脊髓神經受損不再是一輩子的事了！能使脊髓神經軸突再生的人工合成醣類
本文轉載自中央研究院研之有物，泛科學為宣傳推廣執行單位
- 採訪編輯｜林承勳。美術編輯｜林洵安。
在同學坐下時將椅子移開、站立時直接彎腰搬重物，這些動作看似無關緊要，其實非同小可，很容易傷到脊髓神經。更嚴重的是，脊髓神經受損後無法修復，一旦造成傷害，可能半身不遂。好消息是，中研院基因體研究中心主任洪上程與日本名古屋大學合作，近日發現：人工合成的「硫酸乙醯肝素」八醣體，能讓小鼠受損的脊髓神經軸突再生，或許在未來某一天，可以成功修復人類受損的脊髓神經。
人類的神經系統與神經元細胞
人類的神經系統分成兩個部分：包含腦和脊髓的中樞神經，以及遍布全身的周圍神經。
圖片來源｜iStock
圖說設計｜黃曉君、林洵安
但不管哪個部位的神經，基本單位都是神經元細胞。所有的神經元都有三個基本構造：細胞核所在的細胞體 ，負責接收訊息的樹狀突起─樹突 ，還有將神經訊息向外傳送、一條細長管狀突起─軸突。
神經元細胞傳送訊息的方法是：細胞體的神經衝動，先由軸突傳到末端的突觸，再由下一個神經元細胞的樹突接收、軸突傳出，就這樣一個傳一個，宛如接力賽般把訊息傳出去，直到目的部位。
第一個神經元細胞將神經衝動傳到軸突末端的突觸，然後釋放神經傳導物質到下一個神經元細胞的樹突突觸，藉此將神經衝動傳給下一個神經元……就這樣把訊息接力傳到目的地。神經元軸突長度相差很大，有的僅分布在細胞周圍；有的很長，像是成人的坐骨神經，長度能超過1.5公尺。
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反過來說，如果軸突受損、斷裂，無法再生，就會阻斷神經訊息傳遞，嚴重將導致癱瘓。洪上程、門松健治跨國團隊的研究故事，就從這裡開始⋯⋯
軸突再生的關鍵：蛋白質 Cortactin
由洪上程、門松健治組成的跨國研究團隊發布、刊登於國際期刊《自然－化學生物學》（Nature Chemical Biology）的研究論文中，日本團隊從小鼠身上取得的背根神經節作為研究材料，背根神經節屬於上述的周圍神經。
結果發現： 當神經元的軸突受損或斷裂時，軸突末端會形成球狀凸起物，以避免神經元細胞質持續流失，但在此同時，也阻礙了軸突生長，導致軸突受傷後無法修復。
所幸，日本研究團隊又發現：神經元軸突能否再生，關鍵在細胞內一種名為 Cortactin 的蛋白質。當 Cortactin 被磷酸根化，就會促使細胞進行自噬作用，讓軸突末端的球狀凸起物分解。如此一來，斷裂的軸突就可以重新生長、產生連結。
當 Cortactin 被磷酸根化，就會促使軸突末端的球狀凸起物分解，讓斷裂的軸突可以重新生長。
資料來源｜洪上程
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可惜的是，在神經元軸突受損的情況下，Cortactin 是沒有被磷酸根化、沒有活性的狀態。
洪上程指出，原因在於細胞內還有硫酸軟骨素（Chondroitin Sulfate，以下簡稱 CS）和磷酸根移除酶（Protein Tyrosine Phosphatase Receptor σ，以下簡稱 PTPRσ）。
CS 分子會在受傷的神經軸突附近聚集，並和神經元細胞表面的 PTPRσ 結合，使它活化。一旦 PTPRσ 被活化，會移除 Cortactin 的磷酸根。沒有磷酸根、沒有活性的 Cortactin 就無法促成細胞進行自噬作用，受損的軸突就無法修復。
第一個新發現： CS 分子結合受器 PTPRσ，會移除 Cortactin 的磷酸根，阻礙神經元軸突再生。
