標籤彙整: 生醫工程

作為 Robert (Bob) Langer 教授實驗室的一員,我很榮幸可以寫一篇文章介紹 Bob 以及我如何加入 MIT 最具創意的團隊。 如果您想了解更多關於我們的研究,請查看我之前的文章,工程師在生醫領域能做什麼?

加入Langer團隊的旅程

我還很清楚地記得 2012 年我第一次來到美國,而剛到的第二天是康乃爾大學生物醫學工程學系的年會,而Bob則是被邀請來的主講人。 然而,對於一個剛剛進入美國的國際學生來說,我完全不知道他是誰,為什麼那麼多人站在他身邊,想跟他談話。 在年會結束之後,我才有機會利用google來了解誰是Robert Langer。

Bob的教育背景

Bob 是開創生物醫學工程領域的先驅,也是第一位在醫院工作從事生物醫學研究的工程師。 在他的教育訓練中,他從康乃爾大學取得化學工程學士學位,以及麻省理工學院的化工博士學位,然而Bon並沒有跟著其他麻省理工學院的同學們一樣進去到石化產業,反而Bob追尋著自己的理想與夢想,選擇加入在波士頓兒童醫院的 Judah Folkman博士的實驗室進行博士後研究,以開發用於癌症治療的抗 VEGF 藥物。

Bob Langer,生醫界的愛迪生

Bob被稱為生醫界的愛迪生;此外,他還是麻省理工學院 12 位學院教授之一,這是可以授予麻省理工學院教授的最高榮譽。 Bob總共撰寫並發表超過1,500 多篇文章,他也是歷史上被引用次數最多的工程師(根據 Google Scholar 的數據,h-index 為 299,被引用次數超過 363,000 次)。他還在全球擁有超過 1,400 項已發布和正在申請的專利。此外,他的專利已被許可或分許可給 400 多家製藥、化學、生物技術和醫療器械公司。更重要的是,Bob是包括 Moderna 在內的多家公司的聯合創始人,該公司開發了出色的 COVID-19疫苗,以幫助人類在新冠肺炎大流行期間建立對新型冠狀病毒的免疫保護。從 1999 年到 2002 年,Bob 擔任 FDA 科學委員會(其最高顧問委員會)主席。最後,Bob獲得了無數獎項,包括美國國家科學獎章和美國國家技術與創新獎章(他是同時獲得這兩項榮譽的 3 位在世個人之一)、查爾斯·斯塔克·德雷珀獎(通常稱為工程諾貝爾獎)、伊麗莎白女王工程獎、奧爾巴尼醫學中心獎、生命科學突破獎、京都獎、沃爾夫化學獎、千年科技獎、普利斯特利獎章(美國化學學會最高獎)、蓋爾德納獎、胡佛獎章、Dreyfus 化學科學獎和 BBVA 生物醫學知識前沿獎。他擁有 36 名榮譽博士學位,並先後當選為美國國家醫學科學院、美國國家工程院、美國國家科學院和美國國家發明家院士。這就是為什麼人們稱他為生醫界的愛迪生。

第一次跟Bob面對面談話

康乃爾校友波士頓活動

2017 年 12 月,我在波士頓參加了一場由 Bob 主持的校友活動,這是我第一次有機會可以與Bob進行面對面的互動,因為這是一個 20-30 人的小型活動。 活動結束後,我與Bob取得了聯繫,並得到了他很多幫助,包括我申請綠卡的推薦信,當我不知道畢業後該做什麼的時候,Bob分享他個人的經驗,為我的職涯發展提供了很重要的建議。 現在我在麻省理工學院的Langer/Anderson團隊中工作。 在這個充滿創意的環境中,成為 Langerites 的一員,這是我人生中一次美妙的體驗。

Langer綜合症

Langer綜合症,這是一種常見的症狀(特別是在Langerites中),由於大家太想要成為像Bob一樣的人所引起的症狀。 😂 其症狀是“同時攜帶多個手機或平板”、“傾向於在5 分鐘內回復電子郵件”、“習慣說出這是一個大發現,大研究專案”、“厲害”、“很讚”、“很棒”等等…”、“ 對巧克力和健怡可樂的渴望”。 我相信如果發現某人有上述任何症狀,他/她極有可能是Langerites之一。

