老化疾病、精準醫療都要了解它

臺灣粒線體醫學35年創下的歷史

撰文記者 王柏豪
日期2022-03-15
圖/環球生技資料中心

有臺灣「粒線體之父」稱譽的馬偕醫學院創校校長、現任彰化基督教醫院特聘研究員、兼任粒線體醫學暨自由基研究院院長魏耀揮,畢生的研究學思歷程,堪稱是臺灣粒線體醫學的歷史,他創立了「亞洲粒線體醫學暨研究學會 (Asian Society for Mitochondrial Research and Medicine)」以及「臺灣粒線體醫學暨研究學會」,不僅帶動亞洲粒線體醫學的發展,更奠定臺灣成為粒線體研究的領導地位。

2021年12月,他接受「臺灣粒線體醫學暨研究學會」邀請,先是完成一篇介紹粒線體醫學早期發展的歷程。經過他進一步的資料補充後,特別分享本刊讀者,一起回顧臺灣粒線體研究35年來創下的許多歷史……。

撰文/魏耀揮(彰化基督教醫院特聘研究員 兼任 粒線體醫學暨自由基研究院 院長) 責任編輯/王柏豪


在1980年以前,有許多與神經系統功能異常和骨骼肌肉病變相關的人類疾病,不但缺乏有效的治療,甚至無法確切診斷。在世界神經醫學會議上,經常可見到神經內科、病理科、小兒科和醫學遺傳等專業領域的醫師和學者,為了將這些疑難雜症正確歸類或確診而爭論不休。

我在1987年應邀參加在美國弗羅里達邁阿密舉行的Miami Bio/Technology Winter Symposium,第一次聽到當時已在美國喬治亞州艾默利大學 (Emory University) 從事粒線體疾病研究多年的道格拉斯.華萊士(Professor Douglas C. Wallace)演講。

(編按:今年75歲的道格拉斯.華萊士是美國國家科學院院士,著名的遺傳學和演化生物學家,最早將粒線體DNA作為疾病分子標記,開創了人類粒線體遺傳學領域。)

他首度公開報告與粒線體疾病——雷伯氏視神經萎縮症(Leber's Hereditary Optic Neuropathy, LHON)有密切關係的第一個粒線體DNA (Mitochondrial DNA, mtDNA) G11778A突變。

帶有G11778A突變的患者大多在青春期就會發病,並在1~2週內即雙目失明,他並介紹多個芬蘭的LHON家族,都帶有這個母系遺傳的mtDNA突變。


魏耀揮開啟臺灣粒線體醫學研究。(圖/魏耀揮提供)

開啟臺灣粒線體疾病分子診斷

我聽了道格拉斯.華萊士的演講後對於mtDNA突變很感興趣,回到臺灣就立刻在陽明大學Wei Lab著手發展粒線體疾病的分子診斷系統,當時實驗室有施廣達、謝榮鴻、高淑慧、侯征宏和閻紫宸等幾位博士班學生,加上實驗室的助理馮清榮、李建富和大學部專題生李新城和蔡慧如,研究人力很充足。

我以研究計畫經費購買一部珀金埃爾默公司 (Perkin-Elmer)所生產的第一代聚合酶鏈鎖反應 (Polymerase Chain Reaction, PCR)儀器,自1989年開始,在陽明大學生化暨分子生物研究所建立分析各種與粒線體疾病相關的mtDNA突變的PCR檢測技術。

有醫技檢驗專業訓練的高淑慧、馮清榮和李新城非常積極地投入工作,設計檢測各種常見mtDNA突變用的引子 (Primers),並找出適合的PCR反應條件和分析各種mtDNA點突變用的限制酶 (Restriction Enzyme)。

博士生施廣達自己製作DNA Sequencing Gel,於1990年初為當時擔任林口長庚紀念醫院神經內科主任的黃錦章醫師主治之臺灣第一個「肌抽躍癲癇合併紅色襤褸肌纖維症 (Myoclonic Epilepsy With Ragged-Red Fibers Syndrome,簡稱MERRF症候群)」家族,首度檢出母系遺傳的致病mtDNA A8344G 點突變。

