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中央研究院基因體中心研究員張瑛芝，她成功開發出仿生膜塗層，能在數十億顆白血球中捕獲癌細胞，並且在過程中以「活捉」的方式，收集到腫瘤細胞，打破了CTC技術「靈敏度」、「活性」兩大緊箍咒，靈敏度領先國際大廠數十倍。
撰文、攝影/彭梓涵
10年前，液態生物檢體(Liquid Biopsy) 開始被作為臨床診斷，檢測患者血液、或其他如尿液、腦脊髓液等體液中的分子生物標記物。且隨著檢測儀器的靈敏度、精確度、深度提升，液態生物檢體的應用也越來越廣泛。
雖然有許多因素推動液態生物檢測的發展，但其中最主要因素是，與組織切片相比，特別是對於需要連續進行組織切片的患者來說，非侵入性的液態生物檢測改善了患者的體驗。
摩根大通的分析師也預測，液態生物檢體用於預測患者個體疾病的過程與治療，到2020年市場價值可能達到40~70億美元。其中，液態生物檢體應用於腫瘤癌症診斷及監測，發展前景又被最為看好。
活捉腫瘤細胞
一般而言，腫瘤液態生物檢體大致上可分為3個範疇，包含游離DNA (Circulating Cell Free DNA, cfDAN)或是循環腫瘤DNA (Circulating Tumor DNA, ctDNA)、循環腫瘤細胞(Circulating Tumor Cell, CTC)、循環胞外體(Circulating Exosomes)或循環胞外泌體(Circulating Extracellular Vesicles )。
目前用於癌症患者的液態生物檢體評估，最早、也是最高度發展的技術是循環腫瘤細胞的分析。循環腫瘤細胞是指，從原位腫瘤分離並透過血流或淋巴系統轉移到身體其他部位的細胞，患者透過血液中腫瘤檢測與計數，以了解腫瘤訊息與治療反應的變化。
然而，要從血液中有效分離腫瘤細胞，並不是一件容易的事，首先要從106~108個白血球中找到1~10個腫瘤細胞，加上患者可能為含量極少的早期階段，使捕捉腫瘤細胞具有很大挑戰性。
不過，中央研究院基因體中心研究員張瑛芝，同時也是美國史丹福大學化學工程系及陽明大學生化暨分子生物研究所兼任教授 ，她成功開發出仿生膜塗層，能在數十億顆白血球中捕獲癌細胞，並且在過程中以「活捉」的方式，收集到腫瘤細胞，靈敏度是國際大藥廠的數十倍。
材料與生物跨界交織
臺大化工系畢業的張瑛芝，回想高中志願填選，原本喜歡生物學的她，因為以學校考量為優先，轉而選取了化工第二志願–臺大化工研究所畢業後，又繼續申請進入史丹福大學攻讀化學工程博士。
在史丹福大學攻讀化學工程博士期間，張瑛芝從事自組裝單層膜(Self-Assembling Monolayer)技術的研究，當時她的指導教授知道她很喜歡生物，於是讓她進行以多肽(Polypeptide)在矽基板上組裝成單層膜的基礎研究。
博士班畢業後，她也很快被延攬進入當時知名的半導體記憶體大廠工作。「我的第一份工作，是從事硬碟機濺鍍(Coating)，」這是一個技術層面很高、也是很多人羨慕的好工作，但張瑛芝可不這麼認為，「我對這個工作沒有熱情，甚至覺得對人類健康沒有貢獻。」
此時，正逢工業邁向3.0，奈米科技(Nanotechnology)一詞出現，她發現，奈米科技其實跟她做的研究是相關的。
張瑛芝掩不住興奮地說：「你知道嗎？這其實就像是多肽在矽基板上的組裝，當時學的技術除了可用在濺鍍外，還可以應用在很多地方。」
因此，張瑛芝決定回去學校做博士後研究，並且選擇Affymetrix公司在史丹福大學的實驗室。Affymetrix是第一個將半導體技術應用在生物上，並且開出發基因晶片(Gene Chip)的公司。
張瑛芝在此發揮了跨領域的專長，她從生化奈米材料和應用出發，將DNA當作一個普通高分子，透過材料優化使DNA在高密度下植入晶片中，並且最大化螢光訊號以利電腦分析其呈色結果。
科學研究必須跳過現在，
想到更遠
她也表示，Affymetrix就像一個儲備人才庫，孕育許多後來與生物技術、基因晶片以及NGS定序平台如Illumina、Ion Torrent相關的開發人才，這些人才從Affymetrix離開後，都在這個領域開枝散葉。
結束博士後研究的她，順利到美國加州大學爾灣(Irvine)分校擔任化學工程與材料科學系的助理教授。
然而，就在Irvine任教期間，張瑛芝收到了人生中的第一封律師信函，來信者竟是Affymetrix，要求她不能再做跟過去相關的研究。
張瑛芝只好開始思考新的研究方向。她也認為，「若再次投入基因晶片的研究，已經慢了！即使當時基因晶片還在發展階段，但大廠已爭相投入，就算有新的想法或技術，也很難超越Affymetrix以及說服使用者。」
張瑛芝進一步表示，「在學界做科學研究，必須跳過現在，要能想到更遠，」於是，她將晶片應用從基因組層面轉向細胞層面。
