中山生科110學年度書報課論文集 by Shen-Horn Yen

國立中山大學生物科學系 110 學年度書報討論論文集 Proceedings of the Seminar of Department of Biological Sciences, NSYSU

2022 年 5 月 14-15 日

國立中山大學生物科學系 110 學年度書報討論論文集 Proceedings of the Seminar of Department of Biological Sciences, National Sun Yat-sen University

2022 年 5 月 14-15 日 14-15, May, 2022

內容會議資訊 General Information .............................................................................................. 2 會議議程 Conference Program............................................................................................. 3 詳細議程 Program in Detail ................................................................................................... 5 摘要與全文 Abstract and Full Text ......................................................................................... 13 關鍵字索引 Index to Keywords ............................................................................................ 282 報告者索引 Index to Speakers .............................................................................................. 295 工作人員名錄 List of Staffs ......................................................................................................... 297

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May 14-15, 2022

會議資訊 General Information 研討會日期 Date 2022 年 05 月 14-15 日

線上研討會 Web Seminar Google Meet 網址: http://meet.google.com/hfs-advk-rik QR Code:

演講者報告事項演講者請在演講前先確認設備具有功能，每位演講者的演講時間皆不超過15分鐘,若進行到11分鐘將會有提示,而13分鐘一到立即第二次提醒,此時講者必須停止報告。演講過程中請觀眾關閉麥克風，有任何問題請舉手等待主持人開放問答。

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2022 年 5 月 14-15 日

May 14-15, 2022

會議議程 Conference Program 時間

2022 年 05 月 14 日

Time

14, May, 2022

08:10-09:00

報到和序言 Registration and Opening

09:00-10:00

議程一、神經生理學與神經性疾病 Neurophysiology and Neurologic Diseases

10:00-10:20

休息時間 Break Time

10:20-11:50

議程二、藥物治療 Pharmacotherapy

11:50-13:00

午餐時間 Lunch Time

13:00-14:00

議程三、生物科學基礎研究 Basic Biology Research

14:00-14:20

休息時間 Break Time

14:20-15:50

議程四、環境科學 Environmental Sciences

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2022 年 5 月 14-15 日

時間

2022 年 05 月 15 日

Time

15, May, 2022

08:10-09:00

報到和序言

May 14-15, 2022

Registration and Opening 09:00-10:00

議程五、預防醫學與創新療法 (一) Preventive Healthcare and Novel Therapies

10:00-10:20

休息時間 Break Time

10:20-11:20

議程六、預防醫學與創新療法 (二) Preventive Healthcare and Novel Therapies

11:20-13:00

午餐時間 Lunch Time

13:00-14:00

議程七、族群與群聚生態學 Population and Community Ecology

14:00-14:20

休息時間 Break Time

14:20-15:05

議程八、社會與商業 Sociology and Business

15:05-15:25

休息時間 Break Time

15:25-16:25

議程九、雜項科學 Miscellaneous Sciences

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2022 年 5 月 14-15 日

May 14-15, 2022

詳細議程 Program in Detail 第一天 2022 年 05 月 14 日

議程一、神經生理學與神經性疾病 Neurophysiology and Neurologic Diseases 主持人：李士奇 09:00

編

號

演講者題

目

1-1 黃朝煒 HUANG, Chao-Wei ATP13A2 (PARK9) 對於神經元的保護及神經退化性疾病的治療潛力 ATP13A2 (PARK9) Protect Neurons and Have Therapeutic Potential for Neurodegenerative Diseases

09:15

編

號

1-2

演講者

林彥霆 LIN, Yen-Ting

題

基底前腦在注意力神經機轉中所扮演的角色

目

The Role of Basal Forebrain in Neural Machinery of Attention

09:30

編

號

1-3

演講者

黃品誌 HUANG, Pin-Zhi

題

探討帕金森氏症的發病機制及治療

目

Exploring The Pathogenesis and Treatment of Parkinson's Disease

09:45

編

號

1-4

演講者

柯佳辰 KO, Chia-Chen

題

利用經顱磁刺激調節神經迴路治療難治型憂鬱症患者

目

Using Transcranial Magnetic Stimulation to Modulate Neural Circuits in Patients with Major Depressive Disorder

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議程二、藥物治療 Pharmacotherapy 主持人：黃品誌 10:20

編

號

2-1

演講者

邱諺祺 CHIU, Yan-Ci

題

異維 A 酸介導畸形症狀的可能機制

目

The Possible Mechanism of Lsotretinoin Mediating Deormity

10:35

編

號

2-2

演講者

簡嘉毅 JIAN, Jia-Yi

題

使用 MDMA 治療創傷後壓力症候群是否有效且安全?

目

Is Using MDMA in Treatment of Posttraumatic Stress Disorder Efficacious and Safe?

10:50

編

號

2-3

演講者

蕭晴予 HSIAO, Ching-Yu

題

處方類鴉片藥物使 CNCP 患者成癮的形成機制

目

The mechanism of prescription opioids addition to CNCP patients

11:05

編

號

2-4

演講者

許諾 HSU, Nuo

題

抗憂鬱藥物氟伏沙明用於治療 COVID-19 的潛力與機制

目

The Potential and Mechanism of Fluvoxamine to Treat COVID-19

11:20

編

號

2-5

演講者

陳嘉鴻 CHEN, Jia-Hong

題

回顧各種抑制肌肉生長抑制素的方法對肌肉萎縮患者的治療成效

目

The Effectiveness of Various Methods of Inhibiting Myostatin in The Treatment of Patients with Muscular Dystrophy : A Review

11:35

編

號

2-6

演講者

劉尙青 LIU, Shang-Ching

題

比較不同治療方式對雄性禿的治療成效

目

Comparing The Therapeutic Effect of Different Treatments to Androgenetic Alopecia

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May 14-15, 2022

議程三、生物科學基礎研究 Basic Biology Research 主持人：劉政翰 13:00

編

號

3-1

演講者

蔣育浩 CHIANG, Yu-Hao

題

探討不同藍綠菌狀態轉換模型是否成立

目

Exploring Whether Hypothesises of Cyanobacterial State Transitions Models is Valid

13:15

編

號

3-2

演講者

高瑞鴻 KAO, Jui-Hung

題

RNA 編輯的功能及機制與其應用

目

Functions and Mechenisms of RNA-Editing and Its Applications

13:30

編

號

3-3

演講者

李士奇 LI, Shih-Chi

題

免疫系統對於誘導肢體再生的重要性

目

Immune System Might Be Crucial for Induction of Limb Regeneration

13:45

編

號

3-4

演講者

陳其琪 CHEN, Chi-Chi

題

貓自發性膀胱炎的致病機制

目

Pathogenetic Mechanism of Feline Idiopathic Cystitis

議程四、環境科學 Environmental Sciences 主持人：黃朝煒 14:20

編

號

4-1

演講者

苑嘉恬 YUAN, Chia-Tien

題

TNR 是否可以代替安樂死解決流浪貓的問題？

目

Can TNR Replace Euthanasia to Solve the Problem of Stray Cats?

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2022 年 5 月 14-15 日

14:35

編

號

May 14-15, 2022

4-2

演講者

劉政翰 LIU, Cheng-Han

題

微藻的汙水處理功能

目

Sewage Treatment Based on Microalgae

14:50

編

號

4-3

演講者

簡友立 CHIEN, Yu-Li

題

台灣核能與再生能源的結構轉型

目

Energy Systems Transformation of Nuclear Power and Renewable Energy in Taiwan

15:05

編

號

4-4

演講者

陳智棨 CHEN, Zhi-Qi

題

遊客效應對動物園動物的影響

目

Visitor Effect on Zoo Animals

15:20

編

號

4-5

演講者

李佳馨 LEE, Jia-Xin

題

運用 Wolbachia 來防止登革熱病毒傳播

目

Using Wolbachia to Prevent Dengue Virus from Disseminating

15:35

編

號

4-6

演講者

黃育嘉 HUANG, Yu- Jia

題

在微藻中增強固碳效率的策略

目

Strategies for Enhancing Efficiency of Carbon Fixation in Microalgae

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May 14-15, 2022

第二天 2022 年 05 月 15 日議程五、預防醫學與創新療法 (一) Preventive Healthcare and Novel Therapies I 主持人：林彥霆 09:00

編

號

5-1

演講者

林哲宇 LIN, Zhe-Yu

題

細菌如何應用於化療之中

目

How Bacteria Used in Chemotherapy

09:15

編

號

5-2

演講者

顏唯哲 YEN, Wei-Che

題

如何應用免疫療法治療 B 型肝炎？

目

How to Use Immunotherapy to Treat Hepatitis B?

09:30

編

號

5-3

演講者

史以誠 SHIH, I-Chang

題

影響 EV71 去活化疫苗臨床效力的因子

目

Factors Affecting Clinical Efficacy of EV71 Inactivated Vaccine

09:45

編

號

5-4

演講者

王柏奕 WANG, Bo-Yi

題

改良光療技術對於痤瘡的治療運用

目

Improvement in Use of Phototherapy for the Treatment of Acne Vulgaris

議程六、預防醫學與創新療法 (二) Preventive Healthcare and Novel Therapies II 主持人：顏唯哲 10:20

編

號

6-1

演講者

鄭育亞 CHENG Yu-Ya

題

芳香療法對焦慮的治療效果

目

The Therapeutic Effect of Aromatherapy to Anxiety 9

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2022 年 5 月 14-15 日

10:35

編

號

May 14-15, 2022

6-2

演講者

林子涵 LIN, Zi-Han

題

阻塞性睡眠呼吸中止症經 CPAP 治療後對認知障礙的改善

目

Improvement of Cognitive Impairment in Obstructive Sleep Apnea After CPAP Therapy

10:50

編

號

6-3

演講者

陳翰威 CHEN, Han-Wei

題

運動是否可以緩解新冠後遺症？

目

Can Exercise Relieve Post-COVID-19 Syndrome?

11:05

編

號

6-4

演講者

陳振瑜 CHEN, Zhen-Yu

題

運動在治療與預防阿茲海默症中的作用與潛在機制

目

Effects and Potential Mechanisms of Exercise in the Prevention and Treatment of Alzheimer's disease

議程七、族群與群聚生態學 Population and Community Ecology 主持人：許諾 13:00

編

號

7-1

演講者

許國強 HUI, Kwok-Keung

題

環境因子對木質藤本長期豐富度增加之影響

目

Effects of Environmental Factors for The Long-Term Increase in Liana Abundance

13:15

編

號

7-2

演講者

鄧永淥 DENG, Yung-Lu

題

為何使用性狀和環境的關係來預測族群動態?

目

Why Use Trait-Environment Relationship to Predict The Population Dynamics?

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2022 年 5 月 14-15 日

13:30

編

號

May 14-15, 2022

7-3

演講者

曾沛濂 TSENG, Pei-Lien

題

植物物候研究與展望

目

The research and the prospect of Plant Phenology

13:45

編

號

7-4

演講者

鍾德叡 CHUNG, Te-Jui

題

評估柴山多杯孔珊瑚的棲群穩定度之方法

目

The Method about Colony Stability Assessment of Polycyathus chaishanesis

議程八、社會與商業 Sociology and Business 主持人：鄭育亞 14:20

編

號

8-1

演講者

黃壽麗 WIJAYA, Brigita Stella

題

在 COVID-19 疫情期間不同國家的飲食行為之變化

目

Changes in Dietary Behavior During The COVID-19 Pandemic in Different Countries

14:35

編

號

8-2

演講者

蔡昀芯 TSAI, Yun-Hsin

題

疫情對消費行為所造成的影響

目

The Impact of The Pandemic on Consumption Behavior

14:50

編

號

8-3

演講者

簡辰峰 CHIEN, Chen-Feng

題

代理理論中的代理問題

目

Agency Problem in Agency Theory

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議程九、雜項科學 Miscellaneous Sciences 主持人：李佳馨 15:25

編

號

演講者題

目

9-1 余品孜 YU Pin-Zhi 使用機器翻譯是否可以協助以英語為外語學習者提升英語寫作能力？ Whether Applying Machine Translation can Help EFL Student's English Writing?

15:40

編

號

9-2

演講者

蘇娜玉 SU, Na-Yu

題

基於深度學習的圖像辨識所面臨之挑戰

目

Deep Learning for Image Recognition: What It's Challenging

15:55

編

號

9-3

演講者

覃文榆 CHIN, Wen-Yu

題

探究與實作課程對學生學習成效的影響

目

The Effect of Science Inquiry and Practice to Students' Learning Outcome

16:10

編

號

演講者題

目

9-4 曾馨慜 CHIN, Shien-Min 線上課程是否提升學習效率？——在 Covid-19 疫情之下遠距教學對學生的學習成效與局限性 Does Online Course Improve Learning Efficiency? ——The Effectiveness and Limitations of Distance Learning for Students During The Covid-19 Pandemic

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摘要與全文 Abstract and Full Text

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ATP13A2 (PARK9) 對於神經元的保護及神經退化性疾病的治療潛力 ATP13A2 (PARK9) Protect Neurons and Have Therapeutic Potential for Neurodegenerative Diseases 黃朝煒 HUANG, Chao-Wei 國立中山大學生物科學系 Department of Biological Sciences, National Sun Yat-Sen University 摘要隨著人類平均存活年齡增加，神經退化性疾病也成為必需面對的問題。P 型轉運 ATP 酶 (P-type transport ATPase) 有 5 種亞型，他們分別轉運不同的物質。其中 P5B 型轉運 ATP 酶 (ATP13A2 , PARK9) 是一種位於溶酶體的多胺 (polyamine) 轉運蛋白，最近 20 年來也成為研究帕金森氏症 (Parkinson's disease, PD) 等神經退化相關疾病的標的。人腦中的黑質緻密部 (Substantia nigra pars compacta, SNpc) 含有大量的多巴胺能神經元 (Dopaminergic neuron) ，這些神經元透過黑質 - 紋狀體路徑 (Nigrostriatal pathway) 分泌多巴胺到紋狀體來調控骨骼肌運動，當 SNpc 的神經元受損就會造成多巴胺分泌出現問題，使肌肉不易受意識控制，這就是動作僵硬等神經退化症狀的成因。ATP13A2 在 SNpc 中大量表現，此轉運蛋白的表現影響神經元的健康狀態，它具有調控整個細胞內的金屬離子、α-突觸核蛋白 (α-synuclein, αsyn) 及多胺水平的能力，還可維持粒線體及溶酶體的穩定。一旦 ATP13A2 失去功能，可能會使溶酶體破裂，啟動細胞自噬 (autophagy) 的程序。本文整理神經元損傷機制及 ATP13A2 對於神經元的保護作用，以期未來能找出更有效的神經退化性疾病治療方法。關鍵詞：ATP13A2、神經退化性疾病、溶酶體、多胺、α-突觸核蛋白

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神經退化對於生物來說是一個非常嚴重的問題，不僅影響生物的行動、記憶及智力，甚至還會併發一些精神疾病。為了解決神經退化帶來的問題，近 2 個世紀以來對於神經相關的研究從未止歇，但礙於神經系統的複雜程度，進展非常緩慢。目前兩種較常見的神經退化性疾病為阿茲海默症 (Alzheimer's disease, AD) 及帕金森氏症，治療方式多為利用藥物延緩病情發展。得益於相關研究的發展，我們對於神經退化的發生有更多了解，未來或許有機會治癒神經退化性疾病。本文將會探討帕金森氏症的潛力治療標的—ATP13A2 所參與的多胺轉運機制。 Park et al. (2015) 提到 ATP13A2 受到矚目始於 1994 年在約旦發現的 Kufor-Rakeb syndrome (KRS)。這種疾病是一種早發型的帕金森氏症，症狀與帕金森氏症相似，皆具有運動障礙、上視障礙及智力低下。之後又於 1995 年在巴基斯坦的兩位近親婚生孩童身上發現類似的帕金森氏症狀，且沒有蒼白球 (globus pallidus) 變性。 Ramirez et al. (2006) 在研究近親婚生的智利患者時確定致病原因為 ATP13A2 的突變，並發現同樣的突變出現在 1994 年的約旦患者身上，進而確認 ATP13A2 突變所造成的神經疾病。突變造成神經細胞的一系列功能障礙，最後造成神經細胞死亡。由於這個轉運蛋白的突變失能造成的結果與多巴胺能神經元的健康與否密切相關，因此科學家便開始研究這個轉運蛋白，期望能為神經退化這個難解的問題尋找另一種解方。 ATP13A2 為一種 P 型轉運 ATP 酶，此類酶具有 5 個亞型，各亞型間還有不同變異。 van Veen et al. (2014) 整理出各亞型間的功能差異與其在神經相關疾病的角色。P1 15

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具兩種變異型，P1A 功能為 K+轉運，主要出現在細菌的系統中。P1B 為人體銅轉運系統，其中更分成 ATP7A 及 ATP7B，ATP7A 主要在肝臟之外的人體作用，突變會造成孟克斯氏症 (Menkes disease, MD)，此為人體銅吸收障礙疾病。ATP7B 主要表現於肝臟，突變會造成威爾森氏症 (Wilson's disease, WD)，此為人體銅排放疾病。P2 具 4 種亞型， P2A 為肌漿/內質網鈣離子轉運 ATP 酶 (sarco/endoplasmic reticulum Ca2+-ATPase, SERCA) ，負責將肌肉細胞細胞基質中的 Ca2+ 送到肌漿網。 P2B (ATP2B1-4) 為細胞膜鈣離子轉運 ATP 酶 (plasma membrane Ca2+-ATPase, PMCA)，負責將細胞中的鈣離子排出， ATP2B3 突變造成脊髓小腦共濟失調 1 型 (Spinocerebellar ataxia type 1)。P2C 包括 Na+/K+-pump (ATP1A1-4) 及胃 H+/K+pump，其中 ATP1A1-3 表現於神經系統，ATP1A2 突變會造成家族性偏癱型偏頭痛 2 型 (Familial hemiplegic migraine type 2, FHM2) 及兒童交替性偏癱 1 型 (Alternating hemiplegia of childhood type 1, AHC1) 。ATP1A3 突變會引起兒童交替性偏癱 2 型 (AHC2) 及快速發作型肌張力不全帕金森氏症 (Rapid-onset dystonia parkinsonism, RDP)。P3 具 A、B 兩種變體，通常不在人體表現。P3A 為 H+ATP 酶，負責維持細胞 pH 值及膜電位的平衡；P3B 為鎂離子酶，負責轉運鎂離子。P4 型具 14 種亞型，為磷脂跨膜翻轉酶 (flippase)，主要運輸胺基磷脂。其中 ATP8A2 運輸磷脂絲胺酸 (phosphatidylserine, PS) ，突變造成小腦共濟失調、智能不足及失衡症候群 (cerebellar ataxia, mental retardation and dysequilibrium syndrome, CAMRQ)。 P5 型具有 A、B 兩種亞型，其中一種 P5B 型為 ATP13A2，為一種位於溶酶體上的多胺轉運酶，突變會引起 KRS 及一些早發性的帕金森氏症症狀。 Chen et al. (2021) 的文章揭示 ATP13A2 的結構及多胺轉運機制，此酶為一個跨膜 10 次的溶酶體轉運蛋白，結構上由 A (actuator) 、 P (phosphorylation) 、 N (nucleotide-binding) 、 TM (transmembrane) 、 NT (N-terminal ) 及 CT (Cterminal extension) 共 6 個 domain 組成。轉運過程中 ATP 與結構中的 N 及 P domain 結合，使 N 及 A domain 互相靠近，之後 ADP 由 N domain 釋放，同時 A domain 出現結構改變、多胺進入 TM domain，最後 P domain 去磷酸化讓多胺進入細胞基質且使各 domain 恢復正常。多胺首先由細胞進行胞吞作用攝入細胞中形成胞內體 (endosome)，再與溶酶體結合。ATP13A2 由溶酶體轉運多胺進入細胞質中，這個功能除了能夠補充細胞內的多胺，同時也能避免溶酶體因為過量多胺堆積而破裂，進而破壞細胞。多胺被普遍認為是抗氧化劑，因此能夠用來清除細胞內的活性氧化物 (ROS)，減少粒線體所受到的氧化損傷。

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ATP13A2 同時也具有調節胞內金屬陽離子分布的能力，它可以促進過量的 Zn2+及 Mn2+送到溶酶體內，並以囊泡形式排出；也可以將 Ca2+留在溶酶體內，調控溶酶體的胞吐作用，同時避免細胞內 Ca2+過度堆積。 Fe3+及 Ca2+皆具有促進αsyn 作用的功能，αsyn 為帕金森氏症的神經病理學評估標準，這種蛋白的β-sheet 會造成αsyn 大量堆積於神經元中，引發神經炎症使神經受損。Si et al. (2021) 提到 ATP13A2 可以透過調控 ubiquitin-proteasome system (UPS) 和 autophagy-lysosomal 機制來控制細胞自噬，並促進過量αsyn 與細胞膜結合形成囊泡，最後分泌離開細胞，αsyn 離開細胞後會由星型膠細胞 (astrocyte) 降解。關於細胞自噬的機制， ATP13A2 也參與其中，它可以調節 Synaptotagmin-11 (SYT11)的表現來影響細胞自噬，ATP13A2 還能促進自噬溶小體 (autolysosome) 的形成來加速細胞自噬。Vrijsen et al. (2020) 提到調節細胞內 ROS 的能力同時也與細胞凋亡有關，當胞內 ROS 升高，ATF4-CHOP 這一個促細胞凋亡的轉錄機制就會啟動，使細胞凋亡。這些對於神經細胞健康的調控手段使 ATP13A2 成為目前神經退化性疾病研究的一環，在目前的研究中發現過表達 ATP13A2 能夠很大程度避免細胞的氧化損傷及自噬機制的啟動，而 Knock down/out 則會加速神經細胞的凋亡。在一般情況下，ATP13A2 的 NTD 會阻斷自身的活性，需要使用 phosphatidylinositol 3,5-bisphosphate [PI(3,5)P2] 和 phosphatidic acid (PA) 來使之磷酸化，開啟 ATP13A2 對神經元的保護機制。 ATP13A2 的功能對於神經細胞具有極大的影響力，尤其是 SNpc 中的多巴胺能神經元，由於其在此表現程度最高，因此功能正常與否就大大的左右多巴胺能神經元的健康狀況。而其多種的調控方式的確也為未來帕金森氏症的預防或治療提供發展的方向，或許未來能透過調控 ATP13A2 的過表達輔以多胺及促磷酸化之物質使 ATP13A2 的神經保護作用能為人類所用，取代施用 L-Dopa 這種治標不治本的療法。參考文獻： Chen, X., Zhou, M., Zhang, S., Yin, J., Zhang, P., Xuan, X., Wang, P., Liu, Z., Zhou, B., & Yang, M. 2021. Cryo-EM structures and transport mechanism of human P5B type ATPase ATP13A2. Cell discovery, 7(1): 106. Dang, T., Cao, W. J., Zhao, R., Lu, M., Hu, G., & Qiao, C. 2022. ATP13A2 protects dopaminergic neurons in Parkinson's disease: from biology to pathology. Journal

of biomedical research 36(2): 98–108.

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Park, J. S., Blair, N. F., & Sue, C. M. 2015. The role of ATP13A2 in Parkinson's disease: Clinical phenotypes and molecular mechanisms. Movement Disorders 30(6): 770–779. Ramirez, A., Heimbach, A., Gründemann, J., Stiller, B., Hampshire, D., Cid, L. P., Goebel, I., Mubaidin, A. F., Wriekat, A. L., Roeper, J., Al-Din, A., Hillmer, A. M., Karsak, M., Liss, B., Woods, C. G., Behrens, M. I., & Kubisch, C. 2006. Hereditary parkinsonism with dementia is caused by mutations in ATP13A2, encoding a lysosomal type 5 P-type ATPase. Nature Genetics 38: 1184–1191. Si, J., Van den Haute, C., Lobbestael, E., Martin, S., van Veen, S., Vangheluwe, P., &

Baekelandt,

2021.

ATP13A2

Regulates

Cellular

α-Synuclein

Multimerization, Membrane Association, and Externalization. International

journal of molecular sciences, 22(5): 2689. van Veen, S., Sørensen, D. M., Holemans, T., Holen, H. W., Palmgren, M. G., & Vangheluwe, P. 2014. Cellular function and pathological role of ATP13A2 and related P-type transport ATPases in Parkinson's disease and other neurological disorders. Frontiers in molecular neuroscience, 7, 48. Vrijsen, S., Besora-Casals, L., van Veen, S., Zielich, J., Van den Haute, C., Hamouda, N. N., Fischer, C., Ghesquière, B., Tournev, I., Agostinis, P., Baekelandt, V., Eggermont, J., Lambie, E., Martin, S., & Vangheluwe, P. 2020. ATP13A2-mediated endo-lysosomal polyamine export counters mitochondrial oxidative stress. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United

States of America, 117(49): 31198–31207.

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2022 年 5 月 14-15 日

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基底前腦在注意力神經機轉中所扮演的角色 The Role of Basal Forebrain in Neural Machinery of Attention 林彥霆 LIN, Yen-Ting 國立中山大學生物科學系 Department of Biological Sciences, National Sun Yat-Sen University 摘要基底前腦 (basal forebrain) 涵蓋了對整個大腦皮質的上行投射，一直以來被認為與喚醒(arousal)、學習 (learning) 和注意力 (attention) 有關。其中，注意力可以定義為一種行為和認知過程，使我們能夠根據某些特定的相關性來選擇或忽視環境中存在的訊息。過往的研究發現基底前腦內的膽鹼性神經元透過乙醯膽鹼的釋放強化大腦皮質的活性，其他非膽鹼性神經元也能參與其中的調節機制，進而影響感官訊息的處理。隨著光遺傳學技術成熟，使我們能透過基因工程的方式標定特定神經元，在未麻醉甚至是活體情況下觀察神經元的活化與動物行為學之間的關聯性，這有利於探討基底前腦這種錯綜複雜的神經網絡。以下文章專注於介紹基底前腦的神經元異質性和膽鹼性神經元活化對認知功能的影響，特別是知覺處理(perceptual process)的模式和一些指標性的研究。經由這些研究拓展我們對基底前腦的認識，並對未來針對特異性神經元操縱來影響喚醒、注意力和皮質可塑性的研究奠定基礎。關鍵詞：基底前腦 (basal forebrain) 、注意力 (attention) 、膽鹼性神經系統 (cholinergic neuronal system)、獎勵計時 (reward timing)、知覺處理 (perceptual process)

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一、基底前腦的神經元多樣性基底前腦是位在大腦前端和底端的一群神經元簇，包括中央隔膜 (medial septum, MS)、垂直和水平對角核帶 (vertical and horizontal diagonal band nuclei, vDB & hDB)、腹側蒼白球 (ventral pallidum) 、伏隔核 (nucleus accumbens) 、無名質 (substantia innominata, SI)、基底核 (nucleus basalis of Meynert, NBM) 和其他幾個結構 (Lin et al., 2015; Záborszky et al., 2018) ，其中垂直對角核帶和基底核透過專一性的神經元投射將突觸深入到整個新皮質、杏仁核側底部和嗅球；中央隔膜和垂直對角核帶的神經元可上行投射到海馬迴。此外，位於腦幹的膽鹼性神經元亦可投射至基底前腦、丘腦和下視丘 (Paul et al., 2015) (圖一)。這些腦區涵蓋的神經元十分多樣，除了數量最多的膽鹼性神經元 (cholinergic neuron) ，還包含 γ-氨基丁酸神經元 (GABAergic neuron) 、麩胺酸神經元 (glutamatergic neuron) 、胜肽性中間神經元 (peptidergic interneuron) 和投射神經元 (projection neuron) (Záborszky et al., 2015) ，在彼此相互調控下完成大腦皮質激活、情感、注意力、動機、記憶與感覺編碼等高度複雜的神經行為表現。

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圖一、小鼠基底前腦之膽鹼性神經迴路示意圖 (Paul et al., 2015)。

二、基底前腦在注意力中扮演的角色 (一) 光遺傳學技術發展對基底前腦研究的影響在光遺傳學技術廣泛使用前，科學家透過病變模式和藥理學研究來探討中樞的膽鹼性神經元 (Everitt & Robbins, 1997)，描繪出某些區域的神經元活性及其調控的樣貌，但此種研究方法有個致命的缺陷—只能針對某個範圍中的神經元進行觀察，無法精確的辨識出某個區域中各個神經元的活化狀態，特別是基底前腦這種神經元異質性高的區域，其錯綜複雜的調控機制阻礙了神經科學的進展。而後，科學家透過光遺傳學、基因轉殖小鼠以及一系列行為學搭配體外偵測的技術揭開了基底前腦神經調控的面紗。 (二) 知覺處理的兩大模式基底前腦涵蓋了對整個大腦皮質的上行投射，一直以來被認為與喚醒 (arousal)、學習 (learning) 和注意力 (attention) 有關 (Lin et al., 2015)。其中，注意力可以定義為一種行為和認知過程，使我們能夠根據某些特定的相關性來選擇或忽視環境中存在的訊息 (Villano et al., 2017)，包含持續性、選擇性和分散性的注意力等，負責控制認知系統中的訊息。注意力可以依據知覺處理 (perceptual process) 的模式分成兩大類別: 一個是由下而上的處理 (bottom-up processing)，另一個是由上而下的處理 (topdown processing)。由下而上的處理模式是指從感官刺激進入大腦皮質分析、處理和

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存取的過程，而由上而下的處理模式強調大腦提取舊有的認知參與外在知覺刺激辨識的過程，可以將上述兩者理解成主要由受外界刺激所介導的 (由下而上的處理) 和融合外界刺激與個體本身經歷所介導的 (由上而下的處理) 認知過程。舉例來說當你處在飢餓的狀態下，若看見一顆乒乓球出現在桌上，你可能會把他當作鳳梨蝦球；在閱讀時也常發生這種情況，若你讀的內容是你感興趣或是熟悉的內容時，讀者的閱讀速度會比較快，這些都是內在因素影響認知表現的案例。而基底前腦在感官輸入的過程中透過複雜的神經調節機制來影響感官輸入後的訊息處理，藉由各式神經元間的相互制衡達到注意力的形成。

(三) 基底前腦調控注意力集中的相關研究 Hangya et al. (2015) 首次在小鼠的聽覺持續注意力行為學實驗中記錄了膽鹼性神經元的活性，實驗前小鼠被訓練成需對聽覺訊號做出持續注意的反應，其中持續注意力可能會隨時間波動，造成小鼠行為的準確度或反應時間增加，因此注意力的調控可以被定義為在刺激開始之前的神經活動，亦即小鼠可以對實驗進行預測並做出相應的反應。若反應正確會給予水當作獎勵，失敗則是會噴出空氣作為懲罰。實驗結果發現非膽鹼性神經元的活動預測了反應時間和表現其準確性，而膽鹼性神經元能在極短的時間內(18±3 毫秒)精準地做出反應，表示膽鹼性神經元能在毫秒尺度的時間下控制海馬迴突觸的活化強度和神經可塑性，這與 Monosov et al. (2015) 研究靈長類所推測的膽鹼性神經元特性表現一致，並支持著存在很久的一個假說：膽鹼性神經系統參與快速時間尺度下的注意力功能 (Lin et al., 2015)。此外，科學家們在獎勵計時活動 (reward-timing activity) 的研究中發現基底前腦的膽鹼性神經元可以向初級視覺皮質傳送一種強化訊息，使視覺皮質在接收到視神經傳來的感官刺激後能預測未來期望下的獎勵發生時間 (Huertas et al., 2015; Zold & Shuler, 2015)。簡單來說，這種強化訊息能使初級視覺皮質將感官刺激和期望下的獎勵發生時間連結起來，使大腦根據過去的經驗來預測未來可能發生重要事件的時間，並做出行為學上的反應。然而，獎勵計時活動是如何在初級視覺皮質中形成的呢? 科學家們提出了一個假說：基底前腦的膽鹼性神經支配有助於在大腦皮層產生生理記憶的信號 (Methera ＆ Weinberger, 1989; Bakin & Weinberger, 1996)。透過重複刺激特定感受域(一個神經元所支配的神經刺激區域)的研究方式發現膽鹼性神經元傳達的強化訊息能在視覺皮質產生神經可塑性，形成一種行為聯想記憶 (behavioral associative memory)，這些神經調節正是塑造大腦皮層迴路以產生行為相關活動的原因 (Miasnikov et al., 2001; Froemke et al., 2007) 。 22

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(四) 膽鹼性神經元對注意力的調控基底前腦的膽鹼性神經元已證實能增強大腦皮質由下而上的感覺輸入，透過突觸釋放乙醯膽鹼到大腦皮質來增強記憶編碼 (memory encoding) 和注意力 (Hasselmo, 2006)。其中記憶編碼是大腦對外來訊息的初始學習，可說是大腦將感官輸入的資訊轉換成可儲存於大腦內的一種模式，並且會整合腦中的思想和外部事件建構出短期記憶與長期記憶。眾多研究發現乙醯膽鹼透過增強感覺神經元的輸入來影響皮質活性，並能同時降低其他皮質神經元內部的連接，從而減少皮質內部的神經連結活性來促進記憶編碼(意味著由上而下的處理模式受到抑制)，讓我們能專注於特定感官刺激；其他研究還發現這種感覺神經元輸入的強化是由大腦皮質中的菸鹼型乙醯膽鹼受體 (nicotinic acetylcholine receptor) 介導，而蕈毒鹼型 (muscarinic) 乙醯膽鹼受體可以進一步增強神經尖峰反應 (spiking response) 來增強感官輸入的記憶編碼和注意力 (Záborszky et al., 2018)。此外，乙醯膽鹼還能進行強烈的突觸前抑制—海馬迴、梨狀皮質和新皮質中的興奮性反復活化連結，從而減少了先前記憶編碼的干擾。有趣的是，上述的神經尖峰反應和興奮性反復活化連結其實與由上而下的注意力調控機制相符，由上而下的注意力調節通常與一組編碼特定特徵的神經元放電頻率增加有關，在 Avery et al. (2014) 的研究中說明了乙醯膽鹼在由上而下的注意力調節機制佔相當重要的地位，並描繪出基底前腦調控由下而上和由上而下的注意力神經機轉，包含一群非膽鹼性神經元，如: GABAergic projections 是如何抑制由上而下的注意力神經調控。舉例來說當基底前腦活化，其膽鹼性神經元扮演著直接活化大腦皮質的角色 (以圖二為例，RF1 & RF2 作為 2 塊大腦皮質迴路)，而基底前腦的 GABAergic projections 藉由抑制丘腦網狀核 (thalamic reticular nucleus, TRN) 從而抑制外側膝狀體 (lateral geniculate nucleus, LGN) 來增加感覺外圍到皮層的連接的功效，這可以有效的清除丘腦中由上而下的注意力調控；相反的，當由上而下的注意力訊號 (top-down attentional signal, TD attn) 刺激視覺皮層時(如: 額葉皮質的刺激訊號)，它們會在大腦皮質中引起乙醯膽鹼的局部釋放，從而增強局部注意力。其中，由上而下的注意力神經元釋放的麩胺酸會導致膽鹼性神經元釋放乙醯膽鹼，從而對含有乙醯膽鹼受體的視覺皮質神經元產生局部膽鹼能作用。這種局部注意力增強的強度又與大腦皮質表現的蕈毒鹼型乙醯膽鹼受體有關，其可以提高神經元的放電頻率並降低神經元之間的雜訊相關性 (Avery et al., 2014)。

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圖二、注意力訊號對神經網絡的影響。此圖展示了由上而下的注意力訊號如何增強感官刺激對丘腦單一感受域 (RF1) 的活化，以及由上而下的注意力訊號如何導致局部乙醯膽鹼釋放，從而進一步增強注意力 (Avery et al., 2014)。

三、結論基底前腦透過兩大神經網絡來調控注意力的形成，分別是數量最多的膽鹼性神經元以及非膽鹼性神經元 (GABAergic neuron, glutamatergic neuron, peptidergic interneuron and projection neuron, etc.)。其中，膽鹼性神經元可在感官刺激訊號輸入後透過突觸投射到大腦皮質，直接影響不同腦區的皮質活性來促進注意力的行為表現；或是經記憶編碼後的皮質所釋放的刺激訊號 (如: 麩胺酸) 來選擇特定腦區的活化。此外，基底前腦內的非膽鹼性神經元也參與了膽鹼性神經元刺激皮質活性的過程，藉由彼此互相調控影響著感官訊息的處理，如: GABAergic projections 抑制了丘腦網狀核以及下游的神經突觸來削弱由上而下的注意力調控。過往的研究普遍認為基底前腦內的膽鹼性神經元控制著由下而上的訊息處理，但隨著研究技術的發展，科學家們發現這群膽鹼性神經元在由上而下的訊息處理同樣佔據不可或缺的地位，特別是與非膽鹼性神經元之間的交互作用。期許未來在特異性神經元的操縱技術更加成熟，

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使我們能夠探究單一腦區中不同神經元對注意力調控的機制，解開更多關於基底前腦的身世之謎。參考文獻： Avery, M. C., Dutt, N., & Krichmar, J. L. 2014. Mechanisms underlying the basal forebrain enhancement of top‐down and bottom‐up attention. European

Journal of Neuroscience 39(5): 852-865. Bakin, J. S., & Weinberger, N. M. 1996. Induction of a physiological memory in the cerebral cortex by stimulation of the nucleus basalis. Proceedings of the

National Academy of Sciences 93(20): 11219-11224. Everitt, B. J., & Robbins, T. W. 1997. Central cholinergic systems and cognition.

Annual review of psychology 48(1): 649-684. Froemke, R. C., Merzenich, M. M., & Schreiner, C. E. 2007. A synaptic memory trace for cortical receptive field plasticity. Nature 450(7168): 425-429. Hangya, B., Ranade, S. P., Lorenc, M., & Kepecs, A. 2015. Central cholinergic neurons are rapidly recruited by reinforcement feedback. Cell 162(5): 11551168. Hasselmo, M. E. 2006. The role of acetylcholine in learning and memory.

Current opinion in neurobiology 16(6): 710-715. Huertas, M. A., Shuler, M. G. H., & Shouval, H. Z. 2015. A simple network architecture accounts for diverse reward time responses in primary visual cortex. Journal of Neuroscience 35(37): 12659-12672. Lin, S. C., Brown, R. E., Shuler, M. G. H., Petersen, C. C. H., & Kepecs, A. 2015. Optogenetic dissection of the basal forebrain neuromodulatory control of cortical activation, plasticity, and cognition. Journal of Neuroscience 35(41): 13896-13903. Metherato, R., & Weinberger, N. M. 1989. Acetylcholine produces stimulusspecific receptive field alterations in cat auditory cortex. Brain research 480(12): 372-377. Miasnikov, A. A., III, D. M., & Weinberger, N. M. 2001. Muscarinic dependence of nucleus basalis induced conditioned receptive field plasticity. Neuroreport 12(7): 1537-1542.

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Monosov, I. E., Leopold, D. A., & Hikosaka, O. 2015. Neurons in the primate medial basal forebrain signal combined information about reward uncertainty, value, and punishment anticipation. Journal of Neuroscience 35(19): 7443-7459. Paul, S., Jeon, W. K., Bizon, J. L., & Han, J. S. 2015. Interaction of basal forebrain cholinergic neurons with the glucocorticoid system in stress regulation and cognitive impairment. Frontiers in aging neuroscience 7. doi: 10.3389/fnagi.2015.00043. Villano, I., Messina, A., Valenzano, A., Moscatelli, F., Esposito, T., Monda, V., Esposito, M., Precenzano, F., Carotenuto, M., Viggiano, A., Chieffi, S., Cibelli, G., & Messina, G. 2017. Basal forebrain cholinergic system and orexin neurons: effects on attention. Frontiers in behavioral neuroscience 11. doi: 10.3389/fnbeh.2017.00010. Záborszky, L., Gombkoto, P., Varsanyi, P., Gielow, M. R., Poe, G., Role, L. W., Ananth, M., Rajebhosale, P., Talmage, D. A., Hasselmo, M. E., Dannenberg, H., Minces, V. H., & Chiba, A. A. 2018. Specific basal forebrain–cortical cholinergic circuits coordinate cognitive operations. Journal of Neuroscience 38(44): 94469458. Zaborszky, L., Duque, A., Gielow, M., Gombkoto, P., Nadasdy, Z., & Somogyi, J. 2015. Organization of the basal forebrain cholinergic projection system: specific or diffuse? In The rat nervous system: 491-507. Zold, C. L., & Shuler, M. G. H. 2015. Theta oscillations in visual cortex emerge with experience to convey expected reward time and experienced reward rate.

Journal of Neuroscience 35(26): 9603-9614.

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探討帕金森氏症的發病機制及治療 Exploring The Pathogenesis and Treatment of Parkinson's Disease 黃品誌 HUANG, Pin-Zhi 國立中山大學生物科學系 Department of Biological Sciences, National Sun Yat-Sen University 摘要帕金森氏症 (Parkinson's disease, PD) 是常見的神經退化性疾病，通常對於行為與生理都造成了難以返回的傷害。關於 PD 的機制被普遍認為是α-synuclein 的錯誤折疊並造成累積，使神經細胞的訊息傳遞功能損傷。隨後學者對於發病機制相繼提出 Braak 假說與雙重打擊假說，然而這些假說只符合部分臨床案例，因此有不少學者抱有存疑的態度。目前最新的病理假說是以臨床病理學的觀察為基礎所提出，並證實體內病發的起源可以分為腦優先與身體優先，並且隨著不同起源而有不同病徵表現，使學術界能夠更清楚釐清 PD 的發病機制。目前對於 PD 的治療雖然已出現多種療法，但是都只能延緩病情，並無法從根本上治癒。因此目前學術界正積極開發以治癒為目標的療法，雖然現階段都處於臨床試驗並且效果不如預期，但學術界還是相信將來可以透過病理機制的深入研究，使治療的方向更加精確，也增添更多治癒 PD 的可能性。關鍵詞：dopamine、 neuron、 symptoms、 α-synuclein、 hypothesis

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一、 Parkinson's disease 的流行在過去的二十年中，帕金森氏症 (Parkinson's disease, PD) 的發生率與盛行率都持續的快速成長，使 PD 成為全世界第二常見的神經退化性疾病。Bloem et al. (2021) 基於病患個體感受差異與疾病發展的多種可能性，推測 PD 超過 600 萬種不同的變異。這也導致 PD 的治療更加的複雜，使其更不容易精確治療，造成病情的惡化及病程的延長。PD 病情的惡化不僅使患者身心靈受到傷害，也為照護患者的親屬增加不少負擔，使兩者的生活品質急遽下降。因此在患者數量日漸增加下，PD 的治療與致病機制的研究變得至關重要。二、 PD 背景 (一) 發展在西元 1817 年 James Parkinson 透過治療患有震顫性麻痹的病人，發表相關疾病的特徵、病情、診斷和治療方法的報導，至此為學界開啟 PD 的相關研究 (PalaciosSanchez et al., 2017)。在西元 1912 年，Friedrich Heinrich Lewy 首次在麻痺患者的腦幹內發現包含體 (inclusion bodies)，為相關疾病的病理解剖提供重要的線索，此包與 PD 具有相關性，並且還得知 Lewy body 是由α-synuclein (α-Syn) 組成，為 PD 往後的病理機制研究打下基礎 (Holdorff et al., 2013)。在西元 2003 年， Braak et 28

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al. (2003) 提出突發性 PD (sporadic PD) 的發病機制假說，並對病理機制順序分級。五年後 Braak 團隊更新了之前的假說，並提出雙重打擊假說 (the dual hit hypothesis)，雖然也有不少學者因為部分病例的狀況與假說不符，而對假說抱有存疑的態度，但隨後有多位學者陸續補充其他證據及論點，並對假說做了一些調整，使 PD 發病機制的架構逐漸明朗 (Chen et al., 2022)。 (二) 分類帕金森症候群 (Parkinsonian syndromes, PS) 是指與 PD 相似的運動障礙症狀，如震顫、僵直等現象，並在臨床上分為三類，分別為典型 PD、非典型 PS、次發性 PS。其中典型 PD 與其他 PS 的區分是依照國際帕金森病與運動障礙學會 (International Parkinson and Movement Disorder Society, MDS) 的 PD 診斷標準，將典型 PD 與其他 PS 的成因做出區別。典型 PD 又稱為原發性 PD (idiopathic PD)，可以分為遺傳性 PD (genetic PD) 和突發性 PD。典型 PD 通常發病原因不明，透過α-Syn 的不正常折疊與堆積，使神經產生病變進而造成症狀。遺傳性 PD 是由基因異常所導致的，已有學者發現此類 PD 與α-Syn 的基因突變相關，然而關於突發型 PD 發生原因目前尚未明瞭，但有學者認為環境因子和遺傳因子可能為其潛在原因 (Rietdijk et al., 2017)。非典型 PS 的成因通常為多巴胺 (dopamine, DA) 不足所導致患者表現出類似 PD 的症狀，甚至會出現 PD 以外的症狀。相較於典型 PD，非典型 PS 病情發展快，並且較容易出現併發症，使用 DA 藥物治療的效果不佳，存活率也明顯較低 (Bloem et al., 2021)。次發性 PS 是由已知的外在病因影響，像是頭部重擊、腦瘤、中風等病因，進一步引起和 PD 相同症狀。 (三) 病徵 PD 的症狀可以分為早期、中期及晚期。PD 早期病徵都是普遍且不嚴重的症狀，因此難以在早期就發現罹患 PD ，這些症狀分別有快速動眼期行為障礙 (rapid eye movement behavior disorder, RBD) 、便祕、嗅覺遲鈍、隱約型的不對稱肩痛 (asymmetric vague shoulder pain)、抑鬱及焦慮。PD 中期病徵是大眾較為知曉的症狀，分別為肌肉僵硬、靜止型震顫、運動遲緩、步態障礙、姿勢平衡不穩、常流口水等症狀，其中頻尿為較少見的症狀。這些症狀大部分與運動障礙有關，也有部分與認知及生理相關。當疾病來到晚期時，各種病徵將會加重，甚至威脅生命。PD 晚期病徵包括吞嚥進食困難、自主神經病變、心臟病、認知衰退與運動惡化等症狀。其中認

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知衰退的發展被認為與 RBD 有關，並且包括幾項常見症狀，如思維反應變慢、專注力不足、記憶力減弱及失智等症狀。 (四) 假說及病理機制 PD 所引起的這些症狀目前被認為起源於α-Syn 的不正常折疊與堆積，並在神經細胞中形成 LB，妨礙神經細胞的運作，進一步使細胞壞死。這些不正常折疊的α-Syn 不僅透過堆疊同化正常的α-Syn，不正常折疊的α-Syn 還會透過神經細胞的軸突雙向的運輸，傳遞給其他神經元。雙重打擊假說是指如農藥、空汙與重金屬等環境毒素會經由兩種透過黏膜的途徑潛入人體，並造成神經細胞內α-Syn 的不正常折疊與堆積，分別經由各自的路徑使不正常折疊的α-Syn 在中樞神經系統 (central nervous system, CNS) 內傳播。這兩條路徑分別為鼻腔途徑與腸胃道途徑，腸胃道的環境毒素接觸神經後，α-Syn 會透過迷走神經和迷走神經背側運動核 (the dorsal motor nucleus of the vagus, DMV) 從腸神經系統 (enteric nervous system, ENS) 傳播到 CNS；鼻腔的環境毒素接觸神經後，α-Syn 可以直接利用嗅覺神經細胞及嗅球進入 CNS (Hawkes et al., 2007)。進入 CNS 後αSyn 不斷傳播，導致中腦的黑質 (substantia nigra, SN) 受到不正常的α-Syn 影響，會使 SN 內大量 DA 神經元無法順利分泌 DA 至基底核 (basal ganglia)，進一步使基底核調控運動訊息的功能受損，若不正常折疊的α-Syn 再繼續向上影響大腦皮質，將會出現更加嚴重的症狀。雖然此假說符合部分臨床上的案例，但還是存在一些無法解釋的案例，因此 Horsager et al. (2020) 透過屍檢上的觀察並整合雙重打擊假說與自己的觀察，提出新假說稱為腦優先與身體優先假說 (brain-first versus body-first)，並說明 PD 分為腦優先亞型與身體優先亞型。腦優先亞型是以腦為起點出現不正常折疊的α-Syn 堆積，再經由雙重打擊假說的途徑傳到身體各處，此亞型的病情發展較快且嚴重，有可能是透過嗅球途徑引起；身體優先亞型是以腸胃為α-Syn 堆積的起點，RBD 為此亞型具有代表性的症狀，病情發展較緩。雖然此假說還有諸多需要證實的部分，但目前已有此假說相關的動物實驗設計，想必日後此假說經由更多實驗證明將變得更加明瞭 (Van Den Berge & Ulusoy, 2022)。三、現有常見療法當前治療 PD 的方法有兩種，分別是藥物治療與手術。藥物治療是目前最常見的方式，也是治療 PD 的第一步。治療藥物可以依用途分為四類，彼此可以互相搭配，使

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療效最佳化，第一類是 DA 的促進劑 (agonist)，作用於接收器 (receptor)，促進 DA 所調控的下游訊息傳遞；第二類是抑制 DA 降解的藥物，如單胺氧化酶 B 抑制劑 (MAO-B inhibitors)、兒茶酚氧位甲基轉移酵素抑制劑 (COMT inhibitors)；第三類是減緩症狀的藥物，透過其他機制抑制震顫等症狀產生；第四類為左旋多巴 (Levodopa)，是目前治療 PD 最有效的藥物，由於 DA 會被血腦障壁阻擋，所以不會直接使用 DA 治療，但是左旋多巴身為 DA 的上游產物並不受血腦障壁阻擋，因此可以透過食用及注射的方式進入體內 (Sancho-Bielsa, 2022)。左旋多巴被發現雖然一開始藥效非常好，但經由長時間服用後療效會不如以往，並形成有開關的交替反應，當藥物呈現開反應時，療效會穩定存在，一旦藥物呈現關反應，療效就會消失。當用藥後還是無法改善症狀時，將會採取手術治療，目前手術治療的類型可以分為損壞與刺激。損壞類型的手術是指破壞腦區內不正常的細胞活性，較常見的手術有丘腦燒灼術 (thalamotomy) 及蒼白球燒灼術 (pallidotomy)，通過破壞改善症狀，但此類型手術會引起其他副作用並且不可逆，因此具有相當的危險性，目前臨床已較少使用。另一種以刺激為導向的手術是藉由電流刺激調節神經傳導訊號。目前應用種類包含脊髓刺激 (spinal cord stimulation)、迷走神經刺激 (vagus nerve stimulation) 及腦深層刺激 (deep brain stimulation, DBS)。DBS 須在胸前植入脈衝產生器，並連接導線至特定腦區，以脈衝產生的電流調節腦部活動，其中視丘下核 (subthalamic nucleus, STN) 與蒼白球內側 (globus pallidus internus, GPi) 常為 DBS 刺激的腦區。雖然臨床證實 DBS 搭配左旋多巴的治療可以顯著的改善 PD 的運動症狀，也可以有效調整左旋多巴的交替反應，但對於症狀的治療效期還是無法長期維持 (Cury et al., 2022)。四、目前療法的重大問題目前 PD 難以被治療的可能原因有以下三點，第一點是初期病徵不容易被發現，因此無法及時延緩病徵加重；第二點是 PD 為高度變異性的疾病，因為其發病原因、模式和症狀皆會因人而異，所以治療的效果也會因人而異；第三點是 PD 為神經退化性疾病，發病時間及療程都會持續數年以上，若無法治癒，病情就只能維持或是隨著時間加重。因此在 PD 不同病程中的預防、即時發現與治癒都各自扮演重要的角色，但是對於已經患有 PD 的病人而言，根本性的治癒才是其中的關鍵。目前常用的臨床治療以維持神經細胞的運作為主要治療目的，在臨床上無論是藥物治療，還是損害型與刺激型手術，甚至是藥物治療搭配刺激型手術都無法徹底阻止病情的惡化。在 PD 的案例中可以得知，如果只解決症狀的發生，而不解決病源的產生，

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將無法改變整個疾病最終的結局。因此本篇推測若能透過病理機制阻止病原產生，就能找到治癒 PD 的可能，故本篇後續欲探討是否有治癒 PD 的療法。五、以治癒 PD 為目標的可能性由於目前的療法只能改善 PD 部分症狀，並不能阻止病程的進展，因此有不少學者為了阻止神經病變而不斷尋找其他替代療法，雖然目前較少出現於臨床，但已有療法在臨床試驗測試其療效，目前包含基因治療 (gene therapy) 、免疫療法 (immunotherapy) 、細胞取代療法 (cell replacement therapy)(Sancho-Bielsa, 2022)。目前免疫療法是以清除不正常折疊的α-Syn 為目的，當不正常折疊的α-Syn 傳播至細胞外，就可以藉由抗體結合α-Syn 並透過免疫系統將其清除。雖然療效相當有限，但此療法被證實擁有良好的耐受性 (tolerability) 與安全性，因此還是值得深入研究。基因治療主要想利用基因插入的方式，調控細胞產生特定的蛋白，如酶 (enzyme)、神經營養物質 (neurotrophic factors) 等。雖然臨床上的治療沒有達到預期，並且目前人體臨床的結果頗有爭議，但是在動物實驗中已證實其安全性與可用性，因此基因療法在未來還是被受期待。細胞取代治療是利用植入新的細胞將損壞的神經細胞取代，此方式不僅減少症狀的產生，還可以重新恢復對下游神經的支配，其中所使用的細胞有胎兒多巴胺神經元 (foetal dopamine neurons, FDN) 及幹細胞。在臨床上發現 FDN 對於病人的療效有限，因為 FDN 不容易在病患體內長期維持並且還有免疫排斥的問題，因此學者們進而考慮自體細胞的可能，其中自體的幹細胞是不錯的選擇。誘導性多能幹細胞 (induce pluripotent stem cell, iPSC) 是成體細胞經由基因重新編程而形成如胚胎幹細胞 (embryonic stem cells) 般的幹細胞，由於此種幹細胞分化潛力過大，需要小心腫瘤形成的可能，因此細胞取代治療還需要持續的研究。如果在未來可以利用基因治療的方式調控α-Syn 的降解，使不正常折疊的α-Syn 在一開始就可以被細胞自己的降解途徑所降解，再搭配免疫療法將細胞外不正常折疊的αSyn 清除，並使用細胞取代療法修補受損神經細胞的功能，如此相信在未來將會顯著提升 PD 治癒的可能性。參考文獻： Bloem, B. R., Okun, M. S., & Klein, C. 2021. Parkinson's disease. The Lancet 397(10291): 2284-2303.

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Braak, H., Rüb, U., Gai, W. P., & Del Tredici, K. 2003. Idiopathic Parkinson's disease: possible routes by which vulnerable neuronal types may be subject to neuroinvasion by an unknown pathogen. Journal of Neural Transmission 110(5): 517-536. Chen, H., Wang, K., Scheperjans, F., & Killinger, B. 2022. Environmental triggers of Parkinson's disease - Implications of the Braak and dual-hit hypotheses.

Neurobiology of Disease 163: 105601. Cury, R. G., Pavese, N., Aziz, T. Z., Krauss, J. K., & Moro, E. 2022. Gaps and roadmap of novel neuromodulation targets for treatment of gait in Parkinson's disease. Nature Partern Journals Parkinsons Disease 8(1): 8. Hawkes, C. H., Del Tredici, K., & Braak, H. 2007. Parkinson's disease: a dual-hit hypothesis. Neuropathology and Applied Neurobiology 33(6): 599-614. Holdorff, B., Rodrigues e Silva, A. M., & Dodel, R. 2013. Centenary of Lewy bodies (1912-2012). Journal of neural transmission 120(4): 509–516. Horsager, J., Andersen, K. B., Knudsen, K., Skjaerbaek, C., Fedorova, T. D., Okkels, N., Schaeffer, E., Bonkat, S. K., Geday, J., Otto, M., Sommerauer, M., Danielsen, E. H., Bech, E., Kraft, J., Munk, O. L., Hansen, S. D., Pavese, N., Goder, R., Brooks, D. J., Berg, D., & Borghammer, P. 2020. Brain-first versus body-first Parkinson's disease: a multimodal imaging case-control study. Brain 143(10): 3077-3088. Palacios-Sanchez, L., Torres Nupan, M., & Botero-Meneses, J. S. 2017. James Parkinson and his essay on "shaking palsy", two hundred years later. Arquivos de

Neuro-Psiquiatria 75(9): 671-672. Rietdijk, C. D., Perez-Pardo, P., Garssen, J., van Wezel, R. J., & Kraneveld, A. D. 2017. Exploring Braak's Hypothesis of Parkinson's Disease. Frontiers in

Neurology 8: 37. Sancho-Bielsa, F. J. 2022. Parkinson's disease: Present and future of cell therapy.

Neurology Perspectives 2: 58-68. Van Den Berge, N., & Ulusoy, A. 2022. Animal models of brain-first and bodyfirst Parkinson's disease. Neurobiology of Disease 163: 105599.

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利用經顱磁刺激調節神經迴路治療難治型憂鬱症患者 Using Transcranial Magnetic Stimulation to Modulate Neural Circuits in Patients with Major Depressive Disorder 柯佳辰 KO, Chia-Chen 國立中山大學生物科學系 Department of Biological Sciences, National Sun Yat-Sen University 摘要憂鬱症為全球主要疾病之一，該疾病是高終生發病率、早發性且是不易完全痊癒的，其不僅造成個人和人際關係痛苦，對於社會影響及經濟負擔非常大。現今對於憂鬱症的治療有抗憂鬱藥物、心理諮商療法、藥物加上心理諮商的聯合療法，以及處於研究階段的深部腦刺激療法和經顱磁刺激。本篇著重於難治型憂鬱症，其特徵有情緒低落、興趣減退、認知功能受損、睡眠障礙或食慾不振等。難治型憂鬱症患者通常接受抗憂鬱藥物治療皆無明顯改善，於近幾年推行經顱磁刺激療法，使用脈衝磁場通過大腦皮層影響局部電流來聚焦目標神經路徑。磁場與電場不同，磁場能不受阻礙的穿過頭皮及顱骨組織。目前已有部分患者接受治療後得到改善，現今台灣臨床致力於將經顱磁刺激療法列入憂鬱症治療的準則中。另外經顱磁刺激也持續在各個國家的臨床以及實驗中進行研究，希望能找出其治療憂鬱症的機轉以及不同憂鬱症症狀適用的刺激位置以及頻率，希望在未來能更有效地幫助更多精神疾病患者。關鍵詞： major depressive disorder ( 難治型憂鬱症 ) 、 transcranial magnetic stimulation (經顱磁刺激)、dorsolateral prefrontal cortex (背外側前額葉皮層)、 dysthymia disorder (輕鬱症)、neural circuit (神經迴路)

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一、憂鬱症 (一) 憂鬱症的定義憂鬱症為全球主要疾病之一，在臨床被認為是一種精神疾病或者大腦疾病 (Boland & Keller, 2002)。憂鬱症是高終生發病率、早發性且是不易完全痊癒的疾病 (Richards, 2011)。世界衛生組織疾病分類中描述憂鬱症 (depression) 的標準，像是對活動失去興趣、缺乏情緒反應、睡眠障礙、食慾不振、運動遲緩、體重減輕、性慾減退和活力下降等，其中至少四項持續兩周，另外將輕鬱症 (dysthymia disorder) 定義為經常性流淚、難以集中注意力、失去信心、感到不足、絕望以及對未來感到絕望等以上至少出現三樣 (World Health Organization, 1993)。後來因為這種分類法中兩種疾病症狀高度相似，因此後續臨床將這兩種名詞視為相同定義 (Andrews et al., 1999)。 (二) 憂鬱症的嚴重性憂鬱症是世界上第四大負擔疾病，憂鬱症發病率非常普遍，其不僅造成個人和人際關係痛苦，對於社會影響及經濟負擔非常大 (Johnson et al., 2009)。文獻回顧提及情緒障礙相關疾病發病高峰年齡在 15-29 歲之間 (Craighead et al., 2007)，其中 15-19 歲間難治型憂鬱症 (major depressive disorder, MDD) 發病率隨患者年齡增加 (Burke et al., 1991)，難治型憂鬱症發病年齡越早，越容易造成更糟的預後狀況，患者可能罹患更多的精神疾病併發症、有更嚴重的自殺傾向等 (Zisook et al., 2007)，因此開發憂 35

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鬱症療法是一件很重要的全球性健康問題，且在年輕族群中更有在早期干預的必要性 (Richards, 2011)。 (三)難治型憂鬱症難治型憂鬱症 (major depressive disorder, MDD) 特徵有情緒低落、興趣減退、認知功能受損、睡眠障礙或食慾不振等，在女性中患病率為男性的兩倍，且有六分之一的成年人一生中曾受 MDD 所苦 (Kessler et al., 2007)。MDD 的病因是多因素的，其遺傳率約為 35%，此外環境因素，像是童年時期的性虐待、身體虐待或情感虐待，與發展出 MDD 密切相關。目前沒有既定的機制可以解釋該疾病所有方向 (Otte et al., 2016)。MDD 不僅會導致其他慢性病 (如心絞痛、關節炎和糖尿病等) 惡化，還會導致患者平時健康狀況下降，另外當患者患有慢性疾病時，也容易發展出憂鬱症 (Moussavi et al., 2007)。 (四)憂鬱症的治療方法臨床上，目前對於憂鬱症的診斷評估是基於症狀描述以及隨時間症狀的變化 (Richards, 2011)。憂鬱症分為三類病理生理學，(1) 神經營養因子 (neurotrophic factor) 和其他生長因子 (growth factor)，包括腦源性神經營養因子 (brain-derived neurotrophic factor, BDNF) 、血管內皮生長因子 (vascular endothelial growth factor) 和類胰島素生長因子-1 (insulin-like growth factor-1)；(2) 促炎細胞因子 (proinflammatory cytokines) ，包括白介素 -1β (interleukin-1β) 、白介素 -6 (interleukin-6)、腫瘤壞死因子-α (tumor necrosis factor-α)；(3) 下丘腦-腦垂腺-腎上腺皮質(hypothalamic-pituitary-adrenocortical, HPA)軸調節受損。憂鬱症患者體內促炎細胞因子分泌增加，抗憂鬱藥物可以使這些細胞因子濃度恢復正常或者抑制其合成；在 HPA 軸受損的患者中，給予的藥物療程能改變 HPA 系統的敏感程度，使患者體內神經內分泌反應減弱 (Kupfer et al., 2012)。除了給予藥物外，有文獻指出藥物治療加上心理療法的聯合治療效果比純進行藥物治療有利，且患者比較不會放棄自己中斷藥物治療。心理干預治療包括:認知療法、人際關係心理療法、社交技能訓練、解決問題療法以及和行為療法等 (Pampallona et al., 2004)。另外還有腦深層刺激術 (Deep Brain Stimulation)，雖然腦深層刺激術還處於早期研究階段，尚未獲得 FDA 或歐洲藥品管理局的批准，但它有望作為治療難治型憂鬱症的治療方法。在深部腦刺激中，電極被植入大腦的雙側並連接到內部脈衝發生器。該過程是完全可逆的，它提供的刺激可以根據患者的需要進行調整，治療可能通過調節皮質-紋狀體-丘腦中的神

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經傳遞來發揮其作用-皮層迴路。雖然深部腦刺激似乎耐受性良好，但後續應監測自殺的可能性 (Kupfer et al., 2012)。二ˋ經顱磁刺激療法 (一) 經顱磁刺激介紹經顱磁刺激 (Transcranial Magnetic Stimulation, TMS) 是一種神經調節的療法，神經療法是將整個神經元通路作為治療目標，將治療焦點從突觸擴大到大腦內更高階層的系統組織，神經迴路 (circuit)。這種干預模式可以有效調節低活性區以及高活性區。 TMS 使用脈衝磁場通過大腦皮層影響局部電流來聚焦目標神經路徑。磁場與電場不同，磁場能不受阻礙的穿過頭皮及顱骨組織，根據電磁學物理原理，磁場在大腦皮層中感應產生電流，大腦的皮質充當導電物 (Pridmore & Belmaker, 1999)。 (二) 經顱磁刺激治療精神疾病 TMS 為近期臨床上備受關治的療法，其非侵入性且耐受度好，TMS 被研究用於治療各種精神疾病，包括強迫症、創傷後症候群、思覺失調症的幻聽，並且目前已經受 FDA 批准用於治療重度抑鬱症，特別是對於那些對一種抗憂鬱藥療程沒有反應的人 (Pridmore & Belmaker, 1999)。雖然這種治療被認為是安全且耐受性良好的，但有發現罕見的副作用—癲癇。TMS 為在大腦周圍產生磁場，左右背外側前額葉皮層 (dorsolateral prefrontal cortex, DLPFC) 是 TMS 治療抑鬱症的常見目標區域。經整合分析 (Meta analysis) 支持使用 DLPFC TMS 或重複 TMS (repetitive transcranial magnetic stimulation, rTMS) 治療憂鬱症 (Kupfer et al., 2012)。大於一赫茲的快速 TMS 被認為能造成谷氨酸能 (glutamatergic) 或神經元興奮的效應，當 TMS 於幾秒鐘內以一系列脈衝傳遞時，稱為 rTMS，通常被用於治療精神病，rTMS 被認為能對目標神經迴路內的神經傳遞路徑更有影響。TMS 療程通常每天進行，每周 5 次，療程次數為 20-30 次，TMS 在療程結束後是無恢復期的，然而必須每天到場治療為 TMS 療程的劣勢，但須接受 TMS 的患者通常因先前藥物治療無接收到益處以及藥物不耐受性，因此患者往往接受度很高 (Pridmore & Belmaker, 1999)。 (三) 現今經顱磁刺激臨床實驗目前最大的試驗在美國、加拿大及澳洲進行，頭痛以及進行 TMS 的部位疼痛是目前最常見的副作用，並無出現癲癇的案例。在試驗中僅有 25%患者狀態達到緩解，然而這些患者皆是接受藥物治療後未能得到緩解的人。在這群患者中，僅接受過一種抗憂

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鬱藥物且無效果的人接受 TMS 能較好的緩解憂鬱狀態，如先前試過多種抗憂鬱藥物皆無效的患者，對治療抵抗程度越高者，TMS 效果越不好。因此 FDA 目前僅批准對單一抗憂鬱藥物沒有反應的患者進行 TMS (Pridmore & Belmaker, 1999)。 (四)臨床經顱磁刺激面臨的困境 TMS 已被臨床證實是一種有效的抗憂鬱療程 (Duman et al., 2019) 然而目前臨床上對於 TMS 治療憂鬱症的療程還未有一個準確的步驟，有些療程使用低頻率刺激來抑制腦區，有些療程反而使用高頻率刺激來活化腦區(Speer et al., 2000)，並且目前也還不確定刺激腦部右側、左側還是雙側對於患者是最佳的 (Pridmore & Belmaker, 1999) 因此未來 TMS 需要更多數據來確定何種頻率以及腦區對於患者是最佳的。另外已有許多文獻證實難治型憂鬱症患者擔任調節大腦性興奮性的駐要抑制神經傳遞物質γ-氨基丁酸 (γ-aminobutyric acid, GABA) 和興奮性神經傳遞物質谷氨酸(glutamate)平衡發生改變，然而這之中的機轉目前科學家們還不清楚 (Duman et al., 2019)。目前 TMS 治療難治型憂鬱症以刺激 DLPFC 為主，然而如何定位並且準確刺激到 DLPFC 也是目前臨床正在積極著手的地方，另外 DLPFC 的範圍很大，目前也尚不清楚哪一部分是與憂鬱症密切相關 (Fitzgerald et al., 2009)。 (五) 經顱磁刺激療法的未來展望目前台灣已有在使用 TMS 來治療部分難治型憂鬱症患者，然而目前還未非常普及，因此 TMS 治療是以患者自費來進行治療，目前台灣積極推動將 TMS 療法能列入臨床準則，去幫助更多需要幫助的病患。此外，除了上一段提及需要解決的困境之外，每個憂鬱症患者憂鬱程度以及病症不同，精確找出每個患者各自適用的 TMS 治療頻率以及腦區也是未來臨床上一大目標。結論目前臨床上常見治療憂鬱症的方式有藥物治療、心理干預治療以及 TMS，由於 TMS 治療非侵入性且普遍患者耐受度好，因此為目前臨床上治療憂鬱症備受關注的療法。 TMS 常用於對抗憂鬱藥物抗藥性強的患者，該療法是利用磁場傳過頭皮，於大腦皮層中產生電場以改變神經迴路的神經調節療法，然而該療法雖已被證實可治療難治型憂鬱症，但其改變神蹟傳遞物質的機轉還尚未清楚，另外找出各種症狀適用於何種頻率與腦區的 TMS 治療，也是臨床上持續努力的一大目標。參考文獻：

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Fitzgerald, P. B., Hoy, K., McQueen, S., Maller, J. J., Herring, S., Segrave, R., Bailey, M., Been, G., Kulkarni, J. & Daskalakis, Z. J. 2009. A randomized trial of rTMS targeted with MRI based neuro-navigation in treatment-resistant depression. Neuropsychopharmacology 34(5): 1255-1262. Kupfer, D. J., Frank, E., & Phillips, M. L. 2012. Major depressive disorder: new clinical, neurobiological, and treatment perspectives. The Lancet 379(9820): 1045-1055. Otte, C., Gold, S. M., Penninx, B. W., Pariante, C. M., Etkin, A., Fava, M., Mohr, D. C. & Schatzberg, A. F. 2016. Major depressive disorder. Nature reviews Disease

primers 2: 16065. Pampallona, S., Bollini, P., Tibaldi, G., Kupelnick, B., & Munizza, C. 2004. Combined pharmacotherapy and psychological treatment for depression: a systematic review. Archives of general psychiatry 61(7): 714-719. Pridmore, S., & Belmaker, R. 1999. Transcranial magnetic stimulation in the treatment of psychiatric disorders. Psychiatry and Clinical Neurosciences 53(5): 541-548. Richards, D. 2011. Prevalence and clinical course of depression: a review. Clinical

psychology review 31(7): 1117-1125. Duman, R. S., Sanacora, G., & Krystal, J. H. 2019. Altered Connectivity in Depression: GABA and Glutamate Neurotransmitter Deficits and Reversal by Novel Treatments. Neuron 102(1): 75–90.