Bob的人生建議

Bob 總是給我們簡單、真實和有力的建議。 在這裡,我想和大家分享一下:“相信自己。如果你熱愛這份工作,就去追求它。堅持下去。不要放棄!你終究會成功的”

總結

這是我的人生導師、楷模Bob Langer,也是我加入麻省理工學院Langer團隊的經歷。 希望有一天我們可以站在巨人Robert Langer教授的肩膀上看得更遠,做得更好,創造屬於我們的時代。

第一型糖尿病的可行性療法

簡介

細胞治療自從美國食品藥物管理局通過針對急性淋巴細胞白血病的嵌合抗原受體T細胞治療(CAR-T Therapy)之後,變成一種很流行的治療方法,而且細胞治療對於癌症治療的發展代表著一個重要的里程碑,另一方面而言,細胞治療也成為針對第一型糖尿病的一種可行性的治療方法.根據美國糖尿病協會的統計,在2018年總共有3420萬美國人被診斷為糖尿病,其中160萬人診斷為第一型糖尿病,並且糖尿病協會預估美國每年會有六萬四千人被診斷第一型糖尿病,直到2050年為止,科學家和醫師預估將會有500萬美國人被診斷為第一型糖尿病.

糖尿病檢測標準

而診斷糖尿病的方法,目前分為兩種不同方法:糖化血色素測量和血糖測量.一般來說,糖化血色素可以檢測出在過去2-3個月內人體平均血糖狀況,糖化血色素的標準以5.7%和6.4%做為區隔,低於5.7%為正常,介於5.7%和6.4%為糖尿病前期,而高於6.4%為糖尿病; 而血糖測量的方法又分為三種:隨機血糖測試,禁食血糖測試和糖耐量測試.隨機血糖測試是指未禁食血糖測量,而血糖低於200 mg/dL為正常,高於則為糖尿病;禁食血糖測試:血糖測量的前一晚開始禁食,而血糖標準以100 mg/dL和125 mg/dL為區隔,低於100mg/dL為正常,介於100 mg/dL和125 mg/dL為糖尿病前期,高於125 mg/dL為糖尿病; 最後是糖耐量測試為前一晚開始禁食,於測量前飲用50克葡萄糖液,並持續測量血糖變化,最高血糖若低於140 mg/dL為正常,介於140 mg/dL和200 mg/dL之間為糖尿病前期,高於200 mg/dL則診斷為糖尿病.

四種關於糖尿病的測量方法與標準

第一型糖尿病怎麼造成的?

第一型糖尿病為一種自體免疫疾病;第一型糖尿病患者的免疫系統無法辨識自身的胰島細胞並且攻擊摧毀他.在人體中,胰臟對於血糖的平衡扮演著一個重要的角色,胰臟可以分泌兩種不同的賀爾蒙,升糖素(alpha細胞)和胰島素(beta細胞)來調控血糖.當血糖過低時,胰臟會分泌升糖素來提高血糖,而血糖過高時,則分泌胰島素來降低血糖.然而第一型糖尿病病人的胰臟由於自體免疫的因素而失去調節血糖的功能.餐後胰島素的注射以降低高血糖是第一型糖尿病患者的日常生活,而高血糖的情形,也會逐漸導致心血管相關疾病.至今為止,科學家致力於發展兩種可行的治療方法: 細胞療法和人造胰臟.

胰臟中有三種細胞分別為alpha細胞,beta細胞和delta細胞,其中alpha細胞分泌升糖素,而beta細胞富則分泌胰島素.而在第一型糖尿病病患中,alpha細胞和beta細胞都因自體免疫而死亡,失去調控血糖的功能