資料來源｜洪上程
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人工合成八醣體，促成神經元軸突再生
好消息是，洪上程發現，阻礙軸突修復的 CS 分子，跟他實驗室合成的八醣體─硫酸乙醯肝素（Heparan Sulfate, 以下簡稱 HS）同屬 Glycosaminoglycans 家族，結構都含有多個硫酸根。
洪上程便將自己實驗室合成的十六種 HS 八醣分子，提供給門松健治團隊，讓 HS 分子跟受損的神經元作用，期待 HS 分子可以取代 CS 分子，並與 PTPRσ 結合後，不會移除 Cortactin 的磷酸根。
結果顯示：在成鼠受損神經元，施以大量 HS 分子之後，神經元果然開始重生。
這個實驗證實了硫酸根較多的幾種 HS 分子，果真成功消除 PTPRσ 活性，造成 PTPRσ 無法移除 Cortactin 的磷酸根，讓神經軸突得以再生。
第二個新發現：HS 分子取代 CS 分子，搶先與 PTPRσ 結合， 讓 Cortactin 又可被磷酸根化， 使神經軸突順利再生。
資料來源｜洪上程
圖說重製｜黃曉君、林洵安
日本學者推測原因：原本 CS 分子的 PTPRσ 結合是一對一，一個 CS 分子結合一個 PTPRσ。但 HS 分子的結構比較長，所以一個 HS 分子跟好幾個 PTPRσ 集結，形成低聚合物，可能因此遮住了 PTPRσ 的活性位置，使它們無法發揮去除磷酸根的功能。
另一個可能解釋是，HS 分子跟 PTPRσ 結合後， 蛋白質 PTPRσ 本身結構發生變化，連帶影響活性，失去了移除磷酸根的能力。
細胞實驗成功後，下一個要克服量產問題
目前神經軸突再生實驗，已經完成了細胞測試階段，下一步就是以活體動物作為實驗對象。
不過直接在小鼠體內組織進行實驗，比起之前將小鼠脊髓神經細胞取出、放在培養皿操作，難度不可同日而語，光是 HS 分子的劑量就是一大考驗。
因為細胞實驗只需要幾毫克 HS 分子 ，但動物實驗劑量勢必需要幾公克。雖然目前八醣體的合成步驟已有標準流程，但是要大量合成，條件絕對不會一樣。
「不僅是原料濃度要增加，容器大小、環境溫度，都有可能影響產率。」洪上程解釋。操作人員熟悉標準流程的步驟後，想要達到量產目標，估計可能要再花費一年時間。
至於何時應用到人體？這次周圍神經元軸突再生機制，能否應用到中樞神經元？這些問題都需要更進一步的研究。
HS 分子在這次發現中扮演關鍵角色。您是怎麼開始研究 HS 分子？
HS 分子，可說是我二十年研究經驗的累積。當初會研究人工合成 HS 分子，源自中研院基因體研究中心，肩負著對抗傳染性疾病、癌症和神經退化性疾病的重責大任。
傳染性疾病與癌症，看似與基因沒有強烈的關聯，但實際上，經由人體遺傳物質 DNA 轉錄、轉譯製作出來的蛋白質，在後續修飾的過程，會影響人體是否容易感染疾病，或是出現癌細胞。基因體研究中心著手的蛋白質後轉譯修飾（Post- translational modification, PTM）研究，在近年來神經退化疾病醫療中，也越顯重要性。
中研院基因體研究中心肩負著對抗傳染性疾病、癌症和神經退化性疾病的重責大任。
至於我一開始想解決的問題，其實是登革熱。研究發現，登革熱病毒在感染細胞的時候，會跟細胞表面的 HS 分子結合，促使細胞進行吞噬作用，讓病毒進入細胞，利用細胞裡的資源增殖、再擴散。
因此我構想，針對病毒本身或細胞表面的醣類進行研究，應該可以找出阻隔病毒入侵細胞的有效方法。因為病毒突變太快，但不論如何變異，目標都是跟細胞表面的醣類結合。換句話說，如果能夠模擬、人工合成細胞表面的醣類，讓它和病毒作用，也許可以避免病毒進入細胞。
