2017年6月22日 星期四

Data | Linear regression model

Relationship between 2 variables

- explanatory variables (x): independent variable (predictor)
- response variable (y): dependent variable (predicted)


Linear regression model

Least squares line (ls): the line that minimizes the sum of the squared residuals

y = β0 + β1 x

x: explanatory variable
y: response variable
β0: intercept
β1: slope

The least squares line always goes through mean (average) values of (x, y)

Note that the point estimates (estimated from observed data) for β0 and β1 are b0 and b1, respectively.

In R program: ls() for least-squares line

Key points:

1. Regression line always goes through the centre of the data.
2. Intercept is where the regression line crosses the Y-axis; the expected value of the response variable when the explanatory variable is equal to 0.


Conditions necessary for linear regression model & fitting least-squares line (ls):

1) linearity
- relationship between the explanatory and the response variable should be linear
- methods for fitting a model to non-linear relationships exist
- check using a scatterplot of the data, or a residual plot

2) nearly normal residuals
- residuals should be nearly normally distributed, centre at 0
- may not be satisfied if there are unusual observations that don't follow the trend of the rest of the data
- check using a histogram or normal probability plot of residuals

3) constant variability: homoscedasticity
- variability of points around the least squares line should be roughly constant
- implies that the variability of residuals around the 0 line should be roughly constant
- check using a residual plot


Point estimates: b0 (intercept) and b1 (slope)

Estimate for the slope (b1):

b1 = R (SDy/SDx)

R: correlation coefficient
SD(y): standard deviation of the response variable
SD(x): standard deviation of the explanatory variable

For each unit increase in x, y is expected to be higher or lower on average by the slope

Ex1: SD(y) = 3.1%, SD(x) = 3.73%
Correlation (R) between variables: -0.75
Slope of the regression line?

b1 = -0.75 (3.1/3.73) = -0.62

Estimate for the intercept (b0):

b0 = y (average) - b1 (slope) * x (average)

When x = 0, y is expected to equal the intercept. It may be meaningless in the context of data, and only serve to adjust the height of the line


Ex2:
Average value of y = 11.35%
Average value of x = 86.01%
Intercept of the regression line?

b0 = 11.35 - (-0.62)*(86.01%) = 64.68

regression line model for Ex1 and Ex2:

y = b0 - b1 * x = 64.68 - (0.62) * x


Output information in R program:

 Estimate      Std     Error    t value     Pr(>|t|)
-----------------------------------------------------------
(intercept)   64.78   6.80     9.52        0.00
 x             -0.62   0.08     -7.86       0.00
-----------------------------------------------------------


Linear regress with 1 predictor

y^ = b0 + b1 x*

y^: predicted response variable
x*: (given) explanatory variable

Ex3:
Determine predicted y if x = 82
Variables from Ex2: b1 = -0.62, b0 = 64.78

Predicted y = 64.68 - (0.62)*82 = 13.84

Extrapolation: apply a model estimate to values outsides of the realm of the original data
- sometimes the intercept might be an extrapolation


Correlation coefficient: R (Pearson's R)

Properties of R

- the magnitude (absolute value) of the correlation coefficient measures the strength of the linear association between two numerical variables
- the sign of the correlation coefficient indicates the direction of association
- the correlation coefficient is always between -1 and 1, -1 indicating perfect negative linear association, +1 indicating perfect positive linear association, and 0 indicating no linear relationship
- the correlation coefficient is unitless
- since the correlation coefficient is unitless, it is not affected by changes in the centre or scale of either variable (such as unit conversions)
- the correlation of X with Y is the same as of Y with X
- the correlation coefficient is sensitive to outliers


R^2

- the percentage of the variability in the response variable explained by the the explanatory variable.
- strength of the fit of a linear model is most commonly evaluated using R^2
- calculated as the square of the correlation coefficient
- the remainder of the variability is explained by variables not included in the model
- always between 0 and 1
- For a good model, we would like this number to be as close to 100% as possible.


Residual (e)

- leftovers from the model fit
- data = fit + residual
- the difference between the observed (y) and predicted (y^) values of the response variable

residual = observed value - predicted value

e = y − (y^)

Ex4:
In linear model, x = 81
predicted y = 64.68 - (0.62)*81 = 14.46

Observed y = 10.3
e = 10.3 - 14.46 = -4.16

Ex5:
In linear model, x = 86
predicted y = 64.68 - (0.62)*86 = 11.36

Observed y = 16.8
e = 16.8 - 11.36 = 5.44













2017年6月21日 星期三

哪種麵包對身體比較好?