細胞療法

細胞療法是一個簡單的想法來解決第一型糖尿病,可以移植正常胰臟細胞來取代被攻擊死亡的細胞,然而這些移植細胞還是會被病患的免疫系統攻擊而再次死亡.為了解決這個問題,科學家們利用細胞包裹技術來保護細胞免於免疫系統的攻擊.在2015年,康乃爾大學的Minglin Ma教授的團隊,利用水凝膠來包裹細胞和奈米纖維提供物理性質強度,並於2018年,開發可量產和方便取出的裝置來提供可行的細胞治療.這兩種裝置的共同設計是利用水凝膠材料保護細胞,防止身體中的抗體攻擊,並且提供良好的物質傳送使養分,氧氣甚至胰島素從裝置中擴散至人體中.另一種方式,人造胰臟,可以分為兩種方式釋放胰島素和升糖素,化學控制方式和電子控制方式.在化學控制中,一個化學合成水凝膠利用物理性質的改變來釋放胰島素和升糖素,舉例來說,在2020年,Zhen Gu教授的團隊在UCLA研發出雙重輸送胰島素和升糖素的微針(microneedle)輸送系統來調控病患的血糖. 儘管這些聰明的水凝膠/聚合物可以針對血糖高低來釋出相對應的賀爾蒙,然而其輸送方式為物質擴散,並無法即時對身體有任何效果.在電子控制方式,可以利用電子儀器即時地監測血糖,並針對血糖變化注射胰島素或升糖素,其唯一的缺點是埋在身體的針需要每2-3天更換.總結,不管是細胞療法或人工胰臟,這些都是在未來成為可行的治療方式,或是可以有效的“治癒”第一型糖尿病.

水凝膠可以保護細胞防止免疫系統的攻擊,也可以讓胰島素,升糖素擴散到人體,達到血糖調控的目的

Reference:

  1. Centers for Disease Control and Prevention (CDC), Nataional Diabetes Statistics Report, 2020
  2. American Diabetes Association, Statistics About Diabetes
  3. D. An et al. Developing robust, hydrogel-based, nanofiber-enabled encapsulation devices (NEEDs) for cell therapies, Biomaterials 2015
  4. D. An et al. Designing a retrievable and scalable cell encapsulation device for potential treatment of type 1 diabetes, Proceedings of the National Academy of Sciences 2018
  5. Z. Wang et al. Dual self-regulated delivery of insulin and glucagon by a hybrid patch, Proceedings of the National Academy of Sciences 2020

Jason(Yen-Chun) Lu, All right reserved.

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工程師在生醫領域能做什麼?

訓練完善的工程師會利用數學與科學的基礎來解決現實上的問題.在日常生活中,到處可見工程師,比如土木工程師,化學工程師,電子工程師和軟體工程師.那麼工程師在生醫領域能做什麼呢? 國際知名的生醫工程師和發明家,Robert Langer教授,就是一個完美的範例,他的經歷說明了工程師在生醫領域能產生的巨大的影響和貢獻.Langer教授是麻省理工的David H. Koch學院教授, 學院教授的職稱是麻省理工教職人員的最高殊榮.Langer教授同時也是哈佛醫學院的資深講師. 除此之外,Langer教授已經發表超過1500篇文章,擁有超過1400個註冊專利,還有許多專利正在世界各地審查中. 他的研究專注於利用工程方法來解決生醫領域的問題,比如研發藥物輸送的新材料,細胞工程,組織工程等等…. 以下幾個例子闡述了工程師如何在生醫領域貢獻所長.

Langer博士和他的同事與比爾和梅林達·蓋茨基金會合作,為發展中國家研發了用於單注射疫苗接種1的脈衝釋放的聚乳酸-羥基乙酸共聚物(PLGA)微球。PLGA是FDA核准、被應用於臨床的可降解材料; 核心殼分離微球則是由一種新的微加工方法(StampEd Assembly of polymer Layers (SEAL)的沖壓組裝)2製成。儘管幾十年來全世界的疫苗覆蓋率大幅度增加,發展中國家因為不當的疫苗的分發和管理,疫苗可預防的傳染病每年仍使大約150萬兒童喪生。目前約有1940萬嬰兒沒有白喉、破傷風和百日咳的完全免疫。此外,其中660萬的兒童僅接種了一劑疫苗,由於缺乏全系列的劑量,他們仍然面臨著罹患這些疾病的風險。脈衝釋放的PLGA微球和SEAL技術可以解決疫苗分配和管理不當的問題,發展中國家數百萬的人民也將因此受益。

工程師在生醫領域能做什麼? 1

圖1,使用不同分子量的PLGA可控制其降解時間和藥物的釋放,進而引起免疫反應。(modified from McHugh, K. J. et al. Science 2017)。