但僅僅是模擬細胞表面的醣類，就必須花費難以想像的龐大心力。
為什麼人工合成醣類很困難呢？
醣類，主要是由數個葡萄醣（醣的最基本單位）組合，但是在合成時需要注意「異構物」的問題。
所謂的異構物，即是分子式相同的醣類，從立體的角度來看，還會有官能基朝向方位不同的狀況。如同物體與其鏡像，對稱卻無法完全重疊，稱為「鏡像異構物」。
兩個異構物可根據分子對偏振光的反應—-使光向左或右邊旋轉，分成左旋與右旋。左旋與右旋的化合物，雖然具有相同的化學與物理性質，但與其他物質作用時卻可能產生完全不同的效果。
除了分辨、純化所需要的醣類之外，在著手合成時還有官能基區分、選擇等等難題。
官能基，是分子裡一群有特定結構與化學性質的原子團。一個葡萄醣上有五個 OH（氫氧根）官能基，每個扮演的角色都不同。在人工合成醣類時，確認哪個是應該作用的目標官能基之後，還要想辦法保護其他不應該進行反應的官能基。
人工合成醣類需要注意異構物、旋光性的篩選，還有官能基作用選擇，統統需要耗費大量時間分析。
後來我的實驗室發明了合成醣的「一鍋化」方法。原本一個反應瓶只能一次進行一個反應，反應終止後要純化、分離，再進行下一個步驟。「一鍋化」方法能省略很多步驟、節省溶劑與化學廢棄物，並製作出許多不同的衍生物。
目前實驗室已經製造出兩條八醣骨架（下圖骨架 A 和骨架 B），每條骨架加裝不同官能基可以生成八種衍生物，就是這次研究使用的十六種 HS 分子。
從一個共同的八醣骨架 A ，分別進行 8或 9 項反應步驟，可以衍生出 8 種 HS 分子。
資料來源｜洪上程
圖說設計｜黃曉君、林洵安
從一個共同的八醣骨架 B ，分別進行 8或 9 項反應步驟，可以衍生出 8 種 HS 分子。
資料來源｜洪上程
圖說設計｜黃曉君、林洵安
經過二十年的經驗累積，目前可用五、六十個步驟製造出十六個八醣體。但我的最終目標，是合成十六個八醣骨架，製造出一百二十八種衍生物。
這次突破性發現是中日跨國合作的成果，您怎麼會想到跟名古屋大學合作呢？
這次的跨國合作，其實源自一場不經意的研討會談話。
有一次，我到歐洲參加兩年一度的蛋白聚醣國際研討會，在會議中認識這次的日方研究團隊。
因為都是亞洲人，臉孔比較熟悉，很自然的互相打招呼，交流彼此的研究領域。我的專長是化學合成，與名古屋大學的科學家不經意的聊起 PTPRσ，以及如何製造合成物來抑制蛋白質活性。
就這樣，原本不同國家、不同領域的研究者，透過一場輕鬆的交流，促成這次台日跨國研究計畫，最後讓原本用來對付傳染病的八醣體，成為促進神經修復的關鍵。
所以不論是研究或是學習，都應該要把握機會認識不同領域的朋友。不一定都要出國開會，也可以是不同部門、樓層，甚至是隔壁研究室。瞭解彼此在做些甚麼，才有辦法合作，找出新發現。
中研院基因體研究中心主任洪上程，以本次跨國合作經驗勉勵研究者：「走出門外交流，或許是新發現的開始！」
攝影｜林洵安
延伸閱讀：
- 洪上程個人網頁
- Glycan sulfation patterns define autophagy flux at axon tip via PTPRσ-cortactin axis
- “One-Pot” Protection, Glycosylation, and Protection−Glycosylation Strategies of Carbohydrates
本文轉載自中央研究院研之有物，原文為癱瘓者的福音！人工合成八醣體，促使脊髓神經軸突再生，泛科學為宣傳推廣執行單位
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