白麵包還是全麥麵包比較健康?大多數人會認為全麥麵包富含維他命、纖維素、鐵、鎂和鋅等等,可以降低血糖、膽固醇、血壓和心血管疾病等等,比精製的白麵包健康,但真是如此嗎?

這篇發表在 Cell Metabolism 的研究比較了兩種麵包,一種是大家常用的酵母菌 baker's yeast (Saccharomyces cerevisiae)(這也是研究常用的酵母菌 XD)發酵做出來的白麵包,另一種是用野生酵母和乳酸菌(lactic and acetic acid bacteria)發酵做出來的酸麵包(就是在舊金山還滿有名的 sourdough),酸麵包的發酵過程中會釋放出現代常用酵母菌不會釋放出來的物質,也會增加礦物質的種類和促進醣份代謝。

大家都知道麵包屬於高醣類食物,不同麵包有不同的代謝率,而這會反應在血糖濃度上,也就是餐後高血糖反應(post-prandial glycemic response, PPGR),因為腸道菌也會影響 PPGR,所以這個研究想知道腸道菌是否會影響不同麵包的代謝。他們找了二十個人來試驗,隨機分成兩組,一組先吃一個禮拜的酸麵包,然後兩個禮拜不吃麵包,之後換吃一個禮拜的白麵包;另一組則相反,先吃一個禮拜的白麵包,然後換吃一個禮拜的酸麵包。白麵包是用精製麵粉做的普通白麵包,在以色列叫 achid (GI 值:70);酸麵包則是用全賣麵粉做的傳統麵包 artisan bread (GI 值:54)。他們在食用麵包的那個禮拜前後,檢驗了參與者的血糖變化,發現整體來說並沒太大不同。同時也檢測是否有影響腸道菌落,同樣的,並沒有因為吃的麵包種類不同而發生顯著變化, 只是 Eubacterium ventriosum (species) 和 Anaerostipes (genus) 在食用白麵包後顯著增加 [註]。不過當他們分別分析了各個參與者的檢測結果,發現每個人對不同麵包有不同反應,有的人吃了白麵包後血糖會升的比吃酸麵包高,有的人則相反,吃酸麵包後血糖反而上升的比較高。之後他們利用得到的資料,想看是否能用腸道菌預測 PPGR,結果發現不同人對不同麵包有不同生理反應跟體內的腸道菌有很大關連,尤其是這兩種:Coprobacter fastidiosus 和 Lachnospiraceae bacterium 3_1_46FAA。

也就是說,飲食對身體的影響是因人而異的,對某些人健康的食物,對其他人不見得是。而對某些人不健康的食物,對另一些人可能還比較好。同樣的食物,並不是對所有人都是好的。

註:Eubacterium ventriosum 和 Anaerostipes 皆屬於 Clostridiales (order),會生產 butyrate (short-chain fatty acid)。



Article:

ScienceNews / Choosing white or whole-grain bread may depend on what lives in your gut


Paper:

T Korem & D Zeevi et al, Bread Affects Clinical Parameters and Induces Gut Microbiome-Associated Personal Glycemic Responses. Cell Metabolism (2017)









2017年6月18日 星期日

類禁食的低卡節食法

你試過哪種節食法嘛?

之前已有研究顯示定期禁食或短期低卡路里飲食可以降低體脂肪、延長壽命,而高蛋白飲食則反之。Prolonged fasting (PF, 禁食)是指有兩天以上是只有喝水,可以短暫降低血糖和 IGF-1 (insulin-like growth factor 1)。最為人知的飲食法是 5:2 節食法,就是說一週有五天正常吃,剩下的兩天則是只吃 500-600 大卡,可以降低胰島素、血糖和血壓等等。不過,過於嚴苛的節食,例如只喝水的那種,很多人可能會負荷不了,身體不佳者則可能會有反效果。另一種節食法則是南加大的生化學家 Valter Longo 提出來的類節食法(fasting-mimicking diet, FMD),就是一個月有四天連續吃同一類菜單,主要是低醣和低蛋白質、高不飽和脂肪酸,約一天只有 700~1100 大卡,剩下的天數都隨便吃。