她透過蛋白、寡核苷酸、寡糖和脂質等了解生物分子的特性與功能機制，進而以材料的原理，開發智慧型、功能性生化有機、無機奈米組織的應用界面。
其中之一，就是應用在循環腫瘤細胞及幹細胞的純化分離。
她先從細胞與奈米材料相互作用開始，設計出能讓幹細胞的增生、分化以及從原代細胞中分離出幹細胞的材料。
2003年，中央研究院成立基因體中心，她在當時院長李遠哲邀請下，於2005年回臺任職於基因體中心。
CTC為精準醫學發展的新藍海
直到2008年，麻省總醫院的醫學博士Daniel Irimia首次在《Science》期刊上，發表新型微流道(Microfluidic)裝置進行生物學的研究，陸續進行的微流道相關研究也發表在Nature Materials、Science Translational Medicine、Cell Host 和 Microbe等期刊上，甚至被引用了超過5,000次，為微流道研究找到應用出口。
爾後，循環腫瘤的各種捕獲方式出現，也讓張瑛芝發現，「其實這個技術上存在著未被滿足的缺口。」
張瑛芝表示，目前，循環腫瘤細胞在分離技術方面可區分為兩個方向，一個是利用帶有標誌物(Label-Dependent)的免疫磁珠來分選，另一個則是無標誌物(Label-Independent)的分選法，通常是透過細胞物理特性，如細胞大小、密度。
然而從分離、檢測到計數，各個公司就像在大海中進行撈針比賽，即使是2004年市面上唯一通過FDA核發510(K)許可，由嬌生集團旗下Janssen Diagnostics LLC開發的循環腫瘤細胞檢測儀器Cell Search，也因為檢測的靈敏度不高，以及無法得到活細胞等技術缺陷，被市場邊緣化，目前Cell Search系統已經停產。
張瑛芝累積20年材料科學經驗，很快在2年內開發並優化出分離循環腫瘤細胞的方法。此時，一切就像設定好的，美國前總統歐巴馬提出精準醫學(Precision Medicine)的概念，而精準醫學就是要實現個人化醫療的服務，循環腫瘤細胞就具有能提供患者腫瘤監控、預測與治療診斷的訊息。
目前，精準醫學多專注於基因組層面的DNA定序，循環腫瘤細胞分離的技術門檻高，即使很多大廠投入，還是處於緩慢成長階段時期。這對張瑛芝來說，「是一片藍海階段。」
張瑛芝表示，有別於DNA能提供的訊息量，活的循環腫瘤細胞能提供全基因、RNA、蛋白質，細胞表現型與腫瘤細胞微環境等訊息，其應用也比基因組多，因此，在技術上非常必要將其發展。
關鍵仿生物膜技術 突破細胞捕獲兩大問題
當時，循環腫瘤細胞應用也如雨後般春筍冒出，只是大多技術不純熟，最後導致許多投資血本無歸。
然而，張瑛芝設計出具有抗EpCAM抗體的支撐式脂質雙層膜，這是一種仿生物和無汙染的膜塗層。流動的脂質雙層膜在微流道中可以自由移動，也會使更多的抗體集中，當腫瘤細胞受體與抗體連接時，也使抗體與細胞的結合力更強。
這個專利的抗沾黏塗層，讓正常的紅血球、白血球很快的滑過通道，而集中在捕獲目標的腫瘤細胞，將抓取效率最大化，這項技術也突破當時許多在捕獲細胞上靈敏度的困境。
另一項最大的挑戰突破，則是在捕獲腫瘤細胞後，將細胞從微流道上順利釋出。當時，許多分離設備，即使能成功捕獲腫瘤細胞，但往往在後半段關鍵的釋出效果不佳，以至細胞分離後破碎、變形。
張瑛芝參考化工界用來鑽取頁岩油利用水力裂解以取得原油的原理，在微流道上打入氣體，因為脂質雙層膜自由流動的特性，只需要透過空氣打入，脂質的共價結構被破壞，腫瘤細胞就能完好的從膜上釋出，因此得到「活」的細胞。
這也是張瑛芝認為，「可以成立公司的關鍵技術」。2011年，張瑛芝與過去半導體界後來投身創投的友人Atul Sharan，於美國一起創立合度精密生物(CellMax Life)，將此一「癌細胞捕手」技術技轉出來成立公司。
CTC分離與分析標準化 以實現精準醫療
2015年，公司營運上軌道後，她回到研究崗位，繼續專注微流道仿生膜的技術優化，並與臺北榮總醫師楊募華團隊合作。
歷經四年的鑽研，張瑛芝發現頭頸癌的循環腫瘤細胞具有會以多顆集結(Cluster)的特性轉移。相關研究也在今年(2019) 1月下旬刊登於《Nature Cell Biology》期刊上。
張瑛芝表示，事實上，這項研究在2017年就提交，只因為捕獲循環腫瘤細胞的數量，竟是過去不曾有的表現，期刊的審查委員也不可置信這樣的結果，因此，要張瑛芝與楊募華團隊提出更多的證據，最後，團隊將捕獲的循環腫瘤細胞進行單細胞全基因關聯分析(GWAS)，才贏得信服。
張瑛芝表示，循環腫瘤細胞從捕獲到分析，都建立在高門檻的技術上，現在她們已經優化至第三代微流道仿生物膜技術，解決了過去捕獲的最大問題。
張瑛芝也計畫，將導入人工智慧在後續的影像分析上，以更客觀與嚴謹的標準來量化與分析捕獲的細胞數量，讓循環腫瘤細胞早日實現在個人精準醫療上。
>>本文刊登自《環球生技月刊》Vol.62