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異維 A 酸介導畸形症狀的可能機制 The Possible Mechanism of Lsotretinoin Mediating Deormity 邱諺祺 CHIU, Yan-Ci

國立中山大學生物科學系 Department of Biological Sciences, National Sun Yat-Sen University 摘要治療痤瘡時常會使用 Isotretinoin (13-cis-retinoic acid)，不過治療期間會產生許多副作用，其中較為嚴重的則是會使胎兒產生畸形，會造成這些畸形的原因，可以由藥物的路徑去窺探。在臨床的病例中，胎兒可能會產生骨骼發育不全、腦內腺體分泌不足及心臟缺陷，針對前兩項症狀，學者們認為與 Isotretinoin 調控的核內 Forkhead box O1 (FoxO1) 蛋白表現量有關。他們發現當 Isotretinoin 上升時，FoxO1 表現量也會上升，同時受 FoxO1 調節的 Wingless proteins (Wnts) 訊息傳導路徑及腦內 αmelanocyte stimulating hormone (α-MSH) 含量皆會受到抑制，使得骨細胞生成減少及腦垂體分泌異常。另一方面，學者們針對心臟缺陷也進行探討，發現心肌細胞發育會受到 Isotretinoin 含量多寡影響，且 Waxman & Yelon (2009)發現與受 Hoxb5b 表現量多寡影響的心肌細胞產生相似的表現型，因此他們推論心臟缺陷可能與 Isotretinoin 調控的 hox 基因有關，但是否僅受單一 hox 基因控制仍未有定論。綜上所述，FoxO1 及 Hox 在 Isotretinoin 的致畸性中扮演重要的角色，且受它們調節的訊息傳遞路徑也能合理的解釋致畸的機制。

關鍵詞：isotrtinoin ( 異維 A 酸)、 all-trans-retinoic acid (維 A 酸)、wingless pathway (Wnt 訊息傳遞路徑)、forkhead box O1、teratogenicity (致畸性)

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Isotretinoin (13-cis-retinoic acid) 俗稱口服 A 酸，常會用於治療青春痘、痤瘡 (Ganceviciene & Zouboulis, 2007)，而在醫師開藥前，醫師會依照藥物仿單上的指示要求患者須提供肝功能檢驗單及驗孕棒，這是因為服用 A 酸的療程中，會產生許多副作用，例如脫髮、肝功能下降、皮膚乾燥等 (Shalita, 1987; Melnik, 2011)，其中較為嚴重的則是會使胎兒產生畸形 (Coberly et al., 1996)，因此醫師才會要求患者提供驗孕棒。

從 1980 年代開始使用 Isotretinoin 作為療程後，便陸續有針對其致畸的症狀進行研究，根據當時的研究，Isotretinoin 會使人類顱面、心臟、胸線、中樞神經等發育異常 (Coberly et al., 1996)，產生的後果中較具特徵性的包含小耳畸形、失足症、心臟錐體缺損、胸線異位或發育不全 (Coberly et al., 1996)，會造成這些異常的原因，可以由藥物的路徑去窺探。

學者們在探討 Isotretinoin 所導致的腦內腺體分泌異常及骨骼發育不全時，認為 FoxO 在其中扮演重要的角色 (Melnik, 2011)，因為 FoxO 轉錄因子是體內重要的調節蛋白，它會參與調節腦內腺體的分泌及骨細胞分化 (Essers et al., 2005; Maiese et al., 2007; 41

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Melnik, 2011)。FoxO 在細胞核內游離的主要異構物為 FoxO1 及 FoxO3a，它們在中樞神經系統中能夠扮演調控 α-melanocyte stimulating hormone (α-MSH) 含量，進而影響腦垂體激素分泌 (Maiese et al., 2007; Melnik, 2011); 在骨髓內則是能夠調控 Wnt 訊息傳遞路徑，影響骨骼發育 (Essers et al., 2005; Melnik, 2011)。

體內本身便具有 Isotretinoin 存在，且它與 FoxO1 的關係也早已被學者們釐清， Isotretinoin 能夠正向調控 FoxO1 (Melnik, 2010)，其機制是當 Isotretinoin 在細胞質進行全反式異構化形成 all-trans-retinoic acid (ATRA)，再與 CRABP-2 結合後，運送至細胞核內與 RAR 結合，促使核內 FoxO1 的表現量上升 (Melnik, 2011)。學者們在接受 Isotretinoin 治療的患者體內，也都有發現 FoxO1 的表現量有上升的趨勢，與上述的機制不謀而合，因此他們推論外源性的 Isotretinoin 同樣能夠正調控 FoxO1，且受 FoxO1 調節的訊息傳遞路徑也會受影響 (Melnik, 2011)。

在下視丘內，FoxO1 能夠調控 proopiomelanocortin (pomc)、carboxypeptidase E (cpe) 蛋白基因的表現 (Kim, 2006)，調節 cpe 分解 pomc 後產生的 α-melanocyte stimulating hormone (α-MSH) 含量 (Kim, 2006)，α-MSH 含量則會影響下視丘-垂體-腎上腺軸 (hypothalamic-pituitary-adrenal axis , HPA) 活動 (Kim, 2006)。當 FoxO1 量上升時，會抑制 cpe、pomc 及 α-MSH 的產生，HPA 的活動也受到抑制，使得腦垂體激素分泌減少 (Melnik, 2011)，結合前一段所述的受 Isotretinoin 治療的患者體內 FoxO1 上升趨勢，學者們認為這可能是導致胎兒發育不全的機制 (Melnik, 2011)。

另一方面，骨髓內的 FoxO1 能夠調節骨骼發育 (Manolagas & Almeida, 2007)，它藉由與 T-cell factor (Tcf)、Lymphoid-enhancer binding factor (Lef) 競爭 β-catenin 的結合位 (Manolagas & Almeida, 2007; Melnik, 2011)，影響 Wnt 介導的訊息傳導路徑，當 FoxO1 含量上升時，會排擠 Tcf、Lef 與 β-catenin 結合量 (Melnik, 2011)，使 Wnt 介導的訊息傳導路徑受抑制，Wnt 介導的轉譯基因表現量下降後，無法抑制 PPARγ 和 C/EBPα 表現量，使得間充質幹細胞增加脂肪細胞生成、減少骨細胞生成 (Manolagas & Almeida, 2007; Melnik, 2011)，因此學者們認為 Isotretinoin 所引起的胎兒骨骼發育缺陷可能源於此機制 (Melnik, 2011)。

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相較於上述兩個較為明確的路徑，Isotretinoin 對心臟發育缺陷的機制也是學者們探討的議題，不過目前尚無定論。一般而言，學者們認為 Isotretinoin 訊息傳遞會限制心肌細胞的數量 (Lammer et al., 1985; Mark et al., 2006)，較高的 Isotretinoin 訊息傳遞會抑制心房及心室細胞的數量 (Waxman & Yelon, 2009)，會有此情況，學者們認為與受 Isotretinoin 正向調控的許多 Hox 基因表達有關 (Waxman & Yelon, 2009)，許多 Hox 基因能夠調節心肌細胞的發育 (Waxman & Yelon. 2009; Rohrschneider et al., 2007)，當 Hox 基因過度表達時則會抑制心肌細胞發育 (Waxman & Yelon, 2009)。 Waxman & Yelon (2009) 根據這個假設進行實驗，結果顯示，當 Hoxb5b 表現量增加時，所造成的心臟缺陷表型與 Isotretinoin 增量時相同，因此他們推論心臟缺陷可能是 Isotretinoin 介導的 Hoxb5b 基因表現量所影響，不過他們在研究中僅針對 Hoxb5b 表現量去做實驗，因此並無法斷定若有其他 Hox 基因被表現後，是否會造成不

同

的

致

畸

症

狀

。

綜上所述，可以了解 FoxO1 及 Hox 在致畸機制中的重要性，且學者們對於 Isotretinoin 導致胎兒骨骼缺陷及發育不全的機制具有較為明確的推論，同時也符合臨床觀察到的現象，另一方面，學者對於 Isotretinoin 導致心臟發育缺陷的推論雖然與觀察到的現象相符，但仍有待進一步去釐清 Hox 基因間的協同作用。

參考文獻： Coberly, S., Lammer, E., & Alashari, M. 1996. Retinoic acid embryopathy: Case report and review of literature. Pediatric Pathology & Laboratory Medicine 16: 823-836. Essers, M. A., Barker, N., Polderman, P. E., Burgering, B. M., & Korswagen, H. C. 2005. Functional interaction between beta-catenin and FOXO in oxidative stress signaling. Science 308: 1181-1184. Ganceviciene, R., & Zouboulis, C. C. 2007. Isotretinoin: state of the art treatment for acne vulgaris. Expert Review of Dermatology 2: 693-701. Lammer, E. J., Chen, D.T., Hoar, R. M., Agnish, N. D., Benke, P. J., Braun, J. T., Curry, C. J., Fernhoff, P. M., & Grix, A. W. 1985. Retinoic acid embryopathy. The

New England Journal of Medicine 313: 837-841.

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Kim, M. S., Pak, Y. K., Jang, P. G., Namkoong, C., Choi, Y. S., Won, J. C., Kim, K. S., Kim, S. W., Kim, H. S., Park, J. Y., Kim, Y. B., & Lee, K. U. 2006. Role of hypothalamic Foxo1 in the regulation of food intake and energy homeostasis.

Nature Neuroscience 9: 901-906. Layton, A. 2009. The use of isotretinoin in acne. Dermato Endocrinology 1(3): 162-169. Mark, M. & Ghyselinck, N. B. & Chambon, P. 2006. Function of retinoid nuclear receptors: lessons from genetic and pharmacological dissections of the retinoic acid signaling pathway during mouse embryogenesis. Annual Review of

Pharmacology and Toxicology 46: 451-480. Melnik, B. 2011. Isotretinoin and FoxO1. Dermato Endocrinology 3(3): 141-165. Melnik, B. 2010. FoxO1 – the key for the pathogenesis and therapy of acne?

Journal of the German Society of Dermatology 8(2): 105-114. Maiese, K., Chong, Z. Z., & Shang, Y. C. 2007. “SLY AS A FOXO”: new paths with forkhead signaling in the brain. Current Neurovascular Research 4: 295-302. Manolagas, S. C., & Almeida, M. 2007. Gone with the Wnts: beta-catenin, T-cell factor, forkhead box O and oxidative stress in age-dependent diseases of bone, lipid and glucose metabolism. Molecular Endocrinology 21: 2605-2614. Nau, H. 2001. Teratogenicity of isotretinoin revisited: Species variation and the role of all-trans-retinoic acid. Journal of the American Academy of Dermatology 45(5): S183-S187. Rohrschneider, M. R., Elsen, G. E., & Prince, V. E. 2007. Zebrafish Hoxb1a regulates multiple downstream genes including prickle1b. Dev Biol. 309: 358– 372. Shalita, A. R. 1987. Mucocutaneous and systemic toxicity of retinoids: monitoring and management. Dermatologica 175: 151-157. Waxman, J., & Yelon, D. 2009. Increased Hox activity mimics the teratogenic effects of excess retinoic acid signaling. Developmental Dynamics 238(5): 12071213.

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使用 MDMA 治療創傷後壓力症候群是否有效且安全? Is Using MDMA in Treatment of Posttraumatic Stress Disorder Efficacious and Safe? 簡嘉毅 JIAN, Jia-Yi 國立中山大學生物科學系 Department of Biological Sciences, National Sun Yat-Sen University 摘要創傷後壓力症候群 (posttraumatic stress disorder, PTSD) 是人在經歷創傷事件後產生的心理疾病，目前治療的方式主要以認知行為療法及暴露療法為主，藥物治療則是使用選擇性血清素再攝取抑制劑 (selective serotonin reuptake inhibitor, SSRI)，但這種藥物只對半數的病患有效，近幾年研究發現以適當劑量的亞甲雙氧甲基苯丙胺 (3,4-methylenedioxymethamphetamine, MDMA) 作為輔助進行治療的效果更佳。 1970 年代，許多學者開始研究迷幻藥是否能用於心理治療，MDMA 也在此時因其獨特的藥性而被地下的心理治療師使用，MDMA 能夠抑制血清素、去甲基腎上腺素以及多巴胺的再攝取，它同時也能刺激催產素及皮質醇的分泌，這些物質能夠加強患者在治療時的記憶、學習以及恐懼消退能力。過去六項 MDMA 輔助療法的二期試驗以及最新一項三期試驗皆採用隨機雙盲試驗，這些研究主要透過臨床醫師管理的 PTSD 量表 (Clinician Administered PTSD Scale, CAPS) 測量療程前後患者的 PTSD 症狀，這些試驗也追蹤了療程中的不良事件，結果顯示相較於安慰劑組，MDMA 組在結束療程後的 CAPS 評分顯著降低，而且 MDMA 不會誘發濫用、心血管風險及自殺傾向等重大安全問題，與目前的合法藥物相比，MDMA 輔助療法更為有效且安全， MDMA 也已經被列為 PTSD 的突破性治療藥物。關鍵詞：創傷後壓力症候群 (posttraumatic stress disorder)、亞甲雙氧甲基苯丙胺 (MDMA)、心理治療 (psychotherapy)、突破性治療 (breakthrough therapy)、藥物治療 (pharmacotherapy)

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創傷後壓力症候群目前的治療困境創傷後壓力症候群是一種人在遭遇創傷事件後會導致的心理疾病，特別容易發生在面臨死亡威脅的事件後，像是戰爭、虐待、霸凌、天然災害甚至是疫情等 (Norris & Slone, 2007)。PTSD 患者在面對或想起與創傷事件相關的人事物時會引起極大的不適，常見的反應有戰鬥或逃跑 (fight-or-flight)、事件的再體驗、迴避、做惡夢甚至會有自殺的念頭 (Breslau, 2001)。目前 PTSD 的治療手段是以認知行為療法及暴露療法為主，另外，有兩種選擇性血清素再攝取抑制劑被美國食品藥物管理局 (U.S. Food and Drug Administration, FDA) 批准用於治療 PTSD，分別是帕羅西汀 (paroxetine) 和舍曲林 (sertraline) (Asnis et al., 2004)，但實際上這兩種藥物的成效不佳，部分三期試驗的結果顯示沒有顯著的療效，而且有些試驗沒有追蹤後續的復發率，再加上使用 SSRIs 容易出現不良事件、在臨床試驗中退出率 (dropout rate) 高、需要長期每日服藥，萬一突然停藥還會造成嚴重的副作用 (Feduccia et al., 2019)，因此目前的治療還是以心理治療為主，但對嚴重 PTSD 或有其他合併者的患者來說，單純的心理治療依然無法使他們脫離 PTSD (Mitchell et al., 2021)。 MDMA 運用在心理治療上的歷史

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MDMA 全名亞甲雙氧甲基苯丙胺 (3,4-methylenedioxymethamphetamine)，是搖頭丸中的主要成分。1960 年代，許多學者認為迷幻藥的藥理作用能夠幫助心理治療的進行並開始了相關的研究 (Passie, 2018)。1970 年代，心理學家發現 MDMA 的藥效能夠使人更願意與別人交流、強化情緒以及增加記憶力與洞察力，因此有許多地下的心理治療師開始將 MDMA 用於心理治療，但這些治療都僅僅是個案和臨床觀察，沒有嚴謹的臨床研究來證明 MDMA 確實存在療效 (Passie, 2018)。接著在 1980 年代，由於 MDMA 被用作娛樂性藥物而影響社會治安，美國緝毒局 (Drug Enforcement Administration, DEA) 將 MDMA 列為一級管制藥品，使其無法繼續用於臨床治療，相關的科學研究也變得難以進行 (Siegel, 1986)。迷幻藥多學科研究協會 (Multidisciplinary Association for Psychedelic Studies, MAPS) 在 1986 年開始研究小劑量的 MDMA 能否用於治療 PTSD 的患者 (Mithoefer et al., 2019)，在一期研究確認了 MDMA 的毒性及安全劑量後，2004 年到 2017 年間有六項 MDMA 輔助療法治療 PTSD 的二期臨床試驗被完成，結果顯示大量接受有效劑量療程的 PTSD 受試者症狀顯著減輕 (Mithoefer et al., 2019)，由於二期試驗的成功，FDA 在 2016 年允許第三階段臨床試驗，並在 2017 年將 MDMA 列為 PTSD 的突破性治療藥物 (Mitchell et al., 2021)。 MDMA 在治療中達到的效果那麼實際上 MDMA 在藥理學上發揮了什麼作用呢? MDMA 又被稱作血清素-去甲基腎上腺素-多巴胺再攝取抑制劑，它能夠透過和神經末梢的血清素轉運蛋白結合，抑制血清素在突觸前的再攝取，導致釋放出的血清素增加 (Gregorio et al., 2021)，但與 SSRIs 不同，MDMA 同時還會作用在去甲基腎上腺素及多巴胺的轉運蛋白上，同樣抑制兩者的再攝取，MDMA 也會刺劑催產素及皮質醇等激素的釋放，其他信號分子像是腦源性神經營養因子 (brain-derived neurotrophic factor, BDNF) 的含量也會因此增加 (Feduccia & Mithoefer, 2018)。這些因 MDMA 而增加的化合物加強了患者的記憶、學習以及恐懼消退能力 (Feduccia & Mithoefer, 2018)。血清素被認為能夠有效幫助患者喚醒恐懼的記憶，使治療師能在安全的狀況下改變恐懼記憶，血清素同時還能促進多巴胺和催產素的釋放。多巴胺能夠加強患者正面的情緒，它還能增加患者接受治療時的注意力。去甲基腎上腺素能夠幫助喚起情緒、增強學習和記憶能力、促進恐懼消退的學習。催產素能夠幫助患者與治療師的溝通，增強信任感及自我同情心，催產素同時也抑制杏仁核的活動，讓患者的反應不那麼激烈。皮質醇能夠幫助喚起情緒，以及調節學習與記憶力。BDNF 則

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能夠增強學習及記憶能力，並調節突觸可塑性以幫助記憶的再鞏固 (Feduccia & Mithoefer, 2018)。 MDMA 輔助心理治療的流程根據 Mitchell et al. (2021)，標準的療程會進行 18 週，其中包括三次 8 小時的 MDMA 輔助治療，每次間隔約四週，在心理治療開始前治療師會依照病患狀況給予 80-120 mg 不等的 MDMA，再視患者的狀況決定過程中是否給予補充劑量，給予補充劑量前治療師會測量患者的血壓、體溫及心率。接著心理治療師會進行以創傷為中心的心理治療，包括常見的認知行為療法及暴露療法。每次治療結束後每隔一週會有一次 90 分鐘會面，會面時治療師會協助患者理解並整合他們的體驗，在進行臨床試驗時，研究員也會在這時候以 CAPS 和其他量表評估患者的心理狀況。 MDMA 輔助療法的有效性過去的六項二期試驗有三項在美國進行，其餘三項則是在加拿大、瑞士以及以色列，參與者患有慢性 PTSD，且症狀持續時間超過六個月，每項試驗皆隨機分成兩組，一組接受活性劑量 (75 mg, 100 mg, or 125 mg) 的 MDMA 輔助療法，另一組則是安慰劑或是非活性劑量的 MDMA (25-40 mg)，研究主要透過 CAPS-4 來評估療程前後的 PTSD 症狀，其中四項試驗透過貝克憂鬱量表第二版 (Beck's Depression Inventory II, BDI-2) 作為次要結果 (Mithoefer et al., 2019)。Mithoefer 等人統計了六項二期試驗的結果，結果顯示與對照組相比，活性 MDMA 組的估計平均值下降幅度更大，組間的效應值 (Cohen's d effect size) 為 8，代表 MDMA 的治療效果很大。最新的一份三期試驗採隨機、雙盲、以安慰劑組為對照的方式進行，該試驗的 90 位參與者皆患有嚴重 PTSD 且曾經接受過治療但症狀沒有改善，參與者們被隨機分配到 MDMA 或安慰劑的心理治療中，過程中會以 CAPS-5 評估 PTSD 症狀作為試驗的主要終點 (endpoint)，並以希恩殘疾量表 (Sheehan Disability Scale, SDS) 測量功能障礙當作試驗的次要終點，整個研究過程也會持續追蹤不良事件 (Mitchell et al., 2021) 。數據統計使用重複測量的混合模型 (Mixed Model

for Repeated

Measurements, MMRM) 來分析主要及次要療效，結果顯示與安慰劑組相比， MDMA 能夠顯著降低 CAPS-5 的評分，同時也顯著降低 SDS 總分，MDMA 組中 67 ％的參與者在療程結束後不再符合 PTSD 的標準，顯著高於安慰劑組的 32％，且 MDMA 組中有 33％的參與者症狀減輕，安慰劑組中僅有 5％達緩解標準 (Mitchell et al., 2021)。

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MDMA 輔助療法的安全性在二期試驗中，約有四成的參與者在第一次給藥後有焦慮、頭暈、疲勞、下巴緊咬、食慾不振和噁心的症狀，MDMA 組中其中幾樣的發現率較高，但大多數都被評為輕度或中度，且出現的頻率在七天內逐漸下降。二期試驗治療過程中有四例重大安全問題被記錄，包含自殺傾向及心律不整惡化，但治療期間中沒有出現自殺行為，同時心理治療中 MDMA 被濫用的可能性很低 (Mithoefer et al., 2019)。三期試驗中同樣有輕度到中度的不良事件，但在 MDMA 組中沒有觀察到自殺相關的不良事件，相反地，有三起嚴重的不良事件發生在安慰劑組，包括自殺相關行為及心血管疾病惡化。試驗結果顯示了治療過程給予的 MDMA 不會引起重大的安全問題，像是濫用、心血管風險或是自殺傾向，而且試驗過程中的退出率不高 (Mitchell et al., 2021)。整體來說，相較於目前合法的 SSRIs，MDMA 輔助的心理治療更為有效，且安全性更高 (Feduccia et al., 2019) 。 MDMA 輔助療法未來的可能發展首先，二期及三期試驗大部分都在歐美地區進行，儘管研究的參與者中也有不同人種，三期試驗也顯示不同種族的 CAPS-5 評分沒有顯著差異 (Mitchell et al., 2021)，但仍缺乏其他地區的人接受治療的研究，相同的療法對歐美以外的 PTSD 患者是否同樣有效仍是未知數。再來，MDMA 輔助療法二期試驗大部分的受試者是慢性 PTSD 患者，而三期試驗主要是針對有嚴重 PTSD 或有其他合併症的難治患者，這代表三期試驗所證明的有效性及安全性不見得同樣適用於一般 PTSD 患者，心理治療師可能採用一般的心理治療就足夠治療症狀較輕的患者。針對可能出現的不良事件，現存的問題是有些事件無法判斷是因誰而起的，是 MDMA 藥物本身，還是 MDMA 所增強的心理治療所導致的，這點無法有效證明。最後，關於 MDMA 輔助療法的持久性鮮少在研究中被特別提及，部分試驗有觀察到原本不再符合 PTSD 的參與者在之後病情復發，但並非所有試驗都有追蹤受試者的後續狀況，使 MDMA 輔助療法的效果是否持久這點仍然存疑。儘管仍存在一些問題待解決，但 MDMA 輔助治療已經在最新一項三期試驗中表現出有效性及安全性，同時此療法還被發現能夠減緩患者的進食障礙症狀 (Brewerton et al., 2022) 以及酒精和物質使用障礙 (Nicholas et al., 2022)。目前還有另一項 MDMA 輔助療法的三期試驗正在進行，如果一切進行順利，MDMA 輔助療法有望在 2023 年末正式被 FDA 批准為 PTSD 的合法治療手段。

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參考文獻： Breslau, N. 2001. The epidemiology of posttraumatic stress disorder: what is the extent of the problem? Journal of Clinical Psychiatry 61: 16-22. Brewerton, T. D., Wang, J. B., Lafrance, A., Pamplin, C., Mithoefer, M., YazarKlosinski, B., Emerson, A., & Doblin, R. 2022. MDMA-assisted therapy significantly reduces eating disorder symptoms in a randomized placebocontrolled trial of adults with severe PTSD. Journal of Psychiatric Research 149: 128-135. Feduccia, A. A., Jerome, L., Yazar-Klosinski, B., Emerson, A., Mithoefer, M. C., & Doblin, R. 2019. Breakthrough for trauma treatment: safety and efficacy of MDMA-assisted psychotherapy compared to paroxetine and sertraline.

Fsrontiers in Psychiatry 10: 650. Feduccia, A. A., ＆ Mithoefer, M. C. 2018. MDMA-assisted psychotherapy for PTSD: are memory reconsolidation and fear extinction underlying mechanisms?

Progress in Neuro-Psychopharmacology and Biological Psychiatry 84: 221-228. Gregorio, D. D., Aguilar-Valles, A., Preller, K. H., Heifets, B. D., Hibicke, M., Mitchell, J., ＆ Gobbi, G. 2021. Hallucinogens in mental health: preclinical and clinical studies on LSD, psilocybin, MDMA, and ketamine. Journal of

Neuroscience 41(5): 891-900. Mitchell, J. M., Bogenschutz, M., Lilienstein, A., Harrison, C., Kleiman, S., ParkerGuilbert, K., Ot'alora G. M., Garas, W., Paleos, C., Gorman, I., Nicholas, C., Mithoefer, M., Carlin, S., Poulter, B., Mithoefer, A., Quevedo, S., Wells, G., Klaire, S. S., Kolk, B., Tzarfaty, K., Amiaz, R., Worthy, R., Shannon, S., Woolley, J. D., Marta, C., Gelfand, Y., Hapke, E., Amar, S., Wallach, Y., Brown, R., Hamilton, S., Wang, J. B., Coker, A., Matthews, R., Boer, A., Yazar-Klosinski, B., Emerson, A., & Doblin, R. 2021. MDMA-assisted therapy for severe PTSD: a randomized, double-blind, placebo-controlled phase 3 study. Nature Medicine 27: 10251033. Mithoefer, M. C., Feduccia, A. A., Jerome, L., Mithoefer, A., Wagner, M., Walsh, Z., Hamilton, S., Yazar-Klosinski, B., Emerson, A., & Doblin, R. 2019. MDMAassisted psychotherapy for treatment of PTSD: study design and rationale for

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phase 3 trials based on pooled analysis of six phase 2 randomized controlled trials. Psychopharmacology 236: 2735-2745. Nicholas, C. R., Wang, J. B., Coker, A., Mitchell, J. M., Klaire, S. S., Yazar-Klosinski, B., Emerson, A., Brown, R. T., & Doblin, R. 2022. The effects of MDMA-assisted therapy on alcohol and substance use in a phase 3 trial for treatment of severe PTSD. Drug and Alcohol Dependence 233: 109356. Norris, F. H., & Slone, L. B. 2007. The epidemiology of trauma and PTSD. In M. J. Friedman, T. M. Keane, & P. A. Resick (Eds.), Handbook of PTSD: Science and

practice (pp. 78-98). Passie, T. 2018. The early use of MDMA (‘Ecstasy’) in psychotherapy (1977– 1985). Drug Science, Policy and Law 4. doi: 10.1177/2050324518767442. Siegel, R. K. 1986. MDMA: nonmedical use and intoxication. Journal of

Psychoactive Drugs 18(4): 349-354.

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處方類鴉片藥物使 CNCP 患者成癮的形成機制 The mechanism of prescription opioids addition to CNCP patients 蕭晴予 HSIAO, Ching-Yu 國立中山大學生物科學系 Department of Biological Sciences, National Sun Yat-Sen University 摘要鴉片藥物濫用危機 (Opioids Epidemic) 為目前美國最嚴重的公共衛生問題之一，此問題的起源始於 1980 年代，處方類鴉片藥物 (Prescription opioid drugs) 的開立對象逐漸轉移至慢性非癌症性患者(chronic non-cancer pain, CNCP)，雖然鴉片類藥物能使 CNCP 患者立即得到疼痛緩解，但隨著時間推進，鴉片類藥物上癮及使用過量而造成死亡的案例也逐年攀升。目前研究發現鴉片類受體主要分為三類: μ (mu) 受體、κ (kappa) 受體及δ (delta) 受體，三類受體對於鴉片類藥物的親和性及作用位置並不相同，其中 mu 受體 (mu-opioid receptors, MOR) 為負責所有鴉片類藥物的主要作用對象，我將透過回顧過往學者們的相關研究，進一步討論 MOR 如何作用在大腦疼痛感知區域 (pain perception region)、大腦獎勵路徑區域 (reward pathway region) 以及如何調節活化藥物與疼痛之間的學習關聯性 (learned association)，使 CNCP 患者上癮，並介紹目前於臨床上所使用的相關替代藥物、替代療法以及藥物使用法規。由於目前對於 CNCP 患者的疼痛治療仍不完善，總結以上深入了解鴉片類藥物在 CNCP 患者中的原理及作用機轉，希望能夠緩解目前過度開立處方類鴉片藥物的現況，同時研發出其他更有效的替代藥物解決患者使用鴉片類藥物過量的情形，幫助 CNCP 病患獲得更加合適的疼痛治療方式。關鍵詞字： prescription opioid drugs 、 CNCP (chronic non-cancer pain) 、 addiction、MOR (mu-opioid receptors)、GABA、VTA (ventral tegmental area)

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一、何謂處方類鴉片藥物鴉片 (Opioid) 是世界上發展最古老的藥物也是極易上癮的毒品之一，最早的紀錄是源自於西元 3400 年前的古埃及醫藥療法中，由罌粟花 (Poppy) 所提煉出，使用後會產生愉快感及減緩疼痛 (Wilkerson et al., 2016)。至 19 世紀開始，離析出鴉片的純活性成分：嗎啡 (morphine)，開始被獨立出來做為醫療用途，發展至 20 世紀出現合成類衍生物，如海洛因 (heroin)、氧可酮 (oxycodone)、芬太奴 (fentanyl) (Mikhaeil et al., 2020)，不論是天然提煉或是合成衍生的化合物，均統稱為鴉片類藥物 (Opioids)，作為有效止痛藥的同時，鴉片類藥物也非常容易使服用者上癮 (addiction)。二、處方類鴉片藥物和 CNCP 患者之間的關係 CNCP (chronic non-cancer pain) 為非癌症所引起的慢性疼痛疾病，由神經性疼痛 (neuropathic pain)、類風濕性關節炎 (rheumatoid arthritis)、下背痛 (lower back pain)、骨關節炎 (osteoarthritis)、纖維肌痛 (fibromyalgia) 所誘發，與急性疼痛相比，慢性疼痛的症狀會持續至少六個月且不斷或反覆出現，使患者在心理、生理、社交及經濟上產生重大影響 (Shipton et al., 2018)。目前大約有 30%的美國人患有急性或慢性疼痛，其中在中年人間患有慢性非癌症疼痛的比例更超過 40%，因為患者對於止痛需求的急迫性，醫生及藥局便開始針對 CNCP 患者開立鴉片類處方，根據美國疾 53

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病管制及預防中心 (CDC) 數據統計，2020 年間美國所開出的鴉片類處方 (Opioid Prescription) 竟高達 142,816,781 張 (Dowell et al., 2016)。三、處方類鴉片藥物危機的問題起源早期處方類鴉片類藥物只被允許使用於癌症及急性疼痛患者 (Jones et al., 2018)，直到 1986 年 Portenoy RK et al.研究指出：針對 38 位患有 CNCP 的患者中，只有 2 位在接受鴉片類藥物後有產生濫用的情況，指出處方類鴉片類藥物可以有效治療 CNCP，同時強調長期服用鴉片類藥物是沒有安全疑慮的，儘管此研究的證據不足以及沒有安全性的科學背景作證，仍造成鴉片類藥物治療對象的轉移，使美國各地醫院及藥局濫開處方的狀況開始出現，隨後美國在 1995 年提出將疼痛納為人體第五大生命體徵，要求醫生必須提供 CNCP 患者足夠的疼痛控制 (Merboth, M. K., 2000) ，因此導致鴉片類藥物過度依賴及成癮的案例在 CNCP 患者中也迅速飆升，演變成為美國當今最嚴重的公共衛生問題之一 (Dowell et al., 2016) 。四、目前研究的問題方向一般而言處方類鴉片藥物並不會是 CNCP 患者治療的第一選擇，只有當非鴉片藥物治療均失敗後才會使用 (Edlund et al., 2014)。儘管研究指出鴉片類藥物可以短期減緩 CNCP 患者的疼痛感，但相關的治療時期長度及成癮劑量至今為止仍沒有確切的研究 (Degenhardt et al., 2021)，毫無疑問地當 CNCP 患者開始長期使用會增加相關性傷害及其他副作用，如患者逐漸增加藥物劑量時，極容易對藥物產生依賴進而導致上癮及藥物使用過量死亡 (overdose death)，究竟鴉片類藥物是如何使人體產生上癮現象呢？五、鴉片類藥物對於 CNCP 患者的成癮機制 (一) 鴉片類受體分類鴉片類受體 (opioid receptors) 為 G-protein coupled receptor (GPCRs) 以作為訊號傳遞，其主要分為三大類：μ (mu) 受體、κ (kappa) 受體及δ (delta) 受體，每一種受體負責的作用機轉並不完全一致 (Ream et al. 2011)，此針對μ (mu) 受體對於 CNCP 患者的作用機制進行討論。 (二) 影響藥物與受體結合之因素

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鴉片類藥物和 mu-opioid receptors 結合取決於親和性和選擇性 (Volkow et al., 2016)，有些鴉片類藥物會選擇和 kappa、delta opioid receptors 結合，影響鴉片類藥物的的止痛效果、藥效開始作用的速度以及藥效持續時間。 (三) 主要負責受體－μ (mu) 受體－影響大腦疼痛感知區域 μ (mu) 受體 (mu-opioid receptors ; MOR) 是負責所有鴉片類藥物的主要作用對象，產生的作用有陣痛、呼吸抑制、欣快感及抑制腸胃蠕動等 (Valentino et al., 2018)，鴉片類藥物和 MOR 結合以達到發揮鎮定疼痛的效果，而鴉片類藥物中的嗎啡成分為主要誘導受體反應的關鍵 (Al-Hasani et al., 2011)，MOR 密集分布於大腦負責調節及接收疼痛感知的區域 (pain perception region)，包含杏仁核(amygdala)、導水管周圍灰質 (periaqueductal gray) 、下視丘 (thalamus) 、前扣帶皮層區 (anterior cingulate cortex) 及島葉 (insula) (Volkow et al., 2016)。一般而言，當 CNCP 患者的疼痛部位持續向大腦傳遞疼痛訊號時，會釋放經傳遞物質(neurotransmitter) 並產生電脈衝 (electric pulses) 進行訊號傳導，但 MOR 的作用正好相反，當藥物與此區域的 MOR 結合時，會阻止電脈衝傳遞至神經細胞以抑制患者對於疼痛的感知，但同時抑制正腎上腺素 (noradrenaline) 的分泌，若藥物進入腦幹 (brain stem) 的藍斑核 (Locus Coeruleus) 會產生如便秘、呼吸抑制及血壓降低 (Al-Hasani et al., 2011)。 (四) 主要負責受體－μ (mu) 受體－影響大腦獎勵路徑區域另一方面 MOR 也密集分佈於負責產生愉悅感的獎勵路徑區域 (reward pathway region) ，包含腹側背蓋區 (ventral tegmental area ; VTA) 及伏隔核 (nucleus accumbens；NAC) (Volkow et al., 2016)。當藥物和 MOR 結合時會釋放阻斷鈣離子通道 (calcium channels) 的 Gβγ亞基 (Gβγ subunit)，最終抑制 GABA 的釋放，而 GABA 為抑制性傳遞物質，所以當 GABA 被抑制時，其無法阻止多巴胺(dopamine) 的神經訊號傳遞，間接使腹側背蓋區產生多巴胺並活化獎勵路徑，訊號由腹側背蓋區開始傳送至杏仁核及伏隔核，大腦便產生焦慮緩解、快樂、幸福的感覺 (Valentino et al., 2018)，此外伏隔核又被稱作是快樂中樞 (pleasure center)負責將動機轉換成行動表現出來，提供大腦必要的學習行為 (Ikemoto et al., 1999)，以上兩者現象解釋了為什麼鴉片類藥物可以同時產生止痛及愉悅的感覺。 (五) 鴉片類藥物調節活化學習關聯性

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除了直接活化以上兩個區域外，鴉片類藥物也同時調節了藥物生理及感知效應 (perceptual effects) 之間的學習關聯性 (learned association)，稱為巴夫洛夫條件反射 (Pavlovian conditioning)(Volkow et al., 2016)。當患者反覆接受鴉片類藥物時，會強化此學習關聯性，一聯想到藥物就可以產生疼痛減緩的感覺，開始長期使用後會產生對藥物的渴望，對於 CNCP 患者而言，因長期飽受疼痛的痛苦，導致即使只是輕度的疼痛感，就會誘發疼痛及藥物緩解之間的學習關聯 (Evans et al., 2016)，使其想要立即得到緩解效果而服用鴉片類藥物，當藥物快速被吸收進入大腦後，每一次服用相當於累積加快大腦獎賞路徑的速度，這種條件式的緩解衝動，往往使 CNCP 患者服用藥物的時間過早以及不正確的使用。隨著時間演進，人體會開始對藥物產生耐受性，並降低 MOR 的數量或使 MOR 反應度下降，產生焦慮及煩躁的感覺 (Przewlocki et al., 2004)，為了達到和以往相同的多巴胺釋放量及心理效應，患者所服用的劑量就越來越高，惡性循環的結果就導致 CNCP 患者對於鴉片類藥物產生依賴性及成癮，這也是鴉片最主要使 CNCP 患者長期服用無法戒除的主要原因之一。五、目前解決方式為了確保 CNCP 患者使用鴉片類藥物的安全性及有效性，科學家們進行了多個長期的藥物試驗，實驗顯示和安慰劑相比，鴉片類藥物確實能夠有效降低疼痛感，但前提必須是在非常嚴格控制劑量使用的情況下 (Voon et al., 2017)，因此目前美國當局設立了多項鴉片類藥物使用規範以及處方開立監測系統以確保藥物使用的正當性 (Jones et al., 2018)，同時各國也積極研發其他能夠達到緩解疼痛效果且副作用低不易上癮的替代藥物，如：納洛酮 (Naloxone) 及丁丙諾非 (Buprenorphine)，藉由和鴉片類藥物競爭結合位，與位於中樞神經的 MOR 結合但不活化，阻止其他鴉片類藥物和受體結合 (NIDA, 2022)，另一方面為了使 CNCP 患者減少使用鴉片類藥物的情況，現今的醫療開始採用非鴉片治療的方式，如運動療法 (Exercise therapy)、認知行為療法 (Cognitive Behavioral Therapy) 以及物理療法 (Physical therapy) 等等 (Jones et al., 2018)，藉由以上方式反轉藥物使用過量的現況。六、結論目前對於處方類鴉片在臨床上的使用對比於過去更加嚴謹，除了評估 CNCP 患者的疼痛狀況以外，也會將患者的心理狀態納入考量，Evans et al. (2016) 研究指出，多數容易對鴉片產生上癮的患者同時患有精神方面的疾病。因鴉片類藥物強效的止痛效果，使其在臨床上仍然無法被避免使用，但現今醫療及科學研究透過了解鴉片藥物之上癮

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機制，進而開發相關替代止痛藥物，以及其他的非鴉片類療法，讓 CNCP 病人能夠接受適量且適當的疼痛治療；另一方面為解決美國長期累積造成的鴉片藥物處方危機，各州政府也積極配合政府制訂出相關法案及建立資料庫以幫助科學家進行更深入的研究，希望透過以上方逐步穩定減少鴉片類處方的開立、緩解藥物使用過量的現況以及幫助病患獲得更好的疼痛治療方式。

參考文獻： Al-Hasani, R., & Bruchas, M. R. 2011. Molecular mechanisms of opioid receptordependent signaling and behavior. Anesthesiology 115(6): 1363–1381. Degenhardt, L., Hungerford, P., Nielsen, S., Bruno, R., Larance, B., Clare, P. J., Dobbins, T., Hall, W., Cohen, M., Blyth, F., Lintzeris, N., Farrell, M., & Campbell, G. 2021. Pharmaceutical Opioid Use Patterns and Indicators of extramedical use and harm in adults with chronic noncancer pain, 2012-2018. JAMA network

open 4(4): e213059. Dowell D, Haegerich TM, Chou R. 2016. CDC guideline for prescribing opioids for chronic pain — United States. The Journal of the American Medical

Association 315(15): 1624–1645. Edlund, M. J., Martin, B. C., Russo, J. E., DeVries, A., Braden, J. B., & Sullivan, M. D. 2014. The role of opioid prescription in incident opioid abuse and dependence among individuals with chronic noncancer pain: the role of opioid prescription. The Clinical journal of pain 30(7): 557–564. Furlan, A. D., Sandoval, J. A., Mailis-Gagnon, A., & Tunks, E. 2006. Opioids for chronic noncancer pain: a meta-analysis of effectiveness and side effects.

Canadian Medical Association Journal 174(11): 1589–1594. Groom, S., Blum, N. K., Conibear, A. E., Disney, A., Hill, R., Husbands, S. M., Li, Y., Toll, L., Kliewer, A., Schulz, S., Henderson, G., Kelly, E., & Bailey, C. P. 2020. A novel G protein-biased agonist at the μ opioid receptor induces substantial receptor desensitization through G protein-coupled receptor kinase. British

journal of pharmacology. doi: 10.1111/bph.15334. Jones, M. R., Viswanath, O., Peck, J., Kaye, A. D., Gill, J. S., & Simopoulos, T. T. 2018. A Brief History of the Opioid Epidemic and Strategies for Pain Medicine. Pain and Therapy 7(1): 13–21. 57

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Mikhaeil, J., Ayoo, K., Clarke, H., Wąsowicz, M., & Huang, A. 2020. Review of the Transitional Pain Service as a method of postoperative opioid weaning and a service aimed at minimizing the risk of chronic

post-surgical

pain.

Anaesthesiology intensive therapy 52(2): 148–153. Przewlocki R. 2004. Opioid abuse and brain gene expression. European journal

of pharmacology 500(1-3): 331–349. Shipton, E. A., Shipton, E. E., & Shipton, A. J. 2018. A review of the opioid epidemic: What do we do about It? Pain and Therapy 7(1): 23–36. Volkow, N. D., & McLellan, A. T. 2016. Opioid abuse in chronic pain-misconceptions and mitigation strategies. The New England journal of

medicine 374(13): 1253–1263. Volkow, N. D., & Blanco, C. 2021. The changing opioid crisis: development, challenges and opportunities. Molecular psychiatry 26(1): 218–233. Valentino, R. J., & Volkow, N. D. 2018. Untangling the complexity of opioid receptor function. Neuropsychopharmacology: official publication of the

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Neuropsychopharmacology 43(13):

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Wilkerson, R. G., Kim, H. K., Windsor, T. A., & Mareiniss, D. P. 2016. The opioid epidemic in the United States. Emergency medicine clinics of North America 34(2): e1–e23.

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抗憂鬱藥物氟伏沙明用於治療 COVID-19 的潛力與機制 The Potential and Mechanism of Fluvoxamine to Treat COVID-19 許諾 HSU, Nuo 國立中山大學生物科學系 Department of Biological Sciences, National Sun Yat-Sen University 摘要 Covid-19 疫情快速席捲全球，取得治療藥物的需求刻不容緩，老藥新用為非常有效益的嘗試方法。有研究指出患者在使用一些傳統用來對抗憂鬱症的藥物後，病況惡化機率下降，具有成為治療 Covid-19 藥物的潛力。經過更多的數據整理、觀察以及較大型的臨床試驗，目前對於特定抗憂鬱藥物例如氟伏沙明 (fluvoxamine) 對抗病情的效用與機制有更深入的了解。若持續投入更多時間精力研究、試驗，有望使這種容易取得且已使用多年的老藥成為對抗疫情的得力武器。關鍵詞： COVID-19 、 antidepressant drugs 、 repurposing drugs 、 Sigma-1 receptor、fluvoxamine

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自 2019 年以來，由新型嚴重急性呼吸系統綜合症冠狀病毒 2 (SARS-CoV-2) 所造成的疫情在全球肆虐，自大流行以來世界各地都積極投入疫苗與治療藥物的開發。在治療藥物的領域，針對以極快速度散播的疫情，為了減少從頭開發的巨量成本與可觀耗時，老藥新用 (Drug repurposing) 成為特別受到重視的方向，透過實驗現成藥物針對 SARS-CoV-2 療效，期望能找到合適的老藥並加以運用。在各式各樣藥物的試驗中，越來越多臨床數據顯示在早期使用特定抗憂鬱藥 (antidepressant) 能減少重症或死亡風險，其中選擇性血清素再攝取抑製劑 (selective serotonin reuptake inhibitors,SSRIs) 類型之藥物氟伏沙明 (fluvoxamine) 被認為最具有治療潛力。SSRIs 的作用為透過抑制細胞再吸收血清素，使得血清素在大腦神經細胞中的表現水平得到提升。主要用以治療憂鬱症，較小的副作用使得其成為治療相關疾病的首選，除了憂鬱症外 SSRIs 亦可用於焦慮症、恐慌症與創傷後壓力症候群等等。最早在 2020 年 11 月就有小型研究指出 fluvoxamine 對於防止病情惡化具有一定效果 (Lenze et al., 2020)，雖然因為研究規模不夠全面，缺乏具有療效的明確證據，此發表依舊引起各界關注。隨後便有更多團隊開始進行相關的研究，在 2021 年 2 月的文章中亦有提到經過觀察醫院病患數據，使用 SSRIs 的 COVID-19 住院患者插管或死亡風 60

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險會降低 (Hoertel et al., 2021)。在經過位於巴西的大型臨床測試，Reis et al. (2021) 指出對於早期確診的高風險病患使用 fluvoxamine (100 mg twice daily for 10 days) 後，病患的住院治療需求比起安慰劑對照組在統計上有顯著下降，代表此藥物對於預防 COVID-19 患者病況加重有所益處。此研究的試驗對象選用 18 歲以上的 COVID-19 患者，且至少帶有一項附加的高風險指標，包括糖尿病、各式心血管疾病、高血壓、肺氣腫或肺纖維化等肺部症狀、肥胖、腎功能缺失等等，除上述症狀外，高齡(>50 歲)與未接種疫苗同樣視作高風險指標。受試者的高風險因素、年齡、體重與性別分佈平均並隨機進行分組，分為安慰劑對照組、fluvoxamine 治療組與其他治療組。研究指出相對於其他被認為具有潛力但結果不如預期的候選藥物如伊維菌素 (Ivermectin) 、洛匹那韋 - 利托那韋 (Lopinavir/ritonavir) 等等，fluvoxamine 所展現的效果最為明顯。既使上述 Reis 等人進行的研究是目前已完成試驗中規模最為齊全的大型型臨床試驗，依舊有其他學者對於其提出的結論抱有疑慮，例如質疑沒有對受試者住院原因進行記錄，無法確認受試者是因為 COVID-19 相關症狀被醫院收治，或是點出依據藥物代謝動力學，藥物在體內達到穩定濃度所需時間並沒有被實驗妥善規劃 (Le Corre et al., 2022)。掌握藥物合適劑量與施用頻率、療程長度十分重要，而這些細節與藥物的作用機制息息相關。雖然 SSRIs 作為抗憂鬱藥物的相關機轉已經十分清楚並廣泛使用多年，但其對抗 SARS-CoV-2 的確切機制十分複雜且仍未完全明瞭，目前的相關研究把主要把目光放在 fluvoxamine 與 Sigma-1 receptor 以及跟酸性神經鞘磷脂酶 (Acid sphingomyelinase, ASM) 的互動上。 Sigma-1 receptor 為一種位於內質網的伴侶蛋白 (chaperone)，與內質網的訊號途徑息息相關，參與調節許多細胞功能，多種抗憂鬱藥和此蛋白具有交互作用。而從 Knockout Sigma-1 receptor 基因的實驗中證實，Sigma-1 receptor 也在 SARSCoV-2 的複製中起到關鍵作用。當細胞產生過多錯誤摺疊的蛋白並使其堆積於內質網中，將會產生內質網壓力 (ER stress)，並與細胞發炎反應如細胞激素風暴有所關連，而 SARS-CoV-2 的感染也會引起 ER stress。過往實驗得知並非所有的 SSRIs 均對 Sigma-1 receptor 有相同親和力，目前只有

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fluvoxamine 能有效在相對正常施用量下作為 Sigma-1 receptor 的活化劑 (agonists)，能提升此 chaperone 的活性，緩解 ER stress。從現有的資訊推測， fluvoxamine 具有超過其他抗憂鬱藥的表現，可能原因為其對於 Sigma-1 receptor 的親和力高於其他藥物。關於此機制有更多的雙盲試驗正在進行，旨在進一步確認 fluvoxamine 效益與適合施用量等等。而 Acid sphingomyelinase (ASM) 是一種醣蛋白，負責催化鞘磷脂 (Sphingomyelin) 轉化為神經酰胺 (Ceramide)，神經酰胺可以促進病毒進入細胞內，故 SARS-CoV-2 會活化 ASM 功能以利更多病毒進入上皮細胞進行感染。根據過往研究，許多抗憂鬱藥可抑制 ASM 之活性，但當下使用具有此特性之藥物的實驗數據並無顯著幫助病況減少惡化的現象。而除了上述蛋白，目前學者也推測 fluvoxamine 可能透過抑制細胞色素 P450 酵素 CYP1A2，能使褪黑激素 (Melatonin) 在體中的濃度上升，進一步調控發炎反應。根據目前試驗指出 fluvoxamine 為具有潛力的預防性藥物，有機會減少 COVID-19 患者病況的惡化，不過較適用於早期的病程，因此最好在感染後儘早將其用於患者。但也有部分文章指出不宜對現階段成果過於樂觀，試驗過程仍有待改進之處，且確切完整的作用機制目前仍未完全闡明，因此 fluvoxamine 或其他類似的抗憂鬱藥物，都還需要經過更多更加大規模且設計精良的臨床試驗，才能確認用於治療 COVID-19 的具體收益與安全性。參考文獻： Hashimoto, Y., Suzuki, T., & Hashimoto, K. 2022. Mechanisms of action of fluvoxamine for COVID-19: a historical review. Molecular psychiatry: 1–10. Le Corre, P., & Loas, G. 2022. Difficulty in Repurposing Selective Serotonin Reuptake Inhibitors and Other Antidepressants with Functional Inhibition of Acid Sphingomyelinase in COVID-19 Infection. Frontiers in pharmacology 13. Mahdi, M., Hermán, L., Réthelyi, J. M., & Bálint, B. L. 2022. Potential Role of the Antidepressants Fluoxetine and Fluvoxamine in the Treatment of COVID-19.

International journal of molecular sciences 23(7): 3812. Mueller, J. K., Riederer, P., & Müller, W. E. 2022. Neuropsychiatric Drugs Against COVID-19: What is the Clinical Evidence?. Pharmacopsychiatry 55(1): 7–15.

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Reis, G., Dos Santos Moreira-Silva, E. A., Silva, D., Thabane, L., Milagres, A. C., Ferreira, T. S., Dos Santos, C., de Souza Campos, V. H., Nogueira, A., de Almeida, A., Callegari, E. D., de Figueiredo Neto, A. D., Savassi, L., Simplicio, M., Ribeiro, L. B., Oliveira, R., Harari, O., Forrest, J. I., Ruton, H., Sprague, S., McKay, P., Glushchenko, A. V., Rayner, C. R., Lenze, E. J., Reiersen, A. M., Guyatt, G. H., Mills, E. J., & TOGETHER investigators. 2022. Effect of early treatment with fluvoxamine on risk of emergency care and hospitalisation among patients with COVID-19: the TOGETHER randomised, platform clinical trial. The Lancet. Global health 10(1): e42–e51.

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回顧各種抑制肌肉生長抑制素的方法對肌肉萎縮患者的治療成效 The Effectiveness of Various Methods of Inhibiting Myostatin in The Treatment of Patients with Muscular Dystrophy : A Review 陳嘉鴻 CHEN, Jia-Hong 國立中山大學生物科學系 Department of Biological Sciences, National Sun Yat-Sen University 摘要 Myostatin 是 TGF-β 家族成員之一，主要在骨骼肌中表達，且對肌肉量的負調節過程有一定的貢獻。Myostatin 在與 activin type IIB receptor (ActRIIB) 結合後，能啟動多種下游路徑，降低對肌肉生成較重要之基因的表現，因此 Myostatin 的訊息路徑是治療肌肉萎縮的重點研究對象。目前有許多成功抑制肌肉萎縮小鼠的 Myostatin 並取得一定療效的研究成果，但在人類肌肉萎縮的臨床實驗結果卻缺乏療效。目前，抑制 Myostatin 作為肌肉萎縮的療法似乎不太樂觀。關鍵詞： myostatin ( 肌肉生長抑制素 ) 、 activin receptors type IIB (ActRIIB) 、 myostatin inhibitor (肌肉生長抑制素抑制劑)、muscle wasting (肌肉萎縮)

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一、前言 Myostatin，又稱為 Growth/Differentiation factor-8 (GDF-8)，是 Tumor growth factor β (TGF-β) 家族的成員，於 1977 年首度被發現 (McPherron et al., 1997)。它的功能是作為肌肉生長的負調節器。該蛋白是一個同源二聚體，分子量為 25 kDa，C 端區域的單體之間有雙硫鍵。Myostatin 在血液中以非活化的形式存在，在它的 N 端有一個非共價結合的 propeptide。當 bone morphogenetic protein (BMP)-1 / Tolloid 家族的金屬蛋白酶對 propeptide 進行 Proteolytic cleavage 後，Myostatin 才會被活化。與野生型小鼠相比，缺乏 Myostatin 基因的小鼠的肌肉量足足是前者的兩倍左右 (Hamrick et al., 2006)。而在牛、羊、狗、人類的缺乏 Myostatin 基因的個體也能觀察到類似的情形 (Mosher et al., 2007)；同時，Myostatin 的表達增加會導致肌肉量減少。因此 Myostatin 的訊息路徑是治療肌肉萎縮的重點研究對象。二、目前已知的 Myostatin 的訊息路徑與其他 TGF-β 家族成員一樣，Myostatin 可透過 activin receptor 來傳遞訊息。活化的 Myostatin 會與 ActRIIB 結合，導致 ActRIIB 與 type I receptor : ALK4/ALK5 組裝在一起，並磷酸化 ALK4/ALK5 的 GS domain，接著該磷酸化區域便會磷酸化 Smad2/Smad3，使 Smad2/Smad3 與 Smad4 結合成一個異源二聚體，這個二聚體

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能進入細胞核中抑制肌肉細胞的基因轉錄 (Lee & McPherron, 2001)。除此之外， Myostatin 也可以活化 mitogen-activated protein kinases (MAPKs)，Myostatin 能透過 TGF-β activated kinase 1 (TAK-1)/MAPK kinase (MAPKK) 的級連反應，最後再磷酸化 p38 MAPK，使其進入細胞核抑制肌肉生長相關基因 (Philip et al., 2005)。值得注意的是，ActRIIB 除了能與 Myostatin 結合以外，也能與其他 TGF-β 家族成員如 activin A、BMP-2、BMP-7 和 GDF-11 進行結合並進行下游路徑 (Sako et al., 2010)。對上述 TGF-β 家族成員的抑制能使肌肉增生 ( Cadena et al., 2010 )。三、Myostatin 的抑制方法目前科學家們已經開發了多種 Myostatin 抑制劑用於研究，像是 modified follistatin 、 anti-myostatin adnectin 、 modified myostatin prodomain 、 neutralizing monoclonal antibody、ActRIIB antibody 和 ActRIIB-Fc (solute form of ActRIIB) (Masakazu et al., 2017)。此外，Myostatin 被證實可以活化 Smad7 的轉錄，而 Smad7 能夠抑制 Smad2/3 與 Smad4 的結合 (Forbes et al., 2006)。因此， Myostatin 的 Smad 路徑也受到負回饋的調節。四、最近的進展 (一) 小鼠實驗藉由抑制 Myostatin 來治療肌肉萎縮小鼠的研究如 Bogdanovich 等 (2008) 每周對γ肌聚糖缺陷的四肢肌肉萎縮小鼠進行腹腔注射 anti-myostatin monoclonal antibody (JA16)，雖然可見到肌肉量與顯著提升，但功能性卻沒有改善，肌肉纖維化的情形也不見好轉； Giesige 等 (2018) 利用腺病毒對顏面肩胛肱骨型肌肉失養症 (Facioscapulohumeral muscular dystrophy) 的小鼠進行基因治療，使其 Follistatin 的表現量提升，藉此抑制 Myostatin。經治療後，能觀察到肌肉量顯著提升，但功能性同樣沒有改善。其他藉由抑制 Myostatin 來治療肌肉萎縮小鼠的研究雖然大部分都有不同程度的治療效果，但結果大都不盡人意；而使用 sActRIIB 來治療肌肉萎縮小鼠的研究如 Zhou 等 (2010) 則取得相對成功的成果。他們對 C-26 腫瘤小鼠進行腹腔注射，最後逆轉了小鼠在 cancer cachexia 期間的肌肉消耗並延長其壽命。在該研究中，sActRIIB 充當一個誘餌 receptor 的角色，使 Myostatin 以及其它 TGF-β 家族成員和它結合，使本該進行的肌肉萎縮訊息傳遞無法進行。

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(二) 人體實驗在人體實驗的方面，Craig 等 (2016) 在抑制肌肉萎縮症患者的 Myostatin 表現後，發現他們的運動表現與未給予 Myostatin 抑制劑的患者無顯著差異。其他抑制 Myostatin 肌肉萎縮症患者的研究也都沒有得到令人滿意的結果，頂多只有肌肉量極少量的提升(<5%)，且無任何功能性的改善。而對健康人類受試者使用 Myostatin 抑制劑卻能觀察到肌肉量的增加 (Nielsen et al., 2021)。五、困境從最近的進展能夠觀察到：在小鼠模型中能起作用的療程對人類卻不管用，這可能是因為小鼠體內的 Myostatin circulating levels 較高 (Wagner, 2020) 。而抑制 Myostatin 對健康受試者與肌肉萎縮症患者的結果差異，也顯示健康受試者的 Myostatin 訊號傳遞情形並不能拿來預測肌肉萎縮症患者的 Myostatin 訊號傳遞情形。六、可能的解決方法與未來方向我們應該選擇其他適合的模式動物來進行研究，該動物體內的 Myostatin circulating levels 應該要與人類相當，但目前並沒有太多除了小鼠以外的研究數據。因此，抑制肌肉生長抑制素以治療肌肉萎縮這件事就目前看來，還有很長一段路要走。參考文獻： Bogdanovich, S., McNally, E.S., & Khurana, T.S. 2008. Myostatin blockade improves function but not histopathology in a murine model of limb-girdl muscular dystrophy 2C. Muscle Nerve 37: 308–316. Cadena, S.M., Tomkinson, K.N., Monnell, T.E., Spaits, M.S., Kumar, R., Underwood, K.W., Pearsall, R.S., & Lachey, J.L. 2010. Administration of a soluble activin type IIB receptor promotes skeletal muscle growth independent of fiber type. Journal of Applied Physiology 109(3): 635–642. Campbell, C., McMillan, H.J., Mah, J.K., Tarnopolsky, M., Selby, K., McClure, T., Wilson, D.M., Sherman, M.L., Escolar, D., & Attie, K.M. 2016. Myostatin inhibitor ACE-031 treatment of ambulatory boys with Duchenne muscular dystrophy: Results of a randomized, placebo-controlled clinical trial. Muscle & Nerve 55(4): 458-464.