雖說禁食和低卡節食法 FMD 在老鼠上可以看到效果,但在人體的臨床試驗上一直沒有結論。2015 年的時候,Longo 發表了一篇研究在 Cell Metabolism,用了酵母菌、老鼠和人類做試驗。在酵母菌的部分,prolonged fasting 是用水和高營養培養液每兩天輪流一次,可以延長酵母菌的生命和在雙氧水下存活的細胞數。老鼠的部分則是用四天的類節食法(FMD)。每個月兩次,一次四天的 FMD 後,中年老鼠的壽命增長,內臟脂肪減低,免疫系統變好 ,也減緩骨骼中的礦物質流失;在老年老鼠中,FMD 則是會促進海馬迴的神經細胞增生和增進認知能力。在人類的初期臨床試驗,FMD 是每月五天,攝取的卡路里是正常的34%~47% (第一天約 1090 大卡,剩下四天為 725 大卡),含有至少 9%~10% 蛋白質、34%~47% 碳水化合物和 44%~56% 脂肪 [註]。試驗人數為 38 人,其中一半(十九人)實施 FMD,一半沒有。三個 FMD 週期後,有實施 FMD 的人的血糖、體脂和 CRP (C-reactive protein, 發炎和心血管疾病的 biomarker)都比沒有的低。

今年年初 Longo 又發表了一篇研究在 Science Translational Medicine,是比上次大的臨床研究,71 人分成兩組進行了三個月的 FMD (低醣、低蛋白質、高不飽和脂肪酸),同樣是每個月有連續五天進行低卡節食。第一組(n=32)控制組是先吃三個月的正常飲食後進行三個月的 FMD,第二組(n=39)則是直接實行三個月的 FMD (第一組此時正常吃)。結果發現實驗開始的三個月後,第二組的體重和體脂都減少了(平均少了 2.6 公斤),血壓和賀爾蒙 IGF-1 (insulin-like growth factor 1)也降低了。(血液中的)胰島素在節食的四天後降低了,但在剩下天正常吃後便恢復了;IGF-1 則是在 FMD 結束時降低 ~45%,但之後也回升了。第一組的人在完成三個月的 FMD 後的效果也和第二組一樣,只是膽固醇 HDL (high-density lipoprotein) 降的沒第二組的低。不過,兩組完成三週 FMD 的人在恢復正常飲食五到七天後,體重、BMI、體脂和血壓等等都有顯著降低,血糖、三酸甘酯和 CRP 則沒有顯著變化。以上結果顯示 FMD 可以降低 BMI、血糖、甘油三脂(triglycerides)、膽固醇和 CRP 就可以預防因老化而造成的疾病,例如糖尿病和心血管疾病。

他們也做了後分析,把參加者分成正常組和高風險組(血壓、血糖、體脂較高的人),然後比較 FMD 後的感變,發現高風險組的改變比較多,血糖、血壓、體脂和膽固醇等等降的比正常組的多。在參加者做完 FMD 後的三個月有再追蹤一次,發現他們的體重、BMI、血糖和血壓仍維持跟剛結束 FMD 後一樣,表示效果能持續至少三個月,除了 HDL 有升高。

雖說這種吃法可以降低血壓、血糖等等,但是節食後 ketone bodies 是增加的,雖然恢復正常飲食後就降低了,應該是沒有安全上的問題,但這也表示這種吃法只能短期吧,一個月五天足已,想嘗試的不要這樣連吃一兩個星期欸。另外要提的是這個試驗一開始有一百人參加,試驗途中有 29 人退出,表示這個飲食方式還是有很多人受不了的,想試的人還是要考慮一下自己的身體狀況哦。


註:五天的菜單包括有蔬菜湯、能量飲、花茶、纖維素補充品, energy bars, chips 等等。美國成年人一天的卡路里攝取量約為 2000~3000 大卡,節食的人可限縮攝取量到每日 1200 大卡。(文中提到 Longo 協助研究的一家公司大概是提供臨床研究中的 FMD 食物,不過他表示沒有從公司獲取利益。)



Articles:

Science / Short-term fasting may improve health (2015)

Science / Five-day fasting diet could fight disease, slow aging (2017)


Papers:

S Brandhorst & IY Choi et al, A Periodic Diet that Mimics Fasting Promotes Multi-System Regeneration, Enhanced Cognitive Performance, and Healthspan. Cell Metabolism (2015)

M Wei & S Brandhorst et al, Fasting-mimicking diet and markers/risk factors for aging, diabetes, cancer, and cardiovascular disease (2017)









2017年6月16日 星期五

關於 CRISPR-Cas9

(這篇只是把之前幫別人寫的整理一下)

