【我們為什麼挑選這篇文章】鑽石在大家心中總是和「婚姻」綁在一起,但你知道鑽石的功能不僅於此嗎?
本文專訪中研院院士張煥正,一探「螢光奈米鑽石」的原理,瞭解「會發光的鑽石」是如何追蹤細胞;而此應用更在國際生物醫學界上嶄露頭角,成為值得欽佩的台灣之光!(責任編輯:鄭惟馨)
作者:研之有物
採訪編輯:柯旂、美術編輯:張語辰
螢光奈米鑽石和一般鑽石有什麼不同?
首先我們從鑽石的結構談起,鑽石為 sp3 結構,也就是碳原子以四面體的方式架構,每個碳原子都與另外四個碳原子相接。這種堅固嚴密的四面體,讓鑽石成為自然界中最堅硬的物質。
因為鑽石碳原子的結構緊密、形成的晶格很小,其它較大的原子不易參雜;自然界中最常見的雜質是和碳原子大小相近的氮原子、硼原子,這些雜質也是彩鑽形成顏色的原因之一。奈米鑽石的結構和一般鑽石相似,但透過一些加工方法,可以讓奈米鑽石發出具有利用價值的光芒。
首先,我們用高溫高壓將碳元素合成奈米鑽石粉末,接著利用高能量的電子束或離子束轟擊,讓結構中產生空缺。再高溫加熱,促使空缺移動到參雜的氮原子旁,形成「氮-空缺顏色中心」(nitrogen-vacancy color center, NV),就成為會發光的「螢光奈米鑽石」。我們把它的英文命名為 Fluorescent Nanodiamond,縮寫 FND。
奈米鑽石可以發光,關鍵是因為有上圖中的「氮-空缺顏色中心」。當含有「氮-空缺顏色中心」的奈米鑽石受到黃綠色光 (波長 500-600 nm) 照射,會發出波長大約是 700 nm 的紅光,這紅光可以透過光學顯微鏡偵測到。
螢光奈米鑽石有什麼功用?
螢光奈米鑽石所含的碳和氮,都是生物體內最常見的元素,因此與生物體具有高度的相容性,經檢測也發現這種材料的生物毒性非常低。所以我們可以把螢光奈米鑽石放到生物體內,藉由它所發出的紅光,來追蹤想追蹤的標的,例如幹細胞、免疫細胞等等。
現今的生物醫學研究中,「細胞療法」相當熱門,也就是取用自身的免疫細胞、幹細胞,先在體外培養好,再打回體內進行治療。但是這些免疫細胞、幹細胞打回體內後,如何知道它們往哪跑?有沒有真的修復受傷的組織?這種情況螢光奈米鑽石就可以幫忙追蹤。
螢光奈米鑽石可以用來追蹤細胞的動向,也能測量細胞的數量。
舉例來說,我們團隊和中研院細胞與個體生物學研究所的游正博教授合作,將螢光奈米鑽石放到老鼠肺部的幹細胞內,並觀察確認不會影響到幹細胞的生長及功能,之後再將這些幹細胞打回肺部已經受傷的老鼠體內,讓幹細胞去修復受傷的肺部。
一週後,我們取出這隻老鼠的肺部組織,用共軛焦螢光學顯微鏡來觀察,尋找螢光奈米鑽石釋放的紅光,結果真的可以追蹤到幹細胞,也能看出打入的幹細胞跑到肺的哪個部位。這樣就能協助提供資訊,證明幹細胞的療效,或是優化之後的幹細胞治療方法。(註一)
因為螢光奈米鑽石和生物體高度相容,還能設計螢光奈米鑽石的尺寸大小,所以也能用來攜帶藥物分子,目前實驗測試在生物體內不會引起免疫和發炎反應。
例如,我們和中研院生物醫學科學研究所謝清河研究員、暨南大學應用化學系吳志哲教授合作,實驗用螢光奈米鑽石攜帶一種稱為肝素 (heparin) 的藥物。(註二)
很多血栓病患需要服用肝素,這種藥物有抗凝血作用,能夠把血栓分解掉;但肝素是小分子藥物,很容易穿過血管壁、跑到組織液中被代謝,造成病患必須持續服藥。因此我們把肝素接到大小 30 奈米左右的螢光奈米鑽石上,肝素藥物整體體積變大後就不會那麼容易穿過血管壁,透過小鼠模型實驗,可以在血液中停留較長時間,藥物作用時間拉長,也就可以降低服用的劑量。
螢光奈米鑽石未來的發展?