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Forbes, D., Jackman, M., Bishop, A., Thomas, M., Kambadur, R., & Sharma, M. 2006. Myostatin auto-regulates its expression by feedbackloop through Smad7 dependent mechanism. Journal of Cellular Physiology 206: 264–72. Giesige, C.R., Wallace, L.M., Heller, K.N., Eidahl, J.O., Saad, N.Y., Fowler, A.M., Pyne, N.K., Kharsan, M.A., Rashnonejad, A., Chermahini, G.A., Domire, J.S., Mukweyi, D., Garwick-Coppens, S.E., Guckes, S.M., McLaughlin, K.J., Meyer, K., Rodino-Klapac, L.R., & Harper, S.Q. 2018. AAV-mediated follistatin gene therapy improves functional outcomes in the TIC-DUX4 mouse model of FSHD.

JCI Insight 3(22): e123538. Hamrick, M.W., Pennington, C., Webb, C.N., & Isales, C.M. 2006. Resistance tobody fat gain in ‘double-muscled’mice fed a high-fat diet. International

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2022 年 5 月 14-15 日

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21037–21048. Wagner, K.R., Wong, B.L., Byrne, B.J., Tian, C., Jacobsen, L.K., Tirucherai, G.S., Kletzl, M.R.H., Dukart, J., Ong, R., Yen, K., Sajeev, G., Signorovitch, J., Ward, S.J., Bechtold, C., & Krishnan, M., 2019. A phase 1b/2 study of the antimyostatin adnectin RG6206 (BMS-986089) in ambulatory boys with Duchenne muscular dystrophy: a 72-week treatment update. Neurology 92(15): 16-62. Zhou, X., Wang, J.L., Lu, J., Song, Y., Kwak, K. S., Jiao, Q., Rosenfeld, R., Chen, Q., Boone, T., Simonet, W.S., Lacey, D.L., Goldberg, & A.L., Han, H.Q. 2010. Reversal of Cancer Cachexia and Muscle Wasting by ActRIIB Antagonism Leads to Prolonged Survival. Cell 142(4): 531–543.

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比較不同治療方式對雄性禿的治療成效 Comparing The Therapeutic Effect of Different Treatments to Androgenetic Alopecia 劉尙青 LIU, Shang-Ching 國立中山大學生物科學系 Department of Biological Sciences, National Sun Yat-Sen University 摘要「髮型是人的第二張臉」，這句話凸顯出頭髮對於人的外貌有非常大的影響。但有時因為基因、壓力等因素影響，導致大量頭髮過早且進入休止期而脫落，形成脫髮現象。目前杜他雄胺 (Dutasteride) 及非那雄胺 (Finasteride) 為治療此一情況之主要內服藥物，主要外用藥物則為米諾地爾 (Minoxidil)。在內服藥物方面，多數對杜他雄胺 (Dutasteride) 及非那雄胺 (Finasteride) 的比較實驗皆顯示前者的療效更加，但同時副作用也較強。關鍵詞：5α-reductase (5α-還原酶)、Minoxidil (米諾地爾)、Dutasteride (杜他雄胺)、Finasteride (非那雄胺)、Androgenetic Alopecia (雄性禿)、Rosemary Oil (迷迭香精油)

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一、頭髮功能及生長週期頭髮的存在對人們非常重要。由於頭顱為神經中樞之所在，故頭髮可以為頭部提供保暖作用。另外，頭髮的數量與狀態也代表著一個人的身體情況：當一個人擁有茂密且健康的頭髮時，代表他的營養充足，因而有餘裕生長大量副組織。同時，頭髮對於異性間的吸引力也非常重要。成年人的頭髮數量約為九至十五萬根左右，而這數以萬計的頭髮中，分別處於生長期、衰退期及休止期。 (一)生長期 (growth phase)：90%的頭髮處於此階段，期間頭髮持續生長，持續三至七年不等。 (二)衰退期 (involution phase)：約 1%正處於此階段，毛囊不在進行細胞分裂，細胞逐漸凋亡並逐漸往頭皮表面上移，此時期持續約兩個星期至一個月 (三)休止期 (resting phase)：9%頭髮已完全停止生長，隨時可能掉落，同時毛囊準備生長新頭髮，此階段約兩個月。然而由於基因或外在環境的影響 (如飲食、作息、壓力)，頭髮會因此提早進入衰退期及休止期。其中基因影響為最主要的掉髮原因，這樣的遺傳性掉髮稱為雄性禿 (Androgenetic Alopecia)。

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二、雄性禿的落髮原因及治療藥物頭髮的脫落主要源於雄性賀爾蒙產物對毛囊的攻擊。睪固酮 (Testosterone) 會因 5α還原酶的作用而代謝成二氫睪固酮 (Dihydroxytestosterone, DHT)，DHT 在會在與毛囊乳突上的雄性激素受器結合，影響角蛋白合成，進而使頭髮進入衰退期及休止期，毛髮也隨之掉落。而男性的睪固酮水平多高於女性，因此此現象更加容易發生，也更為明顯。目前衛福部核准上市的落髮治療藥物有三種，外用藥物為米諾地爾 (Minoxidil)，便是常聽到的落健。而內服藥物則為杜他雄胺 (Dutasteride) 及非那雄胺 (Finasteride) 兩種。米諾地爾 (Minoxidil) 原為治療高血壓用的內服藥，歸類為鉀離子通道開放劑，可擴張血管，非預期的毛髮生長原為副作用，後來才將米諾地爾改為外用並用於促進生長毛髮。米諾地爾可縮短頭髮的休止期及延長生長期，雖然具體的生髮機制尚無明確定論，但最普遍被接受的推論為擴張末梢血管後增加攜帶養分至毛囊的流量。後面兩種內服藥的機制皆是透過抑制 5α-還原酶的活性，使其無法跟睪固酮作用，因而降低 DHT 的濃度。

三、不同藥物的療效比較研究 Olsen, et al.(2006) 的研究比較了 Dutasteride 及 Finasteride 及安慰劑用於治療雄性禿之效益。經過半年觀察發現，Dutasteride 在施藥三個月及六個月的兩次結果觀察中，其髮量增生數量均顯著優於 Finasteride，其使用劑量甚至只有後者的一半 (分別為 2.5mg 及 5.0mg)。Dutasteride 及 Finasteride 的療效差異在 Harcha, et al. (2014) 的跨國雙盲實驗中亦取得相同結論。以上兩實驗最常見得副作用為性慾的改變 (多為降低)，但為觀察到性功能不良反應。 Amory et al. (2010) 的雙盲實驗研究了 5.0mg Finasteride、0.5mg Dutasteride 及安慰劑對人體 DHT 的濃度改變及對精子生成之影響。在用藥 26 週後，和服藥前測定的竹進行比較：DHT 的濃度下降比例在 Finasteride 組為-70.3%，在 Dutasteride 組則是-93.8%。此項目在 52 週後再次測定，與 26 週時之數值幾乎沒有差異。在停藥後，兩組的 DHT 濃度皆回升至用藥前水平，不過 Finasteride 組的回升速度明顯較 Dutasteride 組來得快。

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四、兩種內服藥物的副作用精蟲數方面，在療程約 24 週時，Finasteride 組和 Dutasteride 組分別為-34.3%及28.6%，皆顯著低於安慰劑組。停藥過後的精蟲數回升速度上，Finasteride 組也明顯較 Dutasteride 組快，和服藥前精蟲數相比，前者數量為-6.2%，後者則是-23.3%。從上述來看，兩種藥物造成 DHT 的濃度及精蟲數減少皆可在停藥後恢復，而 Finasteride 組較快的恢復速度則可能與其較短的半衰期(約 6 小時，Dutasteride 為 4 週)有關。

五、迷迭香對雄性禿的治療另外，迷迭香(Rosmarinus officinalis L.) 的精油也被證實能在禿髮治療上有所貢獻。 Panahi et al. (2015) 以迷迭香精油與 Minoxidil 2%對雄性禿患者進行治療，並在治療後 6 個月後檢視成效，發現兩種治療方式皆使頭髮數量顯著增加。團隊認為應該是迷迭香對平滑肌有舒張效果，可能使頭皮血管舒張，增加毛髮的養分供應。

參考文獻： Panahi, Y., Taghizadeh, M., Marzony, E. T., & Sahebkar, A. 2015. Rosemary Oil vs Minoxidil 2% for the Treatment of Androgenetic Alopecia: A Randomized Comparative Trial. SKINmed 13: 15-21. Sagorchev, P., Lukanov, J., & Beer, A. M. 2010. Investigations into the specific effects of rosemary oil at the receptor level. Phytomedicine 17(8-9): 693-7. Gubelin Harcha, W., Barboza Martínez, J., Tsai, T.-F., Katsuoka, K., Kawashima, M., Tsuboi, R., & Chetty, D. 2014. A randomized, active- and placebo-controlled study of the efficacy and safety of different doses of dutasteride versus placebo and finasteride in the treatment of male subjects with androgenetic alopecia.

Journal of the American Academy of Dermatology 70(3): 489–498. Sagorchev, P., Lukanov, J., & Beer, AM. 2010. Investigations into the specific effects of rosemary oil at the receptor level. Phytomedicine 17: 693–697. Olsen EA, Hordinsky M, Whiting D, Stough D, Hobbs S, Ellis ML, Wilson T, Rittmaster RS; Dutasteride Alopecia Research Team. 2006. The importance of dual 5alpha-reductase inhibition in the treatment of male pattern hair loss: results of a randomized placebo-controlled study of dutasteride versus 73

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finasteride. J Am Acad Dermatol. 55(6): 1014-23.

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探討不同藍綠菌狀態轉換模型是否成立 Exploring Whether Hypothesises of Cyanobacterial State Transitions Models is Valid 蔣育浩 CHIANG, Yu-Hao 國立中山大學生物科學系 Department of Biological Sciences, National Sun Yat-Sen University 摘要光合生物生存的環境可能會面臨不穩定的光強度及亮度，這些不穩定光會使兩個光系統之間的能量不平衡，導致自身的損害。因此光合生物便開發出一種平衡兩個光系統之間能量的機制：能量轉換。植物和綠藻中的狀態轉換是由 LHCII 來重新分配能量，但在藍綠菌中並不存在 LHCII，因此是由 PBS 來達到重新分配能量的效果。目前普遍有四種關於藍綠菌狀態轉換的模型，一、PBS 移動模型; 二、PBS 脫離模型; 三、外溢模型; 四、PSII 淬滅模型。目前還沒有關鍵性證據可以指出有關於藍綠菌的狀態轉換模式是屬於其中哪一個模型，再加上狀態轉換並非只與接收陽光有關，後續的 PQ 池的氧化還原也會影響藍綠菌的狀態轉換，因此真正的狀態轉換模型可能會是一個混合模型。關鍵詞：state transitions、phycobilisome、cyanobacteria、photoprotection、 photosynthesis

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一、前言光線對於光合作用的過程非常重要，有葉綠體的生物可以將光能轉化成化學能再傳遞給其他生物使用。但是光線並非是越多越好，在某些情況下光線反而會對生物造成損害，光合生物因此也發展出許多避免光造成自身損害的機制，如：非光化學焠滅 (non-photochemical quenching, NPQ)、狀態轉換 (state transitions) 等等，其中狀態轉換是本篇文章想探討的主題。二、狀態轉換的發現狀態轉換最早於 1969 年由村田紀夫、 Bonaventura 和 Myers 同時提出，村田紀夫長期研究 Porphyridium cruentim 的螢光特性，當時發現，在藻類中構成 PSII 週邊天線的藻紅蛋白 (phycoerythrin) 被選擇性激發時，主要來自 PSI 天線在遠紅光波長區域所產生的葉綠素 a 螢光同時增加。Celia Bonaventura 和 Jack Meyers 則是在

Chlorella pyrenoidosa 中發現到經由從 PSII 到 PSI 的能量再分配後，導致 PSII 氧化增加，氧氣釋放速率增加，造成主要來自 PSII 天線紅光波長區域的葉綠素螢光的產量降低。從上述兩組實驗中可以得知，伴隨著狀態轉換的發生，會出現 PSI 和 PSII 之間螢光強度差異的現象，這是因為 PSI 和 PSII 會被不同波長的光優先激發所導致，PSI 和 PSII 的特異性照明會在電子傳遞鏈中產生不平衡，使質體醌 (plastoquinone, PQ)

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池更氧化或更還原，這種效應可以透過狀態轉換重新平衡。每個狀態的螢光特性不同，即在狀態一中，PSII 與 PSI 的螢光比值較高，而在狀態二中，該比值較低。三、藍綠菌中的狀態轉換模型在過去的幾十年中，狀態轉變在植物和綠藻中進行了相當多的研究。在這些生物體中，PSI 和 PSII 螢光的差異與光能捕獲複合體二 (light-harvesting complex II, LHCII) 的部分遷移有關，LHCII 是主要的 PSII 天線。但是在藍綠菌中不含 LHCII，PSII 天線是一個巨大的膜外在複合物藻膽體 (phycobilisome, PBS) 所取代。在藍綠菌中，就像在植物和綠藻中一樣，狀態轉變是由 PQ 池中的氧化還原變化觸發的。然而，目前狀態轉換的分子機制尚未了解，目前主要有四種模型: 一、PBS 移動模型; 二、PBS 脫離模型; 三、外溢模型; 四、PSII 淬滅模型。 PBS 移動模型是指在狀態轉換過程中，一些 PBS 從一個光系統移動到另一個光系統，從而改變兩個光系統的天線尺寸。在狀態一中與 PSII 相連 (高 PSII 螢光)，在狀態二中與 PSI 相連 (高 PSI 螢光)。在這個模型中，當細胞處在狀態二時，量測到的低 PSII 螢光與較小的天線尺寸有關，因為多數的 PBS 連接到 PSI。在狀態一時由於 PBS 從 PSI 移動到 PSII，因此高 PSII 螢光反應出了 PSII 天線尺寸變大的結果。PBS 移動模型主要受到的挑戰是在於 PBS、PSI 以及 PSII 三者形成的複合體穩定性，這三者形成的複合體是相當穩定，不會隨著光照而有變化，因此透過 PBS 的移動來達到誘發狀態轉換的可能性較小。後續的研究為了解決 PBS 可能無法進行長距離的移動，因此提出了 PBS 脫離模型。 Kaňa 等人在 2012 年研究了不同藍綠藻菌株中的葉綠素螢光誘導曲線和光譜分辨螢光誘導 (spectrally resolved fluorescence induction, SRFI)，並提出從狀態一到狀態二的過程與 PBS 脫離 PSII 有關。Ranjbar Choubeh 等人通過測量短時間螢光，證明 PBS 螢光在狀態一的持續時間高於狀態二，這個現象與一小部分分離的 PBS 相關。但在 Synechocystis 中，PBS 脫離估計約佔 PBS 總數的 13%，這也再次質疑這種光收集複合物在藍綠菌狀態轉換中的地位。這兩個模型伴隨著 PBS 在膜上的移動，透過光褪色後螢光回復法 (Fluorescence recovery after photobleaching, FRAP) 證實 PBS 可以沿著類囊膜移動，類似於 LHCII 在植物和綠藻狀態轉變中的作用，但目前尚不清楚 PBS 如何參與這一過程，這種 PBS 在膜上移動的模型存在著問題是 PBS 螢光的恢復並非是 PBS 擴散所導致，而是這種大分子的內部過程所導致的，因此 PBS 在藍綠菌狀態轉變中的作用仍有討論空間。與針對 PBS 移動所誘發狀態轉換的模型相比，也有部分學者提出了是膜參與了狀態轉

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換的過程，膜參與藍藻狀態過渡是由 Bruce 等人在藍藻 Anacystis nidulans 中首次提出的。El-Bissati 等人提出了支持膜上的複合物運動參與或這些複合物的低聚態變化的進一步證據，他們證明這個過程受到膜的流動性變化所產生影響。外溢模型最早於 1997 年被提出。外溢模型：一個或兩個光系統的移動會引起溢出的變化。狀態二中的外溢 (從 PSII 到 PSI 的能量轉移大於狀態一)。雖然能量外溢長期受到學者的研究，但是沒有明確的結果證實這種現象參與藍綠菌的狀態轉換。支持外溢模型的一個關鍵證據是在狀態二到狀態一，兩個光系統分開時，PSI 螢光在 77 K 螢光的降低，同時在相同條件下 PSII 螢光的增加。然而，大多數關於溢出的研究沒有顯示這一結果。 Ranjbar Choubeh 等人於 2018 年提出，PSII 螢光的降低與狀態二中的可逆 PSII 淬滅有關，這種淬滅被認為是在 PSII 上進行，並且與 PBS 中發生的藍綠菌 NPQ 機制無關。值得注意的是，較高程度的 PSII 淬滅應導致狀態二的額外熱量釋放。但是在光聲研究中並未顯示狀態一和狀態二的所散發出的熱量差異。四、結論儘管對藍綠菌狀態轉變進行了大量研究，但這過程背後的機制尚未完全揭露。雖然已經證明 PBS 可以在類囊體表面移動，但沒有直接證據顯示出這個現象在狀態轉換中具有作用。相比之下，膜似乎與藍綠菌狀態轉換的扮演重要的部分，在狀態一和狀態二中觀察到的不同膜拓撲，有利於或阻礙從 PSII 到 PSI 的直接能量傳遞，支持狀態轉換期間外溢的變化。然而測量快速 (ps 到 ms) 螢光衰變的研究結果顯示，外溢的變化不涉及狀態轉換。也因此四種模型中，淬滅模型可能較接近真實的藍綠菌狀態轉換形式。參考文獻： Calzadilla, P. I., & Kirilovsky, D. 2020. Revisiting cyanobacterial state transitions.

Photochemical & Photobiological Sciences 19(5): 585-603. Minagawa,

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transitions—the

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Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-Bioenergetics 1807(8): 897-905. Murata, N. 1969. Control of excitation transfer in photosynthesis I. Light-induced change of chlorophyll a fluoresence in Porphyridium cruentum. Biochimica et

Biophysica Acta (BBA)-Bioenergetics 172(2): 242-251.

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Bonaventura, C., & Myers, J. 1969. Fluorescence and oxygen evolution from

Chlorella pyrenoidosa. Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-Bioenergetics 189(3): 366-383. McConnell, M. D., Koop, R., Vasil'ev, S., & Bruce, D. 2002. Regulation of the distribution of chlorophyll and phycobilin-absorbed excitation energy in cyanobacteria. A structure-based model for the light state transition. Plant

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induced optoacoustic study. Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-Bioenergetics 1060(3): 315-318.

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RNA 編輯的功能及機制與其應用 Functions and Mechenisms of RNA-Editing and Its Applications 高瑞鴻 KAO, Jui-Hung 國立中山大學生物科學系 Department of Biological Sciences, National Sun Yat-Sen University 摘要: RNA 編輯是一種被很早就被科學家在單細胞原蟲體內觀察到將非原 DNA 編碼的尿嘧啶(U) 插入轉錄後的 RNA 中的現象，也就是在進行轉錄後再進行修飾，而使其和原 DNA 序列無法對上，後被命名為 RNA 編輯。而 RNA 編輯常見的可以分為兩種不同類型，一種是將腺苷 (A) 置換成肌苷 (I) 也就是 A-to-I 編輯 (A-to-I editing)，此種編輯是由 ADAR 蛋白所引起的。另一種編輯是將胞苷 (C) 置換為尿苷 (U) 也就是 C-to-U 編輯 (C-to-U editing)，此種編輯是由 APOBEC 蛋白所產生。而雖然目前對 RNA 編輯的生物學意義還有大部分皆是未知的，但是目前已經有一些可能性被提出。最近也隨著對 RNA 編輯的研究更加深入，有更多 RNA 編輯可應用的領域也跟著被提出。關鍵詞：RNA editing、 ADAR、 A-to-I RNA editing、 U-to-C RNA editing、 CasADAR

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RNA 編輯最早的起源可以追溯到 Benne et al. (1986) 在錐蟲的粒線體中發現在基因轉錄本中帶有 4 個並非是從其自身的 DNA 轉錄來的尿嘧啶 (U)，因此他們將這種尿嘧啶插入的現象，也就是在轉錄後才進行修飾，稱為 RNA 編輯。隔年，Powell et al. (1987) 在人類腸道中發現 RNA 編輯會將特定的序列變更為終止密碼子，使得其轉譯出不同的蛋白質。因此，科學家將 RNA 編輯用於泛指在轉錄後所發生的修飾，而我們大致可以將 RNA 編輯分成兩個大類，一個是指 RNA 片段會有插入或是刪除的現象，通常發生在轉錄片段形成成熟 RNA 之前，會使得 RNA 的長度發生改變。另外一種則為點突變，雖然不會變更 RNA 的總長度，但是會藉由將其中的鹼基替換掉來形成不同的蛋白質。 RNA 編輯雖然被發現的時間很早，但是卻一直都沒有在基因編輯的領域上被重用，因為就在 RNA 編輯被發現的隔年，CRISPR/Cas9 被日本的科學家發現，也因為其高效率且可已進行編輯的位點更多而為基因編輯打開了一扇大門，但隨著持續的研究漸漸的人們發現 CRISPR/Cas9 也有許多的缺點，如脫靶率高、基因編輯後不可回復和必須在體外才能進行，故有一些科學家將目光放到 RNA 編輯上，雖然 RNA 編輯的技術成本較高且效率較低下，但是它並其不會對基因組產生永久性的變更，且發生脫靶的機率較低，最重要的是 RNA 編輯所需要的酵素 ADAR 在人類體內就有，如果要進行人體相關的基因編輯較不會產生嚴重的免疫反應。在提到 RNA 編輯就必須講到 A-to-I 編輯 (A-to-I editing) 和 C-to-U 編輯 (C-to-U 82

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editing) 兩種，A-to-I 編輯是由 ADAR 蛋白辨識並解開雙股 DNA，透過水解脫氨作用將腺苷 (A) 置換成肌苷 (I)，是生物體中最主要的 RNA 編輯方式。然而此 RNA 編輯通常都作用在非編碼序列 (noncoding sequence)、5΄ 和 3΄ 未轉譯區 ( 5΄ and 3΄ UTRs) 和 instronic retrotranspon elements 如 Alu，Alu 為一個在人類基因中高度重複出現的基因片段，而人體中 Alu 中至少包含 1 億個 A-to-I 的編輯位點，雖然這些片段大部分的功能都是未知的，但有推測這些編輯功能跟神經退化疾病和控制內生性小分子干擾核糖核酸 (endogenous short interfering RNAs, esiRNAs) 有關 (Nishikura, 2010)。C-to-U RNA 編輯和 A-to-I 編輯作用在雙股 DNA 上不同，它發生在單股的 mRNA，由 APOBEC 酵素進行催化，最典型的例子是和小腸 apoB48 蛋白的產生有關，原本的 DNA 序列會產生的蛋白是肝載脂蛋白 apoB100，但由於 C-to-U RNA 編輯將 CAA 轉變成 UAA 而形成終止密碼子而導致較短的 apoB48 蛋白出現 (Teng et al.,1993)。而 C-to-U 相較於 A-to-I RNA 編輯在生物體中較為少見，但若是功能異常則會導致如第一型神經纖維瘤症後群等疾病出現。在近期也有人開始將 RNA 編輯和 DNA 編輯的技術結合起來，形成 Cas-based ADAR，透過 Cas 蛋白和 sgRNA 結合，再去編輯目標 mRNA，這項技術的好處是既能表現 DNA 編輯的高效率的編輯也可以表現 RNA 編輯中的低脫靶率。Cas-ADAR 與目標 RNA 的結合力十分的高，近些年就有研究便透過以 RNA 為標的 Cas9 (RCas9) 技術用來修復小鼠體內導致肌肉強直症的基因 (Batra et al., 2017)，也有許多的人將 RNA 編輯運用在治療遺傳疾病上 (Cox et al., 2017)，由於 RNA 編輯具有不會使基因組產生永久性的變更且精準度比使用 CRISPR 高的特性，而且 ADAR 酵素在大部分哺乳動物中皆存在，故 RNA 編輯是一個十分適合用在基因治療的方面。但 RNA 編輯也尚有許多的問題正等著被解決，如現在 RNA 編輯的效率還是太差，光是使用 RNA 編輯對於基因轉殖動植物的製造用處可能比較小，且 ADAR 僅能像是覆寫功能，將 RNA 分子的其中幾個鹼基替換掉而不能如 CRISPR 那樣改變整個 RNA 的主幹。而最近幾年隨著基因編輯相關的研究越來越多，在 CRISPR/Cas9 技術已經發展的越來越成熟的現在，大家也漸漸發現 CRISPR 有許多的問題存在，而開始尋找其他可以輔助的方法，而就目前來看將 CRISPR 和 RNA 編輯的技術綜合起來能解決掉很多之前的問題，而我也相信在未來這方面的研究應該非常的有未來。參考文獻： Batra, R., Nelles, D. A., Krach, F. Thomas, J. D., Snjader, L., Blue, S. M., Aigner, S., Swanson, M. S., & Yeo, G. W. 2017. Reversal of molecular pathology by RNA-

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targeting Cas9 in a myotonic dystrophy mouse model. bioRxiv . Benne, R., Van Den Burg, J., Brakenhoff, J. P. J., Sloof, P., Van Boom, J. H., & Tromp, M. C. 1986. Major transcript of the frameshifted coxll gene from trypanosome mitochondria contains four nucleotides that are not encoded in the DNA. Cell 46(6): 819-826. Blanc, V., & Davidson, N. O. 2003. C-to-U RNA Editing: Mechanisms Leading to Genetic Diversity. Journal of Biological Chemistry 278(3): 1395-1398. Brennicke, A., Marchfelder, A., & Binder, S. 1999. RNA editing. FEMS

Microbiology Reviews 23(3): 297-316. Cox, D. B. T., Gootenberg, J. S., Abudayyeh, O. O., Franklin, B., Kellner, M. J., Joung, J., & Zhang, F. 2017. RNA editing with CRISPR-Cas13. Science 358(6366): 1019-1027. Eisenberg, E., & Levanon, E. Y. 2018. A-to-I RNA editing — immune protector and transcriptome diversifier. Nature Reviews Genetics 19: 473-490. Nishikura, K. 2010. Functions and regulation of RNA editing by ADAR deaminases. Annual Review of Biochemistry 79: 321-349. Pickar-Oliver, A., & Gersbach, C. A. 2019. The next generation of CRISPR–Cas technologies and applications. Nature reviews Molecular cell biology 20: 490507. Powell, L. M., Wallis, S. C., Pease, R. J., Edwards, Y. H., Knott, T. J., & Scott, T. 1987. A novel form of tissue-specific RNA processing produces apolipoproteinB48 in intestine. Cell 50(6): 813-840. Teng, B., Burant, C. F., & Davidson, N. O. 1993. Molecular Cloning of an Apolipoprotein B Messenger RNA Editing Protein. Science 260(5155): 18161819. Samuel, C. E. 2013. RNA Editing. Encyclopedia of Biological Chemistry : 154-158. Vu, L. T., & Tsukahara, T. 2017. C-to-U editing and site-directed RNA editing for the correction of genetic mutations. BioScience Trends 11(3): 243-253.

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免疫系統對於誘導肢體再生的重要性 Immune System Might Be Crucial for Induction of Limb Regeneration 李士奇 LI, Shih-Chi 國立中山大學生物科學系 Department of Biological Sciences, National Sun Yat-Sen University 摘要多數哺乳動物包含人類的再生能力十分有限，無法再生遭截肢後的手臂，但在自然界中有些動物卻具有十分強大的再生能力，其中墨西哥蠑螈是一個常用來研究肢體再生的模式物種。蠑螈終生皆保有強大的再生能力，但人類或老鼠僅在剛出生時擁有較好的再生能力，隨著發育成熟，免疫系統也逐漸發育完善，但再生能力卻下降。而免疫系統較簡單的蠑螈似乎也就對應了尚未發育成熟的免疫系統，這似乎顯示較簡單的免疫系統更有利於再生，不同物種面對損傷時的免疫反應差異也引起科學家關注。免疫系統在傷口修復的過程中除了清除外來病原菌以外也能調控周遭細胞的行為，所以免疫系統的調控被認為與疤痕形成與否相關。近年科學家發現巨噬細胞對於墨西哥蠑螈成功的肢體再生是不可或缺的，墨西哥蠑螈的巨噬細胞也被發現相較哺乳動物有不同的訊息傳遞反應，這可能是導致物種間傷口修復差異的要素。未來研究可聚焦於探索物種間的免疫細胞族群組成、表關遺傳調控基因表現與芽基內細胞的分子標誌差異，綜合再生所需的外在環境因子與保持細胞特定的分化特徵將有望應用於誘導肢體再生。關鍵詞：immune system (免疫系統)、limb regeneration (肢體再生)、axolotl (墨西哥蠑螈)、microenvironment( 微環境)、macrophage (巨噬細胞)

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一、肢體再生的重要性再生，指生物能夠修復或是更換缺失的細胞、組織、器官、甚至是整個個體，並具備功能的行為。多數羊膜類動物例如：人、雞或是老鼠的再生能力有限，無法再生大面積損傷。像是人類再生肢體損傷的能力僅侷限在幼童時期可以再生遭截肢的指截，但隨著個體逐漸成熟再生能力隨之消失 (Illingworth, 1974)。有趣的是自然界中有些生物具有完好如初地再生複雜組織的能力，像是斑馬魚能夠再生遭受大面積切除的尾鰭、蠑螈能夠再生缺失的四肢。自從 Spallanzani 在 1768 年描述爪蟾蝌蚪再生斷尾以及蠑螈再生斷肢這些驚人的現象後，越來越多科學家對於這些完美再生的現象是如何發生感到興趣，也冀望能從這些具有強大再生能力的生物中找到再生關鍵以提升人類的再生能力。二、免疫系統的調控為何被認為與成功肢體再生有關？墨西哥蠑螈 (Ambystoma mexicanum) 終其一生皆具有強大的再生能力，身體上多數器官像是大腦、脊隨、心臟皆能再生，其中斷肢再生的能力更是讓墨西哥蠑螈被發展為研究肢體再生的模式動物。墨西哥蠑螈具有幼態延續 (neoteny) 的特性，自然情況下終生生活在水中，不會發生變態 (metamorphosis) ，但如果給予甲狀腺素 (thyroxine) 可誘導墨西哥蠑螈變態，然而此時肢體再生的速率與成功率會大幅降低，且不是由於變態後較大的體型導致 (Monaghan et al., 2014)。變態後再生能力下降甚 86

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至喪失的現象在同為兩棲類的非洲爪蟾 (Xenopus laevis) 中也被發現，爪蟾在蝌蚪的發育階段能夠再生缺失的後肢及尾部，但變態後卻完全喪失再生能力，僅能形成尖刺狀 (spike) 的癒合組織。目前對於為何再生能力會隨著發育成熟而丟失仍不清楚，不過免疫系統的成熟可能扮演關鍵的角色。目前研究顯示墨西哥蠑螈變態後的免疫系統改變不多，僅有像是循環型的白細胞特徵及 MHCⅡ 分子的發育發生變化，而爪蟾的變化較大，特異性免疫系統 AN (adaptive immune system) 會隨著變態逐漸發育成熟 (Godwin & Rosenthal, 2014)。綜合哺乳動物發育成熟後喪失再生指節的能力與兩棲類中發現的現象，可以發現再生能力的高低偶然地與免疫系統的發育成熟度有所關連。哺乳動物胚胎受傷後進行無疤痕的傷口修復，相較於會生成疤痕的成熟個體，胚胎傷口處的免疫細胞數量較少且由免疫細胞分泌的 TGFβ1 與 TGFβ2 含量也較低，顯示胚胎傷口處的免疫反應相比成熟個體是減弱的 (Ferguson & O'Kane, 2004 a)。在處於無法再生階段的爪蟾上添加抗發炎藥物可以部份補救再生能力，而添加 BeSO4 增強發炎反應會減少肢體再生的程度，上述結果促使科學家對於不同物種間的再生能力差異提出可能解釋，再生能力會隨著生物的免疫系統發育成熟而降低，同時不同物種的免疫反應差異也可能導致再生能力不同 (Aztekin & Storer, 2022)。三、目前對於免疫系統於肢體再生中的功能之了解 (一) 受免疫系統調控的傷口微環境 (microenvironment) 與疤痕生成有關墨西哥蠑螈的肢體遭到截肢後的反應與哺乳動物最主要的差異在於無疤痕的傷口修復與芽基 (blastema) 的生成。免疫系統在傷口修復中扮演的角色主要有兩個，一是清除外來病原菌及死亡的細胞，二是建構傷口處的微環境，其中合適的微環境構成對於成功的再生是重要的。免疫細胞受到化學激活素的吸引聚集到傷口處，除了消滅病原菌與清除死掉的細胞碎片以外，免疫細胞會藉由釋放細胞激素調控周遭細胞行為。免疫細胞像是最先浸潤到傷口處的中性球 (neutrophils) 可以釋放血管內皮細胞生長因子 ( vascular endothelial growth factor, VEGF) 以及誘導周遭上皮細胞釋放 VEGF，中性球也分泌基質金屬蛋白酶-9 (matrix metalloproteinases 9, MMP-9)分解細胞外基質 (extracellular matrix, ECM) 使原本黏附在細胞外基質上的 VEGF 與其它生長因子被釋出，促進血管新生 (Wang, 2018)。巨噬細胞具有藉由釋放發炎與抗發炎細胞激素調控環境發炎程度的能力，也負責清除死亡細胞的殘渣、促進血管新生、調控纖維母細胞的增生與分泌、重組 ECM 的功能，在老鼠皮膚傷口修復的初期剔除巨噬細胞會造成異常的傷口修復 (Koh & DiPietro, 2011)。嚴重的發炎反應被認為與疤痕形成相關，降低免疫反應下游的產生的生長因子 TGFβ1 與 TGFβ2 的含量可以幫助成熟

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的老鼠或豬減少疤痕生成 (Ferguson & O'Kane, 2004 b)。免疫系統的功能與傷口修復是否生成疤痕息息相關，而疤痕生成將會不利於後續再生過程的發生，所以了解不同物種間參與傷口修復的免疫細胞族群與各自的功能將有機會發現誘導成功的肢體再生的關鍵。 (二) 巨噬細胞對於成功肢體再生是不可或缺的角色免疫反應涵蓋多種細胞參與，其中巨噬細胞由於具備調控周遭細胞行為與建構傷口微環境的功能，所以巨噬細胞的功能在近年逐漸被重視，也被認為與再生密不可分。 Godwin et al. (2013) 顯示巨噬細胞對於傷口是否會纖維化形成疤痕扮演了關鍵的角色，團隊發現墨西哥蠑螈的巨噬細胞相較於哺乳動物在浸潤傷口處後會提早分泌抗發炎性的細胞激素 (Th2)，不過其它細胞激素與化學激活素的分泌則與哺乳動物相似。接著團隊利用 Clo-Lipo 這種可以標定消滅吞噬型細胞的藥物剔除墨西哥蠑螈的巨噬細胞後發現截肢後的手臂不僅無法再生，還會形成疤痕組織；如果是在芽基形成後消滅巨噬細胞則是會減緩再生的速率，顯示巨噬細胞在再生過程中相當重要同時在再生的各個階段扮演不同的角色。巨噬細胞對於老鼠的指節再生也是重要的角色，添加 Clo-Lipo 消除老鼠的巨噬細胞後發現相較於控制組骨骼的降解與表皮細胞覆蓋傷口的過程會被暫緩，更嚴重的是芽基的生成會被抑制 (Simkin et al., 2017)。上述發現證明了巨噬細胞對於肢體再生的重要性。然而在斑馬魚中利用遺傳學技術建構專一性剔除巨噬細胞標誌基因 (mpeg1+、CSF1R) 的轉殖品系中切除尾鰭後發現雖然尾鰭再生受到干擾，但並非完全被抑制；兩種剔除巨噬細胞方式造成不一致的結果使科學家懷疑 Clo-Lipo 的消除方式可能專一性不足，可能需要利用更專一的遺傳學工具重新探討巨噬細胞在蠑螈肢體再生的重要性 (Bolaños-Castro et al., 2021)。 (三) 物種間的免疫細胞存在訊息傳遞路徑的差異免疫反應的重要功能之一為消滅外來病原菌，過多的病原菌會加強發炎反應導致環境不利於組織修復。墨西哥蠑螈生活在充斥微生物的水中，但依然有辦法在進行組織修復的同時承受病原菌，而同樣情況發生在哺乳類動物上將會不利於組織修復，所以科學家好奇墨西哥蠑螈面對外來病原菌的反應為何？免疫細胞主要透過偵測病原相關分子樣式 (pathogen-associated molecular patterns, PAMPs) 與損傷相關分子樣式 (damage-associated molecular patterns, DAMPs) 分別由病原菌與死亡細胞產生的分子引發下游發炎反應，這兩種模式的分子可以同時被類鐸受體 (toll like receptors, TLRs) 偵測並誘發下游發炎反應。Debuque et al. (2021) 發現墨西哥蠑螈的巨噬細胞

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是主要具有 TLRs 的免疫細胞，在額外添加 PAMPs 與 DAMPs 的環境下蠑螈的巨噬細胞表現與老鼠巨噬細胞不同的訊息傳遞路徑反應，這顯示在有菌的環境中墨西哥蠑螈的巨噬細胞相比哺乳動物的巨噬細胞可能走向不同的細胞程序以促進再生。了解不同物種間巨噬細胞訊息傳遞的差異或許可以應用於調控哺乳動物巨噬細胞的行為以增進再生能力。 (四) 尚待解決的問題與未來議題發展方向科學家目前逐漸了解部分免疫細胞在再生過程中的功能，也得利於單細胞定序技術發掘更多的細胞亞群，但對於一些免疫細胞像是單核球、中性球、甚至是特異性免疫反應的 T 細胞在肢體再生過程中扮演的功能仍需要更進一步的了解。近年科學家逐漸發現巨噬細胞對於再生過程中的重要性，但仍需要透過更專一性的工具像是 CRISPR 或是轉殖技術巨噬細胞專一的消溶平台已確定巨噬細胞的功能，建構專一性的工具也能幫助釐清巨噬細胞各個亞群的功能，像是 M1 巨噬細胞與 M2 巨噬細胞甚至是目前仍未知的巨噬細胞亞群各自在肢體再生中的功能。此外不同物種間表觀遺傳 (epigenetic) 調控基因表現之差異也需要更進一步了解，像是在會再生與無法再生的脊椎動物間存在著再生反應性的增強子序列 (regeneration responsive enhancers, RREs)，其中富含 AP-1 蛋白結合位點的增強子序列在再生能力較好的生物內像是斑馬魚中能夠誘發下游損傷與再生的反應，但在像是老鼠這類再生能力受限制的生物則僅能誘發損傷反應，研究結果顯示物種間再生能力的差異可能會與基因表現調控的差異性有關 (Wang et al., 2020)。對於成功的再生過程除了外在微環境需要有利於再生以外，細胞本身是否具備再生的潛力也是科學家關注的重點。Gerber et al. (2018) 發現藉由獨特的轉殖品系與單細胞定序技術發現墨西哥蠑螈肢體再生過程中形成的芽基主要結締組織細胞 (connective tissue cells, CT cells) 去分化 (dedifferentiation) 後組成且這群細胞在再生過程中會表現與胚胎肢體發育時期的肢芽 (limb bud) 相似的分子特徵，團隊也發現再生過程中並沒有預先存在於組織中幹細胞幫助芽基生成的，顯示 CT 細胞的去分化行為與重拾胚胎發育特徵對於芽基生成是重要的。Lin et al. (2021) 接續上述的實驗比較成體爪蟾的受傷後的細胞行為與蠑螈有合不同，結果顯示成體爪蟾受傷後的 CT 細胞分化並沒有重拾胚胎發育時期的特徵，且團隊比較成體與蝌蚪時期的軟骨細胞分化特徵也發現大程度差異，結果顯示爪蟾之所以在變態後失去再生能力可能是由於細胞本身的特性已改變導致。然而這項發現也不能排除外在環境像是生長因子對於成功再生的重要性，未來研究可著重於如何讓 CT 細胞在再生過程中保留胚胎發育時期的特徵可能是

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未來應用於再生療法需要重視的。四、結論再生能力隨著發育成熟而喪失的現象就目前的研究結果而言可能不單單僅由於免疫系統的成熟所導致，結締組織細胞在不同發育階段具備的再生潛力之不同也可能是背後原因之一。但是免疫細胞特別是巨噬細胞對於肢體再生而言是不可或缺的角色，探討巨噬細胞在不同再生能力的物種間之功能、細胞類型、訊息傳遞路徑的差異性將有機會應用於哺乳動物上誘導無疤痕的傷口修復，形成無疤痕的傷口修復才能夠有後續的再生步驟。而未來結合針對免疫細胞如何塑造外在環境與傷口處的細胞行為與分子特徵的研究將有機會在其它不會再生的脊椎動物中誘導無疤痕的傷口修復與芽基的生成，最終使肢體再生成真。參考文獻： Aztekin, C., & Storer, M. A. 2022. To regenerate or not to regenerate: Vertebrate model organisms of regeneration-competency and -incompetency.

Wound repair and regeneration. Bolaños-Castro, L. A., Walters, H. E., García Vázquez, R. O., & Yun, M. H. 2021. Immunity in salamander regeneration: Where are we standing and where are we headed?. Developmental Dynamics 250(6): 753–767. Debuque, R. J., Nowoshilow, S., Chan, K. E., Rosenthal, N. A., & Godwin, J. W. 2021. Distinct toll-like receptor signaling in the salamander response to tissue damage. Developmental Dynamics. Ferguson, M. W., & O'Kane, S. 2004. Scar-free healing: from embryonic mechanisms to adult therapeutic intervention. Philosophical transactions of the

Royal Society of London 359(1445): 839–850. Gerber, T., Murawala, P., Knapp, D., Masselink, W., Schuez, M., Hermann, S., Gac-Santel, M., Nowoshilow, S., Kageyama, J., Khattak, S., Currie, J. D., Camp, J. G., Tanaka, E. M., & Treutlein, B. 2018. Single-cell analysis uncovers convergence of cell identities during axolotl limb regeneration. Science 362(6413)

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Godwin, J. W., Pinto, A. R., & Rosenthal, N. A. 2013. Macrophages are required for adult salamander limb regeneration. Proceedings of the National Academy

of Sciences of the United States of America 110(23): 9415–9420. Godwin, J. W., & Rosenthal, N. 2014. Scar-free wound healing and regeneration in amphibians: immunological influences on regenerative success.

Differentiation 87(1-2): 66–75. Illingworth, C. M. 1974. Trapped fingers and amputated finger tips in children.

Journal of pediatric surgery 9(6): 853-858. Koh, T. J., & DiPietro, L. A. 2011. Inflammation and wound healing: the role of the macrophage. Expert reviews in molecular medicine 13: 23. Lin, T. Y., Gerber, T., Taniguchi-Sugiura, Y., Murawala, P., Hermann, S., Grosser, L., Shibata, E., Treutlein, B., & Tanaka, E. M. 2021. Fibroblast dedifferentiation as a determinant of successful regeneration. Developmental

cell 56(10): 1541–1551. Lin, T. Y., Gerber, T., Taniguchi-Sugiura, Y., Murawala, P., Hermann, S., Grosser, L., Shibata, E., Treutlein, B., & Tanaka, E. M. 2021. Fibroblast dedifferentiation as a determinant of successful regeneration. Developmental

cell 56(10): 1541–1551. Monaghan, J. R., Stier, A. C., Michonneau, F., Smith, M. D., Pasch, B., Maden, M., & Seifert, A. W. 2014. Experimentally induced metamorphosis in axolotls reduces regenerative rate and fidelity. Regeneration 1(1): 2–14. Nie, L., Cai, S. Y., Shao, J. Z., & Chen, J. 2018. Toll-Like Receptors, Associated Biological Roles, and Signaling Networks in Non-Mammals. Frontiers in

immunology 9: 1523. Simkin, J., Sammarco, M. C., Marrero, L., Dawson, L. A., Yan, M., Tucker, C., Cammack, A., & Muneoka, K. 2017. Macrophages are required to coordinate mouse digit tip regeneration. Development 144(21): 3907–3916. Wang J. 2018. Neutrophils in tissue injury and repair. Cell and tissue research 371(3): 531–539.

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Wang, W., Hu, C. K., Zeng, A., Alegre, D., Hu, D., Gotting, K., Ortega Granillo, A., Wang, Y., Robb, S., Schnittker, R., Zhang, S., Alegre, D., Li, H., Ross, E., Zhang, N., Brunet, A., & Sánchez Alvarado, A. 2020. Changes in regenerationresponsive enhancers shape regenerative capacities in vertebrates. Science 369(6508): 3090.

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貓自發性膀胱炎的致病機制 Pathogenetic Mechanism of Feline Idiopathic Cystitis 陳其琪 CHEN, Chi-Chi 國立中山大學生物科學系 Department of Biological Sciences, National Sun Yat-Sen University 摘要在寵物貓的下泌尿道疾病中，貓自發性膀胱炎 (feline idiopathic cystitis, FIC) 最為常見，患病的貓常會出現膀胱腫脹、血尿等發炎症狀，並且出現尿結晶、尿結石等導致排尿不順或是尿道阻塞等症狀，嚴重時可能造成腎衰竭並且死亡。貓自發性膀胱炎並沒有觀察到感染 (infection) 的現象，與其他膀胱炎不同，在尿液樣本中無法檢驗出細菌感染與其他原因可以造成血尿與炎症。目前對於貓自發性膀胱炎的致病機制仍未確定，本報告使用人類的間質性膀胱炎 (interstitial cystitis, IC) 一種膀胱疼痛綜合症 (bladder pain syndrome，BPS) 的資訊一起討論，此病症在兩物種間有許多共同的臨床特徵，也有許多同樣的共病症，可以互相比較以更了解致病機制。目前推測可能的致病機制分別為尿路上皮通透度改變與 GAG (glycosaminoglycan) 層的異常，以及神經系統異常、壓力與神經內分泌等假說。由於 FIC 的下泌尿症狀牽涉到數個系統失調，又名為「潘朵拉綜合症 (pandora syndrome)」的系統性疾病。關鍵詞：Feline idiopathic cystitis (貓自發性膀胱炎)、Interstitial cystitis (間質性膀胱炎 ) 、 Urothelium ( 尿路上皮 ) 、 Glycosaminoglycan ( 醣胺聚醣 ) 、 Pandora syndrome (潘朵拉綜合症)。

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尿路上皮透度增加

GAG層異常

GAG 層傘細胞

中間細胞

尿路上皮

基底細胞

感覺神經

神經系統異常

一、關於貓下泌尿道症候群寵物貓下泌尿道症候群 (feline lower urinary tract disease, FLUTD) 為飼主需要關注的議題，罹患 FLUTD 大約佔所有寵物貓 5%，佔進入獸醫院的寵物貓 7%至 8%，發病貓咪的年齡介於 2–6 歲。而其中最常見的 FLUTD 就是貓自發性膀胱炎 (feline idiopathic cystitis, FIC)，貓自發性膀胱炎是一種無菌性的膀胱發炎症反應，也就是非物理性導致的發炎反應，屬於慢性發炎 (Jones et al, 2021)。FIC 會導致膀胱壁發炎、增厚，進而出現血尿 (haematuria) 、尿結晶 (crystalluria) ，從而轉換成尿結石 (calculus) 與尿道堵塞 (stranguria) 等臨床症狀。FIC 具有反覆發作的特性，飼主常需要定期給貓咪適當的消炎藥使症狀減緩，但也有案例為持續發作 (Buffington, 2011)。人類有類似的病徵稱作間質性膀胱炎 (interstitial cystitis, IC)，其目前所觀察到的病理、解剖學、臨床症狀與共病症 (comorbidity) 大致相同，且因為 FIC 是唯一是自發性動物模型 (spontaneous animal model) (Treutlein et al, 2012)，因此 FIC 被認定是 IC 的理想疾病模型。為了補足 FIC 研究較不足的區域，可以使用 IC 作為比較與參照，在人類與獸醫相關文獻也常出現將兩病症互相交換 (Buffington, 2011；Jabr & Fry, 2013；Jones et al, 2021)。二、目前主要致病機制假說 (ㄧ) 膀胱上皮滲透度增加 94

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膀胱的尿路上皮 (urothelium) 滲透度增加會導致尿液中的物質進入膀胱組織中，與對照組相比，FIC 的膀胱組織得跨上皮阻力降低、對水與尿素等物質通透性增加、改變尿路上皮 ATP 的製造。多種化學物質滲入，特別是鉀離子能深入膀胱並刺激感覺神經造成疼痛。會導致尿路上皮通透度增加的原因目前分為兩種。 1. 激素等物質異常表現一氧化氮 (nitric oxide, NO) 是在組織受損時分泌的一種發炎介質，由膀胱壁的多種細胞釋放包括尿路上皮、神經突觸與內皮細胞，並以自泌作用或是旁泌作用互相影響並改變細胞對與離子與溶質得通透性，並且使膀胱頂端細胞造成變形(Birder, 2014； Jones et al, 2021)。為什麼會出現 NO 過量分泌目前機制尚未清楚，但可以確定尿液中 NO 的表現量與尿路上皮損傷程度成正比。 Tamm-Horsfall protein 又稱尿調理素，在哺乳類中主要由腎臟之亨利式套粗升支產生，為尿路上皮的主要成分。研究顯示 FIC 尿調理素表現異常導致上皮失去保護，有可能導致膀胱上皮發炎。但是否為正確致病因子有待確定，目前顯示 FIC 症狀與 Tamm-Horsfall protein 異常的關聯較低，因 2005 年證實在 Tamm-Horsfall protein knock out 的小鼠中沒有出現排尿缺陷與組織異常 (Buffington, 2011)。抗增殖因子 (antiproliferative factor, APF) 由膀胱上皮合成及分泌，調控各種訊息傳遞路徑，如 Akt、Mitogen-activated protein kinase、β-catenin 與 p53 訊息傳遞。在尿液中不正常的表現使上皮細胞增生被異常抑制，並且使上皮細胞減少產生 HBEGF 增殖因子。導致膀胱表層薄弱通透度增高，容易受損 (Kim & Freeman, 2011； You et al, 2012)。 2. GAG 層 Glycosaminoglycan (GAG) 層主要為硫酸軟骨素 (chondroitin sulphate)、糖醛酸 (uronic acid) 與糖蛋白等結構組成之腔內黏膜層。主要功能為防禦細菌黏附，起到物理性防禦功能。FIC 的膀胱中發現 GAG 質量與數量都比正常貓還要少，並且在尿液中可以觀察到異常表現的糖醛酸與硫酸軟骨素。血漿中也出現異常表現的硫酸軟骨素，由此推測 GAG 層受損會直接導致膀胱上皮通透度增加，導致尿液中硫酸軟骨素進入循環系統 (Buffington, 2011；Chew & Buffington, 2013)。GAG 層缺失原本是被認為是 FIC 與 IC 主要的致病機制，但在 1990 年出現質疑，Lilly 等人研究了膀胱治療中藥物對膀胱上皮的影響，他們使用 Protamine sulfate 增加了尿路上皮通透性使其表現似 IC 的症狀，再用 Pentosan polysulfate sodium (PPS) 藥物做膀胱表面治療。他

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們認為 Protamine sulfate 影響了 GAG 層並造成損傷，再由 PPS 修復，但這個實驗中的並沒有觀察到 GAG 層有顯著的差異 (Jones et al, 2021)。這個質疑在之後實驗的到驗證，多個研究團隊針對 GAG 層修復以治療 FIC，但是安慰劑效應沒有其他的顯著變化 (Birder, 2014)。導致目前 GAG 層缺乏明確的證據為 FIC/IC 的主因。 (二) 神經系統異常 FIC 致病機制的第二種假說，神經系統異常會造成神經性發炎 (neurogenic inflammation)。C 纖維 (C-fiber) 是背根神經節 (dorsal root ganglia, DRG) 連結脊髓並傳遞動作電位的主要的感覺神經元，負責傳遞疼痛反應。在 FIC 中 C 纖維敏感性大增，較大的背根神經節細胞體，作軸突反應時神經末端出現過量的 P 物質 (substance P，SP) 結合在過量表現的 SP 受器，並且出現表現免疫反應性 (immunoreactivity) 上調 (Jones, 2021)，表現出神經元解剖上與生理上異常。SP 為一種神經激肽傳導物質，在膀胱多處都有 SP 受體，SP 作用在膀胱血管會使血管擴張、滲漏並誘導肥大細胞釋放組織氨使神經性發炎反應加劇，並出現下黏膜瘀血 (glomerulations)，同時影響平滑肌、尿路上皮與 GAG 層間接造成表皮通透度增加 (圖一) (Chew & Buffington, 2013)。

圖一、環境壓力因子對膀胱與周邊組織的影響與其訊息傳遞。壓力因子會使交感神經系統經由 C-fiber 傳遞到軸突並釋放神經訊息傳遞物質 P 物質 (SP) 激發發炎反應。SP 受體表現在尿路上皮的 GAG 層、平滑肌與其他組織，增加膀胱上皮通透度並出現其他症狀。圖片來源：Chew & Buffington, 2013 96

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Stress response system (SRS) 會被外部環境的突發性狀況造成的壓力所激活，例如突發性運動、聲音、陌生地點與物體，而 SRS 在 FIC 與 IC 出現上調 (Birder, 2014； Chew & Buffington, 2013；Buffington, 2011)。SRS 過激反應會提高腦幹反射 (brainstem reflex)，並且使交感神經 (sympathetic nervous system, SNS) 被不正常激活，造成恐懼與焦慮異常提高導致貓行為異常 (Buffington, 2011)。在正常的貓， SRS 被刺激後除了會啟動腦幹反射，也會啟動腦下腺垂體前葉分泌促腎上腺皮質激素，刺激腎上腺分泌出類固醇 (steroids) 如 Cortisol、Adrenocortical steroids，抑制腦幹反射作負回饋作用，調控避免出現過激反應，而在 FIC 此負回饋作用整體功效比正常貓減少很多 (圖二) (Buffington, 2011)。FIC 的神經內分泌系統表現異常，在啟動腦下腺垂體並分泌激素作用的速度比正常貓慢，且觀察到腎上腺發育不全的現象，腎上腺體積與重量顯著變小導致類固醇表現減少，導致類固醇分泌減少，無法使負回饋作用正常功能 (Westropp et al, 2003)。而此腎上腺發育不全有可能是胚胎時期母體對胎兒所造成之影響，母體在面對環境所造成之壓力所分泌的激素藉由胎盤傳遞給胚胎，造成胚胎發育受影響 (Chew & Buffington, 2013)。

圖二、Stress response system (SRS) 在正常與 FIC/IC 中作用差異。(A) 正常 SRS 會啟動兩種路徑，右路徑為腦幹反射並刺激交感神經系統分泌腎上腺素對壓力作出相應反應；左路徑為 SRS 的負回饋路徑，由腦下垂體發出 ACTH 並作用於腎上腺分泌出類固醇，抑制 SRS 反應避免出現過激反應。(B) FIC/IC 的 SRS 負回饋路徑功效不佳，導致腦幹反射與交感神經系統無法被抑制，造成過度反應。圖片來源：Chew & Buffington, 2013 三、目前困境 97

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FIC 與 IC 之所以目前都無法確定致病機制，其一是因為目前動物模型中只有貓與人類的膀胱發炎有自發性的特性 (Treutlein et al, 2012)，而其他動物模型如囓齒類或是其他動物都未出現，就算有相關膀胱發炎的研究也都是使用藥物使實驗動物表現出類似症狀。且 FIC 的膀胱組織質量與體積太小難以取得，限制了很多實驗方法與觀察手段 (Jones et al, 2021)，特別是公貓尿道口特別窄，限制了如膀胱鏡檢查和膀胱鏡活檢。 FIC 因為具有多種臨床症狀，出現過胃腸、心血管、呼吸、神經、皮膚和免疫系統，牽涉到眾多器官與系統而被稱為貓潘朵拉症候群 (pandora syndrome)，無法以簡單的器官發炎精確地加以描述，存在著泌尿道以外的問題，所以難以追根究底 (Buffington, 2011)。四、結論由於牽涉到很多器官與神經系統，FIC 與 IC 致病機制與研究尚未完整並還有很大發展空間。目前所推測假說都有應用在診斷與治療上，雖然成效不顯著但許多研究團隊嘗試找出更有效率的方法，如找到治病生物標誌物。更多如遺傳學、表觀遺傳學、環境未知因子等眾多領域之假說等著學者去研究。參考文獻： Birder, L.A. 2014. Urinary bladder, cystitis and nerve/urothelial interactions.

Autonomic Neuroscience 182: 89-94. Buffington, C.A.T. 2011. Idiopathic cystitis in domestic cats-Beyond the lower urinary tract. Journal of Veterinary Internal Medicine 25(4): 784-796. Chew, D., Buffington, C.A.T. 2013. Pandora syndrome: it's more than just the bladder. Proceedings of the American Association of Feline Practitioners : 75-83. Forrester, S.D., & Towell, T.L. 2015. Feline idiopathic cystitis. Veterinary Clinics

of North America: Small Animal Practice 45(4): 783-806. Hosseini, A., Ehren, I., Wiklund, N.P. 2004. Nitric oxide as an objective marker for evaluation of treatment response in patients with classic interstitial cystitis . The

Journal of Urology 172 : 2261-2265. Izgi, K., Daneshgari, F. 2013. Animal models for interstitial cystitis/painful bladder syndrome (IC/PBS). Erciyes Medical Journal/Erciyes Tip Dergisi 35(3): 103-107. Jabr, R.I., Fry, C.H. 2013. Animal models of lower urinary tract dysfunction.

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Animal Models for the Study of Human Disease : 461-481. Jones, E., Palmieri, C., Thompson, M., Jackson, K., Allavena, R. 2021. Feline idiopathic cystitis: Pathogenesis, histopathology and comparative potential.

Journal of Comparative Pathology 185: 18-29. Kim, J., Freeman, M.R. 2011. Antiproliferative factor signaling and interstitial cystitis/painful bladder syndrome. International Neurourology Journal 15(4): 184-191. Treutlein, G., Dorsch, R., Euler, K.N., Hauck, S.M., Amann, B., Hartmann, K., Deeg, C.A. 2012. Novel potential interacting partners of fibronectin in spontaneous animal model of interstitial cystitis. PLOS ONE 7(12): e51391. Westropp, J.L., Welk, K.A., Buffington, C.A. 2003. Small adrenal glands in cats with feline interstitial cystitis. The Journal of Urology 170(6): 2494-2497. You, S., Yang, W., Anger, J., Freeman, M.R., Kim, J. 2012. 'Omics' approaches to understanding interstitial cystitis/painful bladder syndrome/bladder pain syndrome. International Neurourology Journal 16(4): 159-168.

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TNR 是否可以代替安樂死解決流浪貓的問題？ Can TNR Replace Euthanasia to Solve the Problem of Stray Cats? 苑嘉恬 YUAN, Chia-Tien

國立中山大學生物科學系 Department of Biological Sciences, National Sun Yat-Sen University 摘要近幾年來，養貓的人數逐漸增加，大家也開始注重起動物福利的議題，前幾年開始更是採用「零撲殺政策」，禁止對無人收養的流浪貓狗進行安樂死，收容所空間未擴展的情況下，如何減少流浪貓數量就是一個難題。流浪動物分布廣泛，大多數個性兇悍、警戒，不易於調查。我參考了國外有關減少流浪貓數量方法的文獻，發現如果要有效的減少族群數量，必須要搭配安樂死同時進行，但考量到實施安樂死的獸醫可能會有高機率出現心理疾病，下一步應該要往改善收容所環境及解決獸醫進行安樂死所造成的創傷症候群這兩個方向進行。關鍵詞：流浪貓 (stray cat)、安樂死 (euthanasia)、TNR (trap neuter return)、狂犬病 (rabies)、真空效應 (vacuum effect)

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一、為何要減少流浪貓數量根據農委會統計，台灣近五年來家貓的數量逐年上升，民國 110 年家貓統計結果為 870,810 隻 (行政院農委會 110 年度全國家犬貓數量調查結果統計表)，而台大獸醫系教授費昌勇在民國 98 年調查流浪貓的數量約為 122,000 隻。流浪貓的生活棲地和人類密切相關，隨著野生動物棲地的破碎化，人類、家畜和野生動物交流變多，流浪貓數量的增加也衍生出許多的問題，例如：人畜共通傳染疾病和餵養區環境髒亂 (顏士清, 2018)，不僅僅是台灣，各國對於流浪貓的問題也相當重視。二、減少流浪貓數量的方式目前各國主要有兩種管理流浪貓數量的方式，一種是 TNR (Trap Neuter Return)，另一種則是安樂死 (Euthanasia)。TNR 是透過降低生育率來減少流浪貓的數量，安樂死則是用高於自然死亡率的死亡率來減少族群數量 (Schmidt et al., 2009)。三、TNR 和安樂死的比較 (一) TNR Neville & Remfry (1984); Zaunbrecher & Smith (1993) 認為絕育 (降低個體生育率) 及固定餵食 (降低移動率) 長期下來是可以減少流浪貓族群數量，也可以防止真空效應

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(Vacuum Effect)。真空效應指當一個地區物種數量大幅減少，資源量卻不變，則會吸引附近同種物種過來以更高的速度繁殖。 (二) 安樂死在捕捉到無晶片的流浪貓時，直接以安樂死的方式減少族群的數量。Andersen et al., (2004) 的模型實驗結果顯示，每年對大於 50%的族群進行安樂死和每年對大於 75% 的可生育族群進行 TNR，安樂死的可以更好的控管族群數量。四、其他國家對於流浪貓的處理方式 Crawford et al. (2019) 認為當澳大利亞的流浪貓的數量過多時，會加劇野生動物被掠奪、疾病傳播、環境等問題，他們目前的解決的解決方式是把流浪貓誘捕回來安置在收容所，協助尋找認養人，但是個性問題、有疾病的、未迅速被收養的貓應該要被安樂死，避免長期占據收容所空間，導致沒有辦法接受新的流浪貓。 Scott et al. (2002) 則認為絕育可以改善貓的身體狀況，公貓因發情占地盤、打架也可以藉由絕育改善 (Hosie et al., 2002)，且 TNR 可以減少安樂死的數量，減輕施作者的心理負擔。但 Crawford et al. (2019) 認為 TNR 是把流浪貓抓來進行絕育手術以及施打預防針再原放，只防止新的流浪貓增加，原本那些成體還在原處，並無法解決舊有問題。經過多重評估，他們認為對澳大利亞的流浪貓問題來說應該要盡可能增加安置流浪貓的空間、人力，最大程度減少安樂死，同時也可以迅速減少流浪貓的數量。四、現狀台灣目前是實施「零撲殺」政策，對於流浪貓的問題還是以 TNR 及收容為主。但因為 TNR 大多都是志工在執行，人力、金錢和時間缺乏的情況下，無法對所有的流浪貓進行絕育，也沒有辦法監測族群的健康狀況或是種群的變化 (Jessup, 2005)，且 Castillo & Clarke (2003) 認為 TNR 始終無法解決根本的問題，例如人畜共通傳染病、野生動物患病風險和動物福利問題。五、結論我認為 TNR 無法代替安樂死解決流浪貓的問題，TNR 需要耗費的時間、人力太多，但是單純使用安樂死減少流浪貓的數量，除了會引發民怨外，根據研究統計，從事貓狗安樂死的職業中，有 50%的人會出現由施暴者引起的創傷性壓力綜合徵的症狀 (Alberthsen et al., 2013)。針對收容所進行環境改善、數量控制，淘汰不適合被收養

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的個體，讓領養率提高，減少安樂死的數量才是目前應該要努力的方向。參考文獻： Andersen, M. C., Martin, B. J., & Roemer, G. W. 2004. Use of matrix population models to estimate the efficacy of euthanasia versus trap-neuter-return for management of free-roaming cats. Journal of the American Veterinary Medical

Association 225(12): 1871-1876. Crawford, H. M., Calver, M. C., & Fleming, P. A. 2019. A case of letting the cat out of the bag—why trap-neuter-return is not an ethical solution for stray cat (Felis catus) management. Animals 9(4): 171. Crawford, H. M., Calver, M. C., & Fleming, P. A. 2019. Response to wolf et al.: furthering debate over the suitability of trap-neuter-return for stray cat management. Animals 10(2): 362. Guttilla, D. A., & Stapp, P. 2010. Effects of sterilization on movements of feral cats at a wildland-urban interface. Journal of Mammalogy 91(2): 482-489. Read, J. L., Dickman, C. R., Boardman, W. S. J., & Lepczyk, C. A. 2020. Reply to wolf et al.: why trap-neuter-return (TNR) is not an ethical solution for stray cat management. Animals 10(9): 1525. Wolf, P. J., Rand, J., Swarbrick, H., Spehar, D. D., & Norris, J. 2019. Reply to crawford et al.: why trap-neuter-return (TNR) is an ethical solution for stray cat management. Animals 9(9): 689. Zaunbrecher, K. I., & Smith, R. E. 1993. Neutering of feral cats as an alternative to eradication programs. Journal of the American Veterinary Medical Association 203(3): 449-452.