CRISPR 的全名是 clustered regularly interspaced palindromic repeats,是古生菌(archaea)的基因體(genome)裡重複的 DNA 片段,當初發現的是西班牙的研究生 Francisco Mojica JM Mojica。1992 年,當他在研究 Haloferax mediterranei 的時候,發現了十四個不尋常的 DNA 片段,每個約 30 bp,從 5' 讀或是從 3' 讀幾乎都一樣(也就是 palindromic),大概每 35 bp 會重複一次。他對這些重複的 DNA 片段充滿好奇和興趣,並且決定研究這些 DNA 片段,只是研究室缺少 funding (幫 QQ),不過還是花了近十年的時間持續研這些 DNA 片段的功用。2012 年的時候,這些重複的 DNA 片段正式被命名為 CRISPR。Cas (CRISPR-associated protein) 則是其一種切割 DNA 的酵素(endonuclease)。CRISPR-Cas9 是細菌用來對抗病毒感染的一種機制,病毒 DNA 進入細菌後,會嵌入 CRISPR 之間用來偵測之後入侵的病毒,當細菌找到對應的病毒 DNA (跟嵌入 CRISPR 之間為相同的序列)後,Cas9 則會去切碎它,使病毒無法在細菌裡面複製(如圖)。


Figure: Nature 2017 (doi: 10.1038/541280a)

2012 年,美國柏克萊大學 Dr. Jennifer Doudna 的研究團隊利用這個特性來編輯基因,並把結果發表在 Science 期刊上 (Jinek et al, 2012),刊出來之後造成轟動。這個技術會引起大量關注除了因為它能用來修正 DNA 裡突變的地方外,它還號稱便宜、快速又好上手,使得科學家們躍躍欲試,想把它應用在自己的研究上。在此之前的基因編輯技術有 ZFN (zinc finger nucleases),要價超過五千鎂,且費時費力。

把想要編輯(修正)的基因片段嵌入 CRISPR 之中,Cas9 找到對應的 DNA 序列後會切一個口,這個切口會使 DNA 自行修復,修復的時候會把突變的地方改回正確的,更進一步的技術是可以把它改成你想要的序列。不過,這個技術目前還有個瓶頸需要突破,因為 CRISPR-Cas9 雖然可以把突變的地方修正,但同時也可能會修改到其他地方,把原本正確的地方改成錯誤的,變為其他的突變,或是改到你不想改的地方,而我們不知道可能會被改變的地方是哪裡,只能取一些重要的基因做檢測,因此目前還無法用於人類胚胎上。另外,如何有效地把 CRISPR-Cas9 系統送進體內,讓所有細胞或局部區塊的細胞裡的基因都改正,也是需要繼續研究的地方。

只是,雖然技術上還不能用於人類胚胎上,但已經有人躍躍欲試了,中國科學家在 2015 年的時候利用 CRISPR-Cas9 編輯了人類胚胎。他們用人工授精(in vitro fertilization, IVF)後剩下的卵子和精子,把兩個精子和一個卵子結合後,再把 CRISPR-Cas9 打進 86 個胚胎,結果只有四個受精卵有修改到他們想要編輯的地方,成功率只有 4%,而且發現有很多 off-target mutations。他們本把結果先投稿到 Nature 和 Science,但鑑於違反倫理這兩大期刊皆拒絕刊登,於是他們改投到中國國內的期刊,發表出來後便引起爭議,好幾位科學家聯名發文在 Nature,呼籲科學家做研究不能違反倫理,在技術尚未純熟、安全之前,不能應用於人類胚胎上。

是說中國應該是沒在管這些倫理的東西,因為他們又再一次試在人類杯胎上,一樣是用人工授精剩下的卵子和精子,只是這次是正常的一個卵子和一個精子結合的受精卵,精子是帶有治病的突變基因。其中一種是中國常見的,會對蠶豆過敏的突變 G6PD G1376T,用的兩個受精卵有一個胚胎成功,另一個只有部分細胞有成功改正突變,其他的細胞有的是 knock down 而已,並沒有改正突變。另一種則是會造成地中海貧血(beta-thalassemia)的 beta41-42,四個試驗的胚胎中有兩個胚胎沒改成,一個不但沒改成,還製造了其他的突變,最後一個是只有部分細胞有成功改正突變。嚴格說起來,六個試驗的胚胎只有一個成功,成功率雖然比第一次高,但也只有 16% 左右。