MERRF症候群是一種罕見的粒線體遺傳疾病,患病機率約是10萬人中有1.5人,根據粒線體中的mtDNA突變比例 (Mutant mtDNA Proportion)或異質性程度(Heteroplasmy Level)不同,病情的嚴重程度也會有所不同,病人之主要臨床徵狀為肌肉震顫、衰弱、癲癇和腦神經病變等。

我們接著為當時臺北榮總眼神經科主任顏美媛醫師主治的LHON病人,找到母系遺傳的G11778A點突變;也為現任高雄長庚腦中風中心主任劉嘉為醫師的MELAS症候群病人找到A3243G點突變。

MELAS是因為粒線體功能異常而引發之肌肉病變、腦病變、乳酸中毒、類似中風等症候群 (Mitochondrial Encephalopathy, Lactic Acidosis, And Stroke-Like Episodes),大多數病人在2~10歲之間的兒童期就會發病。

接著我們也為時任臺中榮總小兒科主任、現任童綜合醫院副院長遲景上醫師和麥淑珍醫師主治的萊氏症候群 (Leigh Syndrome)病人找到T8993C點突變。

萊氏症候群又稱亞急性壞死性腦脊髓病 (Subacute Necrotizing Encephalopathy),患者十分少見,發生率約為1/77,000,似萊氏症的發生率則約為1/40,000;萊氏症候群是一種早期發病漸進式神經性退化的遺傳疾病,通常出現在嬰兒期或幼兒期,但也可能出現在兒童後期,甚至成年期。

以上這些粒線體疾病絕大多數是從母系遺傳的粒線體基因缺陷導致,患者通常在多個器官和組織發生功能缺陷及表現病徵,有一些臨床症狀 (如:乳酸中毒)會出現在不同的粒線體疾病患者,而且罹患相同的粒線體疾病的人卻有相當不同的臨床症狀,造成鑑別診斷極大的挑戰與困難。

1989~1996年期間,在臨床醫師們的積極診斷和病人配合採檢下,實驗室同仁們展現高度的企圖心,為臺灣許多的粒線體疾病患者和家屬陸續找到致病的突變基因。

看著病人和家族得到確診和適當的治療或控制病情,也讓我們頗有成就感,那一段日以繼夜地與國外研究團隊競爭的日子裡,我們為臺灣粒線體醫學的發展寫下早期的歷史。

帶動臺灣粒線體醫學 永續經營發展

我的第一位陽明大學臨床醫學研究所學生閻紫宸醫師,在1988~1991年跟我做博士論文實驗期間,經常用碎冰帶著從臺北榮總一般外科收集來的檢體,送到實驗室來分離粒線體,使用我們剛購買的Gilson 5/6 Oxygraph系統偵測儀分析粒線體代謝功能,並以酚-氯仿有機溶劑萃取純化法萃取組織細胞DNA,再用PCR分析慢性進行性外眼肌麻痺(Chronic Progressive External Ophthalmoplegia, CPEO)症候群患者病變組織最常見的mtDNA 4,977 bp缺失突變 (4,977 bp deletion)。

1989年,我們首度在《生物化學與生物物理研究通訊 (Biochem. Biophys. Res. Commun.)》國際期刊發表人體肝臟粒線體功能隨年齡增長而衰退的論文,隔年,我們率先發現老人的肝臟組織有4,977 bp mtDNA deletion的累積。

當時,優秀又勤奮的博士生李新城和高淑慧把自行開發的引子位移 (Primer-Shift) PCR技術應用於檢測與人體老化及男性不孕症相關的常見大規模粒線體基因缺失 (Large-Scale mtDNA deletions),發表了好幾篇被高度引用的論文。

李新城並應用多種分析mtDNA突變的方法率先在口腔癌、肝癌、乳癌及胃癌組織檢出多種mtDNA突變,並探討其在致癌過程中含量的變化及臨床相關性。林振嵩醫師接著使用這些技術探討肺癌、頭頸癌及大腸直腸癌等癌症患者腫瘤組...