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成大 iGEM 團隊 計畫研發非侵入式糖尿病監測器

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About iGEM NCKU

從一秒數到七秒或許對你沒有什麼意義,但對於全世界的糖尿病患者來說,這七秒鐘裡代表著是一個因病而逝去的生命。而更令人擔憂的是,糖尿病的患者人數還在逐年的增加中,讓我們不得不去正視這個世紀疾病。通常,在糖尿病在尚未有症狀前,人們不會特別去關注自己的健康,直到有糖尿病的症狀時,通常已經很嚴重。針對這樣的狀況,來自成功大學的 NCKU_Tainan 團隊在思考,有沒有一個簡單的方法能隨時監測自己的健康,讓我們知道身體仍然正常運作,並且預防糖尿病初期對身體造成的傷害?

而 NCKU_Tainan 團隊的回答是:YES! You know.

NCKU_Tainan 團隊充分運用「研究單位集中」與「綜合型大學」的優勢,由醫學院、工學院、電機資訊學院、理學院、生科院與社會科學院的學生跨領域組成,將針對預防糖尿病的問題,帶著他們的答案:「U-KNOW」裝置,去參加 2016 年由美國麻省理工學院 (Massachusetts Institute of Technology, MIT) 主辦的合成生物學競賽 (The International Genetically Engineered Machine competition, iGEM),應用「合成生物學」的技術,讓普羅大眾藉由在日常生活中隨時監測「糖尿」的狀況來瞭解自己的健康。

可是,即使糖尿病中有「糖尿」這兩個字,我們的健康狀況真的可以藉由「糖尿」狀況瞭解嗎 ? 要了解這件事,就讓我們先了解「糖尿」病的成因吧!糖尿病通常分為兩型,第一型為胰島素不足,讓身體的細胞受器沒有足夠的胰島素可以感應,使血液中的葡萄糖無法正常地被運送至細胞產生能量,最後導致細胞衰弱,或大量殘留在血液中的葡萄糖對細胞產生傷害;第二型為胰島素足夠,但細胞無法正常感應胰島素,一樣導致細胞吃不到葡萄糖而衰弱,或血液中的高濃度葡萄糖傷害細胞。在一般狀態下,人的尿液中幾乎不會有葡萄糖的出現,腎臟在過濾血液產生尿液的過程中,會將所有的葡萄糖再吸收回血液;但是,在血液中含有大量葡萄糖的狀態下,會導致腎臟的再吸收功能超過負荷,未吸收的葡萄糖會出現在尿液中,因此我們能以此判別血液中的葡萄糖濃度是否過高,用來做糖尿病的監測。

並且,相較於目前市面上的糖尿病管理方式,利用血糖機進行血液的檢測,或是利用尿糖試紙觀察尿糖的狀況,都有其優缺點。血糖機的檢測雖然較為精確與即時,但需要在皮膚進行侵入式的扎針取血,對於使用者來說,除了有感染風險外,在過程中也容易出現疼痛與不適感;而利用尿糖試紙檢測尿糖雖然方便,但過程中使用者仍需自行將試紙上的顏色變化與比色板做對照,以此瞭解嚴重程度。更重要的是這些檢測,通常是在糖尿病確診後才會進行,此時已經對身體造成傷害。因此,NCKU_Tainan 團隊考量到這些問題,從對使用者友善的角度出發,將以非侵入式與自動化的檢測,推出的「U-KNOW」裝置,其目的是希望在即使糖尿病初期無症狀的時候,也能讓使用者知道身體內高葡萄糖的警訊,讓使用者可以在監測到有尿糖出現時,去醫院做詳細的診斷,及早預防糖尿病對身體造成的傷害。

細菌設計

那「U-KNOW」裝置究竟是如何達到及早發現的目的 ? NCKU_Tainan 團隊利用合成生物學的技術將 E. coli 進行改造,使其對於尿液中的葡萄糖進行感應與表達訊號。細菌原有的葡萄糖代謝途徑,在葡萄糖運送至胞內時會激活「轉錄活化子」,引起「RNA 聚合酶」結合到 DNA 序列上特定的啟動子 (Promoter),啟動下游的基因表現;而改造後的 E. coli 會帶有設計過的 DNA 質粒,將紅色螢光蛋白的基因上游接上此特定的啟動子,感應到葡萄糖的細菌就會表達螢光蛋白的 RNA,同時再藉由 RNA 上的核糖體結合位轉譯出螢光蛋白,最後利用螢光蛋白的量轉換成訊號強度,就能反應尿中的葡萄糖濃度,當訊號強度越強就表示尿中的葡萄糖濃度越高,藉此提供精確的數據給使用者。(下圖為細菌運作機制)

bacterialdesign

裝置設計

目前市售的血糖測量紙大多用「顏色」判斷糖尿病存在的可能,iGEM NCKU Tainan 將試紙的效能發揮得更加完善,藉由細菌發螢光,再由傳感器感測光強度的方式,將強度轉為數位訊號,最後再將訊號回傳至使用者的智慧裝置,來完成整個操作流程。

iGEM NCKU 的目的在於幫助人們建立「簡便」的自我檢查習慣,使用者僅需將沾有尿的試紙裝入裝置後就可以看到結果,而非侵略性的方式精準的判讀健康狀況,同時,此裝置在一天內可多次使用(僅試紙為消耗品)讓受試者能定時追蹤自我狀況。(下圖為 prototype 內部裝置結構)

uknowprototype

理念推廣

除了實際產品的推出外,iGEM NCKU Tainan 也在理念推廣上下了不少功夫,藉由「亞太交流會議」以及相關的宣導影片,iGEM NCKU Tainan 從台南在地出發,本次交流會,讓21個隊伍、150 位來自世界各地的參賽者直接審視彼此的計畫。發現計畫中的缺陷,會議過程中,參與者們不吝嗇於給予對方建議,比起競爭對手更像是夥伴,共同成長,往波士頓的路上又邁進了一大步。

什麼是 iGEM ?

International Genetically Engineered Machine Competition,簡稱 iGEM,是全球最高等級的合成生物學競賽,每年由美國麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology , MIT)主辦。 合成生物學,為新興學科,融合了生物、工程、物理、計算機科學和其他多項領域的綜合性科學工程,大賽目的在於「促進跨學科領域研究與合作,利用工程手段創造標準化的生物元件(Bio-Brick),並利用它們構建具有各種實用價值的微生物遺傳體,並解決社會問題。」曾多次被 Nature 等國際權威科學雜誌報導,每年約有 200 多隊,來自超過 30 個國家參賽。

延伸閱讀:陽明 iGEM 團隊 期望透過黑殭菌 biosafety switch 達到無毒農業

參考文獻:
國際糖尿病聯盟-全球糖尿病概覽 (International Diabetes Federation, IDF DIABETES ATLAS)

圖片來源:
由成大 iGEM NCKU Tainan 提供。

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