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微藻的汙水處理功能 Sewage Treatment Based on Microalgae 劉政翰 LIU, Cheng-Han 國立中山大學生物科學系 Department of Biological Sciences, National Sun Yat-Sen University 摘要工業與民生排放的汙水內含之有機及無機化合物會造成水質汙染。這些化學成分雖能透過一級與二級處理大部分的有機物質，但仍有少量不易分解的有機物質與重金屬排出，造成汙染。另外，廢水內仍含有豐富的無機鹽類會造成水質優養化。微藻提供了人們不同的思路，其生長途徑可利用無機鹽類作為養分，同時也擁有去除重金屬及部分有機化合物的能力。最後，養殖微藻的成本極低且能生產有經濟價值的生質能源。將探討以微藻建立汙水處理系統之功效。

關鍵詞：sewage treatment 、microalgae 、 eutrophication 、 water pollution 、 biomass

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水是地球上重要的環境資源之一，人類對其需求性可表現在民生、工業與科技上 (Wollmann et al., 2019)。經過使用的水裡含有大量的汙染物，包括微塑膠、有機毒物及重金屬等等，如果將這些物質排放至環境中，將對人類的健康及全球生態造成嚴重的危害(Abdel-Raouf, 2012)。因此，如何處理汙水已成為了全球性的議題。

廢水處理的工藝可追溯到 1800 年代，世界上第一座水處理廠在蘇格蘭建成，至此之後該工程在各地相繼發展 (Mohsenpour et al., 2021)。汙水因其來源不盡相同，包含工業廢水及農續用水等等，其成分組成通常以有機、無機物與人造化合物為主，因應不同的成分而有著不同的處理方式 (Abdel-Raouf, 2012)。廢水處理的主要目的為減少廢水中含碳的有機物且降低氮與磷的化合物濃度，避免造成河川優養化 (Mohsenpour et al., 2021)。

傳統的廢水處理系統主要有兩個步驟，分別是一級處理及二級處理(Mohsenpour et al., 2021)。前者利用重力去除大部分的可沉澱固體，後者則是通過降低有機物來減少生化需氧量 (BOD)。盡管前述系統大幅減少了排放入河川的有機物與含氮 (N)、磷 (P) 的物質，但經過檢測仍發現這些處理過後的水仍含有高濃度氮與磷 (Mohsenpour et al., 2021)。雖然能夠利用後續的三級、甚至是四級處理來去除所有的有機分子，只是因汙水處理的能源需求會因處理層級上升而增加，而讓成本大幅提升 (Oswald, 1988; Abdel-Raouf, 2012)。再者，傳統廢水處理系統中經常利用活性污泥法去除一些懸浮

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固體及一部分的氮與磷，但容易產生大量的汙泥造成處理上的困難與耗費資金 (Milieu, 2003)。

專家為了解決資金成本上難處，將想法放到了生物上。微藻，以及其他真核藻類等被證實為可用於當今常規的生物處理工業 (Singh et al., 2015)。微藻能運用於廢水處理的基本原理在於其生長能夠利用廢水中的碳以及無機氮與磷，並藉此降低廢水中的含量，而能藉由將微藻加入系統中藉此產生氧氣 (O2) 提供異營細菌以分解含碳物 (Mohsenpour et al., 2021)。另外，微藻處理廢水時並僅需要簡單的處理步驟，不須像傳統工程一樣轉換操作環境 (Gouveia et al., 2016)。最後，微藻能作為生質能源進行提煉，作為生物產品的潛力相當巨大 (Mohan, 2016)。這些結果顯示了微藻為廢水處理三級處理提供更合適的選擇。儘管在廢水處理中使用微藻獲得了不錯的成果 (Renuka, 2015)。然而，在工業規模上使用微藻處理廢水仍有一些需要面對的財務障礙。主要挑戰在於透過提高設備可靠性以及降低所需土地面積來降低成本 (Capodaglio et al., 2020; Mohsenpour et al., 2021)。

根據面對的問題，大致可以分為經濟、生物及環境三類。首先，經濟方面的問題在於，不管是開發用於大規模生產的微藻需要極高的成本 (Collet et al., 2014)，亦或是培育與收穫過程中同樣需要耗費大量的能源 (Ahmed et al., 2022)。科學家們針對收穫的過程，提出使用生物絮凝法 (Bioflocculation) 收取微藻以保持其生物質效率 (Alam & Wang, 2019)。再者，生物方面的問題則是在於，由於廢水的成分不盡相同，其中的一些介質對微藻是具有毒性的 (Osundeko et al., 2014)。可進一步研究微藻與污水中介質的生化關係。最後，環境方面的問題取決於微藻生長所需的環境因子，例如光強度、溫度、pH、氧氣等如何達到最適合的標準(Alam & Wang, 2019)。

廢水處理中以微藻處理的步驟仍需要繼續進行研究，以確保其在經濟上可行且對環境是友善的。根據前述的一些問題，科學家們仍在尋找更為低成本且有效的方式克服其缺陷。參考文獻： Abdel R. N., Al-Homaidan A. A., & Ibraheem I. B. M. 2012. Microalgae and

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wastewater treatment. Saudi journal of biological sciences 19(3): 257-75. Mehariya S., Goswami R.K., Verma P., Lavecchia R., ＆ Zuorro A. 2021. Integrated Approach for Wastewater Treatment and Biofuel Production in Microalgae Biorefineries. Energies 14(8):2282. Wollmann, F., Dietze, S., Ackermann, J. U., Bley, T., Walther, T., Steingroewer, J., & Krujatz, F. 2019. Microalgae wastewater treatment: Biological and technological approaches. Engineering in life sciences 19(12): 860–871. Mohsenpour, S. F., Hennige, S., Willoughby, N., Adeloye, A., & Gutierrez, T. 2021. Integrating micro-algae into wastewater treatment: A review. The Science

of the total environment 752: 142168. Ahmed, S. F., Mofijur, M., Parisa, T. A., Islam, N., Kusumo, F., Inayat, A., Le, V. G., Badruddin, I. A., Khan, T., & Ong, H. C. 2022. Progress and challenges of contaminate removal from wastewater using microalgae biomass. Chemosphere 286: 131656.

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台灣核能與再生能源的結構轉型 Energy Systems Transformation of Nuclear Power and Renewable Energy in Taiwan 簡友立 CHIEN, Yu-Li 國立中山大學生物科學系 Department of Biological Sciences, National Sun Yat-Sen University 摘要自愛因斯坦發表其質能互換理論後，核能發展突破傳統學理框架，從二戰武器的開發至商業能源的應用，使在發電成本上可大幅降低的優勢被各國所積極利用，進而邁向全球化的核能時代。回顧台灣能源發展歷史中，隨著工業政策與技術成本的改變與發展，導致能源結構從早期的水力發電演變至目前主流的核能與火力發電系統，但世界陸續發生幾起在核安上重大事故以及全球對環境保護意識的抬頭，使得以安全訴求與永續發展為理念的再生能源逐漸興起，近幾年台灣政府也開始思考與推動非核家園政策，目標於 2025 年以再生能源的發電方式完全取代核能發電，但在供電穩定及能源成本上尚有待解決的問題，使各界對於此政策的可行性產生質疑。電力是國家社會與經濟成長的基礎，因此在電力結構的規劃和制定，必須長期考慮電力需求、安全風險、能源技術與對環境影響等因子，來評估能源發展的方向，藉由分析目前核能發展和再生能源的優勢與困境，討論兩者未來在台灣發展的趨勢。關鍵詞：核能發電、再生能源、核廢料、永續發展

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一、核能發現與應用核能亦稱原子能，是來自原子核的能量。原子是由質子、中子和電子三種基本粒子所組成的。帶正電的質子和不帶電的中子緊緊的結合在原子的中央，形成原子核，核外圍繞著帶負電的電子，中子是很活躍的粒子，當原子核被中子撞擊而分裂成兩個不同的原子核，或是因撞擊而融合時，都會釋放出能量，這種由於物質的質量改變而得到的能源，即是「核能」 (Bohr ＆ Wheeler, 1939)。 1905 年愛因斯坦發表其質能互換公式 (E＝MC2) 後，使科學家突破傳統學理，進而邁向核能時代。1939 年芝加哥大學研究人員進行核子分裂實驗，證實鈾可以產生連鎖反應並解釋相關機制，進而放出大量的能量 (Meitner & Frisch, 1939)。1945 年美國成功研發出原子彈並在日本投下 2 枚原子彈結束了第二次世界大戰。戰後，各國開始競爭研究並利用這種巨大能量用於商業發電，尤其至 1973 年石化能源危機發生之後，因大量核能建設可使單位發電成本降低，逐漸成為各國能源發電方式 (Yarrow, 1988)。二、台灣能源結構演變台灣光復前期，主要發電為水力發電模式，因此只能供應民生用電及農業用電，第二次世界大戰末期全省各地因受戰爭及天然災害影響，使電力系統遭受嚴重損害。五十年代後，發生國際間的能源危機，使得相關油價波動導致發電成本上升，並在政府推

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動十大建設下完成大量且多元的電力建設，漸漸核能發電成為目前台灣供應電力主要的能源之一 (Lee & Chang, 2005)，由於核能發電單位成本較火力發電低，並可提供充足的電力基礎，使得高科技等電子產業得以逐漸發展成為目前台灣主要產業結構，帶動經濟蓬勃發展 (Yin et al., 2001)。三、核能爭議與再生能源興起台灣天然礦產資源有限，目前多數發電原料需仰賴國外進口，但國際情勢變化快速，原料供應風險日益擴大，因此受國際原物料價格影響甚大，以及各國環保意識的抬頭與多項環境公約的簽訂。此外目前國際間也存在極端氣候的影響，使在核能發展上曾發生多次核電廠災害事故，進而造成嚴重傷亡，如 1979 年美國三浬島事件，1986 年俄國車諾比事件及 2011 年日本福島事件等輻射外漏等安全之疑慮，使有研究開始針對核電場事故後的短期和長期輻射暴露上，發現在人體上可能造成提高相關致癌等健康風險 (Christodouleas et al., 2011)，並推論不同核災事故在不同地區的死亡率模型影響 (Ten Hoeve & Jacobson, 2012)。另外核能發電所產生的高級核廢料是具有高放射性的物質，大部分需要經過化學處理、加工和固化成廢物形式並以進行永久隔離處置 (Ewing et al., 1995)。因此潛在的核事故機率與核廢料的選址處理、導致過量放射性在負面健康與環境影響的問題，是社會大眾對於核能發電的質疑與爭論議題 (Ho et al., 2014)。再生能源在研究中被認為是潔淨能源，主要優點是其可以不斷長期的供應發電來源與國家在能源供應上的獨立性，較可產生最少的二次廢物且在資源優化的利用上可以最大限度的減少對周邊環境的影響與破壞，符合目前和未來在經濟與社會需求上永續發展的目標 (Panwar et al., 2011)，因此台灣政府近年積極開發如水力發電、風力發電、太陽能發電等再生能源，目前在水力發電技術上是利用自然河流或興建大壩形成水位的高低差位能來轉化成電能，優點在於沒有產生任何的副產物與燃料成本 (Bakis, 2007) ;太陽能發電系統是經過太陽輻射通過大氣層的熱能轉換發電的裝置，收集熱能而轉換成電能的光電技術 (Kannan & Vakeesa, 2016) ;以及空氣流動具有的動能稱為風能，其原理為當空氣流速越高，動能越大，利用風力發動機可以把風的動能轉化成機械能，透過空氣動力推動的扇葉傳動軸，將旋轉動力傳送至發電機進而產生電能 (Şahin, 2004)。由於氣候變遷對人類帶來的警訊，以至於讓各國政府紛紛思考減碳節能政策，減少對化石能源的依賴性，有些國家便轉而以擴張核能發電為解決方式，可達減碳又同時享有成本低廉的效果，但自福島核災以後，許多國家原本擴張核能發電比例的計劃，開始漸漸受到國內質疑，並擬定政策降低對核能的依賴，以「棄核轉再」為主要能源政策目標，使再生能源的發展有更大的空間 (Moriarty & Honnery,

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2012)。四、台灣再生能源儲量與問題再生能源是以使用大自然取之不盡、用之不竭的能源為發電模式，但同時也由於受限於自然條件上的約束與相關技術上成本的考量，造成供電不穩定以及社會經濟接受度等問題。目前以台灣三個主要再生能源發展目標的儲量與問題來看： (一) 太陽能發電以內政部國有土地、老舊工業區以及可填海造陸面積為光電板可鋪設面積，並將中央氣象局各區域平均日照量計算兩者的總乘積，最後除以國家總面積，因此台灣每年單位面積的平均可發電日照量為 129 瓦/m2 (Chen et al., 2010)，而英國為 100 瓦/m2 (MacKay, 2008)，但在台灣安裝太陽能設備的土地條件卻很不合適，在人口密度上為居世界第六，以及台灣島上 2/3 的土地是山區，只有 1/3 真正能利用的土地集中在西部，使得台灣在安裝太陽能設施的土地面積上受到很大限制 (Yue & Huang, 2011)。 (二) 風力發電以台灣的地理條件可再細分為兩種建設模式：陸域與海域上的發電設備，前者安裝計算以沿海地區及建築物的屋頂上實施，但是實際上考慮噪音、安全與居民接受度等因素，實際安裝數量可能會隨之減少。而後者在隨著陸地可利用面積越來越少，海上風電場的發展是一大優勢，海上風電場可以避免受噪音或視覺衝擊的影響，以及土地成本問題，同時由於障礙物少，海面風速比內陸地區快，而且氣流平穩、穩定，因此海上風電場的整體可用性高於陸地風電場。但風力的大小隨著季節有變化性，使得現有技術下在提供穩定的電力與長期海風侵蝕機械的維修成本為最大問題 (Chen et al., 2010; Mishnaevsky & Thomsen, 2020)。 (三) 水力發電在台灣的開發上，有研究認為不應僅局限於傳統的大型水庫，而更可擴展應用至各類河流上設置中小型發電機，台灣年平均降雨量約 8 億噸，扣除機械運轉與水分蒸發 30% 的消耗，對台灣 30 條重要河流進行技術上可行性研究的發電潛力約為 25,700 兆瓦 (Chen & Lee, 2014)。但是由於水力建設所引起的生態和環境影響以及氣候季節性的變化，導致在空間和時間尺度上對生物多樣性的降低以及河川四季的水流量存在大幅度的變化，進而造成在供電上有不穩定性等問題，是大規模水力發電目前主要的開發障礙 (Rosenberg et al., 1997; Mukheibir, 2013)。五、核能與再生能源技術未來展望

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(一) 全球能源正處於向低碳發展轉型的重要時期，台灣核能發電與再生能源相比不受氣候與技術成本影響，使得可連續運轉，提供持續且穩定的電力輸出與低經濟成本，而滿足民生及工商業的需求。但核電仍存在產生放射性廢物以及發生核災事故對國家的風險等問題 (Pioro et al., 2019)，在前者的解決方式上有研究提出可利用生物技術的吸附，包括使用細菌、真菌、藻類等來源的生物吸附劑來分離濃縮放射性元素並添加有機和無機官能團至生物吸附劑的表面可顯著提高吸附容量，使得在空間選址儲存問題上可被解決 (Ashley & Roach 1990; Gupta et al., 2018)，以及另外在將原子裂變產物的放射性元素以玻璃固化的解決方法，通過放射性元素將之固定於硼矽酸鹽礦物玻璃中，然後成為整個玻璃體網絡形成的各個組成部分，使放射性能完全降低 (Ojovan & Lee, 2011)。而後者是透過設計改良縮減反應爐的大小與加速第四代核電廠的開發、改善核電廠的人力配置與管理文化並制定相關安全流程來作為發展目標 (Zhan et al., 2021; Wheatley & Sornette, 2016)。 (二) 因應海島型國家在再生能源供電上穩定性與成本的問題，前者問題在研究上提出透過現代電子技術研究及發展使電力有大量儲存並調節的可能性，提高島嶼電力供應的效率。在儲存上透過大型儲能建設，包括氫燃料電池、超導磁能存儲裝置等，當再生能源生產電力過剩時，能量會被儲存起來，而在電力需求旺盛時會釋放到電網中，使得在電壓與電流的頻率調控上得到穩定 (Argyrou et al., 2018; Cansiz et al., 2018)。並配合建設相關微電網、分布式與智能電網並與傳統集中式發電模式相比可降低在電力傳輸上的功效耗損以及建材成本 (Kuang et al., 2016)。電能存儲與先進的電網控制系統的共同發展建設，以用於再生能源的整合與利用，可實現更高的穩定性、供應性和電能質量 (Liang, 2016; Kroposki et al., 2017)；後者在目前以台灣的相關產業的公司資本和運營成本、儲能設備壽命和循環效率等技術是還有待被考慮與研究的 (Argyrou et al., 2018)，但目前政府在除了給予政策補助與人力研發外，也積極制定相關法案以建立適合的能源發展環境，有相關政策的支持對於再生能源是擴大台灣能源市場的關鍵因素 (Wu & Huang, 2006)。五、結果與討論能源的充足與穩定是農業、工業、高技和社會生活水平進步的關鍵因素，且具有多種能源的電力工業結構對於一個國家整體發展是非常重要的 (Díaz et al., 2019)。再生能源是全球大部分國家能源發展趨勢與目標，經過多項數據與研究評估指出台灣有適中的地理與緯度位置、周邊海峽風場強度以及豐沛的年降雨量，使得擁有豐富的再生能

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源利用潛力。但實際能源轉型綜合以上問題有三大困境：單位發電能量密度低、整體建設與市場成本高、技術未成熟而供電效率不穩，在可再生能源真正成為國家能源結構的主要組成之前，必須首先克服相關問題。核能發電其用地較小和發電量穩定且效率高，但缺點在於天然災害與人為疏失等風險與核廢料存放對社會有極大的危害與質疑，導致對核電廠安全及核廢料處置大多數持反對態度，因此政府需加強核電廠管理與設備上的更新以及在核廢料處理技和與儲存政策上需保證其安全與公開透明化，來取得民眾的信賴。以現階段經濟發展層面來看，在可再生能源的相關技術還未完全克服前，核能發展是較可容易達到用電之供需平衡，維持台灣供電系統的穩定，但在全球化的長遠環境保護與資源獨立的利用層面上，再生能源的發電方式確實是未來隨著技術改進而走向的目標趨勢。隨著時代的思想與科技的進步，使能源的發展逐漸朝向永續性、高效率、低成本為目標，才能發揮環境與社會的最大利用。參考文獻： Ashley, N. V., & Roach, D. J. 1990. Review of biotechnology applications to nuclear waste treatment. Journal of Chemical Technology & Biotechnology 49(4): 381-394. Argyrou, M. C., Christodoulides, P., & Kalogirou, S. A. 2018. Energy storage for electricity generation and related processes: Technologies appraisal and grid scale applications. Renewable and Sustainable Energy Reviews 94: 804-821. Bohr, N., & Wheeler, J. A. 1939. The mechanism of nuclear fission. Physical

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Integration of a SMES – battery-based hybrid energy storage system into microgrids. Journal of Superconductivity and Novel Magnetism 31(5): 1449-1457. Chuang, M. T., Chang, S. Y., Hsiao, T. C., Lu, Y. R., & Yang, T. Y. 2019. Analyzing major renewable energy sources and power stability in Taiwan by 2030. Energy

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energy reviews 15(3): 1513-1524. Pioro, I., Duffey, R. B., Kirillov, P. L., Pioro, R., Zvorykin, A., & Machrafi, R. 2019. Current status and future developments in nuclear-power industry of the world.

Journal of nuclear engineering and radiation science 5(2). Rosenberg, D. M., Berkes, F., Bodaly, R. A., Hecky, R. E., Kelly, C. A., & Rudd, J. W. 1997. Large-scale impacts of hydroelectric development. Environmental

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mechanisms in Taiwan. Renewable Energy 31(11): 1718-1732. Wheatley, S., Sovacool, B. K., & Sornette, D. 2016. Reassessing the safety of nuclear power. Energy Research & Social Science 15: 96-100. Yarrow, G. 1988. The price of nuclear power. Economic Policy 3(6): 81-132. Yin, S. A., Lu, C. N., Liu, E., Huang, Y. C., & Huang, C. Y. 2001. A survey on high tech industry power quality requirements. In 2001 IEEE/PES Transmission and Distribution Conference and Exposition. Developing New Perspectives (Cat. No. 01CH37294) (Vol. 1, pp. 548-553). IEEE. Yue, C. D., & Huang, G. R. 2011. An evaluation of domestic solar energy potential in Taiwan incorporating land use analysis. Energy Policy 39(12): 7988-8002. Zhan, L., Bo, Y., Lin, T., & Fan, Z. 2021. Development and outlook of advanced nuclear energy technology. Energy Strategy Reviews 34: 100630.

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遊客效應對動物園動物的影響 Visitor Effect on Zoo Animals 陳智棨 CHEN, Zhi-Qi 國立中山大學生物科學系 Department of Biological Sciences, National Sun Yat-Sen University 摘要 1960 年代以來，隨著受威脅和瀕危物種的保育漸漸受到重視，動物園的方向開始從娛樂轉向保育。現代動物園有五個目標：維持日常照護與福利、保育、公眾教育、研究和娛樂，在這之中遊客是動物園不可或缺的角色，遊客為動物園提供經濟上的支持，使動物園能完成其主要目標，但遊客的存在同時也會對動物福利產生影響，遊客行為對動物園動物是不可預測的刺激。由 Hosey 提出遊客效應 (Visitor Effect) 描述遊客對動物的影響，影響以三種關係呈現: (一) 正向關係，動物可能體驗過與遊客互動相關的正面情緒；(二) 中性關係，如果與人類的互動對動物沒有影響可能導致人類習慣化，動物無視人類的存在；或 (三) 負向關係，動物高度害怕人類並表現出迴避，刻板行為或是展現攻擊性，這種關係明顯是有損動物福利的，但在多數的研究之中結果多為負向關係。同時許多研究表明動物福利受損的跡象會影響到遊客對動物園的體驗進而使大眾對動物園的支持度降低，維持高標準的動物福利對於現代動物園十分重要，因此了解遊客與動物園動物的交互關系，動物園就能著手改善因遊客效應而受損的動物福利，進而傳達到動物園所要對民眾傳達的教育、保育等訊息。關鍵詞：動物福利 (animal welfare)、遊客效應 (visitor effects)、人與動物關係 (human-animal relationships)、動物園 (zoo)、動物行為 (animal behavior)

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動物會展現出行為反應環境中人類的存在，這個現象已經在不同類群的動物反覆被觀察並紀錄，大多數研究也證實這會對動物產生實質影響，在 1970 年代後期的畜牧業觀察到，即使動物被飼養在相似的物理環境中，但不同個體間依然有很大的福利差異，研究員發現到人類維度 (人類態度和行為) 在圈養環境中於動物福利方面發揮關鍵的作用 (Hemsworth, 2003)。最初人與動物關係 (human-animal relationships, HAR) 的概念廣泛使用在農場動物的研究中，描述飼養員與被照料的動物間不同品質和數量所產生的相互作用結果。隨後這個概念被引入動物園，應用在動物園內的動物。但動物園有其獨特性，不同於畜牧業，動物面對的不單只有飼養員，遊客是動物園動物環境的一個顯著特色。遊客行為是不可預測的，尤其是在聽覺和視覺交互方面可能對動物造成頻繁、密集而激烈的刺激。遊客效應一詞在 2000 年被提出並描述到「人類遊客的存在已被證明會影響不同動物園中不同哺乳動物的行為，但觀察到的行為變化並不總是與「壓力影響」一致 (Hosey, 2000)。在動物園中的 HAR 會以三種方式呈現：(一) 負向關係，動物高度害怕人類並表現出迴避，刻板行為或是展現攻擊性，這種關係明顯是有損動物福利的； (二) 中性關係，如果與人類的互動對動物沒有影響可能導致人類習慣化，動物無視人類的存在；或 (三) 正向關係，動物可能體驗過與遊客互動相關的正面情緒 (Sherwen

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& Hemsworth, 2019)。 Hediger 在 1969 提出假說，人類可能以以下方式對動物產生影響: 作為敵人、獵物、共生體、環境中的無生命體或同一物種，Hediger 提到遊客會被動物認為是敵人 (Hediger, 1969)。確實，在往後科學家對遊客效應的研究，除了極少數的案例與軼事中動物園動物會與遊客建立正向關係，其餘絕大多數研究指出遊客會對動物產生負向影響，例如：當與遊客接觸時，小藍企鵝 (Eudyptula minor) 表現出更高的群體內攻擊性、蜷縮、躲避遊客等行為 (Sherwen et al., 2015)。Chamove 等人針對動物園遊客行為和幾種不同靈長類動物所做的研究顯示遊客的存在與靈長類動物的活動呈現正相關 (緊迫而表現出積極行為)，當觀眾試圖與靈長類互動時，這種行為變得更加強烈，人類嘈雜、數量眾多並試圖與動物互動時，靈長類動物通常也對群體內和群體間的成員更有攻擊性、更少的社交行為和更多的異常行為 (Chamove et al., 1988)。生理指標、動物行為指標和健康指標為廣泛用於評估福利的三種指標，動物行為觀察又是相關研究中最常用於評估福利的方式，檢測行為表現對動物的干擾小且及時，迴避行為已被廣泛用作動物園動物對人類恐懼的指標，動物園動物的刻板行為是研究最多的福利指標，尤其在動物園中，因為它們相對容易被公眾觀察。刻板行為的呈現因物種和個體而有差異，例如: 靈長類動物的自殘行為、食肉目的踱步和蹄類動物舔食異物等(Sherwen & Hemsworth, 2019)。以飼育員作為評估動物福利的觀察者，飼育員長期與某一個體共事，有機會在各種情況下觀察該動物的行為表現，因此飼育員對該動物個體的幸福感進行評估時，飼養員的可靠性非常高 ( Whitham ＆ Wielebnowski, 2013)。動物園動物對遊客的反應主要受到遊客互動的性質和強度、圍欄設計和個體本身的個性或經歷影響，修改圍欄的設計是現今大部分動物園採用的方式。通過在大猩猩 (Gorilla gorilla gorilla) 和動物園遊客之間放置偽裝網來改變的大猩猩的行為，同時也改變了遊客的行為。安裝偽裝網後，遊客比以前更安靜、更放鬆，更少用敲打玻璃來吸引大猩猩的注意，這暗示偽裝網有效地使展覽看起來更自然 (Fernandez et al., 2009)。同樣的，保留動物從遊客身邊撤退的能力也可以減少或減輕與遊客相關的壓力 (Sherwen & Hemsworth, 2019)。遊客期待在動物園中看到高標準的動物福利，若無法提供良好的遊客體驗，動物園將

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難有收入以維持教育、保育、動物日常照護與維持動物福利等主要目標。了解遊客與動物園動物的交互關系，動物園就能著手改善因遊客效應而受損的動物福利，進而傳達到動物園所要對民眾傳達的教育、保育等訊息。相關領域的許多出版物都說明減少刻板行為可以確保良好的遊客體驗，遊客希望看到從事自然行為的動物。觀看動物表現符合該物種的行為有助於增加遊客與野生動物的聯繫，最終增加他們對保育的興趣 (Miller, 2011)。許多報告也表明動物園遊客若對動物園中的動物產生積極的看法，動物園遊客會更加支持保育工作。參考文獻： Hediger, H. 1970. Man and animal in the zoo. Routledge Kegan Paul; London, UK. Chamove, A. S., Hosey, G. R., & Schaetzel, P. 1988. Visitors excite primates in zoos. Zoo biology 7(4): 359-369. Nimon, A. J., ＆ Dalziel, F. R. 1992. Cross-species interaction and communication: a study method applied to captive siamang (Hylobates syndactylus) and long-billed corella (Cacatua tenuirostris) contacts with humans. Applied Animal Behaviour Science 33(2–3): 261-272. Hosey, G. R. 2000. Zoo Animals and Their Human Audiences: What is the Visitor Effect?. Animal welfare 9(4): 343- 357. Hemsworth, P. H. 2003. Human–animal interactions in livestock production.

Applied Animal Behaviour Science 81(3): 185-198. Margulis, S. W., Hoyos, C., ＆ Anderson. M. 2003. Effect of felid activity on zoo visitor interest. Zoo biology 22(6): 587- 599. Ballantyne, R., Packer, J., Hughes, K., ＆ Dierking, L. 2007. Conservation learning in wildlife tourism settings: lessons from research in zoos and aquariums. Environmental Education Research 13(3): 367-383. Hosey, G. 2008. A preliminary model of human–animal relationships in the zoo.

Applied Animal Behaviour Science 109(2–4): 105-127. Fernandez, E. J., Tamborski, M. A., Pickens, S. R., & Timberlake, W. 2009. Animal–visitor interactions in the modern zoo: Conflicts and interventions.

Applied Animal Behaviour Science 120(1–2): 1-8.

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Miller, L. J. 2011. Visitor reaction to pacing behavior: influence on the perception of animal care and interest in supporting zoological institutions.

Zoo biology 31(2): 242–248. Whitham, J. C., ＆ Wielebnowski, N. 2013. New directions for zoo animal welfare science. Applied Animal Behaviour Science 147(3–4): 247-260. Sherwen, S. L., Magrath, M. J. L., Butler, K. L., & Hemsworth, P. H. 2015. Little penguins, Eudyptula minor, show increased avoidance, aggression and vigilance in response to zoo visitors. Applied Animal Behaviour Science 168: 7176. Collins, C., Quirke, T., McKeown, S., Flannery, K., Kennedy, D., & O' Riordan, R. 2019. Zoological education: Can it change behaviour?. Applied Animal

Behaviour Science 220: 104857. Sherwen, S. L., & Hemsworth, P. H. 2019. The visitor effect on zoo animals: Implications and opportunities for zoo animal welfare. Animals 9(6): 366.

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2022 年 5 月 14-15 日

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運用 Wolbachia 來防止登革熱病毒傳播 Using Wolbachia to Prevent Dengue Virus from Disseminating 李佳馨 LEE, Jia-Xin 國立中山大學生物科學系 Department of Biological Sciences, National Sun Yat-Sen University 摘要防治登革熱是 20 世紀以來重要的公共衛生議題，由於人口增長、人類活動及氣候變化，登革熱的傳播愈來愈廣，加上登革熱至今仍缺乏有效且廣泛使用的疫苗及藥物，於是科學家們將防治的重心放在如何抑制病媒蚊傳播登革熱上。Wolbachia 是一種母系遺傳的絕對細胞內共生菌，帶有此菌之蚊子擁有抑制病毒之特性，此外，

Wolbachia 也具有生殖優勢，感染此菌之蚊子的受精卵會發生細胞間質不相容 (cytoplasmic incompatibility)，導致子代死亡或是使子代全都帶有 Wolbachia，利用這些特性可發展防治登革熱的策略，本篇文章將探討可防治登革熱之 Wolbachia 品系的比較、Wolbachia 對於病媒蚊之族群控制策略，以及 Wolbachia 之展望與潛在風險。關鍵詞： Wolbachia、 dengue virus (登革熱病毒)、 cytoplasmic incompatibility (細胞間質不相容)、 Aedes aegypti (埃及斑蚊)、 Aedes albopictus (白線斑蚊)

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一、防止登革熱傳播的重要性登革熱 (dengue fever) 是由登革熱病毒 (dengue virus; DENV) 所引起的一種傳染病，主要由雌性埃及斑蚊 (Aedes aegypti) 、白線斑蚊 (Aedes albopictus) 傳播，並且擁有四種 DENV 血清型，即 dengue-1、-2、-3 和 -4，雖然在第一次感染某 DENV 血清型可獲得該血清型之終身免疫，倘若下次感染為不同血清型之 DENV，則可能導致嚴重的登革綜合徵 (dengue severe syndrome) 或是登革出血熱 (dengue hemorrhagic fever; DHF)(Guzman et al., 2013)。目前缺乏廣泛且有效的登革熱疫苗及藥物，防止登革熱的主要措施為環境清潔、殺蟲劑控制病媒蚊數量，然而殺蟲劑可能造成環境負擔，蚊子也可能藉由這個天擇壓力而突變出殺蟲劑的抗藥性，運用

Wolbachia 防止登革熱病毒傳播的策略則可避免上述問題。二、何為 Wolbachia？Wolbachia 如何防止登革熱病毒的傳播？

Wolbachia 是立克次體目 (Rickettsiales) Wolbachia 屬，母系遺傳的絕對細胞內共生菌，據估計，自然界約有 40-60%的昆蟲物種都帶有此共生菌 (Hilgenboecker et al., 2008)。當病媒蚊感染特定品系的 Wolbachia，會使蚊子細胞不易感染 DENV，因其具有抑制病原體的作用，例如：免疫基因、產生活性氧的基因、甲基轉移酶基因的活化，抑制了 DENV 的複制 (Pan et al., 2012; Moreira et al., 2009; Silva et al., 2017)；影響 non-coding RNA 的表現，調節受感染細胞的病毒複製 (Mayoral et al., 2014)； 123

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通過其他細胞機制 (RNAi、sfRNA) 間接調節宿主基因 (Kambris et al., 2009)；透過有限資源的競爭、血管運輸、膽固醇擾動造成之脂質代謝等方式來抑制病毒複製 (Moreira et al., 2009; Rainey et al., 2016)。此外，也會造成宿主適存度代價 (fitness cost)，例如：壽命減短 (Flores et al., 2020)、代謝負擔 (Frentiu et al., 2010)。在生殖層次上， Wolbachia 會導致宿主生殖異常，如細胞間質不相容 (cytoplasmic incompatibility; CI)(Breeuwer & Werren, 1990)，起因於父親染色體丟失導致的胚胎死亡 (Tram & Sullivan, 2002)，這個作用與 Wolbachia 在宿主體內的密度有關 (Clancy & Hoffmann, 1998)。因此可利用這幾個特性來發展防治病媒蚊的策略。三、有效防止登革熱之 Wolbachia 品系與比較釋放之 Wolbachia 品系成功入侵族群，取決於 Wolbachia 的初始頻率以及任何宿主的適存度代價 (Walker et al., 2011)。理想的品系需要有幾個特性：強大的 CI 效應、易於入侵野外族群、能夠抑制病毒傳播、對宿主有穩定的影響 (Hoffmann et al., 2015)。以下將 Wolbachia 品系就 CI 效應、適存度代價及病毒抑制力做比較： (一)ωMel 感染之埃及斑蚊擁有完整的 CI 效應，適存度代價最低，但會造成宿主壽命縮短以及繁殖力降低，對 DENV 的抑制力中等 (Ferguson et al., 2015) 或高 (Frentiu et al., 2014)；感染之白線斑蚊則有完整的 CI 效應，適存度代價未知，對 DENV 的抑制力高 (Blagrove et al., 2012)。(二) ωMelPop 感染之埃及斑蚊有完整的 CI 效應，會造成宿主壽命縮短(McMeniman et al., 2009)，病毒抑制力高 (Walker et al., 2011)；感染之白線斑蚊則有低或無的 CI 效應，但顯著減少孵化率 (Suh et al., 2009)，病毒抑制力未知。(三) ωAlbA 和ωAlbB 感染之埃及斑蚊擁有完整的 CI 效應，減少卵的存活率以及縮短壽命，對 DENV 的抑制力高；感染之白線斑蚊則增加宿主的壽命與繁殖力，但沒有抑制 DENV 的能力 (Bian et al., 2010)。四、Wolbachia 對於病媒蚊之族群控制策略運用 Wolbachia 控制病媒蚊族群的策略分為兩種，分別為族群取代策略 (population replacement) 及族群抑制策略 (population suppression)。族群取代策略是透過釋放帶有 Wolbachia 的雌性蚊子，這些雌性蚊子在與雄性 (受 Wolbachia 感染或未感染) 交配後產生的子代可以存活，然而這些子代皆帶有 Wolbachia，從而使 Wolbachia 在族群中廣泛傳播。族群抑制策略則是釋放帶有 Wolbachia 的雄性蚊子，這些雄蚊在與雌性（未感染 Wolbachia）交配後產生的受精卵會產生細胞間質不相容，子代不可

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存活，藉由減少蚊子總數來抑制 DENV 傳播。然而族群抑制策略可能導致生態破壞和次生害蟲出現的風險 (Fang, 2010)，因此，採用族群取代策略為對生態較友好的方式。利用族群取代策略可以特異性地減少 DENV 的傳播，同時將族群保持在其原始生態棲位 (niche)，並限制次生害蟲出現的風險 (Carballar-Lejarazú & James, 2017)。過去認為 Wolbachia 並不存在於自然界的埃及斑蚊，然而，越來越多的證據表明野生的埃及斑蚊中天然存在 Wolbachia (Balaji et al., 2019; Bennett et al., 2019) ，由於

Wolbachia 強大的 CI 效應，使得原生 Wolbachia 的存在會增加族群取代策略的不穩定性，從而削弱蚊蟲控制計劃的功效。此外，第二次族群取代的效率可能低於第一次，計算模型的結果表明，除非使用正確的 Wolbachia 品系，否則天擇將有利於具有較低適存度代價的菌株，從而取代現有的 Wolbachia 攜帶族群 (Crain et al., 2013)。五、Wolbachia 之展望與潛在風險運用 Wolbachia 來防治登革熱，是一種新興且有效的策略，且 Wolbachia 不感染脊椎動物，在使用上對人和環境較安全 (Werren et al., 2008)。但 Wolbachia 對宿主的作用可能會隨著環境和昆蟲的年齡而發生變化，例如天然抗生素的存在 (Clancy and Hoffmann, 1998)、極端溫度 (Mouton et al., 2007; Bordenstein & Bordenstein, 2011)、蚊子雄性和雌性的年齡 (Unckless et al., 2009) 以及這些因素之間的交互作用 (Mouton et al., 2007; Bordenstein & Bordenstein, 2011)。除此之外，不確定人工釋放帶有 Wolbachia 的蚊子對於當地生態的長期影響？釋放 Wolbachia 之抗 DENV 傳播作用能持續多久？Wolbachia 讓宿主產生的適存度代價 (例如：生育力和存活率降低)，是否會導致蚊子適應性演化，抗病毒表型因而減少或喪失？以及病毒本身是否會突變出抗 Wolbachia 的能力 (Yen & Failloux, 2020)？因此，如果目標是達到持續的控制，則必須制定一個監測和預防計劃，避免上述風險的產生。參考文獻： Balaji, S., Jayachandran, S., & Prabagaran, S. R. 2019. Evidence for the natural occurrence of Wolbachia in Aedes aegypti mosquitoes. FEMS Microbiology

Letters 366(6): fnz055. Bennett, K. L., Gómez-Martínez, C., Chin, Y., Saltonstall, K., McMillan, W. O., Rovira, J. R., & Loaiza, J. R. 2019. Dynamics and diversity of bacteria associated with the disease vectors Aedes aegypti and Aedes albopictus. Scientific Reports 9(1): 12160.

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Bian, G., Xu, Y., Lu, P., Xie, Y., & Xi, Z. 2010. The endosymbiotic bacterium

Wolbachia induces resistance to dengue virus in Aedes aegypti. PLOS Pathogens 6(4): e1000833. Blagrove, M. S., Arias-Goeta, C., Failloux, A. B., & Sinkins, S. P. 2012. Wolbachia strain wMel induces cytoplasmic incompatibility and blocks dengue transmission in Aedes albopictus. Proceedings of the National Academy of Sciences of the

United States of America 109(1): 255–260. Bordenstein, S. R., & Bordenstein, S. R. 2011. Temperature affects the tripartite interactions

between

bacteriophage

WO,

Wolbachia, and cytoplasmic

incompatibility. PlOS One 6(12): e29106. Breeuwer, J. A., & Werren, J. H. 1990. Microorganisms associated with chromosome destruction and reproductive isolation between two insect species. Nature 346(6284): 558–560. Carballar-Lejaraz ú , R., & James, A. A. 2017. Population modification of Anopheline species to control malaria transmission. Pathogens and Global

Health 111(8): 424–435. Clancy, D. J., & Hoffmann, A. A. 1998. Environmental effects on cytoplasmic incompatibility and bacterial load in Wolbachia-infected Drosophila simulans.

Entomologia Experimentalis et Applicata 86: 13-24. Crain, P. R., Crowley, P. H., & Dobson, S. L. 2013. Wolbachia re-replacement without incompatibility: potential for intended and unintended consequences.

Journal of Medical Entomology 50(5): 1152–1158. Fang J. 2010. Ecology: A world without mosquitoes. Nature 466(7305): 432–434. Ferguson, N. M., Kien, D. T., Clapham, H., Aguas, R., Trung, V. T., Chau, T. N., Popovici, J., Ryan, P. A., O'Neill, S. L., McGraw, E. A., Long, V. T., Dui, l., Nguyen, H. L., Chau, N. V., Wills, B., & Simmons, C. P. 2015. Modeling the impact on virus transmission of Wolbachia-mediated blocking of dengue virus infection of

Aedes aegypti. Science Translational Medicine 7(279): 279ra37. Flores, H. A., Taneja de Bruyne, J., O'Donnell, T. B., Tuyet Nhu, V., Thi Giang, N., Thi Xuan Trang, H., Thi Thuy Van, H., Thi Long, V., Thi Dui, L., Le Anh Huy, H., Thi Le Duyen, H., Thi Van Thuy, N., Thanh Phong, N., Van Vinh Chau, N., Thi Hue Kien, D., Thuy Vi, T., Wills, B., O'Neill, S. L., Simmons, C. P., & Carrington, L. B.

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2020. Multiple Wolbachia strains provide comparative levels of protection against dengue virus infection in Aedes aegypti. PLOS Pathogens 16(4): e1008433. Frentiu, F. D., Robinson, J., Young, P. R., McGraw, E. A., & O'Neill, S. L. 2010.

Wolbachia-mediated resistance to dengue virus infection and death at the cellular level. PLOS One 5(10): e13398. Frentiu, F. D., Zakir, T., Walker, T., Popovici, J., Pyke, A. T., van den Hurk, A., McGraw, E. A., & O'Neill, S. L. 2014. Limited dengue virus replication in fieldcollected Aedes aegypti mosquitoes infected with Wolbachia. PLOS Neglected

Tropical Diseases 8(2): e2688. Guzman, M. G., Alvarez, M., & Halstead, S. B. 2013. Secondary infection as a risk factor for dengue hemorrhagic fever/dengue shock syndrome: an historical perspective and role of antibody-dependent enhancement of infection. Archives

of Virology 158(7): 1445–1459. Hoffmann, A. A., Ross, P. A., & Rašić, G. 2015. Wolbachia strains for disease control:

ecological

and

evolutionary

considerations. Evolutionary

Applications 8(8): 751–768. Kambris, Z., Cook, P. E., Phuc, H. K., & Sinkins, S. P. 2009. Immune activation by life-shortening Wolbachia and reduced filarial competence in mosquitoes.

Science 326(5949): 134–136. Mayoral, J. G., Etebari, K., Hussain, M., Khromykh, A. A., & Asgari, S. 2014.

Wolbachia infection modifies the profile, shuttling and structure of microRNAs in a mosquito cell line. PlOS One 9(4): e96107. McMeniman, C. J., Lane, R. V., Cass, B. N., Fong, A. W., Sidhu, M., Wang, Y. F., & O'Neill, S. L. 2009. Stable introduction of a life-shortening Wolbachia infection into the mosquito Aedes aegypti. Science 323(5910): 141–144. Moreira, L. A., Iturbe-Ormaetxe, I., Jeffery, J. A., Lu, G., Pyke, A. T., Hedges, L. M., Rocha, B. C., Hall-Mendelin, S., Day, A., Riegler, M., Hugo, L. E., Johnson, K. N., Kay, B. H., McGraw, E. A., van den Hurk, A. F., Ryan, P. A., & O'Neill, S. L. 2009. A Wolbachia symbiont in Aedes aegypti limits infection with dengue, Chikungunya, and Plasmodium. Cell 139(7): 1268–1278. Mouton, L., Henri, H., Charif, D., Boulétreau, M., & Vavre, F. 2007. Interaction

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between host genotype and environmental conditions affects bacterial density in Wolbachia symbiosis. Biology Letters 3(2): 210–213. Pan, X., Zhou, G., Wu, J., Bian, G., Lu, P., Raikhel, A. S., & Xi, Z. 2012. Wolbachia induces reactive oxygen species (ROS)-dependent activation of the Toll pathway to control dengue virus in the mosquito Aedes aegypti. Proceedings of the

National Academy of Sciences of the United States of America 109(1): 23–31. Rainey, S. M., Martinez, J., McFarlane, M., Juneja, P., Sarkies, P., Lulla, A., Schnettler, E., Varjak, M., Merits, A., Miska, E. A., Jiggins, F. M., & Kohl, A. 2016.

Wolbachia blocks viral genome replication early in infection without a transcriptional response by the endosymbiont or host small RNA pathways. PLOS

Pathogens 12(4): e1005536. Suh, E., Mercer, D. R., Fu, Y., & Dobson, S. L. 2009. Pathogenicity of lifeshortening Wolbachia in Aedes albopictus after transfer from Drosophila

melanogaster. Applied and Environmental Microbiology 75(24): 7783–7788. Tram, U., & Sullivan, W. 2002. Role of Delayed Nuclear envelope breakdown and mitosis in Wolbachia-Induced cytoplasmic incompatibility. Science 296(5570): 1124-1126. Unckless, R. L., Boelio, L. M., Herren, J. K., & Jaenike, J. 2009. Wolbachia as populations within individual insects: causes and consequences of density variation in natural populations. Proceedings Biological Sciences 276(1668): 2805–2811. Walker, T., Johnson, P. H., Moreira, L. A., Iturbe-Ormaetxe, I., Frentiu, F. D., McMeniman, C. J., Leong, Y. S., Dong, Y., Axford, J., Kriesner, P., Lloyd, A. L., Werren, J., Baldo, L., & Clark, M. 2008. Wolbachia: master manipulators of invertebrate biology. Nature Reviews. Microbiology 6(10): 741–751 Yen, P. S., & Failloux, A. B. 2020. A Review: Wolbachia-based population replacement for mosquito control shares common points with genetically modified control approaches. Pathogens 9(5): 404.

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在微藻中增強固碳效率的策略 Strategies for Enhancing Efficiency of Carbon Fixation in Microalgae 黃育嘉 HUANG, Yu- Jia 國立中山大學生物科學系 Department of Biological Sciences, National Sun Yat-Sen University 摘要全球能源需求不斷提高以及可持續性發展理論逐漸受到重視，需要更多的可持續性燃料替代化石燃料。基因工程微藻是第四代生物燃料的發展重心，這些微藻在基因編輯後具有更高的固碳效率。微藻固碳的主要途徑是卡爾文循環，然而核酮糖-1, 5-二磷酸羧化酶/加氧酶 (Ribulose-1, 5-bisphosphate carboxylase/oxygenase, RuBisCO) 的低效率導致了卡爾文循環整體固碳效率低。文中介紹了微藻為何成為生物燃料的優先選擇，還簡介了卡爾文循環中的 RuBisCO 機制，以及 RuBisCO 演化過程中權衡專一性和反應速率。在固碳效率如何提升的問題上，討論了透過基因工程提高微藻固碳效率的方法。最後，總結了基因工程微藻提高固碳作用的現況與這些策略的衍生問題。關鍵詞：卡爾文循環、RuBisCO、微藻、固碳作用、生物燃料

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一、微藻是可持續性燃料的發展重心自人類文明發展以來，全球能源需求日益增加，大氣二氧化碳的濃度呈現上升趨勢，來自燃燒化石燃料的二氧化碳貢獻大約 80%，而且作為溫室氣體的二氧化碳在大氣中不斷累積，預計會帶來更多全球氣候問題，尤其是全球暖化的嚴重性。人類意識到未來的危機便開始注重可持續性發展，推動可持續性能源來達到碳中和，屬於可持續性能源的生物燃料將逐步取代石油和煤炭等化石燃料。過去十多年來在生物燃料的開發已經有很大的進展，生物燃料依原料定義分成四個世代。第一代生物燃料以糧食作物為原料進行生產，例如玉米、小麥和其他含有澱粉和油的穀物，缺點是和農業生產競爭。第二代生物燃料使用農業廢棄物或非糧食作物進行生產，例如木質纖維、稻稈，避免與糧食生產競爭。第三代生物燃料專門工業化養殖藻類提取藻油並轉化成生質柴油，主要多了高產量和固碳對環境的正面效益，缺點是面臨到經濟效益太低的障礙而無法普及。第四代生物燃料利用基因工程改造微生物的代謝途徑並直接合成目標產物，能夠利用太陽能來捕獲碳源的微藻更具有優勢，能夠彌補前面三代的主要缺點，是未來生物燃料的開發重點 (Singh et al., 2021)。二、微藻的固碳效率微藻是光合生物，以非常有效率的方式將陽光轉化為化學能，利用水和大氣中的二氧

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化碳產生有價值的有機物，除氫氣不含碳之外，如蛋白質、碳水化合物和脂質都含有碳成分。有些微藻生長較植物快速，不用與糧食作物競爭且比較省水，微藻的理論產量約為 77 g biomass m-2 day-1，可以轉換約 10%的太陽能，但是實際微藻的光合效率佔可用太陽能的 1%到 5%，而且陽光的強度會隨時間變動，微藻在最大太陽光下時，有 80%到達葉綠體的能量以熱量或螢光的形式損失掉而無法進行光反應。進到細胞的能量由光反應傳換成 ATP 和 NADPH 供應卡爾文循環進行固碳，然而 RuBisCO 的低效率阻礙了卡爾文循環的固碳效率，很多酵素可以每秒催化上千分子，而 RuBisCO 每秒只固定 2 到 10 個二氧化碳分子 (Sørensen et al., 2022)。三、RuBisCO 為何如此低效率? 直至今日，卡爾文循環都被認為是低效率的固碳機制，但是超過九成的生物有機碳是經由 RuBisCO 催化而來。普遍接受的低效率原因是在 RuBisCO 演化過程中，第一次氧化事件之前就已經進化出類似功能，RuBisCO 的催化效率在無氧大氣中不受氧氣限制，隨著大氣中氧氣濃度漸增，RuBisCO 需要區分氧氣和二氧化碳，RuBisCO 在錯誤率與催化效率進行權衡。RubisCO 提高對二氧化碳的結合能力就會降低效率，較快的 RubisCO 會承受較高的氧氣結合率，而且 RuBisCO 的賴氨酸活化位點需要鎂離子與二氧化碳的存在才能活化 (Erb & Zarzycki, 2018)。 RuBisCO 在存在二氧化碳的情況下進行羧化反應 (Carboxylation) 將一分子的核酮糖 -1,5-二磷酸 (RuBP) 切成兩分子的 3-磷酸甘油酸 (PGA)，PGA 經由 ATP 和 NADPH 參與的機制生成甘油醛 3-磷酸 (G3P)，釋出一分子 G3P 成為合成葡萄糖的原料，剩餘的 G3P 會回收並合成為 RuBP，再提供給 RuBisCO 進行下次反應。當 RubisCO 結合氧氣的時候會進行氧合反應 (Oxygenation)，進入光呼吸循環，催化一分子的 RuBP，產生一分子的 PGA 和一分子的 2-磷酸甘油酸 (PG)，PG 對細胞具有毒性而需要先透過消耗 ATP 和 NADPH 的機制，經過過氧化小體和粒線體解毒並生成一分子的 PGA，過程中會消耗氧氣產生二氧化碳，最後 PGA 再回收生成 RuBP，是相對耗能的固碳途徑。四、提高微藻固碳效率的方法 2007 年，Chlamydomonas reinhardtii 作為第一個被基因組定序的綠藻，其作為模式生物對微藻研究有很多幫助，也隨著更多微藻基因被定序加上基因編輯技術的進步，使得近年來在微藻的研究蓬勃發展，至今已經有很多微藻基因組數據庫 (Fu et al., 2019)。科學家看好微藻的潛力，使用基因工程來提升固碳效率。利用基因工程提高

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微藻固碳效率的方法很多，在 Barati 等人在基因工程微藻固碳評論中有更廣泛的介紹 (Barati et al., 2021)，本文針對二氧化碳參與的代謝過程列舉了三種，（一）優化卡爾文循環中的酵素，（二）通過碳濃縮機制改善 RubisCO 的工作環境，（三）基因工程合成二氧化碳固定途徑。（一）優化卡爾文循環中的酵素卡爾文循環分為三個階段，羧化階段、還原階段和再生階段。固碳效率不僅取決於 Rubisco 的羧化效率，還取決於 RuBP 的再生能力。醛縮酶被認為是一種非調節酶，催化活性僅受反應物濃度調控，在調節固碳中起重要作用。在 Chlorella vulgaris 中引入 Synechocystis sp. PCC 6803 的醛縮酶 (Aldolase) 進行表達，醛縮酶加速 Fructose 1,6-bisphosphate(FBP)和 sedoheptulose 1,7-bisphosphate (SBP) 的生成，因此提高下游 RuBP 的再生速率，提高了固碳效率的同時也加速了 ATP 和 NADPH 的周轉，使整個光合作用的效率也獲得提高 (Yang et al., 2017)。將 C. reinhardtii 的 Fructose 1,6-bisphosphatase (FBPase) 引入 Dunaliella bardawil 提高了甘油的產生 (Fang et al., 2012)。在 Euglena gracilis 葉綠體中表達 FBP/SBPase，蠟酯的生產力比野生型高約 13 至 100 倍 (Ogawa et al., 2015)。這些發現表明提高卡爾文循環中的 FBPase 和 SBPase 是提高微藻光合固碳效率的關鍵位置。另一種通過調節 RuBisCO 活性的方法中，通過過表達 RuBisCO 活化酶 (RCA)維持 RuBisCO 活性，RCA 的基因編碼是 cbbX，主要透過 ATP 依賴性的氨基甲醯化 (carbamylation)，移除結合在活性位點的抑制分子，結果顯示 Nannochloropsis oceanica 的生物量累積得更多 (Wei et al., 2017)。科學家嘗試在細菌和植物 RuBisCO 缺失突變體中引入外源基因，以及在 C. reinhardtii 中也引入外源 RuBisCO 小亞基來提高羧化速率，然而僅導致生長的小幅度改善，可能因為 RuBisCO 通常需要特定的激活酶或伴侶蛋白，因此 RuBisCO 的異源表達存在挑戰 (Naduthodi et al., 2021)。除了上述的方法之外也可以在微藻中引入高效率的 RuBisCO，有些紅藻的 RuBisCO 專一性因子特別的高可能是提高固碳作用的方法，不過組裝結構複雜的酵素在基因工程上會是一大挑戰 (Naduthodi et al., 2021)。（二）通過碳濃縮機制改善 RubisCO 的工作環境大部分微藻發展出碳濃縮機制，以低耗能方式主動累積二氧化碳在葉綠體中，在部分藻類中存在蛋白核 (Pyrenoid) 防止二氧化碳逃逸，RubisCO 通常位於蛋白核，更高的二氧化碳濃度大大減少 RuBisCO 進行光呼吸。在 Nannochloropsis salina 表達 C.

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reinhardtii 中的碳酸氫鹽轉運蛋白，通過增加無機碳濃度提高了長生速率和生物量 (Gao et al., 2015)。由於碳濃縮機制涉及多個步驟和途徑，優化碳濃縮機制的策略還處於早期階段。（三）基因工程合成二氧化碳固定途徑除了優化卡爾文循環之外，一些科學家從人工合成的固碳機制中找尋突破口。其中一個熱門的研究是 crotonyl-CoA/ethylmalonyl-CoA/hydroxybutyryl-CoA (CETCH) 循環，利用來自九種不同生物來源的 17 種酵素進行反應，主要由 crotonyl-CoA carboxylase/reductase (CCR) 進行二氧化碳捕獲，代謝途徑符合熱力學的限制，在體外試驗具有和卡爾文循環同等的固碳效率 (Schwander et al., 2016)。由於中間產物為活性較低的乙醛酸，其不容易進入其他代謝途徑，在細胞中是否能夠重現仍是一大挑戰。五、結論和觀點面對未來糧食問題、全球暖化、能源需求等問題，能夠提高固碳效率跟降低固碳成本至關重要。現代的基因工程給予微藻固碳途徑很大的發展空間，已經用於生產很多種類的蛋白質產品。然而要作為生物燃料還是面臨成本過高，基因工程微藻的正面效益追上營運成本還需要一段時間，而飛機、火箭等需要高能量密度燃料的重型機械可以是發展生物燃料的首要目標。在 RuBisCO 活性上進行增強的成果有限，或許 RuBisCO 已經在演化過程中已經達到最佳化了。優化卡爾文循環或是替換掉卡爾文循環固碳途徑還在初始階段，仍在探索各種基因的功能。RuBisCO 是一個低效率的酵素，科學家避免光呼吸是最為常見的策略，但是演化的過程中保留了光呼吸作用，是否表示其有存在的必要性，以及是否要改變過去以避免光呼吸為目的策略。隨著基因工程的發展，提高固碳效率已經有愈來愈多策略，而哪一種策略才是最省成本且最快投入可持續性能源的最佳解方? 目前還需要更多的基因工程及代謝工程研究對微藻進行探勘，只有等到未來才能驗證固碳機制的革命。參考文獻： Barati, B., Zeng, K., Baeyens, J., Wang, S., Addy, M., Gan, S.-Y., & El-Fatah Abomohra, A. 2021. Recent progress in genetically modified microalgae for enhanced carbon dioxide sequestration. Biomass and Bioenergy 145(105927). Erb, T. J., & Zarzycki, J. 2018. A short history of RubisCO: The rise and fall of Nature’s predominant CO2 fixing enzyme. Current Opinion in Biotechnology

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49: 100–107. Fang, L., Lin, H. X., Low, C. S., Wu, M. H., Chow, Y., & Lee, Y. K. 2012. Expression of the Chlamydomonas reinhardtii Sedoheptulose-1,7-bisphosphatase in

Dunaliella bardawil leads to enhanced photosynthesis and increased glycerol production. Plant Biotechnology Journal 10(9):1129–1135. Fu, W., Nelson, D. R., Mystikou, A., Daakour, S., & Salehi-Ashtiani, K. 2019. Advances in microalgal research and engineering development. Current Opinion

in Biotechnology 59:157–164. Gao, H., Wang, Y., Fei, X., Wright, D. A., & Spalding, M. H. 2015. Expression activation and functional analysis of HLA3, a putative inorganic carbon transporter in Chlamydomonas reinhardtii. The Plant Journal 82(1):1–11. Gerotto, C., Norici, A., & Giordano, M. 2020. Toward Enhanced Fixation of CO2 in Aquatic Biomass: Focus on Microalgae. Frontiers in Energy Research 8. Naduthodi, M. I. S., Claassens, N. J., D’Adamo, S., van der Oost, J., & Barbosa, M. J. 2021. Synthetic Biology Approaches To Enhance Microalgal Productivity.

Trends in Biotechnology 39(10): 1019–1036. Ogawa, T., Tamoi, M., Kimura, A., Mine, A., Sakuyama, H., Yoshida, E., Maruta, T., Suzuki, K., Ishikawa, T., & Shigeoka, S. 2015. Enhancement of photosynthetic capacity in Euglena gracilis by expression of cyanobacterial fructose-1,6/sedoheptulose-1,7-bisphosphatase leads to increases in biomass and wax ester production. Biotechnology for Biofuels 8(1):80. Schwander, T., Schada von Borzyskowski, L., Burgener, S., Cortina, N. S., & Erb, T. J. 2016. A synthetic pathway for the fixation of carbon dioxide in vitro. Science 354 (6314):900–904. Sørensen, M., Andersen-Ranberg, J., Hankamer, B., & Møller, B. L. 2022. Circular biomanufacturing through harvesting solar energy and CO2. Trends in Plant Science. doi: 10.1016/j.tplants.2022.03.001. Singh, V., Tiwari, R., Chaturvedi, V. K., Singh, N., & Mishra, V. 2021. Microbiological Aspects of Bioenergy Production: Recent Update and Future Directions. In M. Srivastava, N. Srivastava, & R. Singh (Eds.), Bioenergy Research:

Revisiting Latest Development 29–52. Wei, L., Wang, Q., Xin, Y., Lu, Y., & Xu, J. (2017). Enhancing photosynthetic

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biomass productivity of industrial oleaginous microalgae by overexpression of RuBisCO activase. Algal Research, 27: 366–375. Yang, B., Liu, J., Ma, X., Guo, B., Liu, B., Wu, T., Jiang, Y., & Chen, F. 2017. Genetic engineering of the Calvin cycle toward enhanced photosynthetic CO2 fixation in microalgae. Biotechnology for Biofuels 10(1):229.