螢光奈米鑽石可以應用於生物醫學,但其實生物學家做實驗有自己的標準流程,因此我們主要是用螢光奈米鑽石來解決過去不能解決的問題,補足現有生物技術做不到的功能。
以前面介紹的老鼠肺部幹細胞標記為例,生物學家較習慣使用「螢光蛋白」來標示生物分子,運用螢光蛋白需對幹細胞做基因修改,但基因修改可能會影響幹細胞的功能。因此這方面的實驗其實很適合改用螢光奈米鑽石,因為不會對幹細胞的功能產生影響。
此外,奈米鑽石的螢光強度幾乎不會降低,非常穩定,維持個 100 年都沒問題(笑)。
至於其他熱門的生物應用奈米材料,例如奈米金、奈米碳管、石墨烯等,都被認為很可能對人體有毒。像是奈米金,金原子本身可能沒有毒性,但在製作奈米金的過程需要加入界面活性劑,界面活性劑則被認為可能有毒;但若不加入界面活性劑,奈米金原子又很容易聚在一起,而無法達到使用目的。
另外,奈米碳管和鑽石雖然都是由碳原子組成,但奈米碳管在製作過程中,需加入很多對人體有毒的金屬催化劑;加上奈米碳管的碳原子排列是 sp2 結構,也就是呈現三角形的平面結構,應用時若進行酸洗等表面加工修飾,很容易破壞 sp2 結構,所以也不太適合生物醫學實驗。
在未來發展上,螢光奈米鑽石受限的關鍵,在於目前美國食品藥品監督管理局 (FDA) 還沒核可進行人體實驗,因為 FDA 傾向核可生物可分解材料 (Biodegradable)。螢光奈米鑽石雖然對生物體內的細胞功能沒有影響,但不會被生物降解,所以目前螢光奈米鑽石的研究集中在小鼠、大鼠和迷你豬(註三)的臨床前實驗。
十多年來持續研究螢光奈米鑽石的動力?
1997 年我想出「螢光奈米鑽石」這個點子,但那時還沒有適合的技術,經歷一段空窗期做不出來。直到 2005 年有了 Google ,我搜尋到其實中研院物理所就有加速器,可以用來轟擊奈米鑽石,就從那時開始研究螢光奈米鑽石,至今已經 13 年。
螢光奈米鑽石的製程條件很嚴苛,要說是什麼因素支持我持續研究,第一當然是,我覺得這真的很有趣(笑)。而這十多年來我們研究團隊也累積了許多世界領先的研究成果。像是最開始製作螢光奈米鑽石的材料,為了產生鑽石的「氮-空缺顏色中心」空缺,我們在實驗室建造了一台四萬電子伏特的離子加速器來進行量產,是全世界首次證明螢光奈米鑽石可以量產,國內外許多實驗室也來跟我們索取螢光奈米鑽石進行合作。
由於螢光奈米鑽石是我們第一個製造,算是 MIT (Made in Taiwan) 的產品,因此我們也堅守這個材料的命名權,將它正名為 FND (Fluorescent Nanodiamond)。我們實驗室自己量產 100 公克的螢光奈米鑽石也用不完,所以很歡迎提供給全世界有需要的團隊使用。各國團隊和我們合作索取、或購買螢光奈米鑽石的材料做研究都可以,但發論文時提到這個材料,我們會要求對方稱呼我們定訂的 “FND” 這個名字。
目前全球使用螢光奈米鑽石的研究團隊超過 100 個,來自 20 個以上的國家。這些國外研究團隊的論文,除了發表於國際期刊如 Nature 及 Science,論文裡都會註明螢光奈米鑽石的材料產地是來自中研院,並引用我們團隊的研究成果,算是一種讓臺灣在國際間被看見的方式。
螢光奈米鑽石材料製備好,可以供給大家方便使用,這很重要,否則只是自己做高興而已。
基於對螢光奈米鑽石的熱愛,我們研究團隊也花了三年的時間寫了一本《Fluorescent Nanodiamonds》英文專書,有系統地介紹螢光奈米鑽石的原理、應用和發展等等。這是我這幾年最得意的一件事,不為了論文數量、升等壓力,純粹就只是想將喜愛的知識傳播出去。因為我們收到很多人邀稿,想說就自己寫一本書,沒想到寫了三年才完成了三百頁。過程要和學生討論,要找漂亮圖片,還要寫得有趣,真是不容易。