另外, Langer博士和他的同事發現了三種化學材料可以抑制異物反應,這些材料可以將嚙齒動物的纖維化減到最少,在非人類靈長類動物中則能維持至少6個月的效果。當這些材料與藻酸鹽水凝膠結合,形成水凝膠微球後,並可被移植到小鼠和猴子體內。此外,這些抗纖維化材料可被應用於細胞治療,例如第一型糖尿病的β細胞替代治療。在第一型糖尿病中,患者的胰島細胞被自身的免疫系統破壞。目前最常見的治療方法是每天注射胰島素來控制血糖。然而,胰島素注射不能治癒第一型糖尿病或預防許多與糖尿病相關的嚴重疾病,如失明、高血壓和腎臟疾病。胰島細胞移植可以為一型糖尿病提供替代治療,以避免每日注射和恢復正常血糖。然而,異體反應是細胞治療的一大挑戰。細胞和膠原蛋白沉積會將移植的裝置與宿主分離,從而誘發組織變形,裝細胞的營養因此被切斷,最終導致移植裝置失效。有了這些新的抗纖維材料,這種帶有可生產胰島素之β細胞的移植裝置將可長期維持其治療第一型糖尿病的功能。

工程師在生醫領域能做什麼? 2

圖2,三種化學材料可以抑制異體反應,將嚙齒動物和非人類靈長類動物的纖維化最小化。通過這些材料的包覆,治療細胞可以被保護並免於宿主免疫系統的攻擊; 這些材料同時也會抑制宿主的免疫系統,以減少異體反應。

第三,Langer博士的小組開發了一個可電離脂樣材料的組合庫,以識別信使核糖核酸 (mRNA)輸送工具、促進體內信使核糖核酸的傳遞、並提供有效而特定的免疫活化4。 。陽離子類脂質材料可以通過靜電相互作用將治療性信使核糖核酸封裝在脂質納米粒子中。 迄今,使用信使核糖核酸作為疾病治療和疫苗接種被視為有希望的策略。與去氧核糖核酸(DNA)治療相比,信使核糖核酸的傳遞可使編碼蛋白瞬態表達,因此避免了與插入性突變相關的併發症。目前,使用信使核糖核酸作為疾病治療和疫苗接種的方法正在臨床試驗的階段 。例如,TranslateBio正在進行的第1/2階段臨床試驗,通過霧化法提供囊性纖維化轉膜調節劑(CFTR)蛋白全編碼的信使核糖核酸治以療囊性纖維化。對於COVID-19,Moderna ( Langer博士共同創立) 和Pfizer輝瑞都以信使核糖核酸編碼的形式利用脂質納米粒子輸送融合前的穩定凸刺蛋白 。Moderna在第一階段和階段二的臨床試驗中還有兩種信使核糖核酸癌症疫苗,用於靶向實體腫瘤和黑色素瘤。陽離子脂狀材料被納入這些信使核糖核酸的臨床試驗中,以提高信使核糖核酸的穩定性,並提升細胞內蛋白的質表達。

工程師在生醫領域能做什麼? 3

圖3,信使核糖核酸 (mRNA)輸送中脂質納米粒子配方圖解。

生物醫學工程是多個學科的組合,包含工程學、生物學、醫學和化學。至今,生物醫學工程師在新材料、製造方法和醫療設備等不同方面為生物醫學領域做出了許多貢獻,以改善當前的醫療和解決已出現的醫療問題,例如COVID-19。

文獻:

1.        Guarecuco, R. et al. Immunogenicity of pulsatile-release PLGA microspheres for single-injection vaccination. Vaccine 36, 3161–3168 (2018).

2.        McHugh, K. J. et al. Fabrication of fillable microparticles and other complex 3D microstructures. Science (80-. ). 357, 1138 LP – 1142 (2017).

3.        Vegas, A. J. et al. Combinatorial hydrogel library enables identification of materials that mitigate the foreign body response in primates. Nat. Biotechnol. 34, 345 (2016).

4.        Miao, L. et al. Delivery of mRNA vaccines with heterocyclic lipids increases anti-tumor efficacy by STING-mediated immune cell activation. Nat. Biotechnol. 37, 1174–1185 (2019).

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