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細菌如何應用於化療之中 How Bacteria Used in Chemotherapy 林哲宇 LIN, Zhe-Yu 國立中山大學生物科學系 Department of Biological Sciences, National Sun Yat-Sen University 摘要作為對抗癌症的傳統手段，化療依然有著副作用大、藥物遞送效率低等缺點需克服，而某些特定種類的細菌 (以兼性厭氧菌為主)，具有定殖於腫瘤中的傾向，且擁有鑽入腫瘤深處的能力; 利用這種特性，可將化療藥物連結在細菌上，由細菌將藥物精準並深入的帶入腫瘤之中，實現兼具有效清除腫瘤和降低副作用的治療; 此外，將經過修飾，不具毒性的前藥投與全身，再投入能表現前藥轉化酶的細菌，能夠僅將進入腫瘤的前藥轉化成具有治療效果的形式，同樣能實現對腫瘤的精準打擊; 最後，細菌的衍生物如微細胞等也因為對各種治療用物質 (藥物和基因片段等) 兼容性高和安全性高等理由被作為一種新的藥物遞送載體備受重視; 然而，目前細菌在化療中的運用尚有許多需要克服的困難，包括控制感染的安全性、作為藥物載體的穩定性和效率以及載藥細菌的安全製造方式等等，加上目前將細菌和化療結合的治療方式多僅止於動物治療，缺乏臨床研究的結果，這個領域要能投入實際的醫療現場還有很長的路要走。關鍵詞：化療 (chemotherapy)、細菌介導的協同癌症治療 (bacteria-mediated synergistic cancer therapy, BMSCT)、協同細菌介導的化療 (synergistic bacteriamediated chemotherapy)、級聯細菌介導的前藥活化療法 (cascaded bacteriamediated prodrug-activating therapy, CBPT) 、藥物遞送系統 (drug delivery system)

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一、前言作為最主要的癌症療法之一，化療仍一直飽受脫靶毒性和難以擴散進腫瘤深處這兩大缺點所困擾; 無論透過何種途徑投藥，能抵達腫瘤的藥物仍只有一小部分，這使得許多化療藥物在達到有效劑量的同時會引起強烈的全身毒性，且即使藥物抵達了腫瘤，因癌細胞增生快、缺乏淋巴引流等原因使腫瘤內壓力相對較高，令藥物難以透過擴散進入深處。近年來癌症對人類的威脅越來越嚴重，改善化療的技術也因此顯得迫切，其中的一個方案，便是將化療藥物與細菌結合，進行細菌與化療協同的癌症治療。細菌於癌症治療的應用最早於十九世紀末由 William Coley 提出，他從化膿鏈球菌 (Streptococcus pyogenes) 和黏質沙雷氏菌 (Serratia marcescens) 中提煉毒素，製造出能夠殺傷癌細胞的 Coley 毒素。在 Coley 醫生的臨床實驗中，Coley 毒素表現優異，但因此療法會引起四十度以上的高燒，需全程密切監控，而毒素的用法、用量也需要針對患者個人狀況量身訂做，由於人力成本高、當時學界對細菌的了解不足而遭到許多反對以及遇上放療興起幾個因素下，Coley 毒素逐漸被淘汰 (Felgner, 2017)。但隨著研究的進展，科學家們還是確認了特定種類的細菌具有靶向癌症並發揮抗癌能力的事實，細菌介導的癌症治療 (Bacteria Mediated Cancer Therapy, BMCT) 也成為

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一個快速發展的領域。 BMCT 的運作基於以下三種特性: 首先，會被用於 BMCT 的細菌是兼性厭氧菌，因此會被腫瘤微環境的缺氧特性所吸引，有往腫瘤定殖的傾向; 再者，由於死亡的癌細胞所釋放出的物質，讓腫瘤環境有大量營養，可令細菌大量增殖; 最後，腫瘤的免疫抑制環境也會讓定殖於腫瘤中的細菌不會被免疫系統消滅 (Lou et al., 2021)。因此，特定種類的細菌能精準且可控的定殖於腫瘤中，在動物實驗上，許多種類的細菌，特別是鼠傷寒沙門氏菌 (Salmonella typhimurium) VNP20009，都展現了優秀的溶瘤功效，然而，VNP20009 在臨床一期表現差強人意，腫瘤確實有縮小，患者的存活時間卻沒有因此增加 (Lou et al., 2021)。現在除了研究動物實驗和人體實驗的結果相異之因的同時，將 BMCT 和其他的癌症療法，如化療、放療、光療和免疫療法等協力的想法也開始被重視，本報告將介紹 BMCT 與化療間幾種常見的協力方法，並舉出例子，然後列出這些方案目前面對的困難和將來的發展方向。二、細菌與化療的協同治療細菌於化療中的應用主要有三種，一為將細菌作為藥物載體送入腫瘤中，二為令細菌表現特定酵素，用於前藥活化療法，最後一種則是以細菌的種種衍生物作為藥物載體。 (一) 將細菌作為藥物載體利用細菌對腫瘤微環境的趨向特性，若將細菌做為化療藥物的載體，能夠精準的將藥物送至腫瘤位置，減少副作用，而細菌自身的運動能力也能突破腫瘤內部的壓力，帶著藥物深入腫瘤內部，大幅提升療效。以大腸桿菌 Nissle 1917 (E. coli Nissle 1917, EcN) 為例，EcN 因幾乎不具毒力因子且幾乎不會在腫瘤外的地方大量增殖而成為 BMCT 的良好選擇 (Stritzker, 2007)，以對酸敏感的順烏頭酸酐作為連結，將阿黴素連結在 EcN 上，當 EcN 進入腫瘤後，由於腫瘤微環境因無氧呼吸產生的乳酸而處於弱酸性，讓阿黴素被釋放並殺傷癌細胞，達成對癌細胞的精準打擊 (Xie et al., 2017)。

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圖一、將透過順烏頭酸酐連結於細菌的阿黴素 (EcN-ca-DOX)、透過琥珀酸酐連結於細菌的阿黴素 (EcN-sa-DOX)和游離阿黴素注射入老鼠體內後，在不同部位的濃度隨時間之變化; 可從初始濃度分布得知和細菌連結的阿黴素更易進入腫瘤; 而 sa 組在腫瘤中的濃度下降較慢也揭示 ca 是更好的載體，因其釋放速度更快。(圖片來源: Xie et al., 2017) 除了透過細菌本身對腫瘤的趨向性實現精準靶向外，一些具有特殊性質的細菌也能透過其他方法誘導，以海磁球菌 (Magnetococcus marinus ) MC1 為例，海磁球菌是一種厭氧的磁力趨化細菌，能感應磁力線並隨其移動。在海磁球菌上連結包有藥物的脂質體，再使用磁力誘導就能將藥物精準地送到腫瘤中，而海磁球菌本身對缺氧環境的趨化性能使藥物被送至腫瘤深處，克服了過去使用磁性 139

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粒子運送藥物時會因磁力隨距離衰減而難以送至深處的缺點 (Felfoul et al., 2016)。

圖二、顯微鏡下的海磁球菌，箭頭所指處為其用以感應磁場的磁小體 (圖片來源: https://tinyurl.com/55zhhcay) ( 二 ) 級聯細菌介導的前藥活化療法 (Cascaded Bacteria-Mediated ProdrugActivating Therapy, CBPT) 前藥活化療法是將不具有毒性的前藥送入體內，然後再投入能表現前藥轉化酶的細菌，由於細菌傾向定殖於腫瘤內，使得幾乎只有進入腫瘤的前藥會被轉化成具有細胞毒性的藥物。此一方案最常使用的是β-葡萄糖醛酸修飾的前藥和過表現β-葡萄糖醛酸酶的工程細菌之組合; 由於β-葡萄糖醛酸修飾是身體常用的解毒手法，因此血液中內生性的β-葡萄糖醛酸酶含量極低，以此法修飾的前藥不容易被身體自行活化 (Cheng et al., 2013)。使用的工程細菌一般是大腸桿菌，將如巴氏葡萄球菌 (Staphylococcus pasteuri) 等細菌表現的β-葡萄糖醛酸酶轉殖到其上 (Wei et al., 2018)，此外，在前藥的選擇上，基於穩定性和處理成本等因素，傾向選用天然即具有β-葡萄糖醛酸修飾的藥物，例如提煉自甘草根的甘草酸，可經由β -葡萄糖醛酸酶轉化成具有抑癌效果的甘草次酸 (Afkhami-Poostchi et al., 2020)。

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圖三、過表現β-葡萄糖醛酸酶的大腸桿菌與甘草酸的協同治療示意圖 (圖片來源: Afkhami-Poostchi et al., 2020) (三) 將細菌衍生物作為藥物載體除了細菌本身外，一些由細菌所衍生的事物也是相當有效的藥物載體，目前相關的研究還不多，是一個相當有潛力的方向。以微細胞為例，微細胞是一種對藥物、蛋白質和基因片段等多種治療物質都具有高度相容性的載體，其產生自錯誤的細菌分裂，因為相關的基因缺失而出現多個分裂位點，令細菌分裂出多個奈米層級的小泡 (De Boer et al., 1989)。藉由在微細胞內封裝藥物，並在其表面附上一端辨識微細胞上的 O-多醣，另一端辨識目標癌細胞上的特定分子的雙特異性抗體 (Bispecific monoclonal antibody, BsAb); 如此微細胞在與癌細胞接觸後就會被胞吞作用拉入其中，於被溶酶體分解後釋放其中的物質 (MacDiarmid et al., 2007)，藉由此法我們可以向腫瘤遞送各種治療物質，例如藉由鼠傷寒沙門氏菌 minCDE-菌株所產生的微細胞將 siRNA 送入癌細胞中，透過 RNA 干擾增加癌細胞對化療的敏感性，藉以減少化療藥物的用量和週期的實驗等 (MacDiarmid et al., 2009)。

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圖四、用包覆有 siRNA 的微細胞逆轉具伊立替康抗性的結腸癌細胞的嘗試; a 圖中展示了分別使用包覆有 siRNA 和伊立替康和微細胞的連續治療 (G6)，對具抗藥性的腫瘤有極好的抑制效果; 圖 b 則展示利用此法治療的小鼠達到了百分之百的存活率。 (圖片來源: MacDiarmid et al., 2009) 另一個例子是利用凝結芽孢桿菌 (Bacillus cagulans) 的孢子增加口服給藥的效率 (相較於靜脈注射，口服更為方便，安全性也更高)，在孢子表面的疏水蛋白外殼中混入阿黴素、索拉菲尼和去氧膽酸，透過蛋白外殼的保護，藥物能安然度過胃部，當進入腸道，孢子萌發後，被脫去的蛋白外殼會在腸道中自發性的組裝成一個個帶著藥物的奈米顆粒，疏水蛋白能防止顆粒被黏液捕獲，而表面的去氧膽酸則能和腸道上皮細胞上的頂端鈉離子依賴性膽汁酸轉運蛋白 (apical sodium-dependent bile acid transporter, ASBT) 交互，使奈米顆粒進入腸道上皮細胞從而進入循環，此種自發性裝配的奈米粒子能極為有效率的遞送藥物 (Song et al., 2019)。

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圖五、應用凝結芽孢桿菌孢子的自組裝奈米顆粒的示意圖。(圖片來源: Song et al., 2019) 三、未來發展與挑戰 BMCT 的本質是針對腫瘤的局部性感染，安全性自然是最大的關鍵，這包括如何令感染侷限於腫瘤中和在細菌增殖過多時能否以抗生素控制，且細菌本身的抗癌功效即來源於其毒力因子，因此細菌的選擇也必須慎重，以求在溶瘤功效和安全性間取得平衡，這是所有涉及細菌的癌症治療方式都需要面對的挑戰。此外，包括與化療的協同在內，目前大多數 BMCT 領域的實驗都止於動物實驗，臨床研究相對有限，因此，增加臨床方面的研究，藉以設計適合人體的治療方針將會是未來的重要發展方向 (Mayakrishnan et al., 2022)。此外上述提到的三種方法所各自面臨的挑戰如下： (一) 以細菌作為藥物載體所面臨的挑戰首先，目前細菌的載藥能力有限，除開發更好的載藥細菌製備方法外，也有製造出能自行合成並釋放藥物的工程細菌之提案; 再者，藥物與細菌的連結方式必須精挑細選，若以靜電交互連結則不夠穩定，容易在循環過程中脫落，而共價連接方式又過於穩定，在抵達腫瘤後釋放效率低，需要連結既穩定到能度過循環，又能令藥物在腫瘤微環境 143

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的條件下被快速釋放的物質，例如前述的順烏頭酸酐; 最後，載藥細菌的製備流程尚未完善，因治療需用活菌，一般的無菌品管原則顯然不適用，必須開發新操作流程與品管原則 (Lou et al., 2021)。 (二) 級聯細菌介導的前藥活化療法所面臨的挑戰過表達酵素的基因工程具有細菌的代謝負擔高、多餘的產物洩漏造成免疫反應、質體帶有的不自然或非必要元素以及對抗藥性的靈活度低等缺點和隱憂，因此另有一種方案是找尋天生即能轉化多種前藥的細菌，其中一個選擇是 EcN，其本身帶有的酵素即可活化包括 CB1954、磷酸氟達拉賓和 5-氟胞嘧啶等多種前藥，可被用於化療藥物的雞尾酒式治療以嘗試突破癌細胞的抗藥性 (Lehouritis et al., 2016)。 (三) 將細菌衍生物作為藥物載體所面臨的挑戰不同細菌衍生物的特性有極大差距，適用的投藥途徑和可承裝的藥物不同，需要分別獨特設計治療方案，或是開發新的製備方法以承裝不同的藥物，以將釀酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae)經酸處理後製成的酵母膠囊為例，這是一種相當有效的口服藥物載體，因其會在腸道中被 M 細胞拉入培氏斑後再被巨噬細胞吞噬，最終隨巨噬細胞抵達炎症或腫瘤的位置，達成精準投藥 (Zhou et al., 2017)，但其卻有不能承裝小分子藥物，只能用於遞送大分子蛋白質或 siRNA 的限制，直到 Ren 等人先將藥物包入奈米顆粒，再將奈米顆粒送入酵母膠囊中，成功利用酵母膠囊遞送小分子藥物去癌達 (Ren et al., 2018)。

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圖六能承裝小分子藥物的酵母膠囊與其運送藥物原理的示意圖 (圖片來源：Ren et al., 2018) 參考文獻： Afkhami-Poostchi, A., Mashreghi, M., Iranshahi, M., & Matin, M. M. 2020. Use of a genetically engineered E. coli overexpressing β-glucuronidase accompanied by glycyrrhizic acid, a natural and anti-inflammatory agent, for directed treatment of colon carcinoma in a mouse model. International Journal of

Pharmaceutics 579: 119159. Cheng, C. M., Chen, F. M., Lu, Y.L., Tzou, S. C., Wang, J. Y., Kao, C. H., Liao, K. W., Cheng, T. C., Chuang, C. H., Chen, B. M., Roffler, S., & Cheng, T. L. 2013. Expression of β-glucuronidase on the surface of bacteria enhances activation of glucuronide prodrugs. Cancer Gene Therapy 20: 276–281. De Boer, P. A. J., Crossley, R. E., & Rothfield, L. I. 1989. A division inhibitor and a topological specificity factor coded for by the minicell locus determine proper placement of the division septum in E. coli. CellPress 56(4): 641-649. Felfoul, O., Mohammadi, M., Taherkhan, S. I., de Lanauze, D., Xu, Y. Z., Loghin, D., Essa, S., Jancik, S., Houle, D., Lafleur, M., Gaboury, L., Tabrizian, M., Kaou, N., Atkin, M., Vuong, T., Batist, G., Beauchemin, N., Radzioch, D., & Martel, S. 2016. Magneto-aerotactic bacteria deliver drug-containing nanoliposomes to tumour hypoxic regions. Nature Nanotechnology 11: 941–947. Felgner, S., Pawar, V., Kocijancic, D., Erhardt, M., & Weiss, S. 2017. Tumortargeting bacteria-based cancer therapies for increased specificity and improved outcome. microbial biotechnology 10(5): 1074-1078. Lehouritis, P., Stanton, M., McCarthy, F. O., Jeavons, M., & Tangney, M. 2016. Activation of multiple chemotherapeutic prodrugs by the natural enzymolome of tumour-localised probiotic bacteria. Journal of Controlled Release 222: 9-17. Lou, X., Chen, Z., He, Z., Sun, M., & Sun, J. 2021. Bacteria-mediated synergistic cancer therapy: small microbiome has a big hope. Nano-Micro Letters 13: 37. MacDiarmid, J. A., Amaro-Mugridge, N. B., Madrid-Weiss, J., Sedliarou, I., Wetzel, S., Kochar, K., Brahmbhatt, V. N., Phillips, L., Pattison, S. T., Petti, C., Stillman, B., Graham, R. M., & Brahmbhatt, H. 2009. Sequential treatment of

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drug-resistant tumors with targeted minicells containing siRNA or a cytotoxic drug. Nature Biotechnology 27: 643–651. MacDiarmid, J. A., Mugridge, N. B., Weiss, J. C., Phillips, L., Burn, A. L., Paulin, R. P., Haasdyk, J. E., Dickson, K. A., Brahmbhatt, V. N., Pattison, S. T., James, A. C., Bakri, G. A., Straw, R. C., Stillman, B., Graham, R.M., & Brahmbhatt, H. 2007. Bacterially derived 400 nm particles for encapsulation and cancer cell targeting of chemotherapeutics. CellPress 11(5): 431-445. Mayakrishnan, V., Kannappan, P., Tharmalingam, N., Bose, R. J. C., Madheswaran, T. & Ramasamy, M. 2022. Bacteria therapeutics for cancer oncology: a crossroads for new paradigms. Drug Discovery Today. doi: 10.1016/j.drudis.2022.03.007. Ren, T., Gou, J., Sun, W., Tao, X., Tan, X., Wang, P., Zhang, Y., He, H., Yin, T., & Tang, X. 2018. Entrapping of nanoparticles in yeast cell wall microparticles for macrophage-targeted oral delivery of cabazitaxel. Molecular Pharmaceutics 15(7): 2870-2882. Song, Q., Zheng, C., Jia, J., Zhao, H., Feng, Q., Zhang, H., Wang, L., Zhang, Z., & Zhang, Y. 2019. A probiotic spore-based oral autonomous nanoparticles generator for cancer therapy. Advanced Materials 31(43): 1903793. Stritzker, J., Weibel, S., Hill, P. J., Oelschlaeger, T. A., Goebel, W., & Szalay, A. A. 2007. Tumor-specific colonization, tissue distribution, and gene induction by probiotic Escherichia coli Nissle 1917 in live mice. International Journal of

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Letters 17(2): 1056-1064.

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如何應用免疫療法治療 B 型肝炎？ How to Use Immunotherapy to Treat Hepatitis B? 顏唯哲 YEN, Wei-Che 國立中山大學生物科學系 Department of Biological Sciences, National Sun Yat-Sen University 摘要 B 型肝炎 (Hepatitis B) 為臺灣人最主要肝病，也是全世界共有的問題。目前使用的治療方法仍無法完全清除遺留在肝臟內的共價閉合環狀 DNA (covalently closed circular DNA, cccDNA)，造成此限制的原因可能與 B 型肝炎病毒的感染特性、耐藥性 (drug resistance) 及免疫逃脫 (immune evasion) 能力有關，故必須找出新的治療方式克服這些限制性。免疫療法為激活人體自身的免疫系統去攻擊癌細胞或病原體的治療方法，最初使用於癌症治療，但近期也有越來越多研究指出免疫療法可能具有治療 B 型肝炎的潛力，目前有三個與Ｂ型肝炎治療相關的免疫療法正在進行研究，分別為模式識別受體促進劑 (pattern recognition receptors agonists, PRRs agonists)、免疫檢查點抑制劑 (immune checkpoint inhibitors, ICIs) 及嵌合抗原受體 T 細胞 (chimeric antigen receptor-T cell, CAR-T cell)，這些免疫療法能夠透過產生對Ｂ型肝炎病毒具有特異性的免疫細胞或抗病毒蛋白 (antiviral protein) 來抑制病毒複製或直接毒殺受感染的肝臟細胞，進而突破目前治療Ｂ型肝炎的限制。然而，這三種免疫療法仍具有會造成強烈發炎反應 (severe inflammatory response) 的風險存在，而且分別也存在著不同的限制需要被解決，因此透過了解這些療法潛在的機制並加以改良，才能夠幫助人類向治癒 B 型肝炎邁進一大步。關鍵詞：B 型肝炎 (hepatitis B)、B 型肝炎病毒 (hepatitis B virus, HBV)、模式識別受體激活劑 (pattern recognition receptors agonists, PRRs) 、免疫檢查點抑制劑 (immune checkpoint inhibitors, ICIs)、嵌合抗原受體 T 細胞 (chimeric antigen receptor-T cell, CAR-T cell)

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一、B 型肝炎治療之重要性 B 型肝炎 (Hepatitis B) 是臺灣最主要發生的肝炎類型，雖然臺灣因為 B 型肝炎疫苗的普及，已經使 B 型肝炎帶原者越來越少，但臺灣目前還是約有三百萬人為 B 型肝炎帶原者。除此之外，根據世界衛生組織在 2019 年的統計當中，全球已經累計 2.96 億的人口感染過此病毒，而且每年約有 15 萬的新感染人口，為不可忽視的疾病之一。B 型肝炎是一種由 B 型肝炎病毒 (hepatitis B virus, HBV) 所誘發的慢性或急性肝臟發炎，此病毒為一種 DNA 病毒，主要感染途徑為血液及體液感染，感染此病毒前期將不會有特殊症狀，然而隨著病程推移，患者最終將會走向肝硬化及肝癌等難以治療的疾病。目前用於治療 B 型肝炎病毒的方式包括藥物治療 (drug therapy) 及干擾素治療 (interferon therapy)，雖然說這兩種治療方法能夠達到功能性治癒 (functional cure)，卻無法達到完全治癒 (permanent cure)，即無法完全根除仍存在肝細胞核中的共價閉合環狀 DNA，干擾素治療也僅對特定患者有效，一旦停止治療病毒數量將會再次反彈，故患有 B 型肝炎的患者必須要終身服藥，對於心理及生理都會造成很大的負擔。因此用於治療 B 型肝炎的新療法已經成為全世界都不可忽視的議題。二、B 型肝炎與免疫療法 B 型肝炎病毒是由 Baruch Blumberg 博士於 1965 年發現，他也因此獲得諾貝爾生理

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學或醫學獎，在發現後的四年也製造出了第一支 B 型肝炎疫苗，後來隨著技術的成熟， 1982 年起此病毒已經可以透過疫苗有著良好的控制，但因為在這之前感染過的 B 型肝炎帶原者還是非常多，且目前臨床上的五種抗病毒藥物及干擾素療法都只能控制住病毒複製，所以仍有必要找出根治此病毒的方法。目前已有一些創新的療法正在進行研究，例如：小分子藥物 (small molecule drug)、基因療法 (genetic therapy) 及免疫相關療法，其中「免疫療法 (immunotherapy)」便是一個十分具有潛力的治療策略。免疫療法包括模式識別受體促進劑 (pattern recognition receptors agonists, PRRs agonists) 、免疫檢查點 (immune checkpoint inhibitors)、嵌合抗原受體 T 細胞 (chimeric antigen receptor-T cell, CAR-T cell) 等等。模式識別受體促進劑能夠增強一些病原體辨識受體的活性，使抗病毒蛋白大量產生並誘發下游的免疫反應；嵌合抗原受體 T 細胞為利用基因工程的技術在體外編輯 T 細胞，使其對於病毒或癌細胞有著更強的專一性，再打回人體作用；其中對於免疫檢查點的研究更是於 2018 年獲得諾貝爾生理學或醫學獎。癌細胞及免疫細胞上一些可以調節人體免疫系統的配體 (ligand)，例如：細胞程式死亡配體-1 (programmed cell death 1 ligand 1, PD-L1) 和細胞毒性 T 淋巴球相關抗原 4 (cytotoxic T-lymphocyte-associated protein 4, CTLA4)，當此類配體和其接受器 (receptor) 結合後，便會使人體的免疫細胞不活化，目前臨床上是利用免疫檢查點抑制劑 (immune checkpoint inhibitors, ICIs) 來進行治療，此類藥物可以使免疫細胞重新活化，並協助清除癌細胞 (Tan et al., 2020)。雖然最初免疫療法是用於癌症治療，不過最近也有越來越多研究指出 B 型肝炎病毒能夠利用此方法去治療，免疫療法很有可能能夠突破目前 B 型肝炎病毒在治療上的限制性，因此免疫療法在 B 型肝炎病毒的根除上可能會具有不錯的效果。三、用於 B 型肝炎的免疫療法必須突破的限制 B 型肝炎相關的免疫療法幾乎都仍在臨床前試驗，但一些模式識別受體(pattern recognition receptors, PRRs) 的激活劑則已進入臨床試驗，如：TLR-7 激活劑 (II 期)、 TLR-8 激活劑 (I 期)、TLR9 激活劑 (II 期) 及 RIG-I/NOD2 激活劑 (II 期)，雖然這些免疫療法都還未進入臨床使用，但在根除 B 型肝炎病毒上都具有很大的潛力。在 B 型肝炎的治療上，要產生 B 型肝炎病毒的特異性免疫細胞是非常困難的，因此新療法需要注意的點除了安全性及副作用的問題外，也必須能有效的產生特異性免疫細胞，才有根除 B 型肝炎病毒的可能。除此之外，新式療法也必須面對一些治療 B 型肝炎病毒時會遇到的難題，包括：

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(一) 當 B 型肝炎病毒感染後，有一部分的病毒 DNA 會插入宿主的 DNA 中，這使得抗病毒藥物的設計變得困難許多，因為抗病毒藥物必須在不傷害宿主 DNA 的情況之下清除病毒。 (二) 目前臨床用於治療 B 型肝炎的藥物機轉大多都是靶向抑制 B 型肝炎病毒的聚合酶活性，這樣的藥物特性無法作用到仍存在於細胞核中的共價閉合環狀 DNA (covalently closed circular DNA, cccDNA)，因此當患者停藥時，此 cccDNA 即可繼續製造出新的病毒，使症狀復發。 (三) 因病毒變種速度快速，且 B 肝患者必須長期服藥，抗藥性 (drug resistance) 的產生將成為治療 B 型肝炎病毒的重大阻礙，根據 Ayoub 及 Keeffe 於 2011 年的研究指出，B 型肝炎病毒對目前臨床上主要使用的五種抗病毒藥物中的其中四種都會在服用一段時間後產生抗藥性 (Ayoub & Keeffe, 2011)，因此抗藥性也會是設計治療方法時需要考量的重點之一。 (四) B 型肝炎病毒具有許多機制可以調控免疫逃脫 (immune evasion) 的能力，一些研究指出，當病毒進入肝細胞後，HBV X 蛋白 (HBV X protein, HBVx) 和 HBV 聚合酶 (HBV p1olymerase, HBVp) 會使 PTEN 蛋白表現量下降，此現象會增加 β-catnin/cMyc 訊息傳遞路徑，導致細胞程式死亡配體-1 (programmed cell death 1 ligand 1, PD-L1) 表現增加，此配體會和 T 細胞上的細胞程式死亡受體 1 (programmed cell death protein 1, PD-1) 結合並抑制 T 細胞的活性 (Sun et al., 2020)。四、免疫療法治療 B 型肝炎之機制及面臨的問題在以免疫療法治療 B 型肝炎患者上，科學家認為可以透過激活人體自身的免疫能力去突破目前治療上存在的限制，因為使用免疫療法製造出的 HBV 相關抗體或是 T 細胞能夠專一性攻擊被 B 型肝炎病毒感染的細胞，並不會像在設計藥物上還需要考慮是否會傷害到其他細胞。除此之外，免疫系統能夠直接殺死受感染的細胞，讓病毒的主要遺傳物質直接被破壞，為根治最根本的方法。但免疫療法於 B 型肝炎病毒的使用在臨床上仍然需要大量證據去證明，目前的研究大多都還在臨床前試驗，且使用免疫療法等於會大量活化人體的免疫細胞，必須要考慮到是否會有過度的免疫反應而導致人體產生強烈的發炎反應的現象。

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五、使用免疫療法的優勢科學家使用免疫療法將可減少耐藥性的問題，且活化的免疫細胞可以清除被 HBV 感染的肝細胞，進而使存在核內的 cccDNA 清除。另外，科學家使用模式辨別受體的激活劑能夠產生僅對 HBV 感染的細胞具有特異性的免疫細胞，故這些免疫細胞不會攻擊 HBV 以外的細胞，具有一定的安全性，且這些免疫細胞的能力不會被 B 型肝炎患者血清中存在的大量 B 型病毒蛋白所阻斷，因此這類療法能夠克服 B 型肝炎病毒潛在的免疫抑制能力。使用免疫檢查點抑制劑則能夠最直接的克服 HBV 免疫抑制的問題，並能夠增加患者體內數量有限的 HBV 特異性 T 細胞。實驗也證明，通過抗體阻斷 PD1 和 PD-L1 的結合，可分別恢復外周和肝內耗竭的 HBV 特異性 T 細胞。使用 CAR-T 療法可直接製造出針對 HBV 特異抗原的免疫細胞，這些 T 細胞能夠以不攻擊其他體內細胞的形式定向到受感染的肝細胞。且經過基因編輯後的 T 細胞能不受到 HBV 免疫抑制的機制影響，也已有研究顯示此療法若能夠配合抑制病毒進入的藥物使用的話，將非常有機會能完全根除 B 型肝炎病毒 (Wisskirchen et al., 2019)。在安全性方面，經由這些免疫療法產生的特異性的 T 細胞將有可能會產生嚴重的發炎反應，導致患者肝臟受損，不過研究指出經由免疫療法所製造出的這些 T 細胞只會具有單純的保護功能，並不會造成肝臟損傷，這可能與人體內的一些調節機制有關。不過這種調節機制還是取決於肝臟的微環境，在某些患者體內，此特異性 T 細胞仍然會誘發嚴重的發炎反應甚至造成肝損傷 (Bertoletti & Le Bert., 2018)。因此，使用免疫療法治療的患者必須要謹慎選擇，也需要更多的研究去了解哪些肝臟環境可以更好地調節這類從外源去激活的先天性或適應性免疫反應，才能解決特定患者產生副作用的問題。六、發展中的 B 型肝炎免疫療法目前正在進行研究的抗 B 型肝炎病毒免疫療法包括： (一) 模式識別受體 (pattern recognition receptors agonist, PRRs agonist) 類鐸受體 (toll like receptor, TLR) 及維甲酸誘導基因-I (retinoic acid inducible gene l, RIG-1) 皆為模式識別受體 (pattern recognition receptors, PRRs)，會辨識入侵人體內的病原體或外來物，為人體中啟動先天性免疫的重要受體。利用類鐸受體或維甲酸誘導基因-I 的激活劑 (agonist) 會增強干擾素 (interferon, IFN) 的表達，干擾素會再進一步激活白介素 -12 及 18 (interleukin-12 & 18, IL-12 & 18) ，這些細胞激素 (cytokine) 具有抗病毒的特性，並會激活肝細胞內的自然殺手細胞 (natural killer cell,

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NK cell) 及 T 細胞，達到抑制 B 型肝炎病毒的效果 (Bertoletti & Bert, 2018)。 (二) 免疫檢查點抑制劑 (immune checkpoint inhibitors, ICIs) 1. PD-1 及 PD-L1 除了癌細胞具有表達 PD-L1 特性外，B 型肝炎病毒也會透過誘導肝細胞表達 PD-L1 並使宿主免疫細胞不活化 (Sun et al., 2020)。故利用抗體將 PD-L1/PD-1 的活化能力阻斷住可能也會是一種治療 B 型肝炎病毒的策略。研究指出，當使用抗 PD-1 抗體將 PD-1 的作用阻斷時，原先於宿主體內失調的 HBsAg 的特異型 B 細胞能夠得到恢復，且 B 細胞成熟為具有分泌抗體能力的數量將會是還未使用抗 PD-1 抗體時的 9.7 倍 (Salimzadeh et al., 2018)。T 細胞方面，在土撥鼠模型中，PD-L1 的阻斷能夠產生持續的抗病毒能力，且不會造成肝損傷 (Balsitis et al., 2018)。在感染慢性肝炎的人體樣本上，使用 PD-L1 抗體 (MEDI2790) 治療能夠顯著增加 HBV 特異性 T 細胞的產生，且使干擾素-γ (interferon-γ, IFN-γ) 產量增加 (Farrando-Martinez et al., 2019)。這些研究都證明阻斷 PD-1/PD-L1 的免疫療法能有效幫助患者對抗體內的病毒，不過對於此療法與 cccDNA 之間關係的研究目前比較缺乏，其效果仍需要更多的證據去證明。 2. SIGLEC-3 除了 PD-1 之外，近期的研究也發現 B 型肝炎病毒的表面抗原 (HBV surface antigen, HBsAg) 上具有唾液酸聚醣 (sialoglycan)，這種醣類會和宿主體內的唾液酸結合 Ig 樣凝集素 -3 (SIGLEC-3) 結合，結合後 SIGLEC 上的免疫受體酪胺酸抑制基序 (immunoreceptor tyrosine-based inhibitory motif, ITIM) 會募集 (recruit) 蛋白酪胺酸磷酸酶 (protein tyrosine phosphatase-1 & 2, SHP-1 & 2) 並減少免疫細胞的活化。此外，SIGLEC-3 的下游訊息傳遞路徑與同樣具有 ITIM 的 PD-1 和 CTLA4 相似，因此可能也具有免疫檢查點的特性，也已經有研究證明 SIGLECs 的激活會使樹突細胞 (dendritic cells, DCs) 中 TLR 誘導的細胞激素減少。故科學家利用 SIGLEC-3 的中和抗體將下游訊息阻斷時，發現可上調參與抗原呈遞的分子，當與 TLR 7 agonist 共同使用時，也發現能夠增強細胞激素的產生，因此使用 SIGLEC 3 的中和抗體增強 B 肝患者的免疫系統也會是個十分具有潛力的治療方法 (Tsai et al., 2021)。 (三) 嵌合抗原受體 T 細胞 (Chimeric antigen receptor-T cell) 嵌合抗原受體 T 細胞 (Chimeric antigen receptor-T cell) 是將 T 細胞從血液中分離後，利用基因工程的技術將 T 細胞上特異的抗原受體進行改造，使其能夠靶向某些特定的

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抗原，並進行攻擊。在 B 型肝炎的治療上，T 細胞被改造成能夠辨識受感染肝臟細胞上的 HBsAg，具有將被感染的肝細胞殺死但不會攻擊健康的肝細胞的能力，死亡的肝細胞能夠再由健康的肝細胞增殖回來，藉此消除存在於受感染肝細胞中的 cccDNA，在感染 B 型肝炎病毒的人源化小鼠模型中，此方法已經能夠有效的控制 B 型肝炎病毒的感染，若能與病毒進入抑制劑 (myrcludexB, MyrB) 一同使用，將很有可能完全根除 B 型肝炎病毒(Wisskirchen et al., 2019)。此外，也有研究指出，使用此方法能夠在 30 天內減少血清中的 HBsAg 高於 90% (Qasim et al., 2015)，故在免疫療法中， CAR-T 療法也可能會是一個能夠根除 B 型肝炎病毒的方法之一，但要如何減少生產 CAR-T 細胞的成本及時間仍是需要探討的問題。七、各療法之優劣與使用條件 (一) 模式識別受體激活劑 (pattern recognition receptors agonist, PRRs agonist) 如第三部分所述，已經有許多不同種類的模式辨識受體激活劑在進行臨床測試了，為目前開發中免疫療法進程最快速的，也有可能會是最早開發出可用於臨床的 B 型肝炎免疫療法。然而治療 B 型肝炎的最終目標為根除細胞核中的 cccDNA 以達到完全治癒，目前有研究指出模式識別受體激活劑雖能夠有效抑制 B 型肝炎病毒的複製，但對於 cccDNA 的數量並沒有影響 (Niu et al., 2018)，因此這類型免疫療法可能需要搭配其他的治療方式合併使用才能夠達到根除病毒的效果。在使用條件上，模式識別受體的激活可能會誘發大量發炎因子產生，導致體內產生較嚴重的發炎反應，故這類藥物可能需要依照患者的身體狀況去進行評估。此外，也有研究指出類鐸受體的激活與癌症的進展具有相關性 (Pandey et al., 2015)，若患者的肝臟已發生癌變或體內具有其他癌細胞，就必須考量到此治療方式對於患者的副作用，審慎評估後才能給予此治療方式。 (二) 免疫檢查點抑制劑 (immune checkpoint inhibitors, ICIs) 免疫檢查點抑制劑在臨床上已經被使用於癌症治療了，故臨床上對於此治療方式已有一定程度的了解，在使用上較具有安全性。不過此治療方式運用在治療 B 型肝炎上仍具有一些限制性。科學家認為由免疫檢查點抑制劑所活化的 HBV 特異型 T 細胞可能會因為人體內對於 T 細胞的負向調控 (negative regulation) 機制而使這些 T 細胞無法在肝臟中達到該有的功能 (Wang et al., 2011)。此外，針對 SIGLEC-3 的抑制劑所抑制的可能不僅是 SIGLEC-3 和 HBV 之間的交互作用，也會抑制 SIGLEC-3 本身的信息傳遞路徑 (Tsai et al., 2021)，此現象會導致一些體內該有的生理功能失去調節，故這

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些限制性仍是科學家需要克服的難題。在免疫檢查點抑制劑的使用條件上，透過免疫檢查點抑制劑產生的 HBV 特異性 T 細胞被科學家認為是難以控制且預測的，在特定病人體內可能會產生不可預期的肝毒性及嚴重的發炎反應 (Bertoletti & Le Bert., 2018)。除此之外，T 細胞上的 PD-1 在不同 B 型肝炎階段會具有不同的表現量 (Liang et al., 2010)，因此在某些階段透過免疫檢查點抑制劑治療 B 型肝炎將會是沒有顯著效果的。基於以上兩點，在給予病患免疫檢查點抑制劑治療之前必須詳細地檢查病患的健康狀況及 B 型肝炎進程，才能夠使治療效果達到最大化。最後，目前並沒有良好的證據指出免疫檢查點抑制劑對於 cccDNA 的清除是否具有效果，因此仍需要更多的研究去證實此療法在治癒 B 型肝炎上的效果。 (三) 嵌合抗原受體 T 細胞 (Chimeric antigen receptor-T cell) 基於目前的研究，嵌合抗原受體 T 細胞可能是三種免疫療法中最有潛力能夠治癒 B 型肝炎的，已經有研究證實使用嵌合抗原受體 T 細胞可以有效的減少人源化小鼠肝臟細胞內遺留的 cccDNA 數量 (Wisskirchen et al., 2019)。然而，嵌合抗原受體 T 細胞在製造上較為複雜，因為其製造方法會涉及捐贈者 (donor) 的 T 細胞及鼠源抗體的抗原辨識結構域 (antigen-recognition domain)，當將異體的 T 細胞打入病患體內時會產生排斥反應，故將培養好的嵌合抗原受體 T 細胞注入患者體內後，必須密切觀察患者的身體狀況，臨床上的嵌合抗原受體 T 細胞療法也開始可以從患者體內取出自體的 T 細胞進行編輯及努力將修改的 T 細胞完全人源化的目標去研究。此外，此療法具有神經毒性及可能導致細胞激素風暴 (cytokine storm) 等副作用，因此在使用上必須搭配一些細胞激素的抑制劑使用，才不會產生過於激烈的免疫反應 (Bonifant et al., 2016)。嵌合抗原受體 T 細胞依然會因為免疫檢查點或一些細胞激素的影響而受到抑制，這些抑制作用可以藉由轉換受體 (switch receptor) 將原本抑制性的信號轉變成促進性的信號以解決 (Majzner & Mackall, 2019)。由於製造過程耗時且成本較高，目前臨床上使用嵌合抗原受體 T 細胞治療的費用一次高達數千萬，如何降低成本為科學家努力開發的目標。目前並沒有太多文獻指出嵌合抗原受體 T 細胞療法使用的條件，不過最重要的就是捐贈者與患者之間的配對，以及製造過程中對於 T 細胞所做的一些修飾，這些因素會是決定此療法成功與否的關鍵。八、結論免疫療法能夠透過激活人體的免疫細胞而產生對 B 型肝炎病毒有特異性的免疫細胞，也能夠激活人體中的抗病毒細胞激素幫助人體對抗 B 型肝炎病毒，為一種較專一且副

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作用相對較小的治療方法。基於以上的文獻，目前與 B 型肝炎治療相關的免疫療法研究顯示此療法在治療 B 型肝炎病毒上是可行的治療策略，不過這類療法在人體上還需要更多的臨床證據來證明，也仍有一些層面需要被評估及改良。透過針對這些療法的研究，不僅僅幫助人類在治癒 B 型肝炎病毒上邁出一大步，也能提供科學家更多的線索去設計出新的病毒免疫療法，運用在其他難以根治的病毒上。參考文獻： Ayoub, W. S., & Keeffe, E. B. 2008. current antiviral therapy of chronic hepatitis B. Alimentary pharmacology & therapeutics 28(2): 167-177. Balsitis, S., Gali, V., Mason, P. J., Chaniewski, S., Levine, S. M., Wichroski, M. J., Feulner, M., Song, Y., Granaldi, K., Loy, J. K., Thompson, C. M., Lesniak, J. A., Brockus, C., Kishnani, N., Menne, S., Cockett, M. I., Iyer, R., Mason, S. W., & Tenney, D. J. 2018. Safety and efficacy of anti-PD-L1 therapy in the woodchuck model of HBV infection. PloS one 13(2): e0190058. Bertoletti, A., & Le Bert, N. 2018. Immunotherapy for chronic hepatitis B virus infection. Gut and Liver 12(5): 497. Bertoletti, A., & Tan, A. T. 2020. HBV as a target for CAR or TCR-T cell therapy.

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影響 EV71 去活化疫苗臨床效力的因子 Factors Affecting Clinical Efficacy of EV71 Inactivated Vaccine 史以誠 SHIH, I-Chang

國立中山大學生物科學系 Department of Biological Sciences, National Sun Yat-Sen University 摘要腸病毒 71 型 (Enetrovirus 71, EV17) 是造成兒童手足口病 (Hand, Foot, and Mouth Disease, HFMD) 最主要的病毒之一，同時也會造成神經系統的感染。此病毒在全球都有分佈，在亞洲地區尤其嚴重。目前此病毒並沒有特效藥防範，因此研發 EV71 疫苗顯得格外重要與急迫。EV71 疫苗主要以去活化疫苗為主要開發對象，在先前的研究證實去活化疫苗在抗體中和滴度相較於其他類型的疫苗來的較好。全球只有在中國以及台灣開發的去活化疫苗臨床第三期試驗通過。第三期試驗當中主要以測試疫苗效力 (efficacy) 為目的，此效力初步評估了疫苗的保護力，同時也是支持疫苗上市的一項重要指標。然而疫苗效力是由臨床實驗計算出來的數值，往往會因為採樣，交叉保護力以及施打政策這三種因素影響，而對疫苗效力有高估或低估的情形，較難單純以臨床所測出的疫苗效力判定疫苗在現實中對於人類實際的保護力為何。因此在未來疫苗的研發方向主要會以多價疫苗加強交叉保護力的效果為目標，使疫苗效力在現實狀況更能接近其理論值。關鍵詞：EV71 vaccine (EV71 疫苗)、inactivated vaccine (去活化疫苗)、hand foot mouth disease (手足口病)、vaccine efficacy (疫苗效力)、three clinical phase (三期臨床試驗)

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腸病毒 71 型(Enetrovirus 71, EV17)導致最常見的症狀為成手足口病 (Hand, Foot, and Mouth Disease, HFMD) 。重症者則因病毒會入侵人體中樞神經系統 (central nervous system, CNS) ，導致無菌性腦膜炎 (Aseptic meningitis) 、腦膜炎 (meningitis)、心肌炎 (myocarditis) 等 (McMinn, 2002; Puenpa, 2019)。1990 年代以後由 HFMD 造成中樞神經疾病的重症率開始在各國提高，各國開始有週期性的流行感染，而亞洲是 EV71 最為嚴重的區域，死亡率大約是＜0.5%~19%。2000 年以後各國的盛行率相繼達到峰值，新加坡在 2008 年激增至 3 萬例並 1 死亡病例。日本在 2018 年共有七萬個病例被記錄 (Huang, 2011; Puenpa, 2019)。中國在 2008 年其感染病例共有 49 萬同時有 126 個死亡案例 (Nguyen, 2022)。到了 2015 年共記錄了 1370 萬 HFMD 病例，台灣則在 2000、2001、2005、2008 和 2012 年都有 EV71 流行的紀錄 (Puenpa, 2019)。因此如何防範 EV71 是一件急迫的事。早期並沒有特效藥針對 EV71 所導致的症狀來治療，多為保持個人衛生習慣為主要預防方針。然而近期亞洲已研發出 EV71 疫苗以利提前預防 EV71 的感染。而疫苗是否能夠上市就需要經過臨床三期試驗得出的疫苗效力 (efficacy) 作為初步評估的疫苗保護力的指標 (財團法人醫藥品查驗中心，2018)。疫苗效力被定義為在多大程度上降低了患病風險，但疫苗效力是臨床受試者經試驗後所得出來的數值，可能會因為在受試階段使用的方法或是外界環境的影響，造成疫苗效力被錯估，因此本篇將探討影響疫苗效力的干擾因素為何。 160

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EV71 的疫苗，主要以開發去活化疫苗 (Inactivated vaccines) 為主，其他包含 DNA 載體疫苗 (DNA vector vaccine)、基因重組疫苗 (recombinant VP1 protein vaccine)、似病毒疫苗 (virus like particle vaccine) 及胜肽疫苗 (synthetic peptide vaccine)。 Chou et al. (2012) 的報告中利用標準化的方法比較了各類疫苗的保護力 (圖一)。結果顯示，只有胜肽疫苗與重組疫苗加入費式佐劑 (Freund's adjuvant) 時才具有較良好的中和抗體滴度 (titer)。胜肽 VP1-43 疫苗與混合型胜肽 VP1-43/VP2-28 疫苗針對 B4 E59 病毒所誘發的中和抗體滴度皆為 1:32，重組 VP1 疫苗為 1:128。似病毒疫苗在不需要佐劑的情況下，其中和抗體滴度就高達 1:64，含鋁鹽佐劑 (alum djuvare)的抗體滴度為 1:128，含氟式佐劑的抗體滴度為 1:160。2 μg 去活化疫苗在不含佐劑的情況抗體滴度為 1:64，然而在含有鋁鹽佐劑的情況，2 μg 和 5 μg 的去活化疫苗所誘發的抗體滴度分別高達 1:640 與 1:2560。依照所誘發抗體滴度的比較中我們能夠發現去活化疫苗展現了最有效的保護力。在其他實驗的比較中我們能看到相似的結果。 Tung (2007) 根據去活化疫苗及次單元疫苗的比較結果，提出 DNA 疫苗及重組疫苗可能因呈現單一種抗原表位而非完整的病毒抗原表位，因此無法像去活化疫苗有較高的中和作用。另一原因可能是質體所製造蛋白的原理可能與活病毒不同，導致蛋白質的構像有些許的差異 (Kaur, 2002)。Foo et al. (2007) 證實了胜肽疫苗所產 IgG1 抗體滴度與去活化疫苗相似，但受限於單種蛋白只能誘導 Th2 免疫反應，因此 IgG2a、 IgG2b 和 IgG3 低度非常低。Chung et al. (2008) 雖然驗證了類病毒疫苗的中和抗體水平與去活化疫苗高一點，但缺乏適中的產量（≈10 mg/l）及大規模的生產方式，因此還無法成為主流。目前 EV71 去活化疫苗發展只有台灣疫苗與中國的 Vigoo、Sinovac、CAMS 通過第三期臨床試驗，以隨機分配、雙盲、安慰劑組對照的試驗來評估疫苗的效力。兩國同樣都是利用福馬林使病毒去活化。台灣疫苗在第 1 天及第 56 天共施打 2·5 μg 兩劑所得效力為 100%，經柏松回歸最終效力 96.8% (Nguyen, 2022)。中國的疫苗三者都是在 28 天注射第二劑，並且以單位 U 作為抗原標準單位。Vigoo 疫苗每劑 320U/0.5ml 對於 EV71 造成的 HFMD 效力為 90.0%、Sinovac 每劑 400U/0.5ml 對於 EV71 造成的 HFMD 效力為 97.5%、CAMS 每劑 100U/0.5ml 對於 EV71 造成的 HFMD 效力為 97.3% (Liang, 2014; Nguyen, 2022)。然而單看疫苗效力很難確立疫苗在實際施打的保護效果，原因是疫苗效力是以嚴格篩選出的樣本數中施打疫苗之結果以 100%×(1疫苗組感染密度/安慰劑組感染密度)=效力所計算出來的數值，此數值只能反映在取

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樣過程中疫苗組的感染率為何，並不一定就是在實際情況中疫苗的保護力。因此很容易受到取樣、交叉保護力及施打政策等因素影響。就取樣部分，台灣疫苗主要是針對 2~71 個月的幼童，而取樣個體為 3061 人。中國疫苗 Vigoo 合 Sinovac 主要針對 6~35 個月的幼童，取樣數分別是 10245 人及 10077 人，CAMS 則是針對 6~71 個月幼童，取樣人數為 12000 人。在年齡層取樣方面中國主要是以 6 個月以上的幼兒做檢測，然而在台灣的報告中指出 2~5 個月的嬰兒是高重症與死亡率的年齡 (Nguyen, 2022)，因此很難判斷在低層年齡施打中國疫苗是否會使效力值提高或是更能在合適的時間提高保護效果。而在取樣人數的方面，台灣所取樣本數相對中國是低很多的，因此在樣本數低的情況下較容易在疫苗組中未發現任何人感染 HFMD 而高估了疫苗效力的結果 (Mao, 2016; Nguyen, 2022)。疫苗的交叉保護力也是影響疫苗效力的關鍵。中國疫苗是針對 C4 基因型製成的疫苗，台灣則針對 B4 型，因此不同基因型病毒的時空分布、基因移型 (genetic shift) 與基因重組 (genetic recombination) 都可能使疫苗效力不實際。EV71 的 VP1 作為表面結構是免疫系統最重要的辨識位點。依照流行病學研究可以將 EV71 分為不同的基因型，主要分為八大類:A~H 型。B、C 兩型又能夠再細分為五種亞基因型 (B:B1～B5， C:C1～C5；其中 C4 又分為 C4a 和 C4b)。這些基因型在各個地區的分布時間都不相同，在台灣 2003 年以前主要的基因型為 B4 及 C4，而 2004~2012 年間則是以 C4 及 B5 為主。在中國長年以 C4 及 C2 為主，但在 2008~2009 年間發現了 A 型病毒株出現。基因移型和基因重組都有基因型內與基因型間的差別。1998～2008 年間在台灣記錄了基因型間轉移，發生 B 型與 C 型之間的轉移，先由 C2 轉移成 B4，B4 轉移成 C4，再由 C4 轉成 B5 (Huang, 2011)。在基因重組方面，已過研究發生重組的基因型分別為:B4、B3、C2、C4。1998 年台灣分離出的 C2 其 5’-UTR、非結構蛋白區和 3’-UTR 則與 CAV8 較為相似，屬於型間重組 (Huang, 2011)。中國則是有 C2 與 CVA16 重組的案例(Chong, 2015)。1998 年，在台灣發現的另一個基因型 B4 是由 C2 與 CVA8 共同重組而形成的，然而到 2001～2003 年間所分離出的 B4 型病毒則發現其 5’-UTR 及 cap 蛋白與 B3 基因型相似，P3 區基因則與 B2 型相似，是屬於基因內重組的例子 (Huang, 2011; Chong, et al. 2015)。在 Chou et al. (2013) 的研究中，比對了 B4 疫苗與 B1、B5、C4a、C4b、C2 以及 CVA16 間的交叉保護力。接種者在施打疫苗前被區分為陽性血清(seropositive)與陰

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性血清 (seronegative) 兩組，並在第 0 天及 28 天分別施打第一劑與第二劑疫苗，疫苗劑量分別為 A 組 (5 μg) 及 B 組 (10 μg) 來進行比較。結果顯示除了 C4a 的 B 組以外，70%以上含 B1、B5、C4a 血清的受試者，體內抗體滴度都增加為四倍以上，並且誘導出很高的抗體幾何平均效價（geometric mean titer, GMT），若是陽性血清的受試者其 GMT 範圍為 676.1～1190.1，陰性血清的受試者則為 56.0～265.3(圖二)。 B4 疫苗對於 B1、B5、C4a 這三種基因型有 85%以上的保護力。但對於 C4b 及 CVA16 只引起 20%較弱的免疫反應。而對 C2 基本上沒有任何保護力，其陽性血清的受試者 GMT 範圍為＜4～89.1，陰性血清的受試者則為 4.6～6.1(圖三)。 Mao et al. (2013) 則對 C4 疫苗針對 B4、B5、C2、C5 基因型進行交叉保護實驗。此實驗同樣區分了接種者是否為陽性血清或陰性血清，在第 0 天及 28 天分別施打第一劑與第二劑疫苗，但沒有特別針對疫苗劑量有比較。實驗受試者來自不同兩群子集(A 組與 B 組)，並且實驗前測試了兩組對 C4 所誘發的抗體滴度並淘汰了未對 C4 誘導中和抗體低度＞1:8 的受試者，發現 A 組陽性血清的受試者未對 C4 產生＞1:8 的抗體滴度，故沒有其測試的數據。結果顯示了 B4、B5、C2、C5 基因型的血清轉陽率 (Seroconversion rate) 、 GMT 、抗體幾何平均效價增長倍數 (fold increase of Seroconversion rate, GMTI)。在陰性血清的受試者中，經過兩劑的接種後，A 組的 B4、B5、C2、C5 的血清轉陽率為 100%，B 組為 96.6%～100%，陽性血清的血清轉陽率為 56.7%～73.3%(圖四)。雖然陽性血清的血清轉陽率比陰性血清低，但陽性血清的抗體幾何平均效價幾乎是陰性血清的 2～3 倍。陽性血清的 GMT 為 574.9～ 724.3，陰性血清的 GMT A 組為 177.3～233.0，B 為 288.5～366.4。而抗體幾何平均效價增長倍數則因為陰性血清原本的 GMT 遠小於接種後所誘發的 GMT，因此測出倍數增長的數值陰性血清較陽性血清大的多。這樣的結果證實了 C4 疫苗對 B4、B5、 C2、C5 足夠高的保護力。在三期的試驗報告中只有台灣疫苗證實 B4 疫苗對於 B5 和 C4 有好的保護效果，其他疫苗並沒有在臨床中測試其交叉保護力的效果，因此針對單一基因型的病毒株所得的效力可能會高估於有其他基因型感染的情況，即使在臨床表現中都有好的效力，也不是對每種基因型都能夠提供相對的保護力。另外造成 HFMD 的病毒不只有 EV71 病毒，CVA16 病毒也是主要病毒株之一。先前研究證實了 EV71 疫苗對於其他腸病毒造成的 HFMD 幾乎沒有交叉保護力，在大環境中並沒有辦法有效降低 HFMD，這也造成高估疫苗效力的問題 (Liang, 2014)。

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在政策方面，中國研究指出嬰兒在 7~12 個月大時 EV71 母體抗體水平會下降到最低， 12~23 個月大是發病的高峰期，因此在 6 個月施打疫苗理論上是最佳時間，但該時間同時會卡到 B 型肝炎疫苗施打，雖然去活化疫苗的使用理論上不影響免疫原性及安全性問題，但尚未有共同接種的數據不確定是否會影響疫苗效力，因此建議在嬰兒第七個月及第九個月連續施打兩劑疫苗 (Li, 2015)。目前台灣疫苗在今年 4 月剛發表第三期臨床試驗結果，因此在政策上還不是很完善，無法判定疫苗效力的影響為何。各大 EV71 疫苗效力在三期試驗階段都呈現良好的數值。而為了降低上述因素干擾並增加疫苗的保護力，目前去活化 EV71 疫苗將主要以雙價疫苗為開發目標，用以預防不同類型的腸病毒株，主要發展為 EV71/CVA16 的雙價疫苗以提升苗交叉保護力，達到更完善降低 HFMD 等症狀，使實際的疫苗保護力能更接近效力的理論值(Liu, 2020)。參考圖表：

圖一、各類疫苗保護力比較。資料來源:Chou et al. (2012)

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圖二、B4 疫苗對 B1、B5、C4a、C4b 的保護力。資料來源:Chou et al. (2013)

圖三、B4 疫苗對 C2、CVA16 的保護力。資料來源:Chou et al. (2013)

圖四、 C4 疫苗對 B4 、 B5 、 C2 、 C5 的保護力。資料來源 :Mao et al. (2013)

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參考文獻：財團法人醫藥品查驗中心。2018。腸病毒疫苗臨床研發策略指導原則，第一版。3-5 Chou, A. H., Liu, C. C., Chang, J. Y., Lien, S. P., Guo, M. S., Tasi, H. P., ... & Chong, P. 2012. Immunological evaluation and comparison of different EV71 vaccine candidates. Clinical and Developmental Immunology 2012: 831232. Chou, A. H., Liu, C. C., Chang, J. Y., Jiang, R., Hsieh, Y. C., Tsao, A., ... & Chong, P. C. S. 2013. Formalin-inactivated EV71 vaccine candidate induced crossneutralizing antibody against subgenotypes B1, B4, B5 and C4A in adult volunteers. PLoS One 8(11): 79783. Chong, P., Liu, C. C., Chow, Y. H., Chou, A. H., & Klein, M. 2015. Review of enterovirus 71 vaccines. Clinical Infectious Diseases 60(5): 797-803. Huang, S. W., Kiang, D., Smith, D. J., & Wang, J. R. 2011. "Evolution of reemergent virus and its impact on enterovirus 71 epidemics." Experimental

Biology and Medicine 236(8): 899-908. Kaur, R., Sachdeva, G., & Vrati, S. 2002. "Plasmid DNA Immunization against Japanese Encephalitis Virus:Immunogenicity of Membrane-Anchored and Secretory Envelope Protein." The Journal of infectious diseases 185: 181-112. Li, L., Yin, H., An, Z., & Feng, Z. 2015. "Considerations for developing an immunization strategy with enterovirus 71 vaccine." Vaccine 33(9): 1107-1112. Liang, Z., & Wang, J. 2014. "EV71 vaccine, an invaluable gift for children." Clinical

& Translational Immunology 3(10): 28. Liu, D., Leung, K., Jit, M., Yu, H., Yang, J., Liao, Q., ... & Wu, J. T. 2020. Costeffectiveness of bivalent versus monovalent vaccines against hand, foot and mouth disease. Clinical microbiology and infection 26(3): 373-380. Mao, Q., Cheng, T., Zhu, F., Li, J., Wang, Y., Li, Y., ... & Wang, J. 2013. "The CrossNeutralizing Activity of Enterovirus 71 Subgenotype C4 Vaccines in Healthy Chinese Infants and Children." PLoS One 8(11): 79599. Mao, Q. Y., Wang, Y., Bian, L., Xu, M., & Liang, Z. 2016. "EV71 vaccine, a new tool to control outbreaks of hand, foot and mouth disease (HFMD)." Expert Review of

Vaccines 15(5): 599-606. McMinn, P. C. 2002. "An overview of the evolution of enterovirus 71 and its clinical and public health signifcance." FEMS microbiology reviews 26(1),91-107.

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Nguyen, T. T., Chiu, C. H., Lin, C. Y., Chiu, N. C., Chen, P. Y., Le, T. T. V., ... & Huang, L. M. 2022. "Efficacy, safety, and immunogenicity of an inactivated, adjuvanted enterovirus 71 vaccine in infants and children: a multiregion, double-blind, randomised, placebo-controlled, phase 3 trial." The Lancet 399(10336): 17081717. Puenpa, J., Wanlapakorn, N., Vongpunsawad, S., & Poovorawan, Y. 2019. "The history of enterovirus A71 outbreaks and molecular epidemiology in the AsiaPacific region." Journal of biomedical science 26(1): 1-11.

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改良光療技術對於痤瘡的治療運用 Improvement in Use of Phototherapy for the Treatment of Acne Vulgaris

王柏奕 WANG, Bo-Yi

國立中山大學生物科學系 Department of Biological Sciences, National Sun Yat-Sen University 摘要 Acne vulgaris，尋常性痤瘡，俗名稱為青春痘，為常見的皮膚病之一，好發於青春期之皮脂腺分泌旺盛的時期，在其他年齡層也是有機會發生。尋常性痤瘡的治療方法很多種，常見的為外用藥 (抗生素、A 酸)、口服藥 (四環黴類抗生素、A 酸等) 以及化學換膚 (果酸)。然而部分治療方法雖有效但副作用卻相當多，例如口服 A 酸造成皮膚刺痛脫皮等，或是痤瘡桿菌對抗生素有抗藥性的現象。除了傳統口服及外用，近幾年多了雷射及光療等輔助治療，而儘管有諸多科技新穎的雷射光療，但還是有部分病患無法接受現在主流光療手術，因此近期在以主流光療手術為基礎上進行改良，以造福更多患者。關鍵詞：尋常性痤瘡 (acne vulgaris)、intense pulsed light (IPL)、雙波段濾光片 (dual-band filter)

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一、現有技術主要有脈衝染料雷射 (pulsed dye laser, PDL)、強脈衝光 (intense pulsed light, IPL) 及 light-emitting diode (LED)(Sami et al., 2008)。強脈衝光能輸出複合式波長的光能。除了能利用內生性紫質活化產生自由基破壞痤瘡桿菌之外也可以產生熱能而抑制皮脂腺分泌。脈衝光的光能也可以改善微血管增生和擴張達到消炎的效果 (Julita et al., 2021)。LED 紅光與藍光組合的光療療法，運用藍光使痤瘡桿菌產生的紫質並產生自由基，使用紅光可以抑制造成發炎的細胞激素釋放，因此紅藍組合光療可同時達到抑菌和抗發炎的作用 (Julita et al., 2021)。紅藍輻射混合組其中的紫外線主要部分是 UVA。UVA 相對 UVB、UVC 它的波長最長，故能量最低，雖然它的能量低，但具很強的穿透力，對肌膚的膠原蛋白及彈性纖維傷害也最大。對於一些不適合全身性痤瘡藥物治療的患者，例如病人本身患有對光敏感的疾病、紅斑性狼瘡色素乾皮症，不建議接受照光治療。二、現有問題目前主流光療手術儀器大多為固定波長輸出，因此在波長的選擇上極少，效率不佳，脈衝光治療雖然有多重功效及無恢復期的優點，但通常都須持續多次治療才能達到預期醫療的效果。

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三、問題改進因此學者研究用雙波段濾光片，dual-band filter (400–600 nm 和 800–1200 nm) 進行強脈衝光 (intense pulsed light, IPL)，先應用於尋常性痤瘡患者兩頰兩側進行實驗 (Sook et al., 2021)。濾光片去除較短的波長的輻射穿透皮膚表面，使皮膚減少不必要的輻射吸收，減少不必要的皮膚加熱及高能輻射破壞。不同波長的濾鏡片還能因應各種不同皮膚症狀，例如血管增生，使皮膚達到退紅效果。針對青春痘遺留的凹疤還可以配合使用導入分段式光熱技術的光梭治療，利用微創及快速修復的特性以無修復期的方式來瓦解頑固的斑點及疤痕。經試驗由數名患者進行為期固定周期的治療，經治療後患者，尋常性痤瘡的平均數量以及黑色素指數顯著下降。尤其對於患有 Pillsbury I-II 型痤瘡的患者，有效減緩其副作用，例如皮膚色素沉澱。四、結論雖然使用雙波段濾光片對不適合全身性痤瘡藥物治療的患者進行 IPL 治療是一種替代方法。但現在技術還有尚待檢驗，例如是否有其他的副作用，有些論文提到在試驗雙波段濾光片的 IPL 的治療前後在紅斑及皮脂分泌的情況無顯著差異，而另一篇提到受試者無劇烈疼痛、紅斑、水腫、毛囊炎、結痂或皮膚剝落 (Matthew et al., 2019)，差異相當大；以及藥物的搭配或控制服用，例如在做一般光療時須禁止服用紫外光敏感的藥物等 (例如四環黴素、灰黃素)，因為會造成紫外光耐受力的降低。皮膚乾癬患者在做光療前禁止服用 MTX。參考文獻： Julita, Z., Anna, S. W., Wiktoria, O., Anna, D., Barbara, B. F., & Sławomir, W. 2021. The use of light in the treatment of acne vulgaris—a review. Journal of Cosmetic

Dermatology 20(12): 3788-3792. Matthew, K. 2019. Combined 400-600nm and 800-1200nm Intense Pulsed Phototherapy of Facial Acne Vulgaris. Journal of Drugs in Dermatology 18(11): 1116-1122. Philipp, B., Stephan, S., Rolf-Markus, S., & Michael, L. 2010. Intense pulsed light (IPL): a review. Lasers in Surgery and Medicine 42(2): 93-104. Sami, N., Attia, A., & Badawi, A. 2008. Phototherapy in the treatment of acne

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vulgaris. Journal of Drugs in Dermatology 7(7): 627-632. Sook, I. R., Dong, H. Suh., Sang, J. Lee., Ko, E. K., Jae, Y. Jeong., & Hwa, J. R. 2021. Efficacy and safety of intense pulsed light using a dual-band filter for the treatment of facial acne vulgaris. Lasers in Medical Science 37(1): 531-536. Susan, P., Arun, C., Keshavmurthy, A. A., & Maria, M. T. 2015. Light-based therapies in acne treatment. Indian Dermatol Online Journal 6(3): 145-157.