張煥正團隊著作的英文專書,介紹螢光奈米鑽石在生醫、物理、化學、天文等不同面向的應用與發展, 2018 年 11 月發表。
至於未來的規劃,我們團隊正在建立「追蹤體內治療細胞之奈米技術平台」,簡單來說就是建立一個檢驗中心,協助大家運用螢光奈米鑽石做研究。只要你把樣品送過來,我們就能幫你將螢光奈米鑽石放入細胞、定量、回收、取得影像等等,完成這些標準流程。
其中定量是非常困難的技術,你可以想像,每次打入小鼠體內的螢光奈米鑽石總重量不到 10 微克,但一隻小鼠重量大約 10 克,之間的數量級差距達一百萬倍,要找到螢光奈米鑽石就像大海撈針。
因此我們希望發揮所擁有的技術優勢,訂一套標準作業程序 (SOP, standard operating procedures),協助合作的團隊進行生物分子標記、確認細胞療效等等。希望能做到當有團隊要驗證某種細胞療法有沒有效果時,就想到要拿來臺灣找我們進行檢驗。我認為這樣才有前瞻性,也能向全世界證明,臺灣的研究能力不容小覷。
- (註一) T.-J. Wu, Y.-K. Tzeng, W.-W. Chang, C.-A. Cheng, Y. Kuo, C.-H. Chien, H.-C. Chang, and J. Yu, “Tracking the engraftment and regenerative capabilities of transplanted lung stem cells using fluorescent nanodiamonds,” Nat. Nanotechnol. 8, 682–689 (2013).
- (註二) H.-C. Li, F.-J. Hsieh, C.-P. Chen, M.-Y. Chang, P. C. H. Hsieh, C.-C. Chen, S.-U. Hung, C.-C. Wu, and H.-C. Chang, “The hemocompatibility of oxidized diamond nanocrystals for biomedical applications,” Sci. Rep. 3, 3044 (2013)
- (註三) L.-J. Su, M.-H. Wu, Y. Y. Hui, B.-M. Chang, L. Pan, P.-C. Hsu, Y.-T. Chen, H.-N. Ho, Y.-H. Huang, T.-Y. Ling, H.-H. Hsu, and H.-C. Chang, “Fluorescent nanodiamonds enable quantitative tracking of human mesenchymal stem cells in miniature pigs,” Sci. Rep. 7, 45607 (2017)
本著作由研之有物製作 ,原文為《 鑽石不只能求婚,還能用於生物醫學! MIT 螢光奈米鑽石》,以創用 CC 姓名標示–非商業性–禁止改作 4.0 國際 授權條款釋出。
(本文經 研之有物 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題,原文標題為 〈鑽石不只能求婚,還能用於生物醫學! MIT 螢光奈米鑽石〉。)
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