, Y.S. and Chuang, H.S.*, “Characterizations of kinetic power and propulsion of the nematodeCaenorhabditis elegans based on a micro-particle image velocimetry system,” Biomicrofluidics, 2014 (in press)