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芳香療法對焦慮的治療效果 The Therapeutic Effect of Aromatherapy to Anxiety 鄭育亞 CHENG Yu-Ya 國立中山大學生物科學系 Department of Biological Sciences, National Sun Yat-Sen University 摘要替代醫學 (Alternative medicine) 指任何聲稱產生醫療效果，但未經證明、被證明無效或無法證明的治療方法。而芳香療法 (Aromatherapy) 為一種替代醫學，是來自植物各部位的精油透過擴香儀、沐浴或按摩等等方法被皮膚或嗅覺系統吸收到體內後產生作用的療法，焦慮 (Anxiety) 分為日常焦慮及焦慮症，日常焦慮是一種正常的人類反應，但如果程度過高或持續時間過長無法排解時，將被診斷為焦慮症。許多過往研究指出芳香療法的效果可能不夠強大，不足以徹底治療焦慮症，但仍可以達到減緩焦慮的效果。關鍵詞：芳香療法、替代醫學、替代藥物、焦慮、精油

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一、前言 (一) 替代醫學 (Alternative medicine) 替代醫學被定義為補充正統醫學無法滿足的需求及診斷的方法，雖聲稱能產生醫療效果，但它未經證明、被證明無效或無法證明它的治療效果，因此不被稱作正統醫學，最受歡迎的替代醫學有草藥療法、芳香療法、順勢療法、針灸、按摩和反射療法等。 (二) 芳香療法 (Aromatherapy) 而芳香療法為一種替代醫學，最早由法國化學家 Gattefossé 在 1928 年的科學期刊上提出，源於拉丁文，其中「Aroma」意為芬芳、香氣，即滲透入空氣中的一種看不見但聞得到的精細物質，這裡指植物精油的芳香揮發成分，亦指精油本身；「Therapy」意為對疾病的治療，或為「調理」、「輔助療法」。芳香療法是來自植物各部位的精油透過擴香儀、沐浴或按摩等等方法被皮膚或嗅覺系統吸收到體內後產生作用的療法。 (三) 焦慮 (Anxiety) 焦慮分為日常焦慮及焦慮症，日常焦慮是一種正常的人類反應，但如果程度過高或持續時間過長無法排解時，將被診斷為焦慮症。而焦慮症的成因目前還沒有完全被了解，生活中的傷害或壓力經驗，可能會觸發某些本身就比較容易焦慮的族群，進而導致焦慮症的發生。另外遺傳也可能與焦慮症有關係。 173

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二、芳香療法對焦慮的治療實驗當精油透過嗅覺系統被吸收到體內時會分解成氣味分子並產生一些作用，而這些作用會因為植物及蒸餾方式不同而產生差異。在情緒研究中，嗅覺和情緒改變有關聯，例如被評為令人愉快的氣味比被評為令人不快的氣味更能喚起令人愉快的回憶。 (Ehrlichman & Halpern, 1988)。而 1995 年 Morris et al. (1995) 設計了一個實驗方法來調查不同精油的抗焦慮作用，他們利用情境特質焦慮量表 (State-trait anxiety inventory, STAL) 來測量焦慮，STAL 量表為自評量表，由 40 個題目組成，分為狀態焦慮量表 (S-AL) 及特質焦慮量表 (T-AL)。受試者被隨機分成三組，分別吸入普通蒸氣、混入迷迭香精油的蒸氣以及混入天竺葵精油的蒸氣，為了減少認知系統的干擾，受試者並沒有被告知實驗內容及目的，而實驗結果顯示迷迭香組及天竺葵組皆會顯著下降 S-AL 分數，可持續一小時，且天竺葵組的下降幅度大於迷迭香組。三、結論芳香療法的效果可能不夠強大，不足以治療焦慮症 (Morris et al., 1995)。實驗設計上有幾個共同問題，第一是精油的氣味難以掩蓋，無法完全不受認知系統的影響，難以使患者致盲；第二是各種精油的效果有所差異，天竺葵精油、迷迭香精油 (Morris et al., 1995)、薰衣草精油 (Buckle, 1993) 以及澄花精油 (Stevensen, 1994) 皆會使患者感到愉快並減輕焦慮症狀，但不同精油的減緩效果不同，天竺葵精油的效果會比迷迭香精油好 (Morris et al., 1995)，不同品種的薰衣草精油也有不同的治療效果 (Buckle, 1993)。儘管芳香療法的治療效果有限，仍可以達到減緩焦慮的效果，如果是日常焦慮或是輕微焦慮症患者可以考慮先使用芳香療法治療，但如果是程度較嚴重的患者還是建議即早尋求正統醫學的治療。參考文獻： Buckle, J. 1993. Aromatherapy. Does it matter which lavender essential oil is used?

Nursing Times 89: 32-35. Cavanagh, H. M. A. &Wilkinson, J. M. 2002. Biological activities of Lavender essential oil. Phytotherapy Research 16(4): 301–308. Cooke, B. & Edzard, E. 2000. Aromatherapy: a systematic review. British Journal

of General Practice 50(455): 493-496. Ehrlichman, H. & Halpern, J. N. 1988. Affect and memory: Effects of pleasant and

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unpleasant odors on retrieval of happy and unhappy memories. Journal of

Personality and Social Psychology 55(5): 769–779. Ernst, E. 2000. The role of complementary and alternative medicine. British

Medical Journal 321(7269): 1133–1135. Herz, R. S. 2009. Aromatherapy Facts and Fictions: A Scientific Analysis of Olfactory Effects on Mood, Physiology and Behavior. International Journal of

Neuroscience 119(2): 263–290. Morris, N., Steven, B. & Margaret, T. 1995. Anxiety reduction by aromatherapy: Anxiolytic effects of inhalation of geranium and rosemary. International Journal

of Aromatherapy 7(2): 33–39. Perry, N. & Perry E. 2006. Aromatherapy in the Management of Psychiatric Disorders. CNS Drugs 20: 257–280 Stevensen, C.J. 1994.The psychophysiological effects of aromatherapy massage following cardiac surgery. Comp Ther Med 2: 27-35.

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阻塞性睡眠呼吸中止症經 CPAP 治療後對認知障礙的改善 Improvement of Cognitive Impairment in Obstructive Sleep Apnea After CPAP Therapy 林子涵 LIN, Zi-Han 國立中山大學生物科學系 Department of Biological Sciences, National Sun Yat-Sen University 摘要阻塞性睡眠呼吸中止症 (OSA) 是一種上呼吸道因部分或完全阻塞而反覆發生呼吸停止所導致的睡眠障礙。患者的臨床症狀為打鼾、頭痛、白天過度嗜睡和產生認知障礙等等，其中認知障礙的發病機制被認為和白天過度嗜睡和低氧血症有關，但兩者影響的領域有差異，像是注意力和記憶力方面的缺陷，其主要原因和睡眠碎片化所導致的白天過度嗜睡有關；執行功能和運動能力的障礙則主要和低氧血症的嚴重程度有關。持續性呼吸道正壓治療 (CPAP) 是目前首選的治療方式，因為它已被證實能有效使睡眠期間的呼吸恢復正常，減少白天嗜睡問題，但許多研究發現 CPAP 治療後對於改善認知障礙結果不太一致。將患者在 CPAP 治療前後分別進行各種認知障礙測試，結果發現在治療後，隨著白天嗜睡減少，與其相關的注意力和記憶力缺陷也能恢復正常表現，但低氧血症會產生不可逆的缺氧性腦損傷，因此經過治療的部分執行功能和運動能力障礙並不能得到有效的改善。就目前的研究結果來說，患者經過 CPAP 治療後，認知障礙只有部分可得到改善，但仍須及早治療，才可避免認知障礙持續惡化，並產生更多永久性的傷害。關鍵詞：阻塞型睡眠呼吸中止症 (obstructive sleep apnea)、認知障礙 (cognitive impairment)、持續性呼吸道正壓治療 (continuous positive airway pressure)、白天嗜睡 (daytime sleepiness)、低血氧症 (hypoxemia)

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一、阻塞型睡眠呼吸中止症睡眠呼吸中止症 (Sleep apnea) 是一種常見的睡眠障礙，可以分成阻塞型、中樞型和混合型，其中阻塞型睡眠呼吸中止症 (Obstructive sleep apnea, OSA) 為最常見的類型，約 85-90％的患者是屬於此類型，可能有 10% 以上的成年人和 30% 的 65 歲以上人群罹患此疾病 (Bedard et al., 1993)。當此患者在睡覺時，由於肌肉和舌頭的鬆弛，上呼吸道(包括鼻咽、口咽及喉部)會發生反覆性的塌陷，使得呼吸道變窄，進而引發打鼾和造成呼吸費力，更嚴重則會造成呼吸道完全堵塞而造成呼吸中止 (Kielb et al., 2012)。上呼吸道結構異常、顱面形態與肥胖等等的因素會增加罹患 OSA 的風險 (Sforza& Roche, 2012)。OSA 對健康的影響是多方面的，如果不及時治療，會導致白天過度嗜睡、情緒低落、工作表現不佳以及生活質量下降等等 (Punjabi, 2007)。另外，OSA 還和產生一些嚴重的並發症有關，包括心血管疾病、認知障礙和情緒障礙 (Mannarino et al., 2012)。二、睡眠呼吸中止症的診斷多導睡眠圖 (Polysomnogram, PSG) 是睡眠呼吸中止症的標準診斷測試。它涉及在睡眠期間同時記錄多個生理信號，包括腦電圖、眼電圖、肌電圖、口鼻氣流和氧合血紅蛋白飽和度，這些記錄可以識別和分類與睡眠相關的呼吸暫停和呼吸不足 (Punjabi,

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2007) 。睡眠呼吸中止症的嚴重程度主要是以呼吸中止 / 低通氣指數 (Apnea – Hypopnea Index, AHI) 來評估，該指數是每小時睡眠中呼吸暫停和低通氣的次數，當 AHI 大於 5 時，代表有睡眠呼吸中止症，依據次數可分為輕度 (5～15 次)、中度 (15～30 次)、重度 (30 次以上) (Mannarino et al., 2012)。根據美國睡眠醫學會的標準，呼吸中止是指呼吸氣流減少超過 90%且持續 10 秒以上，而低通氣是指呼吸氣流小於 50%且持續 10 秒以上，同時伴有血氧飽和度降低 3%以上或覺醒 (Gagnon et al., 2014)。三、OSA 中的認知障礙 OSA 患者的臨床症狀除了夜間頻尿、白天過度嗜睡 (EDS)、早晨口乾舌燥、頭痛外，產生認知障礙也是 OSA 患者常見的症狀之一，患者的注意力、警覺性、記憶力、運動功能和執行功能可能會有所下降，導致在日常生活中產生許多負面的影響，而且患者認知障礙隨著疾病嚴重程度而惡化，但不是線性的 (Sforza & Roche, 2012)。研究指出白天過度嗜睡和低氧血症都可能是導致患者認知功能障礙的原因。白天過度嗜睡是導致注意力和記憶力方面產生缺陷的主要原因，由於夜晚睡眠碎片化，使患者在白天時精神不濟且警覺性下降；患者夜間因呼吸道阻塞，使血氧飽和度降低，產生低氧血症，執行功能和運動功的損害可能主要與低氧血症的嚴重程度有關 (Bedard et al., 1991)。執行功能包括解決問題、判斷、行為抑制、規劃組織和認知靈活性等等 (Kielb et al., 2012)。四、持續性呼吸道正壓治療持續性呼吸道正壓治療 (Continuous positive airway pressure, CPAP) 已被證明可改善睡眠呼吸中止症患者的夜間呼吸模式並減少白天嗜睡，被廣泛認為是 OSA 最有效的治療方法 (Antic et al., 2011)，其原理是在睡眠時持續性給予呼吸道正壓的呼吸治療法，使病人呼吸道在整個呼吸週期中都維持著大於大氣壓的壓力，以維持睡眠時呼吸道的暢通，從而減少低氧血症和睡眠碎片化 (Gagnon et al., 2014)。 Epworth 嗜睡量表 (ESS) 是自我評估白天嗜睡情況的常用問卷，得分越高表明嗜睡程度越高，在日常活動中入睡的可能性越高，研究結果證實經由 CPAP 治療後，ESS 顯著下降，表示 CPAP 治療確實能有效改善白天嗜睡的情況 (Sánchez et al., 2009)。另外，CPAP 治療會使 OSA 受試者在清醒狀態下進行的腦電圖記錄正常化，這種正常化與白天嗜睡的減少有關 (Gagnon et al., 2014)。但許多研究發現治療後對於改善認知障礙結果不太一致 (Ferini-Strambi et al., 2003)。

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五、治療後的認知障礙 (一) 白天嗜睡相關 OSA 患者經由 CPAP 治療後，ESS 分數顯著下降，白天的嗜睡程度有所改善 (FeriniStrambi et al., 2003)。多次入睡生理監測檢查 (MSLT) 是用來評估患者警覺性的方法，在治療後，數值顯著上升，表示也得到了改善 (Bedard et al., 1993)。 TR2 指的是反應時間測試，用來評估持續注意力的一種測量方法，在治療後也得到了顯著的改善，TR2 與 ESS 之間被證實具有顯著的相關性 (Ferini-Strambi et al., 2003)。而 Bédard et al. (1993) 的研究結果發現，經 CPAP 治療後，白天的嗜睡程度有所改善，但相對於正常人仍然有較明顯的嗜睡情況，在注意力、記憶力(韋氏記憶量表)方面的測試，治療後的表現均達到正常值。以上結果表示，注意力和記憶力方面的障礙確實與白天嗜睡和警覺性下降有關，隨著治療後，嗜睡減少、警覺性的提高，使注意力和記憶力可以恢復正常表現。 (二) 低氧血症相關執行功能和運動功能的缺陷和主要低氧血症有關。低氧血症會導致患者產生結構性缺氧性腦損傷，是不可逆的，它會使多個大腦區域的神經元受損，尤其是在額葉皮層，而執行功能主要就是由大腦的額葉皮層所控制 (Ferini-Strambi et al., 2003)。當血氧飽和度低於 90%可判定為低氧血症，Bedard et al. (1993) 的研究結果發現，在整個睡眠期間，患者的血氧飽和度低於 90%所佔的時間在治療後是顯著減少的，表示低血氧症有得到改善，但部分執行能力有關的測試，像是言語流暢度測驗 (Verbal fluency) 和跟踪測試 (Trail making test)，在經過 CPAP 治療後並沒有顯著的改善，仍然存在缺陷，因此證實即使治療後改善了低氧血症，但其所導致的部分執行能力缺陷，歸因於不可逆的腦損傷而無法獲得改善 (Bedard et al., 1993)。普渡釘板測驗 (Purdue Pegboard test) 主要是評估手的靈巧度，用來測試患者的運動功能，經過 CPAP 治療並未顯著 (Gagnon et al., 2014)。另外也有些低氧血症相關的認知障礙是有部分或完全改善，如視覺建構能力，推測其原因是低氧血症可能會干擾神經傳導物質的合成，像是乙酰膽鹼，它與許多認知功能有關，並且對短暫或輕微的腦缺氧變化非常敏感，而這種腦損傷為功能性而非結構性，因此，治療後可以使神經遞質的合成正常化，從而改善相關的認知障礙 (Bedard et al., 1993)。

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六、結論 CPAP 治療是 OSA 主要的治療方法，是因為它在防止上呼吸道阻塞的成功率極高，可有效改善白天嗜睡的情況，但它並不能完全改善在 OSA 患者中觀察到的大量認知障礙，目前發現那些無法獲得改善的認知障礙主要是由低氧血症導致不可逆的腦損傷所造成的。導致治療後的研究結果不一致的原因，可能是納入和排除標準、研究設計和治療持續時間的可變性 (Kielb et al., 2012)，以及發病機制不同、患者的嚴重程度和對腦造成的嚴損傷程度等等的差異 (Ferini-Strambi et al., 2003)，因此無法就 CPAP 治療對 OSA 中認知障礙的是否有效做出統一的結論。雖然經由 CPAP 治療後 OSA 患者認知障礙只有部分會被改善 (Ferini-Strambi et al., 2003)，但及早治療仍可避免造成不可逆的腦損傷及其相關認知障礙的惡化。參考文獻： Alchanatis, M., Zias, N., Deligiorgis, N., Amfilochoiu, A., Dionellis, G., & Orphanidou, D. 2005. Sleep apnea-related cognitive deficits and intelligence: an implication of cognitive reserve theory. Journal of Sleep Research 14(1): 69–75. Antic, N. A., Catcheside, P., Buchan, C., Hensley, M., Naughton, M. T., Rowland, S., Williamson, B., Windler, S., & McEvoy, R. D. 2011. The effect of CPAP in normalizing daytime sleepiness, quality of life, and neurocognitive function in patients with moderate to severe OSA. Sleep 34(1): 111–119. Bedard, M. A., Montplaisir, J., Richer, F., Rouleau, I., & Malo, J. 1991. Obstructive sleep apnea syndrome: pathogenesis and neuropsychological deficits. Journal of

Clinical and Experimental Neuropsychology 13(6): 950–964. Bedard, M. A., Montplaisir, J., Malo, J., Richer, F., & Rouleau, I. 1993. Persistent neuropsychological deficits and vigilance impairments in sleep apnea syndrome after treatment with continuous positive airway pressure (CPAP). Journal of

Clinical and Experimental Neuropsychology 15(2): 330–341. Ferini-Strambi, L., Baietto C., Di Gioia, M. R., Castaldi, P., Castronovo, C., Zucconi, M., & Cappa, S. F. 2003. Cognitive dysfunction in patients with obstructive sleep apnea (OSA): partial reversibility after continuous positive airway pressure (CPAP).

Brain Research Bulletin 61(1): 87-92. Gagnon, K., Baril, A. A., Gagnon, J. F., Fortin, M., Décary, A., Lafond, C., Desautels, A., Montplaisir, J., & Gosselina, N. 2014. Cognitive impairment in

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obstructive sleep apnea. Pathologie Biologie 62(5): 233-240. Kielb, S. A., Ancoli-Israel, S., Rebok, G. W., & Spira, A. P. 2012. Cognition in obstructive sleep apnea-hypopnea syndrome (OSAS): current clinical knowledge and the impact of treatment. NeuroMolecular Medicine 14: 180–193. Mannarino, M. R., Di Filippo, F., & Pirro, M. 2012. Obstructive sleep apnea syndrome. European Journal of Internal Medicine 23(7): 586–593. Punjabi, N. M. 2008. The epidemiology of adult obstructive sleep apnea.

Proceedings of the American Thoracic Society 5(2): 136–143. Sánchez, A. I., Martínez, P., Miró, E., Bardwell, W. A., & Buela-Casala, G. 2009. CPAP and behavioral therapies in patients with obstructive sleep apnea: effects on daytime sleepiness, mood, and cognitive function. Sleep Medicine Reviews 13(3): 223-233. Sforza, E., & Roche, F. 2012. Sleep apnea syndrome and cognition. Frontiers in

Neurology 3. doi: 10.3389/fneur.2012.00087. Victor, L. D. 2004. Treatment of Obstructive Sleep Apnea in Primary Care.

American Family Physician 69(3): 561-569.

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運動是否可以緩解新冠後遺症？ Can Exercise Relieve Post-COVID-19 Syndrome? 陳翰威 CHEN, Han-Wei

國立中山大學生物科學系 Department of Biological Sciences, National Sun Yat-Sen University 摘要 COVID-19 是由 SARS-CoV-2 此冠狀病毒導致的呼吸系統疾病，為全球性的流行病。一些從 COVID-19 恢復的人會發展出持續性或新的症狀，長達數周或數個月，此情況稱之為新冠後遺症(long COVID or Post-COVID syndrome)。COVID-19 依症狀發作時間可分為 Acute COVID-19 和 Post-acute COVID-19，Acute COVID-19 的時期通常是症狀發作後持續四個禮拜，Post-acute COVID-19 發生在 Acute COVID-19 之後，也就是症狀發作後持續四個禮拜以上，而新冠後遺症發生在 Post-acute COVID19，有呼吸困難、極度疲倦、胸痛、關節痛、頭痛、腦霧、抑鬱症、焦慮症等影響運動表現的症狀。而運動的好處有增強心肺功能、減少發炎反應、增強免疫系統、減少壓力、改善情緒、改善認知功能等，可作為緩解新冠後遺症的潛在策略。經由從電子資料庫依醫學主題詞 (MeSH) 的關鍵字進行搜尋，且根據資格標準和資料提取所篩選出的文獻進行系統性的回顧，發現有氧訓練和阻力訓練過後，評估參數都會改善、生活品質會改善且焦慮程度下降，導致正向的心理改變且阻力運動搭配有氧運動的訓練課程幫助新冠後遺症患者康復似乎是可行的，且有論文針對不同的新冠後遺症提出運動可以緩解的地方，大致上可以檢驗運動可以緩解新冠後遺症的推測。

關鍵詞：Post-covid -19 syndrome、long-covid、multiorgan system effects、 exercise capacity、anti-inflammatory effects

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一、簡介 COVID-19 是由 SARS-CoV-2 此冠狀病毒導致的呼吸系統疾病，在 2019 年 12 月在中國武漢首次發現，傳播至世界各地已經造成大量的死亡和發病，發展成全球性的流行病。在染疫者中約 80%的人有輕度到中度的疾病，在有重度疾病的染疫者中，有 5%的人會發展成重症。一些從 COVID-19 恢復的人會發展出持續性或新的症狀，長達數周或數個月，此情況稱之為新冠後遺症 (long COVID or Post-COVID syndrome)( Raveendran et al., 2021)。新冠後遺症的患者會有肌肉疼痛、關節痛、疲勞、虛弱、呼吸困難、腦霧、心理健康問題等症狀，影響健康和降低生活品質 (Nalbandian et al., 2021)，而運動可以增強心肺功能、強化肌肉、骨骼、關節、減少發炎反應、增強免疫系統、減少壓力、改善情緒、改善認知功能等，可作為緩解新冠後遺症的潛在策略 (Jimeno-Almazán et al., 2021)。

二、COVID-19 的症狀和後遺症 COVID-19 依症狀發作時間可分為 Acute COVID-19 和 Post-acute COVID-19， Acute COVID-19 的時期通常是症狀發作後持續四個禮拜，此時期為 PCR 陽性，症狀分為輕症和重症，輕症有發燒、乾咳、倦怠、肌肉痛、頭痛、喉嚨痛、腹瀉等，輕症

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患者在家休養後即可自行康復，不需要到醫院治療；重症有呼吸困難、氣短、持續胸痛、胸悶、意識不清等，重症患者需要到醫院接受治療。Post-acute COVID-19 是在過了 Acute COVID-19 後還是有持續的症狀或長時間的併發症，Post-acute COVID19 可以分為 Subacute COVID-19 和 Post COVID-19，Subacute COVID-19 的時期為 Acute COVID-19 後 4 到 12 周，Post COVID-19 的時期為 Acute COVID-19 後 12 周以上。Post-acute COVID-19 的症狀，也就是新冠後遺症 (Long COVID)，有呼吸困難、極度疲倦、胸痛、關節痛、頭痛、腦霧、味覺和嗅覺失靈、心理健康問題包括抑鬱症、焦慮症、創傷後壓力症候群 (PTSD) 等。COVID-19 長期的影響會影響到多個器官系統 (multiorgan system effects)，包括呼吸、循環、免疫、消化、泌尿、神經、皮膚等系統，而由 SARS-CoV-2 感染引發的細胞毀壞、先天性免疫系統引發細胞激素製造、高凝固狀態 (hypercoagulable state) 會導致 COVID-19 的後遺症 (Nalbandian et al., 2021)。

三、材料與方法 Hekmatikar et al. (2022)從 6 個文獻電子資料庫(Scopus, SciELO, PubMed, Web of Science 和 Science Direct)蒐集了 2000/11/26 到 2021/1/22 的文獻，也從 Google Scholar 蒐集電子資料庫沒提到的研究，進行系統性的回顧，使用醫學主題詞 (MeSH) 的關鍵字進行搜尋，關鍵字有“Resistance training”, “Resistance Exercise”, “Strength training ”, “ Weight training ”, “ Muscle strength ”, “Aerobic training ” , “ Aerobic Exercise ” , and “ Muscle strength ” ; “ Mobility ” or “ Physiological changes ” or “ Mental health ” ; “ COVID-19 and mental changes” 和 “COVID-19 patient”，且只蒐集以英文出版的文獻。資格標準根據 PICO 分為以下四個部分： 1.Population：世界各地的 COVID-19 患者。 2. Intervention：研究執行有氧訓練或阻力訓練的 COVID-19 患者。 3. Comparison：訓練前和訓練後的測量。 4. Outcome：測量肌肉強度 (等速肌力測試、等長肌力測試、最大肌力測試和坐站測試)、肌肥大 (超音波、核磁共振和電腦斷層) 和功能能力 (最大功能能力、6 分鐘走路測試、功能獨立性評定、簡易身體功能量表、最大心率和走路速度)。以下資料被提取，包括作者姓名、出版年份、樣本大小、參與者種類 (年齡、性別、訓練狀態)、訓練種類、評估參數 (肌肉大小和強度、功能能力、生活品質和疲勞程度) 184

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和主要結果 (最大肌肉強度、肌肉大小、功能能力、生活品質和疲勞程度)。四、結果根據以上蒐集結果有 330 個文獻，其中有 189 個是重複的所以去除，剩餘 141 個有 111 個在分析大綱後去除，剩下 30 個有 23 個因 (1)有 11 個沒有提供全文檢索 (2)有 2 個不是以英文出版 (3)有 10 個沒有檢視 COVID-19 患者執行有氧訓練和阻力訓練的成效而去除，篩選過後剩餘 7 個文獻符合上述的資格標準。這 7 個文獻都提到在有氧訓練和阻力訓練過後，評估參數都會改善，且這些研究發現在訓練後，生活品質會改善且焦慮程度下降，導致正向的心理改變。阻力運動搭配有氧運動的訓練課程幫助新冠後遺症患者康復似乎是可行的。

五、論文佐證 Calabrese et al. (2021) 提到在 Post-acute COVID-19 phase 的運動訓練，此運動訓練是針對心臟復健 (cardiac rehabilitation) ，根據病患的健康狀況將運動訓練分為輕度、中度和費力 (low, medium, and high) ，評估病患健康狀況的指標有運動能力、生理機能和維持獨立自主能力，運動能力的評估可以透過 6 分鐘步行測試 (6MWT) ，生理機能的評估可以透過簡易身體功能評估 (SPPB)，維持獨立自主能力可以透過日常生活活動量表 (ADL) 和工具性日常生活活動量表 (IADL) 來評估。在運動時以下參數須隨時記錄： 1.在運動過程中，血氧飽和度須維持在 92-93% 2.運動時心率不可以超過靜止心率 20 下 3.收縮壓必須在 90-180mmHg 之間 4.Borg scale 自我評量表評估自我感覺的呼吸困難度 (不可以超過 4 分 5.感覺盡力程度評級表 (RPE) 評估疲勞程度 (不可以超過 11-12 分) 針對心臟復健的運動訓練，其目的是觸發系統性的抗氧化反應來調節由病毒引發的發炎反應和使內皮細胞功能恢復正常，以上可以透過不同的訓練方式達到，有肌耐力訓練、間歇式訓練、高強度間歇式訓練和阻力訓練，透過這些訓練可以提高 NO 的生物利用率 (bioavailability)，以改善內皮細胞功能和改善心血管功能、活化抗氧化和抗發炎反應。

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運動可能可以減少腦霧，Erickson et al. (2011) 提到運動可以增大海腦迴，促進神經的可塑性，使大腦產生新的神經連結。Amaya et al. (2021) 提到運動可以控制情緒，減少抑鬱症和焦慮症，且運動可以引發大腦的結構改變，使大腦分泌肌肉激素 (myokine) 和腦源性神經營養分子 (BDNF)，刺激神經元和神經突觸的生成，以促進大腦的可塑性和預防認知功能不全。運動也被證實可以有效減緩自律神經失調 (dysautonomia) 和直立不耐症 (POTS)，這些症狀很常出現在新冠後遺症的患者身上。 McNarry et al. (2022) 提到呼吸肌訓練可以大幅改善新冠後遺症患者的氣短情況和呼吸肌功能。Fernández-Lázaro et al. (2020) 提到運動可能會部分減少 SARS-CoV-2 和 ECA2 receptor 結合、活化抗發炎路徑來減緩 COVID-19 引起的發炎反應且可能會減緩 COVID-19 引起的細胞激素釋放症後群 (CRS)。Baker et al. (2021) 提到短暫運動 (acute exercise) 可以增加對 SARS-CoV-2 的免疫反應。

六、結論運動的好處和新冠後遺症有很強的關聯性，且有論文針對不同的新冠後遺症提出運動可以緩解的地方，大致上可以檢驗運動可以緩解新冠後遺症的推測。

參考文獻： Calabrese, M., Garofano, M., Palumbo, R., Di Pietro, P., Izzo, C., Damato, A., Venturini, E., Iesu, S., Virtuoso, N., Strianese, A., Ciccarelli, M., Galasso, G., & Vecchione, C. 2021. Exercise Training and Cardiac Rehabilitation in COVID-19 Patients

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運動在治療與預防阿茲海默症中的作用與潛在機制 Effects and Potential Mechanisms of Exercise in the Prevention and Treatment of Alzheimer's disease 陳振瑜 CHEN, Zhen-Yu

國立中山大學生物科學系 Department of Biological Sciences, National Sun Yat-Sen University 摘要越來越多的證據支持規律運動對於預防阿茲海默症及改善患者認知能力的價值。本文目的是總結目前關於這種情況下運動的好處與機制。規律的運動在眾多研究中皆證實對於阿茲海默症的發病機制中涉及的傳統心血管危險因素(血管流量減少、糖尿病)有益。運動更能通過增加運動誘導的代謝因子 (例如，酮體、乳酸)和肌肉衍生的肌肉激素 (組織蛋白酶-B、鳶尾素)來促進神經新生，這要歸功於腦源性神經營養因子的產生。最後，定期運動發揮抗發炎作用並改善大腦氧化還原狀態，從而改善阿茲海默症的病理特徵，例如β-澱粉樣蛋白沉積等。總而言之運動可能會通過不同的途徑提供許多益處，這些途徑可能有助於預防阿茲海默症的風險和進展。之後研究方向可以往其他潛在運動誘導的因子與比較不同運動間的功效來進行。由於目前研究主要仍在模式動物上，未來需要更多基於人體研究的證據來支持運動作為治療與預防阿茲海默症的潛力。

關鍵詞：阿茲海默症 (Alzheimer's disease)、認知 (Cognition)、運動(exercise)、運動激素 (exerkines)、大腦健康 (brain health)

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一、前言由於衛生與醫療環境不斷進步，使得人民平均壽命也因此上升，間接也造成老年人口比例快速增長。根據聯合國在 2019 年的《世界人口展望》報告當中指出:到 2050 年時，全球每六人中就有一人會超過 65 歲。老年人口的增長也導致與年齡相關的慢性疾病患病率顯著提高。其中阿茲海默症(Alzheimer's disease ；AD)是屬於失智症的一種，屬於神經退化性疾病。根據美國阿茲海默症協會報告顯示，美國在 2021 年罹患阿茲海默症的人口已超過 650 萬，並且被紀錄為美國第七大死因。家屬及醫護人員花費了超過 160 億個小時與 2700 多億在照顧病患身上(No authors listed, 2021)，儼然已成為不可忽視的疾病。

二、資料搜尋策略與選擇標準我的尋找方式有兩個步驟，首先在 PubMed 網站上搜尋關鍵字運動(exercise)加上阿茲海默症(Alzheimer's disease)，先篩選從 2020 至 2022 年的文獻。當有了搜尋結果後再從這結果中再加上與運動誘導並有神經保護功能的因子，例如搜尋 BDNF +exercise+ AD 等方式，特別關注於有包含機制的文獻。透過摘要來了解這些文獻之

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間的相關性。並且也對這些回顧型文獻中的參考資料進行這兩步驟的篩選來收集我所需要的資料。

三、阿茲海默症病因與症狀阿茲海默症是一種漸進式且不可逆神經退化性疾病，主要症狀為健忘、認知功能衰退、情緒不穩、行為改變等。主要特徵為腦內出現不正常的斑塊(plaques)及神經纖維糾結 (neurofibrillary tangles；NFTs)。斑塊主要由 β 類澱粉蛋白質(amyloid beta；Aβ) 大量堆積形成，而神經纖維糾結物主要是 tau 蛋白過度磷酸化，造成微小管 (microtubule) 扭曲變形，堆積在細胞內而產生(Hyman et al., 2012)。 AD 的病因目前還沒有定案，最被科學家公認的是類澱粉堆積假說，在大腦神經細胞的細胞膜上，鑲嵌著一種稱為類澱粉前身蛋白 (Amyloid Precursor Protein；APP)，一部分在細胞膜內，一部分則在膜外。這種蛋白質會被三種酵素辨識並水解，分別為 α-分泌酵素、β-分泌酵素，以及γ-分泌酵素(alpha, beta, gamma-Secretase)。正常來說，APP 會由 α-分泌酵素及 γ-分泌酵素所分解，被剪斷的 APP 碎片稱為 p3 peptide，對人體並無害處。然而當 APP 由 β-分泌酵素及γ-分泌酵素所分解時，則會產生較長的 APP 碎片，稱為 β-類澱粉蛋白 42 (Aβ42)，這種類澱粉蛋白不但不容易被分解，還很容易與其他的類澱粉蛋白在神經細胞外結合而形成沉澱的斑塊 (Plaques)。長期的 Aβ沉積又會誘發 tau 蛋白病理機轉，最終導致細胞大量死亡 (Hardy and Allsop , 1991)。

四、目前治療方式 (一) 藥物治療目前 AD 主要是利用藥物治療，然而藥物也只能減輕症狀，減緩病期，無法治癒。依照病情的階段有兩種藥物可以使用:在發病的前期至中期時能夠使用乙醯膽鹼酶抑制劑，由於 Aβ的堆積使得大腦神經元死亡，也令神經傳遞物質乙醯膽鹼濃度降低，造成記憶障礙。因此可針對釋放至突觸間隙中的乙醯膽鹼延後其分解作用，藉此增強膽鹼能神經傳導作用，而改善症狀。若是到了中後期，能夠使用 NMDA 受體拮抗劑來治療。麩氨酸 (Glutamate) 是哺乳類動物中樞神經系統主要的興奮性神經傳遞物質，會結合到 NMDA 的接受器從而使神經元興奮。然而 AD 患者的大腦到後期會無法移除麩氨酸，使得神經元過度興奮而死亡。因此可利用 NMDA 接受器拮抗劑阻斷麩氨酸達到

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減緩神經細胞死亡的目的 (Wang & Reddy , 2017)。然而乙醯膽鹼酶抑制劑缺點在於價格昂貴、半衰期短且伴隨副作用；而 NMDA 受體拮抗劑則是有些微的神經毒性 (Wollen,2010)。

(二) DBS 手術治療另外近期有科學家嘗試使用大腦深層刺激手術 (Deep Brain Stimulation；DBS)來治療阿茲海默症，植入一個細長的電極導線至腦中，此一導線經皮下和植入於胸前的脈衝產生器相連，藉著產生電流來控制調節腦內不正常的活動訊息。然而 DBS 手術費用十分昂貴，治療效果十分不一致，甚至有出現惡化的情形 (Luo et al.,2020)

五、運動作為阿茲海默症的替代療法身體活動 (physical activity；PA) 是指身體藉由肌肉消耗能量而產生動作；而運動則是指具有計劃性、組織性、重複進行，以達到良好身體狀態之目的的身體活動。運動已被證實對身體有多項好處，包括血糖控制、新陳代謝的改善 (Sigal et al., 2006)、減重、降血壓、增加免疫力

(Mattson, 2012) ，更能減緩神經發炎

(neuroinflammation)、促進神經新生、突觸新生，及粒線體的生合成 (Li et al.,2014; van Praag et al., 2014) 。而在 De la Rosa et al. (2019) 一項研究終將受試者分為久坐不動組與運動組，發現運動組在進行回憶測試時的分數較高。另外在 2011 年一項研究中，美國科學家發現 1 年的中等強度運動（每週 3 天，每次 40 分鐘）會增加海馬體的大小，並增加空間記憶 (Erickson et al,.2011) 。為研究運動對於阿茲海默症的益處，韓國科學家利用常用的阿茲海默症模型小鼠 3xTg-AD 來進行運動實驗，將 3 個月大的小鼠以每週 5 天，一天 30 分鐘的頻率來跑跑輪，維持 12 週。之後再利用水迷宮來量化評估成果，結果發現運動後的 3xTg 小鼠在空間記憶方面有改善的效果 (Kim et al., 2019) 。

六、運動產生益處的機制運動所帶來的好處都要歸功於運動激素 (exerkine)，意指受運動誘導所釋放之細胞激素 (cytokine)、代謝產物等 (Safdar & Tarnopolsky, 2018)。根據報告指出，運動因子包括類胰島素生長因子 (IGF-1)、鳶尾素 (Irisin)、骨鈣素 (osteocalcin)等運動激素在周邊神經系統與大腦溝通之間扮演重要的角色 (Bradburn et al., 2016; Khrimian et

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al., 2017) 。在大腦間會去刺激活化多種不同訊息傳遞路徑幫助突觸可塑性、神經元的分化，例如腦源性神經營養因子 (brain-derived neurotrophic facto ; BDNF) 的傳遞路徑 (Lourenco et al., 2019)。

(一)運動與神經新生在運動與大腦神經新生中，BDNF 扮演重要的角色。BDNF 是一種能夠促進神經元突觸存活和完整性的神經營養因子，對大腦可塑性和記憶功能的調節至關重要。AD 患者從疾病早期開始血液和腦部 BDNF 水平較低，並且 BDNF 水平與認知功能呈正相關。海馬迴神經新生有益於 AD 中的認知，但僅在有 BDNF 的最佳環境時 (Choi et al.,2018)。因此認為 BDNF 是運動對於改善認知障礙的重要媒介。而運動誘導的因子例如 CTSB、鳶尾素、乳酸及酮體都能夠誘導 BDNF 的水平上升，並改善認知功能。

(二)運動與心血管疾病運動與心血管疾病之關係，腦血流量是關鍵的因素，因為 AD 與心血管疾病有相似的病理機制。中國科學家對沒有 AD 的族群進行心血管疾病風險評估與核磁共振。發現心血管疾病風險越高，失智症的風險的確越高。數據分析顯示，心血管疾病風險較高的人，海馬迴體積，灰質甚至整個大腦都變小；但代表大腦衰退的白質卻增加。研究發現腦血流量的減少不僅造成高血壓也使得大腦對於 Aβ的負荷增加。運動可以通過降低動脈高血壓來有益於大腦健康，另外對血管健康的有益作用部分可以透過血管內皮生長因子 (VEGF-1) 使血管新生，不僅改善大腦類澱粉堆積疾病，也改善記憶與認知的功能 (Gavin et al., 2007)。

(三)運動與氧化壓力另外氧化壓力造成的損傷也是 AD 的病因之一，正常生物在代謝時會產生副產物活性氧 (ROS)。但隨著老化、壓力等使 ROS 水平異常高的時候就會與使得 DNA 損傷與神經變性，增加 Aβ的產生和積累，並誘導 Tau 蛋白過度磷酸化和聚集，反過來導致線粒體功能障礙和進一步產生 ROS 的惡性循環 (Tönnies & Trushina, 2017)。運動已被證明可以改善氧化還原狀態。此外，它還特別增強了大腦的抗氧化能力 (Valenzuela et al., 2020)。

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(四)運動與發炎作用慢性炎症也被科學家認為是神經退化性疾病的病因之一 (Heppner et al., 2015)。許多促炎因子，如腫瘤壞死因子 (TNF) -α、caspase-1 或 IL-1β，皆與 AD 相關的神經退化性有關。小膠質細胞 (microglia) 在炎症和神經退化性疾病之間的聯繫中扮演著關鍵腳色。這些細胞的功能主要由它們的表現型決定，M1 和 M2 表現型分別參與促發炎和抗發炎過程。AD 的促發炎的環境已被證明會將小膠質細胞推向 M1 表現型，這是神經元變性的決定因素。而運動可以有效調節小膠質細胞表型，誘導抗炎作用並最終改善認知功能 (Hopperton et al., 2018)。

七、現今爭議與情況曾經有一項研究嘗試比較藥物和運動對 AD 和輕度認知功能障礙 (MCI) 的影響 (Ströhle et al., 2015)。該研究將運動或藥物干預作為治療組。對於 AD，運動具有中等強度的功效，但對 MCI 的影響很小。同時用膽鹼酯酶抑製劑治療對 AD 的感知有輕微的影響，但對 MCI 沒有影響。另一方面，運動的影響也不是持久的。一項對 4000 多名老年人進行的研究發現，較常運動的人在接下來的四年中罹患癡呆症 (包括 AD) 的風險較低，但 14 年後風險卻與原本相差無幾 (De Bruijn et al., 2013)。而在 2018 年英國科學研究院招募了一千八百多位 55 歲~80 歲有失智症的患者，分為常規醫療組與運動組進行為期 4 個月的運動，每週 150 分鐘，每次 25 分鐘的健身腳踏車，維持在中等至高等強度，結束後利用阿茲海默症評估量表 (Alzheimer's Disease Assessment Scale-Cognitive；ADAS-Cog)來評估成果，結果發現運動組與醫療組分數並無顯著差異 (Lamb et al., 2018)。為此仍需要進行大量研究，不僅要更多地闡明運動與 AD 病理生理學基礎。雖然在臨床前研究中提出了許多機制作為運動有益於 AD 的潛在途徑，但目前這些途徑在人類中實際作用的證據很少。因此未來目標著重於找尋運動後對於大腦有益的新介質、比較不同運動對於人體的好處。八、未來研究方向 (一)研究其他運動誘導的介質目前科學家正研究三種運動激素，分別為犬尿胺酸 (kynurenine)、乳酸與凝聚素 (Clusterin)，犬尿胺酸是左旋色氨酸的代謝產物，容易穿過血腦屏障從而促進神經炎症和神經元死亡 (Ogyu et al.,2018)；乳酸除了促進血管新生和海馬迴神經新生作用外，還能調節運動與 AD 相關的神經炎症的功效；Clusterin (ApoJ) 是一種多功能蛋白，

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能夠調節包括 Aβ 聚集和神經炎症 (Foster et al., 2019)。但目前還需要更多研究來闡明這些運動激素的功用。

(二)比較不同強度運動的功效而何種強度的運動最能預防及改善 AD 呢? 一項對人類的研究表明，與低強度運動相比，急性高強度運動會引起更大的 BDNF 增加，並且益處取決於乳酸的產生。此外，在老鼠模型中，與中強度肌耐力訓練 (Moderate-intensity continuous training， MICT) 相比，6 週的高強度間歇運動 (High-intensity interval training，HIIT)，也就是一種短暫的劇烈運動及短時間休息交替的訓練方式，HIIT 導致 BDNF 的長期增加更大 (Afzalpour et al.,2015)。另外重量訓練與其他耐力運動相比會導致更大的急性和長期鳶尾素濃度增加，表明阻力運動對於預防 AD 和改善患者的認知能力具有潛力，因此比較不同運動對於 AD 的病情發展是必須的。

九、結論運動提供了無數可能通過不同途徑影響 AD 的益處，這些途徑從預防相關風險因素 (例如血管功能障礙、肥胖、糖尿病) 促進大腦健康。根據現有證據可以推測基於運動的干預措施可能有助於預防 AD 或減緩個體中的進展。然而儘管在臨床前研究中提出了許多機制作為運動對 AD 益處，但針對人類進行的研究仍然不足。因此需要更多的研究來支持運動功效的機制，以確認這些益處是否適用於所有人群並確定最有益的方法。參考文獻: Afzalpour, M. E., Chadorneshin, H. T., Foadoddini, M., & Eivari, H. A. 2015. Comparing interval and continuous exercise training regimens on neurotrophic factors in rat brain. Physiology & behavior 147: 78-83. Bradburn, S., Sarginson, J., & Murgatroyd, C. A. 2018. Association of peripheral interleukin-6 with global cognitive decline in non-demented adults: a metaanalysis of prospective studies. Frontiers in aging neuroscience 9: 438. Choi, S. H., Bylykbashi, E., Chatila, Z. K., Lee, S. W., Pulli, B., Clemenson, G. D., ... & Tanzi, R. E. 2018. Combined adult neurogenesis and BDNF mimic exercise

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環境因子對木質藤本長期豐富度增加之影響 Effects of Environmental Factors for The Long-Term Increase in Liana Abundance 許國強 HUI, Kwok-Keung

國立中山大學生物科學系 Department of Biological Sciences, National Sun Yat-Sen University 摘要過往木質藤本的研究相對甚少，但隨著木質藤本對森林動態具重要性，因此大量的相關研究開展，從而深入了解木質藤本在樹木的生長、新增、物種多樣性的維持和森林生態系統動態變化等。在 21 世紀初發現木質藤本的密度及基底面積 (basal area, BA) 上升，並且認為環境因子對此趨勢具關鍵作用，因此相關的研究因應環境因子對木質藤本的影響進行，從而了解其作用對木質藤本豐富度的影響。雖然不同的研究指出不同的環境因子對木質藤本豐富度增加之相關性強弱的原因，但仍未完全闡釋清楚。在各個結果中得出木質藤本的豐富度與降雨量呈負相關，與二氧化碳濃度、干擾、季節性強弱呈正相關，營養沉積則呈現相左的結果，這些不同因子解釋木質藤本的分布限制及豐富度增加的原因。未來的研究方向可以針對不同因子對干擾程度較低森林類型作用、不同環境因子對不同森林類型中維持木質藤本豐富度的原因、以及不同環境因子之間的相互作用對木質藤本豐富度的影響等。關鍵詞：liana (木質藤本)、 environmental factors (環境因子)、 diversity (多樣性)、 abundance (豐富度)

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一、木質藤本及重要性木質藤本在熱帶地區具不同種類，它以盤旋旋轉運動 (circumnutation spirals) 藉助其它植物或支撐物作為直立生長的途徑，以纏繞其他植物向上生長。它與樹木同為熱帶森林重要的標誌性物種，豐富的木質藤本被視為區別熱帶與溫帶森林的物種，從溫帶到熱帶之間，木質藤本的物種豐富度增加了近五倍 (Schnitzer & Bongers, 2002)，並且有助於維持熱帶森林的多樣性。但木質藤本對森林同時產生危害，如：傷害樹冠、降低樹木生長率、死亡率、新增率等。過往對於木質藤本在生物學、生態學特性及其森林生態系統中功能的研究相對甚少 (Schnitzer & Bongers, 2002)，歸因於研究者視其為森林的附屬成員加上其獨特的生長模式導致鑑定及區分困難，因此在 20 世紀幾乎被忽視。然而在近 30 年，由於它對森林動態愈加重要，因此大量相關研究開展，從而深入了解木質藤本在森林的生長和更新、物種多樣性的維持和森林動態變化過程中所發揮的重要作用。二、木質藤本長期增加之趨勢 Phillips et al. (2002) 指出亞馬遜森林中木質藤本的優勢和平均個體大小不斷增加，其結果必然令森林的碳固定減少，後續的研究也顯示木質藤本在不同熱帶森林的豐富度呈現上升趨勢。Putz et al. (1984) 的研究顯示在成熟森林中約有半數 10 公分以上的樹種具有木質藤本，並且樹冠以下約有兩成的木質藤本幼苗生長發育。 200

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因此，大量的研究開始專注於木質藤本的特性如何影響樹木的生長、新增、繁殖、生存和多樣性。然而過去對環境因子對木質藤本的影響相對較少，但自從 Phillips et al. (2002) 發現木質藤本的密度及 BA 在過去 20 年呈上升趨勢，並且指出影響木質藤本多樣性和豐富度的環境因子可能包括溫度、降雨、土壤營養沉積、干擾和大氣中的二氧化碳濃度等。因此環境因子對木質藤本多樣性維持的機制開始被研究，但目前只有部分影響被釐清。三、環境因子對木質藤本增加之影響及不足木質藤本的多樣性和豐富度的多寡取決於密度、BA 及物種數量等，BA 為描述樹木在胸徑的橫截面面積與總面積的比值。因此可以從不同研究中了解環境因子對木質藤本豐富度的改變。 (一) 温度與降雨量溫度是限制木質藤本向高緯度分佈的主要原因之一，因此在北回歸線以北，木質藤本的豐富度大幅下降 (Schnitzer, 2005)，木質藤本寬大的導管在冬季低溫下面臨著空穴化甚至結冰的危險 (部分葡萄科例外)，從而阻礙水分運輸，限制了其往高緯度的分佈，這被認為是木質藤本豐富度隨緯度升高而急劇下降的主要原因。熱帶地區的樹木和多數其他生物的豐富度會隨著降雨量的增加而增加，因此一直以來認為木質藤本的豐富度為相同趨勢。但 Schnitzer (2005) 在巴拿馬中部的三個重要氣候條件相似，但降雨量具差異的森林中分析指出木質藤本的豐富度與年降水量呈負相關，與森林的季節性強弱呈正相關。在具有明顯乾濕季的季節性森林中木質藤本具有較高的豐富度，這種趨勢與大多數的植物類群分布規律相反。降雨量降低代表木質藤本在乾季時的生長量較高。在巴拿馬熱帶季節性森林中，乾季木質藤本高度的增加率是樹木的七倍，而在濕季僅為兩倍，長期的乾季生長優勢，致使這些乾濕季明顯的森林中木質藤本具有很高的豐富度 (Schnitzer & Bongers, 2011)。 (二) 土壤營養沉積過往認為土壤的營養沉積對木質藤本的增加具重大的貢獻。Laurance et al. (1999) 在亞馬遜中部的森林，其特質為土壤相對貧瘠，並且收集不同土壤微量元素對生物量的影響，其中氮、鉀、鎂等與木質藤本生物量呈正相關，佐證木質藤本的豐富度隨著土壤營養沉積而增加的因素。但 Schnitzer et al. (2020) 在巴拿馬中部，同為土壤相對貧瘠的森林中加入氮、磷、鉀後，經過 5 年的變化，發現營養沉積對其密度及 BA 的增

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加沒有顯著變化；但對於物種數量有輕微的上升。森林土壤的營養沉積並不影響木質藤本豐富度。因此，木質藤本的豐富度在不同森林類型受到營養沉積的影響仍需要補充。 (三) 干擾 Laurance et al. (2001) 在巴拿馬中部的林緣 (干擾程度較高區域) 及森林內部 (干擾程度較低區域) 觀察在人為干擾下木質藤本豐富度的差異，發現木質藤本不同特化生長均為林緣高於森林內部，因此認為森林破碎化會增加木質藤本的豐富度，因此干擾為木質藤本增加因子，後續不同人為干擾實驗支持該說法。然而，過往缺乏長時間空間上干擾的改變，自然干擾可考慮其對木質藤本增加之變化。而 Schnitzer et al. (2021) 的研究依據樹冠受干擾程度的大小劃分為 4 類，認為巴拿馬中部的熱帶森林在長時間的自然干擾下，木質藤本的密度及 BA 均在 10 年內呈上升趨勢，然而木質藤本死亡率對 BA 的變化互相抵消。但是無性繁殖 (clonal stem) 的特性，即主根產生不定芽的能力對密度及 BA 的增加做出重大貢獻，因此無性繁殖可視為在熱帶森林中具較高豐富度的原因。但同時指出沒有明顯干擾的樣區，木質藤本的豐富度也呈現輕微的上升，其原因不明。 (四) 二氧化碳濃度熱帶森林生物多樣性的變化的可能原因與氣候變化和二氧化碳的濃度增加相關。 Granados & Korner (2002) 在土壤濕潤的條件下，將溫度限制在夜間溫度及相對濕度為 22°C 及 95-99%，日間達到 32°C 及 60%，以此測試三種木質藤本幼苗的生物量變化，二氧化碳的濃度在一定範圍內 (280-560 ppm)，能顯著影響木質藤本的生長，無論光強度的高低，然而部分幼苗會隨著高的二氧化碳濃度 (560-700 ppm) 對其生物量有所降低，但總體而言，二氧化碳濃度的上升對木質藤本的生物量呈正相關，而低光環境下，其生物量仍呈上升趨勢，因此可以視為林蔭下木質藤本攀登行為的解釋。四、結論木質藤本在全球熱帶甚至亞熱帶地區的數量持續上升，木質藤本的豐富度及多樣性增加的成因及對森林的影響會受到一定重視。部分的環境因子，如：温度、濕度等可了解對木質藤本豐富度之影響，並且可解釋木質藤本因這些因子而影響其分布狀況。然而，當自然干擾程度較低時，木質藤本 BA 的增加受那些因子影響、不同環境因子

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(如：營養沉積、干擾) 是否會在所有森林類型中維持木質藤本的豐富度是未知的問題、以及不同環境因子之間的相互作用對木質藤本豐富度的影響等仍不明確。參考文獻： Granados, J., & Korner, C. 2002. In deep shade, elevated CO2 increases the vigor of tropical climbing plants. Global Change Biology 8(11): 1109-1117. Laurance, W. F., Pérez-Salicrup, D., Delamônica, P., Fearnside, P. M., D'Angelo, S., Jerozolinski, A., Pohl, L., & Lovejoy, T. E. 2001. Rain forest fragmentation and the structure of Amazonian liana communities. Ecology 82(1): 105-116. Laurance, W. F., Fearnside, P. M., Laurance, S. G., Delamonica, P., Lovejoy, T. E., Rankin-de Meronaa, J. M., Chambers, J. Q., & Gascon, C. 1999. Relationship between soils and Amazon forest biomass: a landscape-scale study. Forest

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Local canopy disturbance as an explanation for long-term increases in liana abundance. Ecology Letters 24(12): 2635-2647.

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為何使用性狀和環境的關係來預測族群動態? Why Use Trait-Environment Relationship to Predict The Population Dynamics? 鄧永淥 DENG, Yung-Lu 國立中山大學生物科學系 Department of Biological Sciences, National Sun Yat-Sen University 摘要隨著溫室效應加劇，全球森林吸收二氧化碳的能力對人類而言日漸重要。了解森林受到干擾後群落如何重新建構能夠更好的預測未來森林的樣貌。在過去研究植物的群落時會直接估算不同地區的物種多樣性和物種組成。但是由於不同地區的物種庫不一致，導致結果難以比較，因此會使用功能性狀來量化不同物種之間的差異。功能性狀能夠反映在單一環境下物種如何權衡其資源分配。然而，物種的新增和死亡率在不同環境中會不一樣，忽略環境梯度的變化，只能夠預測一部分的族群動態。有些學者認為考慮個體功能性狀能夠反映這樣的變化，因此研究個體層級的功能性狀和族群動態的關係，但是個體功能性狀的取得費時費力，並且成效有限。所以另外的一些學者認為可以使用功能性狀和環境的關係才能更好的預測不同樹木的族群動態。隨著階層式模型的發展，許多學者使用 joint species distribution model 來預測族群動態，此模型能夠同時估算多個物種和環境的關係，還能夠再利用功能性狀或親緣關係來解釋此關係。雖然有許多的學者證實此方法的確能夠很好地預測森林樣貌，但是還需要更多證據驗證其在不同地區預測力。關鍵詞：predicting forest dynamics (預測森林動態)、community assembly (群落建構)、 population dynamics (族群動態 )、 functional traits (功能性狀 )、traitenvironment relationship (性狀與環境的關係)

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在過去 20 年間全球森林每年吸收了 76 億的二氧化碳 (Harris et al., 2021)，相當於當時美國每年排放二氧化碳的 1.5 倍。隨著溫室效應加劇，森林的固碳能力越顯重要，因此需要被大眾所了解和重視。森林本來就會受到環境中許多不同程度的自然干擾，例如火災、颱風和閃電等等，但是隨著人類的活動增加，間接或直接的干擾森林，導致森林快速地被破壞 (Levin & Paine, 1974)。幸運的是森林能夠自行復原，但是森林復原的速度和群落建構的順序都還不是很清楚。森林的自我復原又被稱為群落的重新建構，了解群落重新建構的過程就能預測森林未來的樣貌，並協助我們認識和保護森林。群落建構的過程中，一個地區的物種會由較大的地理範圍中的物種庫所來，而且要經過層層篩選，這些物種才能成功在某地建立其族群。為了了解森林中群落建構，需要觀察森林樹木的生長、生存和繁殖以得知其族群動態。樹木的族群動態能夠顯示群落建構過程的機制。過去的許多研究會檢測群落層級的物種多樣性和物種組成來觀察一個地區的樹木族群動態。然而，這樣的方法可能因為地區的物種庫、環境影響和歷史背景不同，導致不同地區的結果有許多不確定性 (Norden et al., 2015)，因此生態學者會使用功能性狀來量化不同物種的差異 (Meiners et al., 2015)。功能性狀為物種在形態、生化、生理、結構、物候或者行為上的特徵，其能夠反映生 206

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存環境的變化並對物種的生存、生長和繁殖有影響的性狀 (Violle et al., 2007)，因此能夠幫助了解物種資源分配的權衡。在熱帶森林中，有著速生型功能性狀的物種相較於保守型物種通常擁有比葉面積 (每單位葉重量的光合作用面積) 大、種子小和木材密度低 (Westoby et al., 2002)。這樣不同的生存策略會出現在不同的環境中，例如需光物種 (Light-demanding species) 多會生長於林下光線充足的林隙附近或是森林邊緣以獲取光源而快速生長，而耐陰物種 (Shade-tolerant Species) 則能夠忍受長時間的低光環境或者抵抗食草動物啃食 (Wright et al., 2010)。但是也有學者發現功能性狀的表型變化很大，而導致同個地方的物種功能性狀並沒有預期上相似 (Shipley et al., 2016)。如同前述所說，功能性狀能夠反映不同環境下的物種的生存、生長和繁殖等。但是由於同一物種在不同環境下新增和死亡率也會不同，因此不考慮環境的情況下，只能了解一部分功能性狀和族群動態的關係，這也導致過去的研究得出不一致的結論 (Shipley et al., 2016)。例如有著耐旱功能性狀的植物，因為葉片的保水性好而能生存在環境乾燥的地方。然而，隨著環境降雨量的減少，其族群規模還是會受到限制。有些學者選擇使用個體功能性狀的表型不同來反映環境的變化以解決上述的問題，但是成效不一。Fajardo & Siefert (2018) 認為個體功能性狀的變異能夠很好地解釋物種資源利用的權衡。然而 Albert et al. (2011) 提出應該在相對異質的環境中才考慮個體功能性狀的種內差異。Li et al. (2020) 的研究也發現在環境異質性不高的地方，不需要考慮個體層級的功能性狀。個體層級功能性狀不一定在所有時候都有很好的預測力，因此由於人力和成本問題，大多研究還是會使用物種層級的功能性狀值為主。另外的一些學者選擇同時考慮環境和功能性狀，以預測族群動態。這個關係稱為功能性狀和環境的關係。通常此關係需要同時估計多個物種，傳統上會使用群落物種組成和環境的相似度來將不同物種分群 (Ter Braak & Prentice, 1988)，或是重複取樣測試假說 (Legendre et al., 1997)，亦或者使用物種分布模型但是主要在預測物種多樣性和分布，而較少關心物種之間的相關性 (Ferrier & Guisan, 2006)。近期隨著階層式模型的發展，有一個階層式模型名為 joint species distribution model，此模型能夠透過不同階層同時估算多個物種，並且考慮到物種之間的相關性。第一層能夠同時估算多個物種和環境的關係，以此得到各物種在不同環境下生長、生存或新增的反應。第二層並能夠接著再由物種的功能性狀或是親緣關係來解釋第一層的反應 (Warton et

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al., 2015)。Lai et al. (2020) 透過這個模型研究在熱帶次森林中發生干擾時，功能性狀和環境的關係如何調節物種新增。他發現木材密度和林下光照、種子大小和落葉層厚度以及樹木高度和樹木類型的關係調節物種新增。但是以往認為很重要的葉子功能性狀並沒有和任何環境因子有顯著關係以調節新增。同時 Lai et al. (2021) 也透過研究隨著時間變化，次級演替時的功能性狀和環境關係如何影響物種新增和生存，證實隨時間進行物種在不同時期有不同的演替類型。即使上述研究都得到很好的預測力來預測森林，Lai et al. (2020) 還是呼籲更多學者在更多地區以此相同的分析架構來了解性狀和環境的關係。但是有部分研究指出在小尺度的研究中，環境對物種的影響可能會被種子傳播所限制 (Lasky et al., 2013; Pinto & MacDougall, 2010)。如果種子無法傳播到某個地點，亦或是一地的物種新增數很少，都無法判斷是因為環境不適合還是傳播限制所導致。然而，種子傳播很難以估計，所以就我所知多數研究並未將此納入考慮，或許在之後的模型能夠加入考慮。上述提到的研究都認為功能性狀和環境關係對於預測族群動態，進而了解森林如何建構有其潛力，但是還是需要在不同地區以相同架構驗證此關係的預測力。參考文獻： Albert, C. H., Grasseina, F., Schurr, F. M., Vieilledent, G., & Violle, C. 2011. When and how should intraspecific variability be considered in trait-based plant ecology? Perspectives in Plant Ecology, Evolution and Systematics 13(3): 217-225. Fajardo, A., & Siefert, A. 2018. Intraspecific trait variation and the leaf economics spectrum across resource gradients and levels of organization.

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植物物候研究與展望 The research and the prospect of Plant Phenology 曾沛濂 TSENG, Pei-Lien 國立中山大學生物科學系 Department of Biological Sciences, National Sun Yat-Sen University 摘要物候學 (Phenology) 研究各種生物事件 (如展葉、開花) 與氣候因子之間的相關性，而植物物候學中的繁殖物候更是特別重要，繁殖物候為開花及結果物候，更容易受到氣候的影響。過去物候時間的紀錄主要是為了農業活動的發展，沒有系統性的紀錄物候時間，1990 年代科學家發現物候時間跟過去相比產生改變，這些改變可能跟氣候變遷有關係，因此近年來的物候研究著重在探討氣候變遷對生物的影響。隨著監測技術與建模方法進步，物候學的研究逐漸擴大尺度，能更好的預測未來物候時間的改變。氣候變遷導致環境產生改變，進而影響物種的生理反應、分布或是物候事件發生的時間。對植物的開花物候而言，物種間的差異有可能會去影響開花物候的改變，而環境因子溫度、雨量或是光週期其中的交互作用也會影響開花物候。開花物候時間的改變，會影響植物與其他物種之間的關係，產生級聯效應 (trophic cascade)，進而對整個生態系造成影響，破壞生態系原有的功能。目前臺灣也有一些相關的物候研究資料，但是尺度相對來說比較小，未來的研究方向可以將尺度跨大，並考慮更多不同的氣候因子進行數據的分析。關鍵詞：物候學、繁殖物候、氣候變遷、級聯效應

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一、什麼是物候學? 物候學 (phenology) 主要以記錄生物週期性現象 (如展葉、開花、休眠和遷徙) 與氣候因子之間的相關為主，並探討氣候變化如何影響這些生物週期性現象(Forrest & Miller-Rushing, 2010)。長時間的物候紀錄，比較不同年份的生物事件差異，藉此瞭解氣候變化的規律，探討氣候變化如何影響各種生物事件出現的時間。物候資料在農業、分類學及觀光產業中已經有許多應用 (Chmielewski et al., 2004; Estrella et al., 2007)，近年來的物候資料更多是用來探討生物跟氣候變遷之間的關係。植物物候學 (plant phenology) 為物候學的一部份，長時間的觀察以了解植物生命週期事件的時間，如開花、結果及落葉，其中開花及落葉是相對容易被觀察且紀錄的 (Hughes, 2000)，這些生命週期事件發生的時間在每一年中基本上是固定的，具有季節性及規律性(Piao et al., 2019)。在陸域生態系統中也發揮著重要作用，主要是人類的農業相關系統。由於植物物候學通常與氣候因子有關，因此目前許多研究主要在深入了解全球植物物候學的模式及趨勢 (Brian et al., 2018; Piao et al., 2019)。二、物候學的發展早期的植物物候時間觀察，都是為了要發展人類的農業活動，當時並沒有有系統性的紀錄物候時間，農民只是會根據過去的經驗，在不同的季節進行不同的農業工作。直到 17 世紀科學家才開始有系統性的紀錄物候時間，隨著時間演變科學家發現物候時 212

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間開始跟過去紀錄有所不同，這個時期的氣候溫度也有產生明顯的改變，因此猜測物候時間會產生改變可能跟氣候因子有關，開始突顯出物候學研究的重要性，各國更積極建構各式物候園與物候觀測網，形成跨國性的研究顯學。近代而言，隨著更複雜的監測及建模方法發展，物候的研究尺度逐漸擴大。遙測技術的發展，使得科學家能夠得到更快且更多的物候資料，能夠進行跨區域間的植物的物候時間分析。建模方式的發展使得科學家能夠更好的去預測未來物候時間的改變，也能夠接受更多環境因子組成不同時的模型模擬 (Piao et al., 2019) 。三、物候時間的重要性氣候變遷會改變物種生存的環境，進而影響物種的生理反應、分布、物候及生物互動模式 (Hughes, 2000; Walther et al., 2002)，Sparks & Menzel (2002) 認為其中最顯而易見觀察到的是物候時間的改變，鳥類及昆蟲遷徙的時間發生改變或是開花時間產生改變 (Tryjanowski et al., 2002; Roy & Sparks, 2000; Abu-Asab et al., 2001; Sparks & Menzel, 2002)，都有可能會間接影響到其他物種的生存或是改變物種之間的關係，產生級連效應(trophic cascade)(Ripple et al., 2016; Renner & Zohner, 2018)，改變生態系原有的功能與生產力( Grimm et al., 2013)。四、以開花時間為例，影響開花物候的原因 (環境因子) 在植物物候中的繁殖物候 (reproductive phenology) 容易受到氣候影響，繁殖物候也就是開花及結果物候。植物的開花物候會受到環境因子以及物種間差異的影響，環境因子可能是溫度、雨量 (Matthews & Mazer, 2015) 或是光週期 (Way & Montgomery, 2015) ，受到這些因子之間的相互作用來改變開花及結果的時間 (Kaesha & Jianguo, 2006)，有研究指出隨著氣候溫度的上升可能會導致開花時間延後，進而影響到植物的結實率 (Rafferty et al., 2015)。開花時間在不同的海拔高度及緯度地區有所差異，因為海拔高度及緯度由不同的氣候因子條件組成，這些不同的氣候條件進而影響到物種的分布 (Sherry et al., 2007; Du et al., 2020; Ranjitkar, 2013)。都市化對開花物候時間也會造成影響，都市化會使得環境的溫度比較高，猜測會提早開花，但有研究發現不同的緯度下都市化造成的溫度升高不一定會導致提早開花 (Li et al., 2019)。五、以開花時間為例，影響開花物候的原因 (物種之間的差異) 物種之間的差異可能是物種的性狀、生活模式 (草本或是木本)、授粉模式 (Du et

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al.,2020, Fitter & Fitter, 2002) 或是物種的溫度敏感性 (Wang et al., 2018; Zhang et al., 2015)，甚至是對環境的適應性都有可能會去影響開花物候時間的改變。研究發現性狀相似的物種可能會有比較進的親緣關係產生相似的改變 (Du et al.,2015)。物種本身溫度敏感性高的話，遇到相同的環境改變可能會產生更強烈的反應。對環境適應性比較高的物種，能夠廣泛分布在不同海拔，因此在不同海拔梯度下因為環境因子的不同也會產生不同的開花物候時間。六、臺灣目前的物候研究目前臺灣有一些相關的物候學研究，主要為一個地區或是一個樣區的研究，內容為樣區的開花物候觀測或是樣區內進行不同海拔之間開花物候的比較。在不同物候資料的文獻中，包含了不同的物種以及不同的調查方式，有可能是沿著步道進行物候觀察、或是劃設樣區進行週期性的觀察。曾喜育、曾彥學 (2013) 研究中主要是由塔塔加登山口至玉山主峰之玉山主峰線進行每月一次週期性的物候調查，並分成三個海拔高度進行紀錄。需記錄展新葉、黃葉、開花、結實等狀態，特別針對開花狀態進行記錄，比較不同海拔、植群型、植物生活型、授粉方式等植物之開花物候模式，並進行植物植物物候與環境因子間分析。王玉婷等(2015)的研究中主要是認為全球暖化正在逐漸改變許多生物的物候現象，雖然大多數地區仍缺少長期的植物物候調查紀錄，但是透過植物標本館保留的採集標本，仍可評估過往至現今的植物物候變化情形。李權裕、陳明義 (2004) 的研究中比較特別的是，臺灣對於植物物候的調查大多以一個地區的所有植物來做觀察紀錄，針對特定物種來做研究的相對比較少，而本篇文獻是特別針對殼斗科植物進行物候觀察紀錄。七、臺灣未來物候研究的展望雖然臺灣目前已經累積了相當數量的物候相關研究資料，但都只闡述了區域內的開花物候時間變化，並沒有將尺度跨大到蒐集整個臺灣的開花物候資料與氣候因子進行分析，也就是說目前臺灣的開花物候資料沒有一個綜合彙整的分析，因此未來夠收集更多臺灣過去植物物候研究，並以植物開花物候為主要分析主題。想要瞭解臺灣開花物候時間跟海拔高度或緯度的關係、開花物候時間跟氣候因子之間的關係，以及物種具有相似的性狀會不會有相似的開花時間。參考文獻：王玉婷、林奐宇、陳建文、王相華。2015。由館藏標本探討溫度變化對臺灣熱帶及

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溫帶植物花期之影響。台灣生物多樣性研究 17 (1)：15-27。李權裕、陳明義。2004。關刀溪森林生態系殼斗科植物之物候週期。特有生物研究， 6(2)：95-110。林奐宇。2020。現行與未來氣候下的台灣森林植物分布預測研究。國立台灣大學生

命科學院生態學與演化生物學研究所博士論文。doi: 10.6342/NTU202000682 曾喜育、曾彥學。2013。玉山國家公園高山生態系植物物候週期調查。玉山國家公

園管理處委託辦理計畫。謝東佑、邱祈榮。2013。植物物候在氣候變遷研究之回顧與展望。中華林學季 46(3)：391-410。 Abu-Asab, M. S., Peterson, P. M., Shetler, S. G., & Orli, S. S. 2001. Earlier plant flowering in spring as a response to global warming in the Washington, DC, area.

Biodiversity & Conservation 10(4): 597-612. Burkle, L. A., Marlin, J. C., & Knight, T. M. 2003. Plant-Pollinator Interactions over 120 Years: Loss of Species, Co-Occurrence, and Function. Science 339(6127): 1611–1615. Chmielewski, F.-M., Müller, A., & Bruns, E. 2004. Climate changes and trends in phenology of fruit trees and field crops in Germany, 1961–2000. Agricultural and

Forest Meteorology 121(1-2): 69-78. Christopher Wolf 2016. What is a Trophic Cascade? Trends in Ecology &

Evolution 31(11): 842-849. Du, Y., Mao, L., Queenborough, S. A., Freckleton, R. P., Chen, B., & Ma, K. 2015. Phylogenetic constraints and trait correlates of flowering phenology in the angiosperm flora of China. Global Ecology and Biogeography 24(8): 928-938. Du, Y., Mao, L., Queenborough, S. A., Primack, R., Comita, L. S., Hampe, A., & Ma, K. 2020. Macro‐scale variation and environmental predictors of flowering and fruiting phenology in the Chinese angiosperm flora. Journal of

Biogeography 47(11): 2303-2314. Estrella, N., Sparks, T. H., & Menzel, A. 2007. Trends and temperature response in the phenology of crops in Germany. Global Change Biology 13(8): 1737-1747. Fitter, A. H. & Fitter , R. S. R. 2002. Rapid Changes in Flowering Time in British Plants. Science 296(5573): 1689-1691.

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Gezon, Z. J., Inouye, D. W., & Irwin, R. E. 2016. Phenological change in a spring ephemeral: implications for pollination and plant reproduction. Global Change

Biology 22(5): 1779-1793. Grimm, N. B., Staudinger, M. D., Staudt, A., Carter, S. L., Chapin, F. S., Kareiva, P., Stein, B. A. 2013. Climate-change impacts on ecological systems: introduction to a US assessment. Frontiers in Ecology and the Environment 11(9): 456-464. Kaylor, Adam Lenz, Jennifer L. Motley, Katharine E. Self, David S. Taylor, and Renner, S. S., & Zohner, C. M. 2018. Climate Change and Phenological Mismatch in Trophic Interactions Among Plants, Insects, and Vertebrates. Annual Review of

Ecology, Evolution, and Systematics 49(1). Landler, L., Ruxton, G. D., & Malkemper, E. P. 2018. Circular data in biology: advice for effectively implementing statistical procedures. Behavioral Ecology

and Sociobiology 72(8): 8. Lesley Hughes 2000. Biological consequences of global warming: is the signal already. Trends in Ecology & Evolution 15(2): 56-61. Matthews, E. R., & Mazer, S. J. 2015. Historical changes in flowering phenology are governed by temperature × precipitation interactions in a widespread perennial herb in western North America. New Phytologist 210(1): 157-167. Memmott, J., Craze, P. G., Waser, N. M., & Price, M. V. 2007. Global warming and the disruption of plant-pollinator interactions. Ecology Letters 10(8): 710-717. Neil, K. & Wu, J. 2006. Effects of urbanization on plant flowering phenology : A review. Urban Ecosystem 9: 243-257. Piao, S., Liu, Q., Chen, A., Janssens, I. A., Fu, Y., Dai, J., Zhu, X. 2019. Plant phenology and global climate change: current progresses and challenges. Global

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archiving, and future. International Journal of Biometeorology 66: 35-43. Roy, D. B., & Sparks, T. H. 2000. Phenology of British butterflies and climate change. Global Change Biology 6(4): 407-416. Sherry, R. A., Zhou X., Gu S., Arnone, J. A., III, Schimel, D. S., Verburg, P. S., Wallace, L. L. and Luo, Y. 2007. Divergence of Reproductive Phenology under Climate Warming. The Proceedings of the National Academy of Sciences 104(1): 198-202. Sparks, T. H., & Menzel, A. 2002. Observed changes in seasons: an overview.

International Journal of Climatology 22(14): 1715-1725. Way, D. A., & Montgomery, R. A. 2014. Photoperiod constraints on tree phenology, performance and migration in a warming world. Plant, Cell &

Environment 38(9): 1725-1736. Wang, H., Dai, J., Rutishauser, T., Gonsamo, A., Wu, C., & Ge, Q. 2018. Trends and Variability in Temperature Sensitivity of Lilac Flowering Phenology. Journal

of Geophysical Research: Biogeosciences 123(3): 807–817. William J. Ripple, James A. Estes, Oswald J. Schmitz, Vanessa Constant, Matthew J. Forrest, J., & Miller-Rushing, A. J. 2010. Toward a synthetic understanding of the role of phenology in ecology and evolution. Philosophical

Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences 365(1555): 3101-3112. Zhang, H., Yuan, W., Liu, S., Dong, W., & Fu, Y. 2015. Sensitivity of flowering phenology to changing temperature in China. Journal of Geophysical Research:

Biogeosciences 120(8): 1658-1665. Walther, G. R., Post, E., Convey, P., Menzel, A., Parmesank, C., Beebee, T. J. C., Fromentin, J. M., Hoegh-GuldbergI, O. & Franz Bairlein, F. 2002. Nature 416: 389-395.

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評估柴山多杯孔珊瑚的棲群穩定度之方法 The Method about Colony Stability Assessment of

Polycyathus chaishanesis 鍾德叡 CHUNG, Te-Jui 國立中山大學生物科學系 Department of Biological Sciences, National Sun Yat-Sen University 摘要柴山多杯孔珊瑚 (Polycyathus chaishanesis) 的模式棲地已經受到不可逆的破壞，牠們在臺灣現存的完整棲地僅剩下因泥沙淤積增多導致數量急遽減少的柴山潮池 (tide pool) 及桃園大潭一帶 (以 G1 及 G2 區為主)。至 2019 年春季為止在 G1 和 G2 共發現 84 個棲群 (colony)，垂直分佈範圍為 1.6 公尺至 2.5 公尺之間，是多杯孔珊瑚中棲位最淺的品種；而在潮池生態尚未發生嚴重改變時發現的棲群中，每群多數由約 50 個以下的水螅體 (corallite/polyp) 組成，有個體體積小和分佈深度淺的特點；然而在此物種極度缺乏評估的狀況下，第三液化天然氣接收站 (以下簡稱三接) 的建造計畫卻選定在其極為有限的棲息地旁。考量到淺水物種最容易受到人為壓力影響的特性，因此無論是評估現在大潭藻礁中的柴山多杯孔珊瑚棲群或是往後環境改變的監測都非常重要。在同樣屬於石珊瑚 (scleractinian coral) 的兩個評估案例中，粗糙角星珊瑚 (Goniastrea aspera) 其繁殖能力關係也和群落大小呈正相關，其中每個活躍群落的最低組成水螅體數為 60 個，更少的群落產卵效率較低，以致終將減少或消亡；

Astroides calycularis 也在將受到的人為壓力量分為數個部分，並以珊瑚的實際生長狀況 (水螅體平均長度、棲群的面積和數量) 對照當地珊瑚的健康程度，最後得出珊瑚健康與否跟海洋方面壓力最相關。若將這些案例套用在柴山多杯孔珊瑚所受到的生存威脅之評估上，未來的所有有效評估都應加入棲群的長、短軸和覆蓋率，每群的水螅體數和平均長等，周圍海域的溫度、流向和重金屬含量也應加強監測。關鍵詞：P. chaishanesis (柴山多杯孔珊瑚)、agial reef (藻礁)、colonial coral (群落珊瑚)、polyp number (珊瑚個體數)、colony morphological features (群落整體形態特徵)

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一、前言柴山多杯孔珊瑚的特性和習性目前研究尚少，牠們似乎在潮間帶的下部有較高的適性，喜歡沉積物較多的海岸，和其他珊瑚相差甚遠 (Kuo et al., 2020)。柴山潮池和桃園大潭均滿足水深淺多漂沙的特性，大部分的珊瑚無法順利生長，但柴山潮池因為泥沙淤積的關係使得生態改變，當地的棲群數正急遽的減少，自 2018 年的調查以來只剩下零星且被漂沙覆蓋的蹤跡。在中油委託國立海洋大學在 2021 年的調查報告中，桃園大潭 G1 及 G2 區在旺季時族群數量曾經到達 106 株，比起 Kuo et al. (2020)在 2019 年時發現的 84 株還多，是唯一一個對柴山多杯孔珊瑚生態上相對健康的區域。然而大潭海岸近期亦被規劃為三接建址，即便緊鄰重要的棲地，目前中油亦沒有打算改變選址的意圖，而是做出妥協方案將接收站的建築規劃外推至離岸 1.2 公里的海面上；柴山多杯孔珊瑚的分佈較淺 (Lin et al., 2012)，而淺水底棲生物對於受到的人為影響最為敏感 (Brierley & Kingsford, 2009)，對柴山多杯孔珊瑚的威脅性尚難評估，儘管中油承諾願意持續監測環境進行評估，但在其調查報告中僅列出的群落位置和棲群長寬軸等資訊，且面積估算非常粗略 (套用矩形公式計算) 而缺乏覆蓋率計算，對於評估健康狀況的功能較有限。

二、族群內個體數對生殖能力產生之影響 219

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在粗糙角星珊瑚的棲群中，邊緣水螅體 (marginal polyp) 的發展受到限制，當水螅體位於棲群邊緣的時候，容易變為較小且幾乎不產卵的個體，其目的可能是為了防衛群體 (Sakai, 1998)。在 23 個極端微小的群落 (直徑小於 2cm) 中，6 個僅有一個 (群落水螅體數<13) 或是沒有非邊緣水螅體 (non-marginal polyps) 的群落甚至無法產出任何卵，相比之下大型的棲群也會有相對多的非邊緣水螅體，繁殖的能力也較小型棲群好上許多。以 Sakai (1998) 對粗糙角星珊瑚群落之分析，他將群落以水螅體數分為大 (>150 個)、中和小 (<60 個) 三種，並以其單位面積產卵數為操縱變因進行變異數分析 (ANOVA test) 及事後檢定 (Post-hoc test)，儘管中和大型棲群的單位平均產卵率沒有太大的差別，但也證實中型或更大的棲群才是健康且具有高繁衍價值的群落。柴山多杯孔珊瑚的棲群不像粗糙角星珊瑚一樣呈結球狀，而是中間微隆起的扁盤狀，其邊緣水螅體的防禦壓力不見得和粗糙角星珊瑚雷同，尚不能確定直接套用此模式是否會高/低估棲群的生殖能力，近期在單一棲群中的水螅體數多數較少超過 50 個 (Kuo et al., 2020)，但觀測到柴山多杯孔珊瑚的活棲群數量是穩定且些微上升的，對於柴山多杯孔珊瑚來說關鍵的群落水螅體數可能較粗糙角星珊瑚更少，需重新評估一個適合的模型套用在往後的調查報告中。三、人為海面壓力對棲群的負面影響針對人為壓力的部分，Prada et al. (2019) 對義大利西西里島北邊的 A.calycularis 進行了人為壓力分別不同的五個地區進行棲群健康度的對照，並以 DISTLM 前向分析得出的累積影響 (Cumulative, IC) 降冪排列為棲地 1~5。從其採樣的珊瑚骨骼來看，健康程度已經有非常明顯的差別，棲地 5 的棲群無論在骨骼盤面大小、覆蓋率 (減少 36%)、水螅體數或是長度 (減少 13%) 都遠遠不如棲地 1。而測試結果顯示前向分析中的的海面壓力影響 (Sea-Based, IS) 比起其他數據更能體現 A.calycularis 受人為壓力產生的負面影響。此外，同研究中也測試了海面溫度和棲群健康的相關性，但棲地間差異微小且相關性不太高。四、討論柴山多杯孔珊瑚因為其稀有性的緣故不適合採集來評估骨盤的面積，且棲地較為稀少狹隘而缺乏對照組，但提早做出定期監測依然可以知曉即將興建的三接在工期間和啟用後對其造成的影響，若影響過於巨大甚至可以以數據為考量決定是否終止建造工業港。附覆蓋率做為珊瑚生態的重要指標 (Jameson et al., 1998) 在調查中是不容忽略的，而中油的調查中缺乏柴山多杯孔珊瑚在棲地範圍內的覆蓋面積，可參考 Kuo et al.

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(2020) 中檢測到的棲地範圍 (G1: 離岸 68.83~313.71cm, G2: 離岸 168.68~315.2cm) 建構出兩面的界線，並以 Prada et al. (2019) 中使用的橢圓公式取代矩形公式對棲群面積估算。但缺乏的水下數據以及各個棲群的水螅體的數量和長度測量屬於較為繁雜的工作，期望往後的調查報告能多調派人力和資源，支援柴山多杯孔珊瑚的健康評估資料庫早日完善。參考文獻： Brierley, A. S., & Kingsford, M. J. 2009. Impacts of Climate Change on Marine Organisms and Ecosystems. Current Biology 19(14): 602-614. Jameson, S. C., Erdmann, M. V., Gibson, G. R. Jr., & Kennard, W. 1998. Development of biological criteria for coral reef ecosystem assessment. Atoll

Research Bulletin 450(1): 1–102. Kuo, C. Y., Keshavmurthy, S., Chung, A., Huang, Y. Y., Yang, S. Y., Chen, Y. C., & Chen, C. L. 2020. Demographic census co nfirms a stable population of the critically-endangered caryophyllid coral Polycyathus chaishanensis (Scleractinia; Caryophyllidae) in the Datan Algal Reef, Taiwan. Scientific Reports 10(1): 1-10. Lin, M. F., Kitahara, M. V., Tachikawa, H., Keshavmurthy, S., & Chen, C. L. 2012. A New Shallow-Water Species, Polycyathus chaishanensis sp. nov. (Scleractinia: Caryophylliidae), from Chaishan, Kaohsiung, Taiwan. Zoological Studies 51(2): 213-221. Prada, F., Musco, L., Alagna, A., Becarri E., D’Anna G., Giacalone V. M., Pipitone C., Fernández T. V., Goffredo S., & Badalamenti F. 2019. Anthropogenic impact is negatively related to coral health in Sicily (Mediterranean Sea). Scientific

Reports 9(1): 1-14. Sakai, K. 1998. Effect of Colony Size, Polyp Size, and Budding Mode on Egg Production in a Colonial Coral. The Biological Bulletin 195(3): 319-325.

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在 COVID-19 疫情期間不同國家的飲食行為之變化 Changes in Dietary Behavior During The COVID-19 Pandemic in Different Countries 黃壽麗 WIJAYA, Brigita Stella 國立中山大學生物科學系 Department of Biological Sciences, National Sun Yat-Sen University 摘要 The COVID-19 pandemic has influenced relationships with food and changes in dietary behavior. The aim of this review is to identify the changes in dietary behavior during the COVID-19 pandemic and its causative factors. A literature search of the PubMed, Google Scholar, and ScienceDirect databases was conducted for studies published in 2020 and 2021. The study approach was carried out using online observational studies conducted in different time periods and in different regions. They were conducted in the spring of 2020 (first wave) and October 2020 (second wave). This review focuses on making international comparisons with potentially important lessons for food behavior and culture, food systems, food policy, and crisis management. The collected scientific papers were conducted in several countries around the globe, which are China, Hong Kong, the United States, Italy, Denmark, Germany, Slovenia, Poland, Austria, the United Kingdom, Indonesia, and Malaysia. The main focus of this review is the differences in dietary behavior before and during the pandemic, which includes the frequency and process of consumption; obtaining and preparing food; food safety knowledge, attitude, and practices; and factors affecting eating out behavior. The diversity of policies, cultures, financial insecurities, subjective norms, and shopping habits are some of the factors influencing changes in dietary behavior during the COVID-19 pandemic. Significant changes were observed in dietary behavior and the frequency of consumption of certain types of food.

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關鍵詞：COVID-19, lockdown, dietary habits, dietary change, food consumption

A. Introduction Food is the key to human health and the health of the planet. The COVID-19 pandemic has resulted in the rapid adoption and implementation of public health policies to reduce transmission (World Health Organization, 2020), which affects people ’ s eating behaviors, food choices, and physical activity. The pandemic has influenced daily lives, which could cause stress, uncertainty, worry, and hopelessness. It has associated consequences, one of which is additional stay-at-home periods. Different countries around the world that are affected by the virus have different numbers of cases, policies, and cultures associated with their attempts to reduce the transmission. Restrictions can change the way people access their food, where they eat, and how their food is prepared. Other key factors that may influence behavior are gender, age, regional distribution, and the time period of the pandemic. 223

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In addition, attitudes, subjective norms, and perceived behavioral control are significant predictors of eating practices (Soon et al., 2021). Social distancing and safety mandates have altered businesses' standard operating procedures and consumers' buying and eating habits. Positive food safety knowledge, attitude, and strong family norms lead to safe eating out measures.

B. Dietary Behavior Dietary behavior plays a major role in our daily lives. The nutrition, amount, and preparation process of the food we eat are the main factors in our health. What goes inside our body determines how well it functions. Dietary behavior is diverse around the globe, yet recently, everyone has been affected by the pandemic. It is affected by many factors and sometimes neglected and not discussed in education and society. Yet, it is crucial to maintain and promote a healthy life. Unhealthy changes in dietary behavior could lead to eating disorders and diseases. The COVID-19 pandemic has affected every aspect of life, including dietary behavior. People in different regions live in different kinds of environments and societies, and they have different dietary lifestyles and habits of their own. Different countries have different numbers of cases, cultures, and restriction policies. Furthermore, people have diverse food safety knowledge, attitudes, and practices that play a role in pandemic transmission. These aspects are important in efforts to create a healthier dietary lifestyle and to minimize the negative effects of the pandemic on food intake in the future.

C. Dietary Behavior: The Effects of the Pandemic on Dietary Behavior Many scientists have hypothesized that social distancing and stay-at-home orders issued in many cities might have a negative impact on adherence to healthy dietary patterns. A pandemic period, which patently constitutes an

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environmental disruption, could provoke dietary habit changes. Perceived behavioral control significantly predicted the intention to practice safe eating out measures. In addition, different variables affect changes in food consumption frequency. The aim of this review is to identify the changes in dietary behavior during the COVID-19 pandemic in different countries and the causative factors. This review focuses on making international comparisons with potentially important lessons for food behavior and culture, food systems, food policy, and crisis management. In addition, this review also aims to acknowledge the importance of food safety knowledge, attitudes, and practices and their impact on pandemic transmission. The objective of this review is to identify consumers' intention to practice safe eating measures during the COVID-19 pandemic and to identify the influence of different factors related to the COVID-19 pandemic on changes in individual food consumption.

D. Literature Search A literature search of the PubMed, Google Scholar, and ScienceDirect databases was conducted for studies published in 2020 and 2021. The following keywords were used in the three databases to obtain a general understanding of the current research on the topic area: COVID-19, Lockdown, Dietary Habits, Dietary Change, and Food Consumption. All the studies included in this review use a type of online observational study, which could be considered the most effective and safest way to conduct the studies. The participants of the selected studies were randomly recruited; there were no specific target respondents to exclude cultural factors such as religion, level of education, preferences, customs, etc. These studies were completed during the different time periods of the pandemic, which were the spring of 2020 (first wave) and October 2020 (second wave). They were done in different regions, which include the United States, China, Hong

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Kong, Italy, Denmark, Germany, Slovenia, Poland, Austria, the United Kingdom, Indonesia, and Malaysia. The studies mainly focus on the differences in dietary behavior before and during a pandemic, which includes the process of consumption, obtaining and preparing food, food safety knowledge, attitude and practices, and factors affecting their eating out behavior. Dietary behavior has been an important topic for researchers, especially experts in biobehavioral sciences, nutrition, and diets. Scientists have conducted lots of studies in the past two years to identify changes in dietary behavior during the COVID-19 pandemic, which have different focuses, methods, significance, and results, and include recommendations for future policies and research. Many studies were done in different regions and time periods before and during the pandemic. They have observed diverse phenomena and changes in dietary behavior. Furthermore, they have also used different variables, explored different factors, referenced numerous papers, and compared different results to gain a deeper understanding of this topic.

E. Dietary Behavior: The Changes of Dietary Behavior in Different Countries Based on scientific papers on dietary changes in different countries between the years 2020 and 2021, most countries have similar phenomena. Nevertheless, they have some differences that can be observed as different countries have different policies, cultures, and numbers of cases.

(A) United States A study that was conducted in Minnesota, the United States in 2020 shows that 70% of the 720 correspondents indicated that COVID-19 events have influenced their eating behaviors (Simone et al., 2021). 41% of those correspondents showed signs of disordered eating behaviors such as unhealthy weight control behaviors, binge eating, and eating to cope (Simone et al., 2021).

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The changes in eating behavior were mainly affected by stress, mood disturbance, and financial difficulties. Due to the rapid adoption and implementation of public health policies to reduce transmission, these factors generally appear anywhere in the world affected by the pandemic. This includes isolation, loneliness, and fewer physical activities, which could alter the psychological condition. The pandemic has dramatically influenced daily lives, which could lead to stress, uncertainty, worry, and hopelessness.

(B) China and Hong Kong Meanwhile, in China, based on a study that focuses on changes in dietary patterns among youths during the COVID-19 epidemic (Jia et al., 2021), there are changes in the frequency of eating certain types of food. The study was done with 10,082 youth participants from all regions. There was a decrease in rice, meat, poultry, fresh vegetables, and fruit consumption, followed by an increase in staple and preserved food consumption. In addition, it was observed that they were consuming more calories daily, which could lead to overweight or obesity. The public health sector and school system, as well as policymakers, play a big role in the observed dietary behavior changes (Jia et al., 2017, 2019). Due to higher transmission rates, China has more policies that affect the relationship with food. One of the examples is the slow logistics at the Chinese spring festival, which leads to higher consumption of staple and preserved foods, which is one of the significant changes in their eating behavior.

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Figure 1. Eating behavior before and during the COVID-19 Pandemic in Hong Kong.

In Hong Kong, where there were many cases during the early period of the pandemic, there was a major decrease in dining out behavior (Figure 1), which was more likely done by young people. Furthermore, there was an increase in cooking at home, and ordering takeaways, and a decrease in physical activities (Figure 1) in response to the lockdown and social distancing policy. One of the significant phenomena found in this study is the increased consumption of sugary drinks, especially among males, young people, and people without jobs. Hong Kong is a densely populated city with a low incidence and mortality of COVID-19 (Wang et al., 2021). Hong Kong has different social distancing measures and the people raise more concerns about maintaining a healthy diet. In addition, people with lower economic profiles were more affected by the pandemic. One of the main significant findings in this study is that there was an increase in consumption of fruits and vegetables, which was found to be the opposite in other countries. Hong Kong is known for its fast-paced life. They consume more prepared foods and are less aware and concerned about nutrition. The pandemic gives them more time to cook at home and control what they

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consume. As Hong Kong restaurants usually serve more meat and fewer vegetables, the decrease in dining out and the increase in consuming homemade meals could be the causes of this phenomenon.

(C) European Countries A study was done in Denmark, Germany, and Slovenia during the first wave of the pandemic, in the spring of 2020 (Janssen et al., 2021), which shows great similarities regarding the changes in their dietary behavior. These three countries did better than the average EU28 country up until April 2020 (Janssen et al., 2021). The frequency of food consumption has changed, especially in Slovenia, which has

undergone

distinctive

changes

due

the

government's

recommendation to reduce shopping frequency and travel restrictions. Moreover, because of the high infection rates, many people in Slovenia lost their jobs and income. A decrease in shopping frequency and an increase in consumption of frozen foods, canned foods, and sweet snacks were the main changes that were observed. There was also a decrease in consumption of fresh foods, while there were diverging trends in all food categories. An increase in delivery services, packaged food, and longer shelf-life foods in order to minimize the risk of being infected was observed. In Denmark, the behavior of emotional eating and an increase in the consumption of pastries and alcohol were found (Giacalone et al., 2020). While in Norway, people tend to consume more high-sugar foods and beverages (Bemanian et al., 2021). On the other hand, in Slovenia, dietary behavior changes were more distinctive due to a higher number of infected household members, which led to more members being in isolation and quarantine (Janssen et al., 2021).

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Figure 2. The average frequency of eating behavior before and during the COVID-19 pandemic in Poland, Austria, and the United Kingdom.

Figure 3. The average frequency of the consumption of selected products before and during the COVID-19 pandemic in Poland, Austria, and the United Kingdom.

In other parts of Europe, a study done in Poland, Austria, and the United Kingdom, which was completed in October 2020 (the second wave of the pandemic) (Skotnicka et al., 2021), showed similar behavioral changes. There were 230

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significant increases in consumption of frozen foods, canned foods, sweets, and snacks (Figure 3), homemade meals, and online groceries shopping (Figure 2). On the contrary, supermarket shopping, dining out, and other physical activities decreased in all three countries (Figure 2).

(D)Indonesia and Malaysia Food safety knowledge, positive attitudes, and frequent practices affect the changes in eating behavior during the pandemic (Soon et al., 2021; Fishbein & Ajzen, 1975; Shapiro et al., 2011; Soon & Baines, 2012). A study done in Indonesia and Malaysia was conducted to identify the importance and the effects (Soon et al., 2021). Some positive attitudes and practices were observed, including social distancing measures (73.5%), hand hygiene (72.6%), avoiding eating out (73.9%), and wearing masks (65%) (Soon et al., 2021). In addition, 50.3% of the participants are unaware that asymptomatic food handlers could transmit COVID-19, and up to 58% are unaware that cooking at > 70 °C and bleach could be effective against coronavirus (64.3%) (Soon et al., 2021). Around 61% pay attention to social distancing when shopping, with 57.4% choosing wellventilated restaurants that follow social distancing rules (Soon et al., 2021). This study shows that subjective norms and perceived behavioral control were significant predictors of safe eating practices. In addition, insignificant correlations were found between food safety knowledge towards food safety attitudes and food safety knowledge towards food safety practices (Soon et al., 2021). Safe practices depend on restaurant staff to ensure social distancing and to provide adequate handwashing facilities. Moreover, food safety knowledge does not relate to gender and education level, but food safety knowledge and food safety practices are different in age groups. Furthermore, there are an optimistic bias (OB) phenomenon where consumers feel protected against food

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safety risks or "it won't happen to me" (Soon et al., 2020; Weinstein, 1984) or "he is worse than I am" (Da Cunha et al., 2014) perceptions.

(E) Body Mass These dietary behavior changes have created certain outcomes, which could be both positive and negative. The increased consumption of basic food products such as dairy, grains, fats, and vegetables, followed by sweets and snacking, could lead to body mass gain. Other behaviors that also affect the body mass include an increase in purchasing frozen goods and long-term food products. Age was stated as the factor that could affect body mass, while gender and education had no statistical significance.

(F) Food Waste One of the positive changes the pandemic has brought is a decrease in food waste. A study done in the United States and Italy shows that there was a significant decrease in food waste during the pandemic (Rodgers et al., 2021). The decrease was more distinctive in the United States, where it was 49% (Rodgers et al., 2021). There are some variables that play a role in this phenomenon, which include avoiding supermarkets, more home cooking, an increase in health concerns, food scarcity, anxieties, and financial insecurities. In the United States, the most significant changes that lead to less food waste are the increase in home cooking and health concerns. While in Italy, the decrease in supermarket shopping played a bigger role. The decrease in food waste was mainly caused by the increase in home cooking and greater control over food size. When people cook at home, they tend to waste less, and the proper food size in restaurants also leads to less food waste. Attitudes related to sustainability and morality also play a big role in decreasing food waste. In addition, shopping habits changed during the pandemic; people

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shopped in smaller outlets for a limited time and a reduced number of people, which could lead to a lower amount of impulsive purchasing (Roodhuyzen et al., 2017). Moreover, households with no children also produce less food waste, as children and young people tend to waste more food.

Italy has lower baseline levels of food waste because they were already attentive (van der Werf & Gilliland, 2017). This explains why it had a lower decrease in food waste compared to the United States, which is known for its large food portions, less concern, and bigger food waste problems. COVID-19 situational elements have drawn more attention to food waste.

(G) Similarities and Differences Overall, the most common dietary behavior changes are shopping less frequently during the lockdown, increased daily consumption, less dining out, decreased consumption of fresh foods and increased consumption of foods with a longer shelf life. Changes in the consumption frequency of three or more food categories indicate a shift in food choice patterns (Janssen et al., 2021). People’ s consumption levels tended to become more similar during the pandemic compared to before. Females were also more likely to exhibit positive food safety attitudes and practices during the pandemic. Diverging trends in all food categories lead to different impacts on people's lifestyles and food consumption patterns. Factors that were found to be associated with changes in food consumption in a more consistent pattern include decreased shopping frequency, loss of income due to the pandemic, COVID-19 risk perception, gender, and closure of physical workplaces, caf é s, and restaurants. Women were found to have increased consumption of fruit, vegetables, and sweet snacks, while men consumed more canned foods and fewer cakes, biscuits, fresh meat, and bread.

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Cities are the epicenter of the pandemic due to high levels of connectivity and air pollution, both of which are strongly correlated with COVID-19 infection rates (Janssen et al., 2021). Policy and regulatory interventions, culture, and attitudes play a big role during the lockdown. These are the factors that explain why different phenomena can be observed in different countries. In the countries that were more affected, more people in isolation and quarantine would show different dietary changes than those that were not. Italy had more severe cases, which led to the country being more alert and taking things more carefully. In addition, food diversity could influence food choices and substitutions during the pandemic. People in Hong Kong tend to consume more prepared foods due to their fast-paced lifestyle. They have more time at home and are more conscious of what they eat during the pandemic. As a result, there was an increase in the consumption of fruits and vegetables, which was found to be the opposite in other countries. On the other hand, in Denmark, people ate more pastries and alcohol during the pandemic. As Denmark is famous for its pastries and alcohol is part of almost every social occasion in Denmark, this could explain the increase in consumption.

F. Limitations Some limitations are found in these online observational studies. They are only applicable to populations with ready access to the internet, which means these studies exclude participants with lower socioeconomic status. There is selection bias among respondents who are motivated by food safety and the COVID-19 topic. Furthermore, the self-reported method could also lead to bias and low accuracy. In addition, some studies do not consider psychological health, have a limited age range and are not representative of the general population.

G. Recommendations

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It has been found that it is more difficult for people to eat healthily during COVID-19 confinement in terms of fresh fruit and vegetables. Reduced shopping frequency could be substituted by increasing the accessibility of such products, such as through deliveries or pick-up points. More frequent delivery of essential foods and standard care packages of food produced or prepared in bulk could be done to increase the affordability of such products. Furthermore, prohibiting the delivery of non-essentials may help deliveries become more accessible to more homes. These surveys would be useful for multiple stakeholders, health professionals, and policymakers. Public health policies should be tailored to promote appropriate physical activities at home. Furthermore, there should be more resources to expand online grocery shopping or other substitutes. During the pandemic, government campaigns to raise awareness and provide easy-tofollow guidelines via social media and better communication are critical.

H. Conclusion Changes in dietary behavior are relatively common during the COVID-19 pandemic. The diversity of policies, psychological health, cultures, gender, financial insecurities, subjective norms, time periods of the pandemic, health concerns, physical activities, and shopping habits play a big role in changes in dietary behavior during the COVID-19 pandemic. The main dietary behavior changes that were observed in the studied countries are an increase in the number of daily calories; consumption of staple and preserved foods; consumption of sugary foods and drinks; frequency of cooking at home; frequency of takeaways; and frequency of online grocery shopping. In addition, there was a decrease in the consumption of fruits and vegetables, the amount of food waste, the frequency of dining out, and the frequency of supermarket shopping.

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Social distancing measures likely provided an opportunity to stay home and eat healthier, while socio-economic restriction leads to reduced physical activity. A good level of food safety knowledge, positive attitudes, and frequent practices affect the changes in eating behavior during the pandemic. Subjective norms and perceived behavioral control were significant predictors of safe eating practices. Tailored interventions to promote a healthy lifestyle are essential to enhance the well-being of the population. Dietary habits contribute to the aggravation of the problem of excess body weight and its health consequences. It is extremely important to take action in the area of maintaining a proper diet and physical activity. It is important to entrench the positive food-related behaviors developed during self-isolation, particularly those related to meal frequency, quality, and the manner of preparation. Numerous actors along the food value chain, alongside food culture, have impacted moves toward or away from more healthy and sustainable diets. Healthy diets, food system resilience, and behavior change all require the involvement of policymakers and food supply chain actors.

References Janssen, M., Chang, B.P., Hristov, H., Pravst, I., Profeta, A. & Millard, J. 2021. Changes in food consumption during the COVID-19 pandemic: analysis of consumer survey data from the first lockdown period in Denmark, Germany, and Slovenia. Frontiers in nutrition 8: 60. Jia, P., Liu, L., Xie, X., Yuan, C., Chen, H., Guo, B., Zhou, J. & Yang, S. 2021. Changes in dietary patterns among youths in China during COVID-19 epidemic: The COVID-19 impact on lifestyle change survey (COINLICS). Appetite 158: 105015. Rodgers, R.F., Lombardo, C., Cerolini, S., Franko, D.L., Omori, M., Linardon, J., Guillaume, S., Fischer, L. & Fuller-Tyszkiewicz, M. 2021. “Waste not and stay at

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home” evidence of decreased food waste during the COVID-19 pandemic from the US and Italy. Appetite 160: 105110. Simone, M., Emery, R.L., Hazzard, V.M., Eisenberg, M.E., Larson, N. & Neumark‐ Sztainer, D. 2021. Disordered eating in a population‐based sample of young adults during the COVID‐19 outbreak. International Journal of Eating Disorders 54(7): 1189-1201. Skotnicka, M., Karwowska, K., Kłobukowski, F., Wasilewska, E. & Małgorzewicz, S. 2021. Dietary habits before and during the COVID-19 epidemic in selected European Countries. Nutrients 13(5): 1690. Soon, J.M., Vanany, I., Wahab, I.R.A., Hamdan, R.H. & Jamaludin, M.H. 2021. Food safety and evaluation of intention to practice safe eating out measures during COVID-19: Cross sectional study in Indonesia and Malaysia. Food Control 125: 107920. Wang, J., Yeoh, E.K., Yung, T.K.C., Wong, M.C.S., Dong, D., Chen, X., Chan, M.K.Y., Wong, E.L.Y., Wu, Y., Guo, Z. & Wang, Y. 2021. Change in eating habits and physical activities before and during the COVID-19 pandemic in Hong Kong: a cross‐sectional study via random telephone survey. Journal of the International

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疫情對消費行為所造成的影響 The Impact of The Pandemic on Consumption Behavior 蔡昀芯 TSAI, Yun-Hsin

國立中山大學生物科學系 Department of Biological Sciences, National Sun Yat-Sen University 摘要新型冠狀病毒 (COVID-19) 從 2020 年初開始在亞洲蔓延，然後在全球蔓延，對世界經濟和社會產生了前所未有的巨大影響，正在改變消費者的社會生活。對企業活動和消費者行為的影響是顯著的，商業研究領域正在嘗試從各個角度進行分析。特別是對於消費者行為，提出了一些分析動態行為變化的理論觀點。消費者正在即興發揮和學習新習慣。例如，消費者不能去實體購物，所以選擇將商品宅配到家。而在消費者回歸舊習慣的同時，消費者購買產品和服務的方式很可能會被新的法規和程序所改變。

關鍵詞：疫情、消費、行為改變、電子商務、數位轉型

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一、前言自實施封鎖以來，對全球供應鏈活動至關重要的運輸部門已部分關閉。在 2020 年 4 月達到頂峰時，90 多個國家共有 39 億人處於封鎖狀態。全球供應網絡中斷，對全球經濟和工業活動產生不利影響。甚至在 COVID-19 疫情之前，韓國就因中東呼吸綜合徵 (MERS) 而使經濟陷入困境 (Jung et al., 2016)。電子商務通過提供更實惠、更有效的分銷方式，使公司更容易擴大客戶群。而根據最近的一項研究顯示，超過一半的顧客避開實體店購物。此外，有 36% 的受訪者表示，他們會等到接種了冠狀病毒疫苗後再親自去購物 (Bhatti et al., 2020)。 COVID-19 嚴重擾亂了企業運營和消費者活動。儘管已經研究了其對組織數字化轉型的影響，但 COVID-19 對消費者和消費行為的影響卻很少受到關注 (Kim, 2020; Verma & Gustafsson, 2020)。二、疫情所帶來的影響

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圖一、 Covid-19 大流行對消費和消費者行為的八種直接影響。圖片來源: Sheth (2020)

（一）消費者的應對行為在遠離社會的時期同時保持社會聯繫，COVID-19 是“社交距離”進入消費者流行語的關鍵點。根據美國疾病控制中心 (CDC) 的說法，社交距離包括通過限制與他人的個人接觸、與他人保持距離以及採取其他預防措施來降低接觸風險 (Bates, 2020)。但歸屬需求是人類最基本的需求之一，消費者為了滿足這種需求表現出非凡的創新性和彈性 (Baumeister & Leary, 1995)。

（二）疫情所來帶的缺點一些政府政策，已經影響了公司的產出能力 (Leite et al., 2020)。所有類型的交通工具都受到了運輸和物流管理中車輛機動性限制的影響 (Gray, 2020)。儘管公司試圖提高其在線銷售能力，但供應鏈仍受到實體店消失或區域運營的負面影響。由於運輸延誤和需求變化，處理易腐商品的企業經常留下大量垃圾和未售出的物品 (Trautrims et al., 2020)。

（三）疫情危機和電子商務儘管 Covid-19 可能產生不利影響，但全球在線商務仍在擴張。由於疫情，客戶更加依賴互聯網（圖二），並開始將其融入日常生活。即使運輸和供應的時間比計劃的要長，客戶也會繼續購買，因為他們別無選擇。而行業報告和消費者調查顯示，疫情加速了危機前觀察到的電子商務趨勢 (Kim, 2020)。由於 COVID-19 大流行期間用戶數

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量的增加，亞馬遜的在線銷售額急劇上升。在線銷售的增長表明，由於在線零售具有在家中提供舒適和安全的零售體驗的優勢，消費範式從線下向線上的轉變正在加速（圖三）。對疫情的恐懼顯著影響了消費者對電子商務平台的經濟和環境效益的看法 (Tran, 2021)。市場的數字化和在疫情期間習得的習慣可能會導致消費結構發生變化，因為一旦疫情結束，個人將保持其改變的行為，例如 SARS 大流行期間的中國 (Kim, 2020; Sheth, 2020; Clark, 2018)。

圖二、12 歲以上近半年使用行動/無線區域網路上網。

圖三、 2020 年 10 大電子商務零售商的市場增長。

三、疫情期間消費者行為以及為何演變 Kirk 與 Rifkin (2020) 採用 react-cope-adapt (RCA) 模型來分析 COVID-19 大流行期間的消費者行為。當消費者意識到疫情的發生時，他們首先會做出反應，消費者可能 241

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會通過囤積被認為稀缺和必不可少的商品來應對大流行。試圖抵禦感知到的威脅並重新控制失去的自由。隨著時間的推移，他們通過在其他領域施加控制並採取新的行為來應對。最終，隨著時間的推移，消費者會變得不那麼被動，更有彈性。此外社交媒體和公共政策 (Prentice et al., 2020) 已被證明會加劇這些恐慌性購買傾向。在某些情況下，他們可能會拒絕社交距離和戴口罩等行為要求 (Naeem, 2021)。這些行為是對感知到的疫情威脅的反應，並試圖重新控制失去的自由。長期適應包括消費習慣的改變，例如更多的居家體驗、增加的在線購買以及促進社交距離的零售體驗。用於應對壓力生活環境的應對策略通常包括消費活動和行為的變化 (Mathur et al., 2003)。根據保護動機理論 (Protection motivation theory)，一個人對某些情況的反應可以通過一個人克服特定情況的保護動機導致積極的變化 (Rogers, 1975)。因此，當個人接觸到威脅自己的安全或健康的信息時，個人的行為就會發生變化以消除這種威脅。因此，個人能夠通過個人改變的行為來保護自己 (Maddux& Rogers, 1983)。

圖四、保護動機理論模型。圖片來源: Floyd (2000)

市場研究公司 Neilsen 最近報告稱，中國“由疫情所引發的轉變，採用在線方式對社區和小型商店的更多關注已成為一種持續的常態”。消費者可能會發現網上購物和送貨上門更實用、更便宜、更讓人放心，讓他們能夠克服零售店新的衛生規則和法規帶來的壓力。解封過後，客戶可能會擔心感染並相應地調整他們的行為，例如繼續線上購物(HAZÉE & Van Vaerenbergh, 2020)。

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四、結論我認為疫情是有助於台灣數位轉型之發展，台灣企業對於網路虛擬化具有廣泛的接受度及興趣。特別是在疫情爆發後，許多企業試圖加速數位轉型並強化業務虛擬化的能力，加上台灣民眾大多對於新科技與新消費模式抱持開放的態度，顯示台灣對於數位轉型的接受度與未來企業的數位發展樂觀其成。這次疫情等於是強迫改變、是一個加速器，因為恐慌，加快了消費者的行為改變。一旦消費者嘗試使用線上購物一次、兩次，大概就回不去了，這樣的行為改變，無論對電商、對零售業都是相當大的影響。但在臺灣，電商不會取代實體通路，零售業本來就是一個很在地化的產業，各國的環境需求都不太一樣。美國、中國大陸因為幅員遼闊，使得亞馬遜、淘寶得以迅速崛起，並對當地消費者至關重要；但臺灣面積小、人口密集，造就了全世界最方便的購物天堂，實體通路仍有優勢。但是未來趨勢必定會整合，同時民眾也要學會辨識資訊的真假，現今人們越來越依賴社群網站，網路詐騙也層出不窮，在電商發展下，如何保護民眾的資訊安全以及數位詐騙是現在的一大問題。

參考文獻： Baumeister, R. F., & Leary, M. R. 1995. The need to belong: Desire for interpersonal attachments as a fundamental human motivation. Psychological

Bulletin 117(3): 497. Bhatti, A., Akram, H., Basit, H. M., Khan, A. U., Raza, S. M., & Naqvi, M. B. 2020. E- commerce trends during COVID-19 Pandemic. International Journal of Future

Generation Communication and Networking 13(2): 1449-1452. Donthu, N., & Gustafsson, A. 2020. Effects of COVID-19 on business and research. Journal of Business Research 117: 284-289. Floyd, D. L., Prentice-Dunn, S., & Rogers, R. W. 2000. A Meta-Analysis of Research on Protection Motivation Theory. Journal of Applied Social Psychology 30(2): 407-429. Gray, R. S. 2020. Agriculture, transportation, and the COVID‐19 crisis. Canadian

Journal of Agricultural Economics/Revue canadienne d'agroeconomie 68(2): 239-243. HAZÉE, S., & Van Vaerenbergh, Y. 2020. Customers’ contamination concerns:

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an integrative framework and future prospects for service management.

Journal of Service Management 32(2): 161-175. Kim, R. Y. 2020. The impact of COVID-19 on consumers: preparing for digital sales. IEEE Engineering Management Review 48(3): 212-218. Kirk, C. P., & Rifkin, L. S. 2020. I will trade you diamonds for toilet paper: Consumer reacting, coping and adapting behaviors in the COVID-19 pandemic.

Journal of Business Research 117: 124-131. Leite, H., Hodgkinson, I. R., & Gruber, T. 2020. New development:‘Healing at a distance’—telemedicine and COVID-19. Public Money & Management 40(6): 483-485. Maddux, J. E., & Rogers, R. W. 1983. Protection motivation and self-efficacy: A revised theory of fear appeals and attitude change. Journal of Experimental

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Verma, S., & Gustafsson, A. 2020. Investigating the emerging COVID-19 research trends in the field of business and management: a bibliometric analysis approach. Journal of business research 118: 253-261. World Health Organization. 2021. Coronavirus disease (COVID-19) pandemic. Retrieved from: https://www.who.int/emergencies/diseases/novel-coronavirus2019

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代理理論中的代理問題 Agency Problem in Agency Theory 簡辰峰 CHIEN, Chen-Feng 國立中山大學生物科學系 Department of Biological Sciences, National Sun Yat-Sen University 摘要公司在資本大眾化下，股東人數日益增加，於是股東對公司的「經營權」便逐漸與所有權分離了。將「經營權」轉交由董事會挑選出來的經理人手中，期望能藉其專業管理能力以更有效率的方式運用公司資源，為股東們賺取更多的財富。在「經營權」與「所有權」分離情況下，代理問題便隨之出現。它產生的代理成本將損害公司價值與股東利益。代理理論存在四種假設，其一為代理人與主理人皆追求本身效用最大化，換言之，兩者都為自利者。其二，代理人與主理人均為風險趨避者。再者，代理人與主理人追求的目標不一致。最後，代理人與主理人之間存在資訊不對稱。從公司觀點來說，代理人與主理人可分成權益代理與負債代理。而有這麼多的代理問題，最後會描述有關代理問題之解決方法。關鍵詞：代理問題、代理理論、代理成本、利益衝突、公司治理、資本結構

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Jensen & Meckling (1976) 認為，在代理關係的前提下，若主理人與代理人所追求的目標不一致，則有潛在的利益衝突，導致各種問題的發生，此即所謂的代理問題。代理問題相關研究之演進，學者提出解決代理問題之方法為透過提高公司之舉債程度，降低經理人對自由現金流量之控制，以減少其無法使股東財富價值極大化之行動誘因。此外，可透過增加經理人的持股比重，以促使經理人與股東之利益趨於一致，達到降低代理問題的效果 (Jensen & Meckling, 1976 ; Jensen, 1986 ; Berger et al., 1997)。然而，透過舉債作為降低公司權益代理問題的機制，除會影響公司的資本結構外，還會提高公司破產風險 (Grossman ＆ Hart, 1982)。 Jensen & Mecking (1976) 對代理關係的定義是一人或一人以上的主理人 (Principle) 委請代理人 (Agent) 代為執行某種特定事務所形成的契約關係。而在此種代理關係下，主理人與代理人所追求目標不一致時，便會產生潛在的利益衝突，使得各種問題相繼而生，此即所謂的代理問題。資訊不對稱會導致代理問題的產生。在傳統經濟學最初的模型即假定資訊是完全揭露，換言之，不需要支付任何成本即可獲取資訊。但是在現實世界中，此種完全揭露的情形根本不存在，無論市場的買方或賣方，都有訊息不透明的自我保留。在金融市場的訊息不對稱問題引人關注。資訊不對稱所引起的問題大致上可分為兩種。一種是事前的資訊不對稱所導致的問題，此種問題稱為逆選擇 (Adverse Selection)。以二手車市場為例，買方對賣方的貨品品質未知時，僅能以平均的品質水準來評定個別產品。因為不瞭解二手車的真實價值，

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所以降低最高願意支付的價格來避免自己可能蒙受的損失，在實際買車前 (事前) 降低出價，使得賣方產生降低品質的誘因，最後形成劣幣驅逐良幣。在這種情形之下，即所謂逆選擇問題。另一種為事後的資訊不對稱所導致的問題，此種問題稱為道德危機 (Moral Hazard)。當主理人與代理人在簽訂契約後，代理人未善盡責任與怠忽職務，而使主理人風險提高，又或者代理人未依約從事約定之投資項目與資金用途，反而從事高風險投資計畫企圖賺取高報酬，又或者代理人發生不可預知的外在情況，而使主理人無法得知真實情況，因而導致產生權益受損的風險，此即是所謂的道德危機或是誘因問題。以汽車保險為例，保險公司無法確知汽車駕駛人在購買保險後的行為，駕駛人則於購買汽車保險之後 (事後)，因為車輛損失會由保險公司負擔，反而減少駕駛時對車輛的注意程度。這會導致駕駛風險提高，保險公司將因風險低估而可能損失。代理問題中分為權益代理問題和負債代理問題。權益代理問題來自於股東與管理者之間所引發的代理衝突，而負債代理問題則來自於股東與債權人之間的代理衝突，兩者都會造成公司價值一定程度上的影響。權益代理問題涉及了管理者與股東之間的代理關係，當公司的經營權與所有權分離時，管理者可能為了謀求個人利益而忽略股東利益與公司目標，產生管理者與股東之間的利益衝突。有學者更進一步探討大股東與小股東之間的權益代理問題，針對大股東因其所擁有之資源影響管理階層，從而做出對小股東之權益侵佔之行為。 Shleifer & Vishny (1997) 研究顯示，當股東股權掌握達到一定程度時，大股東因幾乎完全控制公司，使得公司因私人利益而導致公司利益無法與小股東分享。La Porta et al. (1999) 研究證實，當大股東有效地控制公司，為了尋求個人利益的獲得，可能會試圖以某目的而犧牲小股東權益。負債代理問題涉及了股東與債權人之間的代理問題，管理者進行某些活動，因而造成債權人的權益受損，又或者股東可能會透過管理的方式來剝削債權人權益，因而產生利益衝突。 Jensen & Meckling (1976) 以代理理論之觀點，提出管理者與股東、債權人與股東之間的代理衝突。管理者與股東之間的衝突，係因管理者之股權未達 100%，卻需承擔所有活動成本，故管理者可能藉由額外補貼將公司資源轉為己有，故認為需藉由負債融資之提升以降低管理者與股東間的代理衝突；股東與債權人之衝突的產生，係因股東可能藉由風險投資，使債權人承擔失敗之後果，而降低負債之價值。由權益代理與負債代理可知，兩者之取捨可得一最適資本結構。 Eisenhardt (1989) 認為適當的治理系統可以緩解代理衝突。他提出了兩項建議，以盡量最小化代理問題。第一個是簽訂可以檢查代理人的行為契約。其次，委託人需要

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有強大的信息結構，以了解代理人所有的行為信息。除此之外，還有其他的補救措施。比如管理層所有權：向代理人授予股票增加了他們與公司的聯繫。 Jensen & Meckling (1976) 描述了經理所有權使經理在組織中作為所有者工作並專注於公司績效。這樣，所有者的利益和管理者的利益就一致了。高管薪酬：不適當的補償方案可能會迫使管理人員使用業主的財產謀取私利。定期的薪酬調整和適當的激勵方案可以激勵經理們更加努力地工作以提高公司業績 (Core et al., 1999)，從而使所有者能夠最大化他們的財富。負債: 公司債務水平的提高會約束管理者。定期向債權人支付償債費用和本金可以使管理者在做出可能妨礙公司盈利能力的低效決策時更加謹慎 (Frierman & Viswanath, 1994)。勞動力市場：有效的管理者總是渴望從市場中獲得更好的機會和報酬，市場通過他們之前的表現來評估管理者的能力 (Fama, 1980)。出於這個原因，管理者必須通過最大化公司價值來證明他們在公司中的價值，這會提高管理者的有效性和效率。董事會：在董事會中加入更多的外部董事和獨立董事 (Rosenstein & Wyatt, 1990) 可能會密切關注經理的行為，並有助於使所有者和經理之間的利益保持一致。大股東：強大的所有者或集中所有權或大股東可以密切監視經理的行為，並可以控制他們的活動以提高公司的價值 (Burkart et al., 1997)。股息：作為股息的利潤分配導致代理衝突的減少 (Park, 2009)。股息分配減少了內部資金，因此公司不得不吸引外部資金來融資。為此，管理者需要使公司表現更好，以吸引市場參與者。股息支付也解決了內部和外部股東之間的代理衝突 (Jensen, 1986; Myers, 2000)。公司控制權市場：表現不佳的公司可能會被一家高效的公司接管，而收購公司可能會根除低效的管理 (Kini et al., 2004)。參考文獻： Berger, P. G., Ofek, E. & Yermack, D. L. 1997. Managerial entrenchment and capital structure decisions. The Journal of Finance 52(4): 1411-1438. Burkart, M., Gromb, D., & Panunzi, F. 1997. Large shareholders, monitoring, and the value of the firm. Quarterly Journal of Economics 112(3): 693–728. Core, E., Holthausen, R., & Larcker, D. 1999. Corporate governance, chief executive compensation, and firm performance. Journal of Financial Economics 51(3): 371–406. Eisenhardt, K. M. 1989. Agency theory: An assessment and review. Academy of

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Economy 88(2): 288–307. Frierman, M., & Viswanath, P. 1994. Agency problems of debt, convertible securities,and deviations from absolute priority in bankruptcy. Journal of Law and

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使用機器翻譯是否可以協助以英語為外語學習者提升英語寫作能力？ Whether Applying Machine Translation can Help EFL Student's English Writing? 余品孜 YU Pin-Zhi 國立中山大學生物科學系 Department of Biological Sciences, National Sun Yat-Sen University 摘要機器翻譯是一個新穎且尚有發展潛力的翻譯技術，這項技術憑藉便利性與容易取得性而廣泛受到矚目，近年來逐漸成為各大領域關注的對象。現代需要使用英語的環境大幅增加，因此學習英語的非英語母語者也越來越多，也有許多學生把機器翻譯應用於學習外語相關的事務，但極少有教學者將機器翻譯應用於課堂教學的案例或相關研究。目前機器翻譯對外語學習會有什麼樣的影響還不甚明瞭，學術界目前大多對機器翻譯持正面態度，認為這個技術會從認知層面、語言學層面和情感層面對學生產生正面效果，最終反映在學生的外語寫作成果上。但也有少數學者認為機器翻譯產生的譯文品質可能參差不齊而誤導學生，因此難以實際應用在外語教學上。少數將機器翻譯應用到課堂教學的研究則發現，讓學生參考機器翻譯譯文後修改出的寫作成果，和經過同儕評改（peer-editing）後修改出的結果，兩者之間有著部分相似的效應。藉由探討機器翻譯對學生外語寫作的成果之影響，瞭解機器翻譯對學生外語學習會造成的潛在因素，並讓教導者理解如何運用機器翻譯來輔導學生學習外語。關鍵詞：machine translation (機器翻譯)、L2 learning (第二語言學習)、computerassisted language learning (電腦輔助語言學習)、writing strategies (寫作策略)

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一、學習英語的重要性英語是世界上最多人使用的語言，在教育和研究領域等多個領域裡都是主要使用的語言。目前有許多非英語為母語的國家在大學教學中導入英語教學計畫 (Englishtaught programs)，以期未來學子能更適應英語。以歐洲為例， 2002 年時僅有 725 個英語教學計畫，然而在 2014 年時已大幅成長至 8089 個英語教學計畫。另外，近年來有越來越多非英語為母語的學生前往以英語為母語的國家就學 (Bowker, 2020)。英語儼然已成為世界各地學生學習的重要媒介。二、機器翻譯的發展機器翻譯是在第二次世界大戰期間發明的一項技術。這項技術依循由電腦系統建立的語料庫 (corpus) 之中的詞彙和文法規則，將一種語言的詞句轉換為另一種語言的詞句。電腦系統難以辨別同一詞彙之間的不同詞義、文法結構或不同文化的差異，導致早期機器翻譯產出的譯文品質普遍堪憂，難以廣泛應用在現實生活中。但 Koehn (2009) 在他的研究中指出，語料庫的資料量隨著科技進步逐漸增多，電腦系統能夠事先紀錄已翻譯完畢的譯文，並從語料庫搜尋欲翻譯的文章是否有對應的詞句可直接套用翻譯，因此機器翻譯譯文的品質也相對地提升。Forcada (2017) 則提及電腦系統可運用人工神經網路 (artificial neural networks) 技術產出更好的譯文，這個方式是人為提供大量的已翻譯譯文，訓練電腦系統從中學習翻譯方式 (i. e. 讓電腦系統透過大量譯文深度 252

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學習)。近年內，機器翻譯不僅提升了譯文準確性，這一技術的便利性和容易取得性也跟著科學進步一同提升。Alhaisoni 與 Alhasysony (2017) 將機器翻譯定義為「使用電腦程式進行翻譯的過程，且此過程能兼容於電腦系統和手機系統。」現在的機器翻譯因為此技術的便利性、多語言性、即時性和免費性而受到現代人廣泛歡迎 (Alhaisoni & Alhaysony, 2017; Niño, 2009; Sukkhwan & Sripetpun, 2014)。現在有許多學生運用機器翻譯的技術來協助自己學習。Alhaisoni 與 Alhasysony (2017) 提及越來越多學生使用機器翻譯技術來學習詞彙、理解文章內容和輔助外語寫作，學生們認為機器翻譯技術是能夠協助自己學習外語的良好工具。三、使用機器翻譯學習英語的優點機器翻譯技術能夠從認知層面、語言學層面與情感層面等面向協助學生學習外語： (一) 認知層面從認知層面的角度來看，利用機器翻譯技術將文本初步地翻譯後，能夠減少學生認知層面的負擔 (Baraniello et al, 2016; Lewis, 1997)，這同時也促進學生自主學習 (selfdirected learning) (Godwin-Jones, 2015; Wong & Lee, 2016)。 Garcia 和 Pena (2011) 以及 Ali 和 Alireza (2014) 的研究皆顯示，機器翻譯幫助學生寫作更快、更自然流暢，錯誤也更少。而 Garcia 和 Pena (2011) 還發現，外語初學者程度的學生是機器翻譯最大的受益者，這些學生能夠利用機器翻譯來使用外語更好地表達和交流。Godwin-Jones (2015) 的研究顯示，機器翻譯的譯文形成學生寫作的主幹，並因此促進學生的寫作能力。Niño (2008) 的研究也表示，機器翻譯提升了學生的改寫能力，而這個能力是寫作技巧的關鍵 (Chen et al, 2015)。Correa (2014) 則表示修改機器翻譯譯文的過程能促進學生反思語言本質 (metalinguistic awareness)，並能夠反饋在學生最終寫作成果的品質上。 (二) 語言學層面從語言學層面的角度來看，機器翻譯提供詞彙和語法等層面的知識 (Bahri & Mahadi, 2016; Doherty & Kenny, 2014; Wong & Lee, 2016)，促進學生的閱讀理解能力和寫作能力 (Alhaisoni & Alhaysony, 2017; Garcia & Pena, 2011; Kumar, 2012)，最終促使學生更願意學習外語 (Belam, 2003; Niño, 2009; Shei, 2002a; Wong & Lee, 2016)。 Williams (2006) 指出，機器翻譯可以促使學生改變「語言只是和語境無關的詞彙或句子」這一想法，而讓學生將語言視為一種交流工具。

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機器翻譯可以幫助學生改良自己的外語寫作能力。Garcia 和 Pena (2011) 宣稱，先使用機器翻譯能讓學生更專注在修改譯文和寫作的過程。Kliffer (2005) 表示，修改機器譯文能讓學生活用現有的外語知識，以此修正寫作成果。機器翻譯更注重詞彙和語法方面錯誤，它指出學生的錯誤，迫使學生面對並解決這一問題，從而提升學生外語寫作方面的自主學習的能力 (Bernardini, 2016; Garcia & Pena, 2011)。 (三) 情感層面從情感層面的角度來看，機器翻譯可以降低學生的語言焦慮 (Bahri & Mahadi, 2016; Jin, 2013)，增加學習語言的動力和信心 (Kliffer, 2008; Niño, 2008)，也為學生創造一個無害的語言學習環境 (non-threatening environment) (Niño, 2009)。根據 Amores (1997) 的研究，學生容易會對批改文章的老師產生防禦心理，相較之下學生更容易接受機器翻譯指出的錯誤。Niño (2004) 認為，讓學生修改機器翻譯譯文可以提高學生的參與度與動力，因此增加對語言學習的信心。四、使用機器翻譯學習英語的缺點機器翻譯並非盡善盡美，儘管機器翻譯有助學生瞭解更多詞彙，也能讓學生對文章中的文法規則有所認知，但機器翻譯本質並非教學工具，因此在使用錯誤文法時難以提供合宜的修正方案 (Josefsson，2011)。譯文內也可能會出現錯誤百出的句子、不正確的詞彙和不準確的語法 (Bahri & Mahadi, 2016; Josefsson, 2011; Niño, 2008, 2009)。另外，機器翻譯較適合用來學習詞彙和文法方面的知識，難以套用到完整文章之中 (Groves & Mundt, 2015)。Shei (2002a, 2002b) 提及在執行機器翻譯前，若是輸入的文本本身就有文法問題，或是電腦系統本身無法分辨輸入文本的文法 (e. g. 成語或文化因素等)，則會導致機器翻譯的譯文產生文法問題。機器翻譯要翻譯的語言種類、文本規模、文本種類及主題種類不同都可能造成譯文品質參差不齊 (Godwin-Jones, 2015; Niño, 2009)。五、機器翻譯和同儕評改的相似性目前研究指出，機器翻譯和同儕評改 (peer-editing) 對學生的外語寫作有著相似的作用，雖然兩者都不完美，但兩者都對學生的外語寫作有正面幫助。Garcia 和 Pena (2011) 與 Min (2005) 認為學生會因為有了協助而對寫作更為積極，也得到不同修改寫作成果的觀點，產生更好的寫作成果 (Lee, 2014; Min, 2006)。許多研究顯示，學生並不會完全採用同儕建議的修改方式 (Enkin & Mejias-Bikandi, 2016; Lee et al, 2009;

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Min, 2006)，而 Lee (2019) 也觀察到學生不會參考機器翻譯所有的譯文。在採用同儕評改的研究中，學生因為同儕評改而修改在寫作中使用的文法的頻率並不高 (Lee, 2009; Min, 2006; Sengupta, 1998)，但是學生在比較機器翻譯的譯文和自己寫的文章後，更願意修改寫作中使用的文法。Sengupta (1998) 和 Lee (2009) 的研究中，文法修改率低的原因主要是因為受試學生的外語水準較低。在 Min (2006) 的研究中，受試學生在評改他人文章時可能更為注重文章本身的意義，而不是寫作中使用的文法。 Lee (2019) 則從研究結果中提出兩點，第一點是學生修改文法的頻率提高代表受試學生大多能夠意識到自己的文法錯誤，由此可知這些受試學生具有足夠的外語程度；第二點是學生文法修改率高也間接顯示機器翻譯對於修改外語寫作的侷限性，機器翻譯能夠提供學生修改詞彙和文法等微觀層面的建議，但機器翻譯無法提供文章整體通順度等宏觀層面的建議，這是機器翻譯和同儕評改最大的不同。六、教學者對機器翻譯應用於外語教學的態度 Groves 和 Mundt (2015) 先調查了學生使用母語 (馬來語和中文) 寫的語言的正確性，再使用 Google 翻譯翻成英文。結果顯示，雖然 Google 譯文的語法錯誤率相對較高，但這個比率和大學入學所需的最低英語準確率非常接近。Mundt 和 Groves (2016) 提及了兩點機器翻譯帶來的影響。第一點是機器翻譯的語言能力，雖然機器翻譯可能和某些人類擁有相似的英語程度，但 Mundt 和 Groves (2016) 認為它終究無法理解人類社會某些話語背後的意涵。第二點是學生使用機器翻譯是否構成抄襲，如果學生使用機器翻譯產出其他語言的文本，抄襲比對系統可能不會將這個文本判定為抄襲；另外，學生的作品在經過機器翻譯後是否還能算是學生本人的作品。關於後者，Mundt 和 Groves (2016) 認為產出原始想法的是學生本人，因此經過機器翻譯的文本也還是學生本人的作品。然而這些問題都只是假設，若是機器翻譯譯文的品質夠高，則文本讀者很可能甚至不會發覺自己正在閱讀的文本是機器翻譯的譯文。 Garcia 和 Pena (2011) 指出，學生認為翻譯和修改都是利用機器翻譯寫作的過程之一。 Lee (2019) 觀察到學生比起寫作更注重於修改的過程，而學生也開始認為寫作並非最終成果，而是其中一個過程；有些學生意識到自己用母語寫出的文本會決定機器翻譯的譯文品質，甚至因此開始注意自己的母語寫作技巧。在教學者能提供的回饋有限的情形下，將寫作視為可以反求學習者的自主性和自主學習的策略，是迎向寫作能力提升的關鍵 (Bernardini, 2016; Niño, 2008; Saito & Fujita, 2004)。七、結語

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現今將機器翻譯應用於學習的需求正在逐漸增加，但目前仍無法確定機器翻譯對學習外語造成的正面效應或危險性等潛在因素。面對機器翻譯這個尚不完美的嶄新技術，教學者如何讓它為學生發揮正面的學習效果仍是目前學者們待研究的一個課題。目前這個問題相關的研究依然不多，提供實際教學數據的研究更是稀少。雖然多數研究者持正面態度，但目前還需要更多的相關研究才能證明機器翻譯應用於外語教學的可行性。參考文獻： Alhaisoni, E., & Alhaysony, M. 2017. An investigation of Saudi EFL university students' attitudes towards the use of Google Translate. International Journal of

English Language Education 5(1): 72–82. Ali, K., & Alireza, F. 2014. The effect of computer-assisted translation on L2 leaners' mastery of writing. International Journal of Research Studies in

Language Learning 3: 29–44. Amores, M. 1997. A new perspective on peer-editing. Foreign Language Annals 30(4): 513–522. Bahri, H., & Mahadi, T. 2016. Google Translate as a supplementary tool for learning Malay: A case study at Universiti Sains Malaysia. Advances in Language

and Literary Studies 7(3): 161–167. Baraniello, V., Degano, C., Laura, L., Lozano, M., Zahonero, M., & Petroni, S. 2016. A wiki-based approach to computer-assisted translation for collaborative language learning. In Y. Li, M. Chang, M. Kravcik, E. Popescu, R. Huang, Kinshuk, & S. Chen (Eds.) State-of-the-art and future directions of smart learning: 369– 379. Belam, J. 2003. Buying up to falling down: A deductive approach to teaching post-editing. Proceedings of the Workshop on Teaching Translation

Technologies and Tools: 1–10. Bernardini, S. 2016. Discovery learning in the language-for-translation classroom: corpora as learning aids. Cadernos de Tradução 36: 14-35.

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Bowker, L. 2020. Machine translation literacy instruction for international business students and business English instructors. Journal of Business &

Finance Librarianship 25(1-2): 25-43. Chen, M., Huang, S., Chang, J., & Liou, H. 2015. Developing a corpus-based paraphrase tool to improve EFL learners' writing skills. Computer Assisted

Language Learning 28(1): 22–40. Correa, M. 2014. Leaving the “peer” out of peer-editing: Online translators as a pedagogical tool in the Spanish as a second language classroom. Latin

American Journal of Content & Language Integrated Learning 7(1): 1-20. Doherty, S., & Kenny, D. 2014. The design and evaluation of a Statistical Machine Translation syllabus for translation students. The Interpreter and

Translator Trainer 8(2): 295–315. Enkin, E., & Mejias-Bikandi, E. 2016. Using online translators in the second language classroom: Ideas for advanced-level Spanish. Latin American Journal

of Content & Language Integrated Learning 9(1): 138–158. Forcada, M. L. 2017. Making sense of neural machine translation. Translation

Spaces 6(2): 291–309 Garcia, I., & Pena, M. 2011. Machine translation-assisted language learning: Writing for beginners. Computer Assisted Language Learning 24(5): 471–487. Godwin-Jones, R. 2015. Contributing, creating, curating: Digital literacies for language learners. Language Learning & Technology 19(3): 8–20. Groves, M., & Mundt, K. 2015. Friend or foe? Google Translate in language for academic purposes. English for Specific Purposes 37: 112–121. Jin, L. 2013. Foreign language learners' use and perception of online dictionaries: A survey study. Journal of Online Learning and Teaching 9(4): 513– 533. Josefsson, E. 2011. Contemporary Approaches to Translation in the Classroom: A study of students' Attitudes and Strategies.

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Kliffer, M. 2005. An experiment in MT post-editing by a class of intermediate/advanced French majors. Proceedings EAMT 10th Annual

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Linguarum 9: 53–67. Koehn, P. 2009. Statistical machine translation. Cambridge University Press. Kumar, A. 2012. Machine translation in Arabic-speaking ELT classrooms: Applications and implications. International Journal of Social Science and

Humanity 2(6): 442–445. Lee, S. M. 2009. Exploring the writing and editing patterns of the different language proficiency groups on a wiki. Foreign Languages Education 16(3): 95– 122. Lee, S. M. 2014. Grammatical error patterns in EFL students' writing across different language proficiency levels. Foreign Languages Education 21(2): 1–28. Lewis, D. 1997. Machine translation in a modern language curriculum.

Computer Assisted Language Learning 10(3): 255–271. Min, H. 2005. Training students to become successful peer reviewers. System 33(2): 293–308. Min, H. 2006. The effects of trained peer review on EFL students' revision types and writing quality. Journal of Second Language Writing 15(2): 118–141. Mundt, K., & Groves, M. 2016. A double-edged sword: the merits and the policy implications of Google Translate in higher education. European Journal

of Higher Education 6(4): 387-401. Niño, A. 2004. Recycling MT: A course on foreign language writing via MT postediting. Proceedings of 7th Annual CLUK Research Colloquium: 179–187. Niño, A. 2008. Evaluating the use of machine translation post-editing in the foreign language class. Computer Assisted Language Learning 21(1): 29–49. Niño, A. 2009. Machine translation in foreign language learning: Language learners3' and tutors' perceptions of its advantages and disadvantages. ReCALL 21(2): 241–258. 258

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Saito, H., & Fujita, T. 2004. Characteristics and user acceptance of peer rating in EFL writing classrooms. Language Teaching Research 8(1): 31–54. Sengupta, S. 1998. From text revision to text improvement: A story of secondary school composition. RELC Journal 29(1): 110–137. Shei, C. C. 2002. Combining translation into the second language and second language learning: An integrated computational approach. PhD Thesis. University of Edinburgh, Edinburgh. Shei, C. C. 2002. Teaching MT through pre-editing: Three case studies.

Proceedings of 6th EAMT Workshop Teaching Machine Translation: 89–98. Sukkhwan, A., & Sripetpun, W. 2014. Use of Google Translate: A survey of Songkhla Rajabhat University students. Proceedings of L-SA Workshop and

Colloquium: "Speaking " for ASEAN : 88–104. Williams, L. 2006. Web-based machine translation as a tool for promoting electronic literacy and language awareness. Foreign Language Annals 39(4): 565–578. Wong, T., & Lee, J. 2016. Corpus-based learning of Cantonese for Mandarin speakers. ReCALL 28(2), 187–206.

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基於深度學習的圖像辨識所面臨之挑戰 Deep Learning for Image Recognition: What It's Challenging 蘇娜玉 SU, Na-Yu

國立中山大學生物科學系 Department of Biological Science, National Sun Yat-Sen University 摘要人工智慧具備思考與學習速度快、記憶空間大、出錯少等優勢，對人類經濟、社會與生活都帶來大幅度的衝擊，目前深度學習是當前人工智慧的主流，其在電腦視覺中的應用亦是不勝其數。此次我將要介紹深度學習、圖像辨識之背後原理，包含模型建立所使用的類神經網路的架構與運作。另外在一片深度學習萬能以及此技術可運用在各大領域的呼聲下，仍舊存在辨識與預測的不確定性，這很可能導致使用者接收到錯誤結果，更可能會做出攸關生命安全的錯誤決策，因此勢必會影響其在各領域應用上之阻礙。所以在將深度學習投入應用前了解目前其面臨的問題是基本且重要的。因此我將接續回顧過往學者們發現深度學習目前問題，例如：機器過度學習或是人為的對抗性攻擊，並分析這些問題是如何影響模型的運作與判斷。接著我將整理目前學者們對於上述挑戰所提出之解決辦法，包括利用模型正規化或是 dropout 等方法，對於模型本身或是對於輸入資料進行調整來提升模型辨識準確率。

關鍵詞：deep learning (深度學習)、image recognition (圖像辨識)、convolution neural network (卷積神經網路)、adversarial attacks (對抗式攻擊)、overfitting (過度學習)

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一、深度學習與模型架構深度學習屬於人工智慧中的機器學習學派，其中深度學習以特徵值作為導向，也就是以選擇與擷取資料的特徵值並以特徵值間的關係來建立一個預測判斷的模型來分析未來的資料。深度學習以類神經網路系統模型為基礎，這種模型包含一個輸入層、多個隱藏層及一個輸出層，其架構與運作是模仿人類的大腦神經系統。是由許多類似神經元的 Processing Element (PE) 組成的網路，每個 PE 節點對另一個節點的影響力視其不同的權重而定 (Fergus, R. 2013)。輸入則是代表資料的特徵值 (例如：圖像的像素、語音的音波)，輸入乘以權重以顯示其對下一個 PE 的影響力強弱，這也影響著輸出的結果。

二、深度學習特點所謂的深度學習指的是一種多層次、能由下而上，逐步堆疊抽取高抽象層次特徵值的一種類神經演算法 (Lecun Y, et al.)。深度學習的網路層次可達上百層，層次越高，神經元越多，抽象層次就會越高，越能夠解決複雜的問題。另外深度學習是利用不同層級獨立學習處理不同層次的抽象概念，底層的輸出就是高層的輸入，低階層次只辨識低抽象的概念，像是先學會分辨圖片像素的明暗，再將這些訊息傳給高階層次，由高

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階層次辨識更高的抽象概念，例如線條與邊界，如此堆疊而上。層級越高可以了解的訊息抽象程度就越高，特徵值的辨識能力更準更強，而機器的智慧也越高。深度學習的演算法有很多種目前應用最廣的是卷積神經網路 (CNN)，它是一種透過篩選過濾壓縮而減少層與層之間的訊息傳遞速度極快的一種深度神經網路，這也是最常應用於圖像辨識的一種演算法。

三、圖像辨識圖像辨識是電腦視覺中的一項應用，電腦視覺指的是利用攝影機與電腦對目標進行辨識、鑑別、監控並對截取的圖像進行分析處理的一種人工智慧技術 (DUFAUX, Frédé ric. 2021.)。而圖像辨識是指機器對二維的圖像進行分析辨識分類的技術，主要的函式表示法是 f (相片)=(標籤)，目前圖像辨識最大的資料庫為 Image Net，它提供了 1500 萬張有標籤的相片來幫助模型認識 22,000 種物品。而用於圖像辨識最主要的演算法是深度學習的 CNN，一個辨識圖像的 CNN 可能有幾十萬、幾百萬個節點，幾百萬、幾千萬個參數，連結則有幾千萬甚至上億的可能。

四、對抗性攻擊儘管深度神經網路在解決複雜問題上表現出色，準確率甚至能與人類的判斷能力匹敵，但卻容易受到來自人類惡意的攻擊–對抗性攻擊 (adversarial attacks)的影響，這種攻擊往往是因為攻擊者在資料中參雜著會誤導模型的雜訊 (或稱為噪音)，從而使模型預測錯誤率提升 (Akhtar&Mian, 2018)。以圖像而言，這種擾動一般太小而人的肉眼無法感知，但這些擾動卻可以欺騙深度學習模型，例如：在一張貓的照片中添加了微小的雜訊，模型的神經網路對其判斷的結果很可能從貓轉變成鴕鳥。而對抗式攻擊對人們影響深遠，其帶給人們的影響可能很小，例如：人為在郵件中添加雜訊，使得垃圾郵件分類器無法順利識別出惡意郵件。更嚴重的影響則可能牽扯人身安全，例如：自動駕駛車將被塗鴉過的停止前進路牌標誌錯誤地辨識成速限低於 45 英里每小時 (EYKHOLT, Kevin, et al. 2018)，從而引發交通意外。因此在圖像辨識實際應用至生活前，解決對抗式攻擊的問題是非常基本且必要的。對抗式攻擊種類很多，其中最常見的為快速梯度符號方法 (fast gradient sign method ,FGSM)，FGSM 巧妙地利用深度學習模型和輸入資料的梯度方向，就能以十分細微的變化，大幅改變模型預測結果。以圖片來說，就是對每一個像素依其梯度的正負值加上或減去些微的變動，便能產生足以大幅改變該深度學習模型預測結果的輸入圖片 (又稱對抗樣本) 。由於這種攻擊方 262

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式需要針對特定的深度學習模型，並依輸入資料不同產生出對應的梯度來修改輸入資料。因此使用多個不同網路架構的模型，就會讓攻擊者不易對單一模型產生梯度，進而增加攻擊的復雜度和攻擊成功的難度。另外也可對模型進行對抗性訓練，意即在訓練模型階段同時給予正常樣本與對抗樣本，可以有效增進模型隊攻擊的抵抗能力。

五、過度學習深度學習目前面臨第二個問題是過度學習，意即模型過度學習訓練集的資料，而無法順利預測或分辨訓練資料外的其他資料。以圖像辨識而言，例如：在訓練一個辨識是否為貴賓狗的模型時，模型會擷取資料集中貴賓狗的特徵，像是耳朵長而寬、頭部窄而長等特徵，但若訓練集中皆為黑色貴賓狗資料，模型便會將黑色作為貴賓狗的一項特徵，因此在辨識不同顏色貴賓狗時便會出現錯誤。造成過度學習的原因可能是如同上述的例子-訓練資料過少，也就是沒有足夠多的特徵讓機器學習並做有效的判斷。其解決方式便是蒐集並給予模型更多的資料，或是自行生成正確、有效的資料以幫助模型學習，其中一種增加有效資料的方式為資料增強 (data augmentation)，這種方式是將資料中的圖片進行旋轉、翻轉、調整大小或是改變其亮度色溫等處理，儘管對人類肉眼來說是相同的照片，但對機器而言卻是完全不同的新照片，以此方式便可創造出更多的圖片來讓機器學習，彌補資料量不足的問題。另一個導致過度學習的原因可能是模型中的參數過多、模型過大且過於複雜，一般而言模型愈複雜愈容易有過度學習的情況發生。可能的解決方式有降低模型的大小，意即減少模型中的參數或是減少神經層數，使模型簡單化。若是在不改變參數與資料量的情況下，常見的解決辦法是使用正規化的方式，這主要是採用權重衰減的方式，意即對權重較大的參數給予處罰。另外也可使用 dropout 的方式 (Srivastava, N. et al. 2014) ，便是在神經網路的每一層中隨機關閉神經元，也就是模型在進行訓練的過程中，每一輪訓練都會依據機率捨去一定比例的神經元且不予計算，等同於每一次都是在訓練不同的神經網路，以此來達到模型過於依賴神經網路中的某些區域性特徵。

六、結論經過本文回顧文獻，可以知道深度學習確實有其發展的優勢，龐大的資料加上硬體、軟體與演算法的日益改善，都將會是讓深度學習更為成熟的助力。另外也能從本文得知深度學習並非一般認知的只有好處而沒有潛藏的問題與挑戰，這牽涉到人為與非人為的影響，也因此勢必需要適合的解決辦法來提升模型的準確性。最後，只有模型有 263

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最佳執行效率，並且能克服目前已知困難、設想未來可能面臨的挑戰以及將其錯誤率最小化，才有投入市場與生活應用的意義以及安全性，也只有如此才能完整發揮最初人們想要深度學習達到的價值與便利性。

參考文獻： AKHTAR, A., MIAN, A. 2018. Threat of adversarial attacks on deep learning in computer vision: A survey. Ieee Access 6: 14410-14430. DUFAUX, Frédéric. 2021. Grand Challenges in Image Processing. Frontiers in

Signal Processing 1: 3. LeCun, Y., Bengio, Y. & Hinton, G. 2015. Deep learning. Nature 521: 436–444. Srivastava, N., Hinton, G., & Krizhevsky, A. et al. 2014. Dropout: a simple way to prevent neural networks from overfitting. Journal of Machine Learning Research 15(1): 1929-1958. Szegedy, C., Zaremba, W., Sutskever, Bruna, J., Erhan, D., Goodfellow, I., Fergus, R. 2013. Intriguing properties of neural networks. arXiv preprint arXiv: 1312.6199. EYKHOLT, Kevin, et al. 2018. Robust physical-world attacks on deep learning visual classification. In: Proceedings of the IEEE conference on computer vision

and pattern recognition 1625-1634.

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探究與實作課程對學生學習成效的影響 The Effect of Science Inquiry and Practice to Students' Learning Outcome 覃文榆 CHIN, Wen-Yu 國立中山大學生物科學系 Department of Biological Sciences, National Sun Yat-Sen University 摘要自 2019 年實施的十二年國教課綱將「探究與實作」課程列入部訂必修，目標為激發學生對科學的興趣，培養探究與科學思考的能力，進而成為終身學習者。以解決台灣學生高成就低動機且喪失好奇心的問題。以國外案例來看，與探究與實作課程相似的 The Next Generation Science Standards (NGSS) 課程實施後，學生對學習內容的掌握度較佳，能夠有效的學習科學知識及概念、有效提升學生學習興趣。探究與實作課程實施後，以直接成效看來，學生對科學的興趣確實上升，對課程內容的學習成效也較傳統授課方式好，有效達成課綱目標。而探究能力與論證能力與學生先備知識相關，較難在短期課程中看出成效。低成就學生面對開放性問題容易形成習得性無助，對科學的信心下降，教師在課程期間須關注個別學生的學習狀況。間接成效仍需更多的資料以證明學生是否能夠確實吸收並於未來使用。關鍵詞：探究與實作、NGSS、學習成效、十二年國教

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為因應十二年國教課綱「自發」、「互動」及「共好」的理念，自然領域課程綱要在國中階段加入實作課程，高中階段加入「探究與實作」課程。理念是激發學生對科學的好奇心與主動學習的意願，使學生具備科學核心知識、探究實作與科學論證溝通的能力 ( 教育部， 2018) 。 2015 年的國際學生能力評量計畫 (Programme for International Student Assessment，簡稱 PISA) 指出台灣學生「評量及設計科學探究」較弱，且學習動機低落，顯示出我國教育嚴重捨本逐末，使學生喪失好奇心與對事物追根究底的態度及能力 (陳竹亭，2020)。「探究與實作」課綱制定委員小組召集人陳竹亭教授表示，「探究」不僅是自然科學領域的基本素養，亦是基礎教育學習活動的核心能力，而這正是「探究與實作」課程想解決的問題，以實作引發學生的學習動機，以探究建構知識。學習成效是判斷學生學習成果的指標，衡量成效的目的在使學生瞭解其自身學習狀況，並做為教師改進教學和學生改善學習的依據 (Guay, et al. 2008)，屬於教學評鑑的重要依據之一。一、國外案例探究與實作課程綱要編寫時有參照美國的 The Next Generation Science Standards (NGSS) 課程綱要，課程目標為希望學生在情境中學習科學知識，理解科學知識如何產生，並將科學概念連接到領域核心概念、科學與工程實踐及跨科概念三種面向。讓學生在實作的過程中除了動手操作外，一能協助學生發展與建構知識，再者能了解科 266

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學方法如何實際實施。在美國 16 所高中，2000 名學生的實驗教學中發現，參與 NGSS 課程的學生比起傳統科學教育更能夠靈活運用授課內容，且更能夠有效的學習科學知識與概念 (Wyner, et al. 2014)。在教育體系與台灣較相似的香港以 NGSS 設計課程且實施翻轉教學下，學生對於以翻轉教育融合科學教育呈現正向看法，且教師認為 NGSS 能提高學生對科學的興趣，且讓學生具有科學研究的精神 (Chan, et al. 2018)。二、直接成效目前國內針對探究與實作課程的研究多只關注於直接成效，也就是課程實施前後測的差異。使用不同教學法對於學生的學習成效相差不大。探究與實作教學能夠有效引起學生對課程注意力與提升課堂趣味性，也能有效引起學生對科學的興趣 (林育安， 2019)，參與課程的學生對科學有較高的學習成就 (陳家騏與古建國，2017)，且有效提升學生對學習內容的學習成效。探究能力部分學生的歧異度較高，推理論證部分與學生的先備知識相關 (隋奇融，2021)，在短期課程中較難觀察到明顯成效，而學生在觀察、提出問題、執行計畫、運算思維等部分的學習成效都有顯著提升 (林育安， 2019)。在執行探究與實作課程的過程中，教師也須密切關注學生差異，雖說低分群的學生跟未參與課程的學生相比仍是有較高的學習成就，但低分群的學生跟課前相比，對學習的主動性以及對科學的正面態度都顯著下降 (陳家騏與古建國等，2017)。此現象可能與學生對於開放式問題容易感到挫折有關，2018 年的 PISA 報告中提到亞洲學生具有高成就低信念的特質，且台灣學生最害怕失敗。害怕失敗的學生在面對到沒有標準答案的開放式問題，若是沒有好的表現更容易想要放棄，學習動機對於此類課程又特別重要 (蔡哲銘，2020)。三、間接成效目前尚缺乏對探究與實作類型課程的長期成效相關資料，值得關注的是未來幾年的 PISA 結果報告以及學科能力測驗中探究與實作相關題目的鑑別度與答對率。目前 108 課綱第一屆學生參與的 111 學年度學科能力測驗尚未釋出答對率及鑑別度資料，原應於 2021 年舉行的 PISA 調查也因 corona virus disease (COVID-19)疫情延至 2022 年舉辦，受試學生均為接受 108 課綱的學生，調查結果值得期待。四、學習成效與課綱內容比較課綱中理念部分提及激發學生對科學的好奇心與主動學習的意願，使學生具備科學核

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心知識、探究實作與科學論證溝通的能力三項 (教育部，2018)。而在實際實施後發現探究與實作課程確實能提升學生對科學的興趣，學生也更能夠掌握學習內容的核心知識。探究實作與科學論證溝通部分不同項目的學習表現有所差異，尤其是論證與建模部分與學生先備知識相關，表現較為不佳。而是否能夠達成總綱中長遠的目標，學生能否將探究能力與科學思維在其他領域活用，仍需長期的觀察。參考文獻：教育部。2014。十二年國民基本教育課程綱要：總綱。臺北市。張珮珊、賴吉永與溫媺純。2017。科學探究與實作課程的發展、實施與評量：以實驗室中的科學論證為核心之研究。科學教育月刊 25（4）：355-389。陳家騏與古建國。2017。 STEM 教學應用於高中探究與實作課程之行動研究－以摩擦力為例。物理教育學刊 18（2）：17-38。教育部。2018。十二年國民基本教育綱要國民中小學暨普通型高級中等學校：自然科學領域。臺北市：教育部。李驥、邱美虹。2019。 NGSS 和 12 年國名基本教育中探究、實作和建模的比較與分析。科學教育月刊 421：19-31。林育安。2019。運用 6E 模式進行 STEM 機電整合活動中對高中生學習成效之研究。

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OECD. 2019. What School Life Means for Students’ Lives. PISA 2018 Results 3. Retrieved from https://www.oecd.org/pisa/publications/pisa-2018-results.htm Standards, N. G. S. 2013. Next Generation Science Standards: For States, By States. National Research Council 1. Wyner, Y., Becker, J., & Torff, B. 2014. Explicitly linking human impact to ecological function in secondary school classrooms. The American Biology

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線上課程是否提升學習效率？——在 Covid-19 疫情之下遠距教學對學生的學習成效與局限性 Does Online Course Improve Learning Efficiency? — —The Effectiveness and Limitations of Distance Learning for Students During The Covid-19 Pandemic 曾馨慜 CHIN, Shien-Min 國立中山大學生物科學系 Department of Biological Sciences, National Sun Yat-Sen University Abstract The COVID-19 pandemic has caused a crisis in education and resulted in massive school closures worldwide. Online learning quickly became a crucial tool for education institutions and replaced physical classrooms. Research shows that most online learning courses have better effectiveness compared with studies in physical classrooms. Both educators and students have developed new methods for teaching and studying since digital learning in various schools and colleges has been emphasized. To fill in the void of learning by not interrupting student’ s learning progress and to minimize the virus spread over the last year, leading to a significant increase in the usage of online platforms (Kansal et al., 2021). The attempt of this analysis is to compare the learning effectiveness between physical classroom and online class learning for education during the COVID-19 pandemic and provide evidence to prove that online learning can be a feasible solution and indicator for future online learning during pandemic a literature search was undertaken in the ScienceDirect, Google Scholar, and MDPI databases. The following search keywords were employed in the three databases to gain a general knowledge of the current research originally. All of the studies used questionnaire-based online multi surveys or observational study, which was

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the most efficient and secured method of doing research. The learning efficiency were observed from literature studies on comparison between online learning and physical classroom and conclude student ’s opinion to get the results. These studies were done at various times throughout the pandemic. The studies mainly focus on the advantages of online learning in education, students ’ opinion about assessments in online class and factors affecting efficiency of online learning. Student’s study behaviors were observed and limitations of online learning were listed from literatures. Both learning methods benefits were concluded from one of the literatures. In terms of blended learning courses, the combination and innovative of physical and online courses will be the trend in the future. Keywords: COVID-19, crucial, online learning, effectiveness, innovative

A. Introduction In December 2019, an outbreak of a novel coronavirus, known as COVID-19, occurred in China and has spread rapidly across the globe within a few months.

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The COVID-19 pandemics posed numerous issues in the education industry since study techniques had switched from traditional to online class. Students encountered numerous issues while studying remotely, causing their motivation to study to fluctuate dramatically. The coronavirus is a highly contagious disease with serious health consequences, as well as a threat to worldwide economic and social activities. This virus can be transmitted by both direct contact and air droplets. In accordance with challenges in these days and ages regarding the education system and the pandemic of COVID-19, the government is forced to adopt a blockade or isolation policy in order to contain the spread of sickness. This approach emerges as the most effective strategy for halting the spread of the COVID-19 pandemic. Social distance can be maintained and direct human contact or aerosol pollution avoided through blockade or isolation, to contain the pandemic (Chang et al., 2021). As a result, all sectors must be closed throughout the pandemic period in order to prevent the outbreak from spreading further. Since the schools have to be closed, teachers all over the world have to conduct remote teaching or any other method which is suitable for the situation of both parties which are the teachers and also the students. The government had ordered face-to-face teaching sessions to cease the remote teaching to not interrupt student ’ s learning progress. Nonetheless, in order to conduct classes online or offline, remote teaching in the education industry requires both students and teachers to have a reliable internet connection (Coman et al., 2020). This was one of the difficulties that students had to overcome in order to perform remote learning during this difficult period. In face-to-face classroom teaching, teachers can show some visible teaching aids for the students to enhance their understanding of certain things or topics but after the pandemic of COVID-19 happening in the whole world, teachers should find an alternative way to be more creative in delivering the teaching contents for the students. Many factors influence the success of online learning, and few researchers have compared the differences in learning effectiveness between physical classroom and online learning. However, due to timing coincidence school had the opportunity to experience both physical classroom and online learning in the

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same semester. Therefore, we were able to investigate the differences in learning efficacy between the traditional classroom and online learning. During the COVID-19 pandemic, some study cases intended to assess the differences in responses of students who had both physical classroom and online learning experiences. It could provide a different perspective for this research (Chang et al., 2021). Certain difficulties mentioned by students such as anxiety, sadness, inadequate

Internet

connectivity,

and

undesirable

home

learning

environment are factors that affecting their learning efficiency. According to Kapasia et al. (2020) findings, (Gonzales et al., 2020) found that confinement of students during the pandemic had significant positive effects on their performance. These findings were linked to student’s continued use of learning strategies, which improved their learning efficiency (Barrot et al., 2021). B. Online Learning Effectiveness Three factors influence the effectiveness of online learning: Students, who may feel isolated due to the absence of physical colleagues, in which case teachers should know how to establish connections and relationships with them; and institution or technology, which refer to teachers knowing how to use the tools in order to enhance learning, how to interact with students and create a comfortable learning environment, and how to creatively bring students closer and capture their attention (Tham et al., 2005 ). C. Advances The usefulness, efficiency, and positive impact of online learning on student performance improved students' learning experiences and boosted their participation in lectures. Comparative studies on both learning methods have produced data that support online learning's educational effectiveness. Studies have shown that students were able to assimilate information in online classes as well as, if not better than, students who studied in the traditional manner, and that online learning was particularly effective in the case of shy, easily intimidated, and slow learners who do not normally have the courage to speak up and express themselves in the classroom (Coman et al., 2020).

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D. Online Learning Effectiveness during the Pandemic The studies suggested that the COVID-19 epidemic had the largest impact on student’s mental health and the quality of their learning experience. Resource management and utilization, help-seeking, technical aptitude enhancement, time management, and learning environment control were the tactics used commonly by students. Students who overcome these challenges showing results that online learning does show its efficiency. However, in this technology era, one of the main challenges of universities or schools is the integration of innovative online learning systems so as to reinforce and support both teaching and learning (Coman et al., 2020). E. Literature Search For research published in 2020 to 2022, a literature search was undertaken in the ScienceDirect, Google Scholar, and MDPI databases. The following search keywords were employed in the three databases to gain a general knowledge of the current research originally. All of the studies used an online survey or observational study, which was the most efficient and secured method of doing research. These studies were done at various times throughout the pandemic. The studies mainly focus on the advantages of online learning in education, students ’ opinion about assessments in online class and factors affecting efficiency of online learning. F. Findings and discussion (A) Advantages of online learning in education Most of the students felt connected to each other (82.5%), that they could work more quickly and efficiently (75%) and they were comfortable utilizing technology to learn online (74.4%). In contrast, students felt online learning was more pleasurable or enjoyable (65.6%) and it had improved learning experiences (65%). While comparing between online and face to face student-teacher interaction, studies showed that majority of the students agree that online learning were immensely helpful to carry out their academic pursuit (Aziz et al.,

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2022). Benefits of online learning in education 80 67.5

65.6

40 30 20 10

10.6

8.8

0 Work faster &

Feel connected (%) Improve learning Comfortable using

Learning

effectively (%)

experience (%)

enjoyable (%)

Strongly agree

Agree

Disagree

(%) Strongly disagree

Figure 1. Benefits of online learning in education. (B) Opinion about assessments in online class Most students believed that oral assessment was the most preferable (89.4%), and the written was less preferable but practical assessment (78.1%) was the least preferable technique for determining students’ knowledge and skill online. Due to practical assessment require more interaction and communicate on physical activities. Both students and teachers believe that practical assessment are ineffective on online class (Aziz et al., 2022). Opinion about assessments in online class 80

0 Very Good

Good

Poor

Oral assessment (%)

Written assessment (%)

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Very Poor Practical assessment (%)

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Figure 2. Opinion about assessments in online class. (C) Barriers of online learning Overall, the poor network and affordability of mobile data were the two main barrier among the students. Additionally, they acknowledged other barrier of using IT were limited computer skill, the net use and difficulty in using app. Study provides result from students’ point of view and relevant information from literatures. Most commonly barriers are poor network and online platform limitations. However, these results (Figure 3) cannot be generalized to the entire higher education system. Barriers of online learning 70 60 50

40 30 20 10 0

Poor network (%)

Lack of basic

Limited skill to use Difficulty in using

computer skills (%) the internet (%) Strongly agree

Agree

Disagree

apps (%)

Affordability of mobile data (%)

Strongly disagree

Figure 3. Barriers of online learning. (D) Comparison of learning effectiveness between physical and online class The majority of students supported learning physically since they considered that online learning did not increased interaction with teachers or provided more opportunities for questioning. On the other hand, most students believed that online programs were easier to understand and covered more content and material. In addition, most of the students agreed that online classes had better scope of counseling which can help students improve their knowledge and abilities. (Aziz et al.,2022) Although the interaction of online class weaker than physical classroom, but it could be useful to conduct a longitudinal study to

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improve online learning experiences. Comparison between online and physical learning process 70 60 50 40 30 20 10 0

51.9 48.1

56.3 43.7

62.5

61.9 50.7 49.3

38.1

Online Class

56.2

37.5

43.8

47.5

52.5

Physical Class

Figure 4. Comparison between online and physical learning process. There were five investigated items for learning methods. For learning methods, these items included: (1) Stimulate students’ interest in learning ;(2) Enable students to use time and study efficiently; (3) The learning method is convenient; (4) The image on the screen is clear; (5) The operation method is friendly. The agreement for the degree of importance of each item was relatively high, and all the mean scores and the proportion of those who answered as important of each item, respectively. The differences in the mean scores of investigated items for learning methods and examination methods between the physical classroom and online class. Among them, the mean scores of the part: Study efficiently, learning method is convenient and the image on the screen is clear were significantly higher than those of physical classroom (all P-values < 0.05), indicating that students tend to have a viewpoint that the learning effectiveness of online class learning is better than that of physical classroom learning (Chang et al., 2021)

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Comparisons of learning effectiveness between the physical and online class learning 88.24 85.29

Stimulate interest(%) Study efficiently(%)

94.12

82.35

Learning method is convenient(%)

70.59

Image on the screen is clear(%)

85.29

91.18

58.82

85.29 82.35

Operation method is friendly(%) 0

Online class

100

Physical classroom

Figure 5. Comparisons of learning effectiveness between the physical and online class learning. For examination methods, these items included the test method is friendly in operation and the test method is fair. On the contrary, the mean scores of test method are fair and friendly in operation of physical classroom were significantly higher than those of online class (all P-values < 0.001), indicating that students tend to have a viewpoint that the convenience and fairness of physical classroom examination is better than those of online examination (Chang et al., 2021). The limitations of online examination due to computer operation problems, and its hard to avoid cheating and fairness issues.

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Comparisons of learning effectiveness between the physical and online examination

Test method is fair(%)

97.06

Test method is friendly in operation(%)

61.76

85.29

Physical classroom

44.12

100

120

140

160

180

Online class

Figure 6. Comparisons of learning effectiveness between the physical and online examination. G. Current situation and limitation Among the most important functions of online learning platforms are forums that

allow

student-teacher

communication

and

collaboration

asynchronous way, web conferences that allow video, audio, and written communication, and chat, where users can send messages and receive responses in real-time. These features demonstrate how students can quickly share information, express their difficulties, and obtain teacher responses. Online learning has grown in popularity due to its versatility in terms of delivering education and gaining access to content and resources. Due to the flexibility, online learning removes boundaries of distance and time, allowing users access to a wide range of material, facilitating collaboration, allowing students to learn at their own pace, and motivating them to interact with their peers, discuss, and exchange points of view and ideas. In addition, some students dared to express their opinions and ask questions online. On the other hand, students may easily get distracted, lose focus, miss deadlines or become procrastinating after online classes. Online learning relies on technology such as the internet and computers, which students may not have access to, and interruptions or other system failures may occur during the classes.

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H. Conclusion From the perspective of teachers, they believe that physical classroom teaching can immediately catch students' responses, allowing them to determine if students are listening to the lecture or thinking about other things. Students are frequently required to respond to questions during online classes. For students who do not concentrate on the online class, it seems difficult to control the online class. As a result, the quality of online learning for students who are not willing to learn independently may be worse than that of physical classroom learning. Studies state that online examination had fairness issues, and students believe that physical examination provided higher fairness. Courses that require practical exam works better in physical classroom. Blended physical classroom and online learning is a type of dual-track learning that incorporates both face-to-face and online activities. It blends the benefits of two different learning environments into one. It expands learning options and improves learning effectiveness by interacting with teachers and students (Li, 2020). Thus, students can be required attend examination in physical classroom to avoid online examination fairness issues. References Aziz, M.M.A., Imtiaz, M., & Rasul, C.H. 2022. Comparison between online and traditional teaching-learning among non-clinical medical students. BIRDEM

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Pandemic: Students’ Perspective. Sustainability 12(24): 10367. Kansal, A.K., Gautam, J., Chintalapudi, N., Jain, S., & Battineni, G. 2021. Google trend analysis and paradigm shift of online education platforms during the COVID-19 pandemic. Infectious Disease Reports 13(2): 418-428. Kaur, N., Dwivedi, D., Arora, J. & Gandhi, A. 2020. Study of the effectiveness of e-learning to conventional teaching in medical undergraduates amid COVID-19 pandemic. National Journal of Physiology, Pharmacy and Pharmacology 10(7): 563-567. Li, D. 2020. A review of self-efficacy of learners through online learning. Journal

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關鍵字索引 Index to Keywords

５ 5α-reductase ------------------------------------------------------------------- 35

Ａ abundance -------------------------------------------------------------------- 199 acne vulgaris ------------------------------------------------------------------ 168 activin receptors type IIB (ActRIIB)--------------------------------------------- 64 ADAR --------------------------------------------------------------------------- 81 addiction ----------------------------------------------------------------------- 52 adversarial attacks ------------------------------------------------------------ 260

Aedes aegypti ----------------------------------------------------------------- 122 Aedes albopictus-------------------------------------------------------------- 122 agial reef ---------------------------------------------------------------------- 218

all-trans-retinoic acid ---------------------------------------------------------- 40 Alzheimer's disease ----------------------------------------------------------- 189 Androgenetic Alopecia -------------------------------------------------------- 70 animal behavior --------------------------------------------------------------- 117 animal welfare ---------------------------------------------------------------- 117 antidepressant drugs ---------------------------------------------------------- 59 anti-inflammatory effects ----------------------------------------------------- 182 A-to-I RNA editing ------------------------------------------------------------- 81 ATP13A2 ----------------------------------------------------------------------- 14 attention ----------------------------------------------------------------------- 19 axolotl -------------------------------------------------------------------------- 85

Ｂ bacteria-mediated synergistic cancer therapy, BMSCT ---------------------- 136 282

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basal forebrain ----------------------------------------------------------------- 19 biomass ----------------------------------------------------------------------- 104 brain health ------------------------------------------------------------------- 189 breakthrough therapy --------------------------------------------------------- 45 B 型肝炎 ----------------------------------------------------------------------- 148 B 型肝炎病毒 ------------------------------------------------------------------- 148

Ｃ Cas-ADAR ---------------------------------------------------------------------- 81 cascaded bacteria-mediated prodrug-activating therapy ------------------- 136 chemotherapy ---------------------------------------------------------------- 136 chimeric antigen receptor-T cell, CAR-T cell --------------------------------- 148 cholinergic neuronal system --------------------------------------------------- 19 CNCP(chronic non-cancer pain) ----------------------------------------------- 52 Cognition --------------------------------------------------------------------- 189 cognitive impairment --------------------------------------------------------- 176 colonial coral ------------------------------------------------------------------ 218 colony morphological features ----------------------------------------------- 218 community assembly --------------------------------------------------------- 205 computer-assisted language learning --------------------------------------- 251 continuous positive airway pressure ----------------------------------------- 176 convolution neural network -------------------------------------------------- 260 COVID-19 ------------------------------------------------------------ 59, 223, 271 crucial ------------------------------------------------------------------------- 271 cyanobacteria ------------------------------------------------------------------ 75 cytoplasmic incompatibility -------------------------------------------------- 122

Ｄ daytime sleepiness ------------------------------------------------------------ 176 deep learning ----------------------------------------------------------------- 260 dietary change ---------------------------------------------------------------- 223

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dietary habits ----------------------------------------------------------------- 223 diversity ----------------------------------------------------------------------- 199 dopamine ---------------------------------------------------------------------- 27 dorsolateral prefrontal cortex ------------------------------------------------- 34 drug delivery system ---------------------------------------------------------- 136 dual-band filter --------------------------------------------------------------- 168 Dutasteride -------------------------------------------------------------------- 70 dysthymia disorder ------------------------------------------------------------ 34

Ｅ effectiveness ------------------------------------------------------------------ 271 environmental factors -------------------------------------------------------- 199 euthanasia -------------------------------------------------------------------- 100 eutrophication ---------------------------------------------------------------- 104 EV71 vaccine ------------------------------------------------------------------ 159 EV71 疫苗 --------------------------------------------------------------------- 159 exercise ----------------------------------------------------------------------- 189 exercise capacity -------------------------------------------------------------- 182 exerkines ---------------------------------------------------------------------- 189

Ｆ Feline idiopathic cystitis ------------------------------------------------------- 93 Finasteride --------------------------------------------------------------------- 70 fluvoxamine -------------------------------------------------------------------- 59 food consumption ------------------------------------------------------------ 223 forkhead box O1 --------------------------------------------------------------- 40 functional traits --------------------------------------------------------------- 205

Ｇ GABA --------------------------------------------------------------------------- 52

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Glycosaminoglycan ------------------------------------------------------------ 93

Ｈ hand foot mouth disease ----------------------------------------------------- 159 hepatitis B --------------------------------------------------------------------- 148 hepatitis B virus, HBV --------------------------------------------------------- 148 human-animal relationships -------------------------------------------------- 117 hypothesis --------------------------------------------------------------------- 27 hypoxemia -------------------------------------------------------------------- 176

Ｉ image recognition ------------------------------------------------------------ 260 immune checkpoint inhibitors, ICIs------------------------------------------- 148 immune system ---------------------------------------------------------------- 85 inactivated vaccine------------------------------------------------------------ 159 innovative --------------------------------------------------------------------- 271 intense pulsed light (IPL)------------------------------------------------------ 168 Interstitial cystitis -------------------------------------------------------------- 93 isotrtinoin ---------------------------------------------------------------------- 40

Ｌ L2 learning -------------------------------------------------------------------- 251 liana --------------------------------------------------------------------------- 199 limb regeneration -------------------------------------------------------------- 85 lockdown ---------------------------------------------------------------------- 223 long-covid -------------------------------------------------------------------- 182

Ｍ machine translation ----------------------------------------------------------- 251 macrophage ------------------------------------------------------------------- 85 285

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major depressive disorder ----------------------------------------------------- 34 MDMA ------------------------------------------------------------------------- 45 microalgae -------------------------------------------------------------------- 104 microenvironment ------------------------------------------------------------- 85 Minoxidil ----------------------------------------------------------------------- 70 MOR (mu-opioid receptors) --------------------------------------------------- 52 multiorgan system effects ---------------------------------------------------- 182 muscle wasting ---------------------------------------------------------------- 64 myostatin ---------------------------------------------------------------------- 64 myostatin inhibitor ------------------------------------------------------------ 64

Ｎ neural circuit ------------------------------------------------------------------- 34 neuron ------------------------------------------------------------------------- 27 NGSS -------------------------------------------------------------------------- 265

Ｏ obstructive sleep apnea ------------------------------------------------------ 176 online learning ---------------------------------------------------------------- 271 overfitting --------------------------------------------------------------------- 260

Ｐ P. chaishanesis ---------------------------------------------------------------- 218 Pandora syndrome------------------------------------------------------------- 93 pattern recognition receptors agonists, PRRs -------------------------------- 148 perceptual process------------------------------------------------------------- 19 pharmacotherapy -------------------------------------------------------------- 45 photoprotection --------------------------------------------------------------- 75 photosynthesis ----------------------------------------------------------------- 75 phycobilisome ----------------------------------------------------------------- 75

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polyp number ----------------------------------------------------------------- 218 population dynamics --------------------------------------------------------- 205 Post-covid -19 syndrome ----------------------------------------------------- 182 posttraumatic stress disorder ------------------------------------------------- 45 predicting forest dynamics --------------------------------------------------- 205 prescription opioid drugs------------------------------------------------------ 52 psychotherapy ----------------------------------------------------------------- 45

Ｒ rabies -------------------------------------------------------------------------- 100 repurposing drugs ------------------------------------------------------------- 59 reward timing ------------------------------------------------------------------ 19 RNA editing -------------------------------------------------------------------- 81 Rosemary Oil ------------------------------------------------------------------- 70 RuBisCO ----------------------------------------------------------------------- 129

Ｓ sewage treatment ------------------------------------------------------------- 104 Sigma-1 receptor -------------------------------------------------------------- 59 state transitions ---------------------------------------------------------------- 75 stray cat ----------------------------------------------------------------------- 100 symptoms ---------------------------------------------------------------------- 27 synergistic bacteria-mediated chemotherapy ------------------------------- 136

Ｔ teratogenicity ------------------------------------------------------------------ 40 three clinical phase ----------------------------------------------------------- 159 TNR (trap neuter return) ------------------------------------------------------ 100 trait-environment relationship ----------------------------------------------- 205 transcranial magnetic stimulation --------------------------------------------- 34

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2022 年 5 月 14-15 日

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Ｕ Urothelium --------------------------------------------------------------------- 93 U-to-C RNA editing ------------------------------------------------------------ 81

Ｖ vaccine efficacy --------------------------------------------------------------- 159 vacuum effect ----------------------------------------------------------------- 100 visitor effects ------------------------------------------------------------------ 117 VTA (ventral tegmental area) -------------------------------------------------- 52

Ｗ water pollution ---------------------------------------------------------------- 104 wingless pathway -------------------------------------------------------------- 40 Wnt 訊息傳遞路徑 -------------------------------------------------------------- 40

Wolbachia、 dengue virus ---------------------------------------------------- 122 writing strategies ------------------------------------------------------------- 251

Ｚ zoo ---------------------------------------------------------------------------- 117

Α α-synuclein--------------------------------------------------------------------- 27 α-突觸核蛋白 ------------------------------------------------------------------- 14

二劃人與動物關係 ------------------------------------------------------------------ 117 十二年國教 --------------------------------------------------------------------- 265

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三劃三期臨床試驗 ------------------------------------------------------------------ 159 大腦健康 ----------------------------------------------------------------------- 189

四劃公司治理 ----------------------------------------------------------------------- 246 化療---------------------------------------------------------------------------- 136 心理治療 ------------------------------------------------------------------------ 45 手足口病 ----------------------------------------------------------------------- 159 木質藤本 ----------------------------------------------------------------------- 199

五劃代理成本 ----------------------------------------------------------------------- 246 代理問題 ----------------------------------------------------------------------- 246 代理理論 ----------------------------------------------------------------------- 246 功能性狀 ----------------------------------------------------------------------- 205 卡爾文循環 --------------------------------------------------------------------- 129 去活化疫苗 --------------------------------------------------------------------- 159 巨噬細胞 ------------------------------------------------------------------------ 85 永續發展 ----------------------------------------------------------------------- 108 生物燃料 ----------------------------------------------------------------------- 129 白天嗜睡 ----------------------------------------------------------------------- 176 白線斑蚊 ----------------------------------------------------------------------- 122

六劃再生能源 ----------------------------------------------------------------------- 108 多胺----------------------------------------------------------------------------- 14 多樣性 ------------------------------------------------------------------------- 199 安樂死 ------------------------------------------------------------------------- 100 米諾地爾 ------------------------------------------------------------------------ 70 289

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肌肉生長抑制素 ----------------------------------------------------------------- 64 肌肉生長抑制素抑制劑 ---------------------------------------------------------- 64 肌肉萎縮 ------------------------------------------------------------------------ 64 行為改變 ----------------------------------------------------------------------- 238

七劃低血氧症 ----------------------------------------------------------------------- 176 免疫系統 ------------------------------------------------------------------------ 85 免疫檢查點抑制劑 -------------------------------------------------------------- 148 利益衝突 ----------------------------------------------------------------------- 246 尿路上皮 ------------------------------------------------------------------------ 93 杜他雄胺 ------------------------------------------------------------------------ 70 狂犬病 ------------------------------------------------------------------------- 100

八劃亞甲雙氧甲基苯丙胺 ------------------------------------------------------------ 45 協同細菌介導的化療 ----------------------------------------------------------- 136 卷積神經網路 ------------------------------------------------------------------ 260 固碳作用 ----------------------------------------------------------------------- 129 性狀與環境的關係 -------------------------------------------------------------- 205 注意力 -------------------------------------------------------------------------- 19 物候學 ------------------------------------------------------------------------- 211 知覺處理 ------------------------------------------------------------------------ 19 肢體再生 ------------------------------------------------------------------------ 85 芳香療法 ----------------------------------------------------------------------- 172 阻塞型睡眠呼吸中止症 --------------------------------------------------------- 176 阿茲海默症 --------------------------------------------------------------------- 189 非那雄胺 ------------------------------------------------------------------------ 70

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九劃持續性呼吸道正壓治療 --------------------------------------------------------- 176 流浪貓 ------------------------------------------------------------------------- 100 珊瑚個體數 --------------------------------------------------------------------- 218 疫苗效力 ----------------------------------------------------------------------- 159 疫情---------------------------------------------------------------------------- 238 突破性治療 ---------------------------------------------------------------------- 45 背外側前額葉皮層 --------------------------------------------------------------- 34 致畸性 -------------------------------------------------------------------------- 40

十劃埃及斑蚊 ----------------------------------------------------------------------- 122 柴山多杯孔珊瑚 ---------------------------------------------------------------- 218 核能發電 ----------------------------------------------------------------------- 108 核廢料 ------------------------------------------------------------------------- 108 氣候變遷 ----------------------------------------------------------------------- 211 消費---------------------------------------------------------------------------- 238 真空效應 ----------------------------------------------------------------------- 100 神經迴路 ------------------------------------------------------------------------ 34 神經退化性疾病 ----------------------------------------------------------------- 14 級聯效應 ----------------------------------------------------------------------- 211 級聯細菌介導的前藥活化療法 -------------------------------------------------- 136 迷迭香精油 ---------------------------------------------------------------------- 70

十一劃動物行為 ----------------------------------------------------------------------- 117 動物園 ------------------------------------------------------------------------- 117 動物福利 ----------------------------------------------------------------------- 117 基底前腦 ------------------------------------------------------------------------ 19 探究與實作 --------------------------------------------------------------------- 265

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族群動態 ----------------------------------------------------------------------- 205 深度學習 ----------------------------------------------------------------------- 260 異維 A 酸 ----------------------------------------------------------------------- 40 第二語言學習 ------------------------------------------------------------------ 251 細胞間質不相容 ---------------------------------------------------------------- 122 細菌介導的協同癌症治療 ------------------------------------------------------- 136

十二劃創傷後壓力症候群 --------------------------------------------------------------- 45 尋常性痤瘡 --------------------------------------------------------------------- 168 嵌合抗原受體 T 細胞 ----------------------------------------------------------- 148 替代醫學 ----------------------------------------------------------------------- 172 替代藥物 ----------------------------------------------------------------------- 172 焦慮---------------------------------------------------------------------------- 172 登革熱病毒 --------------------------------------------------------------------- 122 間質性膀胱炎 ------------------------------------------------------------------- 93 雄性禿 -------------------------------------------------------------------------- 70

十三劃微環境 -------------------------------------------------------------------------- 85 微藻---------------------------------------------------------------------------- 129 溶酶體 -------------------------------------------------------------------------- 14 經顱磁刺激 ---------------------------------------------------------------------- 34 群落建構 ----------------------------------------------------------------------- 205 群落珊瑚 ----------------------------------------------------------------------- 218 群落整體形態特徵 -------------------------------------------------------------- 218 資本結構 ----------------------------------------------------------------------- 246 遊客效應 ----------------------------------------------------------------------- 117 運動---------------------------------------------------------------------------- 189 運動激素 ----------------------------------------------------------------------- 189 過度學習 ----------------------------------------------------------------------- 260

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電子商務 ----------------------------------------------------------------------- 238 電腦輔助語言學習 -------------------------------------------------------------- 251 預測森林動態 ------------------------------------------------------------------ 205

十四劃圖像辨識 ----------------------------------------------------------------------- 260 對抗式攻擊 --------------------------------------------------------------------- 260 精油---------------------------------------------------------------------------- 172 維 A 酸 -------------------------------------------------------------------------- 40 認知---------------------------------------------------------------------------- 189 認知障礙 ----------------------------------------------------------------------- 176 輕鬱症 -------------------------------------------------------------------------- 34

十五劃墨西哥蠑螈 ---------------------------------------------------------------------- 85 寫作策略 ----------------------------------------------------------------------- 251 數位轉型 ----------------------------------------------------------------------- 238 模式識別受體激活劑 ----------------------------------------------------------- 148 潘朵拉綜合症 ------------------------------------------------------------------- 93 獎勵計時 ------------------------------------------------------------------------ 19

十六劃學習成效 ----------------------------------------------------------------------- 265 機器翻譯 ----------------------------------------------------------------------- 251 貓自發性膀胱炎 ----------------------------------------------------------------- 93

十七劃環境因子 ----------------------------------------------------------------------- 199 繁殖物候 ----------------------------------------------------------------------- 211 膽鹼性神經系統 ----------------------------------------------------------------- 19 293

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醣胺聚醣 ------------------------------------------------------------------------ 93

十八劃豐富度 ------------------------------------------------------------------------- 199 雙波段濾光片 ------------------------------------------------------------------ 168

十九劃藥物治療 ------------------------------------------------------------------------ 45 藥物遞送系統 ------------------------------------------------------------------ 136 難治型憂鬱症 ------------------------------------------------------------------- 34

二十劃藻礁---------------------------------------------------------------------------- 218

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報告者索引 Index to Speakers 王柏奕 WANG, Bo-Yi ---------------------------------------------------------- 169 史以誠 SHIH, I-Chang --------------------------------------------------------- 160 余品孜 YU Pin-Zhi ------------------------------------------------------------- 252 李士奇 LI, Shih-Chi ------------------------------------------------------------- 86 李佳馨 LEE, Jia-Xin ------------------------------------------------------------- 123 林子涵 LIN, Zi-Han ------------------------------------------------------------ 177 林彥霆 LIN, Yen-Ting ----------------------------------------------------------- 19 林哲宇 LIN, Zhe-Yu ------------------------------------------------------------ 137 邱諺祺 CHIU, Yan-Ci ------------------------------------------------------------ 40 柯佳辰 KO, Chia-Chen ---------------------------------------------------------- 34 苑嘉恬 YUAN, Chia-Tien ------------------------------------------------------ 101 高瑞鴻 KAO, Jui-Hung ---------------------------------------------------------- 82 許國強 HUI, Kwok-Keung ----------------------------------------------------- 200 許諾 HSU, Nuo --------------------------------------------------------------- 60 陳其琪 CHEN, Chi-Chi ---------------------------------------------------------- 94 陳振瑜 CHEN, Zhen-Yu -------------------------------------------------------- 190 陳智棨 CHEN, Zhi-Qi ---------------------------------------------------------- 118 陳嘉鴻 CHEN, Jia-Hong -------------------------------------------------------- 65 陳翰威 CHEN, Han-Wei ------------------------------------------------------- 183 曾沛濂 TSENG, Pei-Lien ------------------------------------------------------- 212 曾馨慜 CHIN, Shien-Min ------------------------------------------------------ 271 覃文榆 CHIN, Wen-Yu --------------------------------------------------------- 266 黃育嘉 HUANG, Yu- Jia -------------------------------------------------------- 130 黃品誌 HUANG, Pin-Zhi -------------------------------------------------------- 27 黃朝煒 HUANG, Chao-Wei ----------------------------------------------------- 14 黃壽麗 WIJAYA, Brigita Stella ------------------------------------------------- 223 劉尙青 LIU, Shang-Ching ------------------------------------------------------- 71 劉政翰 LIU, Cheng-Han ------------------------------------------------------- 105 蔡昀芯 TSAI, Yun-Hsin --------------------------------------------------------- 239 295

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May 14-15, 2022

蔣育浩 CHIANG, Yu-Hao ------------------------------------------------------- 76 鄧永淥 DENG, Yung-Lu -------------------------------------------------------- 206 鄭育亞 CHENG Yu-Ya --------------------------------------------------------- 173 蕭晴予 HSIAO, Ching-Yu ------------------------------------------------------- 53 鍾德叡 CHUNG, Te-Jui -------------------------------------------------------- 219 簡友立 CHIEN, Yu-Li ----------------------------------------------------------- 109 簡辰峰 CHIEN, Chen-Feng ---------------------------------------------------- 247 簡嘉毅 JIAN, Jia-Yi -------------------------------------------------------------- 46 顏唯哲 YEN, Wei-Che---------------------------------------------------------- 149 蘇娜玉 SU, Na-Yu-------------------------------------------------------------- 261

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2022 年 5 月 14-15 日

May 14-15, 2022

工作人員名錄 List of Staffs 學術組 Proofreading 李士奇

LI, Shih-Chi

曾沛濂

TSENG, Pei-Lien

黃品誌

HUANG, Pin-Zhi

鄧永淥

DENG, Yung-Lu

蕭晴予

HSIAO, Ching-Yu

顏唯哲

YEN, Wei-Che

黃朝煒

HUANG, CHAO-WEI

蔡昀芯

TSAI, Yun-Hsin

蔣育浩

CHIANG, Yu-Hao

簡友立

CHIEN, Yu-Li

簡辰峰

CHIEN, Chen-Feng

王柏奕

WANG, Bo-Yi

柯佳辰

KO, Chia-Chen

陳智棨

CHEN, Zhi-Qi

覃文榆

CHIN, Wen-Yu

黃育嘉

HUANG, Yu- jia

鍾德叡

CHUNG, Te-Jui

簡嘉毅

JIAN, Jia-Yi

史以誠

SHIH, I-Chang

余品孜

YU, Pin-Zhi

財務組 Financial Affairs

美術組 Arts and Crafts

庶務組 General Affairs

297

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2022 年 5 月 14-15 日

May 14-15, 2022

李佳馨

LEE, Jia-Xin

林子涵

LIN, Zi-Han

林彥霆

LIN, Yen-Ting

林哲宇

LIN, Zhe-Yu

邱諺祺

CHIU, Yan-Ci

苑嘉恬

YUAN, Chia-Tien

高瑞鴻

KAO, Jui-Hung

許國強

HUI, Kwok-Keung

許諾

HSU, Nuo

陳其琪

CHEN, Chi-Chi

陳振瑜

CHEN, Zhen- Yu

陳嘉鴻

CHEN, Jia-Hong

陳翰威

CHEN, Han- Wei

曾馨慜

CHIN, Shien Min

黃壽麗

WIJAYA Brigita Stella

劉尚青

LIU, Shang-Ching

劉政翰

LIU, Cheng- Han

鄭育亞

CHENG, YUYA

蘇娜玉

SU, Na- Yu

298

發

行

人

顏聖紘

YEN, Shen-Horn

黃育嘉

HUANG, Yu-Jia

期

2022 年 05 月 13 日

Publication Date

May 13, 2022

Publisher 編

輯

Editor-in-chief 出

版

日

國立中山大學生物科學系 110 學年度書報討論論文集 Proceedings of the Seminar of Department of Biological Sciences, NSYSU

中山生科110學年度書報課論文集

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