雖然不能用於人類胚胎上,但仍然可用於治療疾病。美國賓州大學的 Dr. Carl June 和其團隊計畫用這個技術來治療 HIV,方法是把病人的免疫細胞 T cells 抽出來後,用 CRISPR-Cas9 插入一個癌症細胞才有的接受器基因 NY-ESO-1,然後阻斷 T cells 表面本來就有的一個蛋白的基因 PD-1,之後再把基因改造過後的 T cells 輸回病人體內,讓它們去殺死癌細胞。這個計畫去年六月已通過美國 NIH 核准,現在在等 FDA 認證,準備在今年年底進入臨床試驗。


延伸閱讀:CRISPR-Cas9 的專利大戰和爭議



Articles:

Nature / CRISPR, the disruptor (2015)

Nature / Chinese scientists genetically modify human embryos (2015)

Nature / Don’t edit the human germ line

Nature / Embryo editing sparks epic debate (2015)

Nature /Gene-editing research in human embryos gains momentum (2016)

Science / CRISPR debate fueled by publication of second human embryo–editing paper (2016)

Nature / Five big mysteries about CRISPR’s origins (2017)

ScienceNews / Gene editing of human embryos yields early results









2017年6月11日 星期日

肌肉能夠記憶之前的訓練嗎?

訓練過肌肉後,就會讓肌肉有被訓練過的記憶,之後訓練時就會比較容易讓肌肉再長出來嗎?

為了解答這個疑惑,瑞典 Karolinska Institutet Dr. Maléne E Lindholm 的研究團隊找了 23 位自願者進行為期十五個月的肌力訓練實驗。在實驗的前三個月,每個禮拜四次,每次踢腿 45 分鐘,一分鐘踢六十下。兩腿只有一隻踢腿,另一隻沒踢作為沒訓練的控制組(untrained control)。在肌力訓練前和後,分別從兩腿取肌肉的檢體,比較兩者個基因表現有何不同。


Figure: ME Lindholm et al, PLOS Genetics (2017)

mRNA 定序後,發現有 3404 個和生產能量相關的基因和在肌力訓練後有很大的改變,例如和 oxidative ATP production 有關的,還有和 KEGG pathway 以及 TCA cycle 有關的,像是 SPARC 有五個 isoforms 增加 1.5 到三倍,TGFB1I1 有一個 isoform 表現量增加超過三倍。其中有 54 個有不同的 isoforms,不同 isoforms 的表現也不同,例如 ATP5G1 (mitochondrial ATP synthase)有三個 isoforms 的表現是增加的,一個是降低的。除了 ATP5G1 外,還有 , ELF2, ENO3, FUS (Fused in Sarcoma), MYL2, PKM (Pyruvate kinase, Muscle) 等等。除了上述這些基因外,還有 34 個新的 transcripts 的表現量是有變化的。

在前三個月訓練期後休息九個月,然後再從十二位意願者中取肌肉檢體,比較兩腿的基因表現有何不同,發現並沒有明顯不同,表示肌力訓練後改變的基因表現在休息了九個月後,變回和沒肌力訓練的一樣。

接著,他們讓 12 位自願者在休息九個月後,再做三個月的肌力訓練,這次是兩隻腳都有做肌力訓練,因此其中一隻腳是之前沒訓練過的的控制組(untrained control),另一隻腳則是之前訓練過的實驗組。訓練後取兩隻腿的肌肉檢體檢測 mRNA 表現,便可比較之前有訓練和之前沒訓練的腿,在休息過後再訓練是否有什麼不同。結果發現沒什麼顯著的不同,表示之前訓練過的肌肉並沒有因此記住之前的訓練,不管之前有沒有訓練過,休息一陣子後再訓練就像是肌肉在休息期間被 reset,表現量改變的基因不論之前有沒有訓練過,在訓練後的改變的方向(增加或減少)是一致的,頂多是程度上的差別。他們也把第二次肌力訓練的基因表現和第一次訓練得做比較,發現同樣的,大部分有表現變化的基因是一樣的,例如 ATP6, TP53 和 SPP1;同時也有幾個是不一樣的,例如 ERG, SPDEE, AMPK 和 strogen receptor 的變化只出現在第一次肌力訓練,而 PPARGC1B 和 ESRRA 表現量增高的現象只出現在第二次訓練。

雖然這個結果顯示肌肉並不會記憶之前的訓練,但並不表示之前訓練過的運動員在休息一陣子後,再重新訓練會跟從來沒訓練過的人一樣,他們可能還是會比沒訓練過的人練起來較為輕鬆。挪威奧斯陸大學(University of Oslo)的生理學家 Kristian Gundersen 說,雖然肌肉沒有記憶,但其他的器官例如心臟或免疫細胞或許能夠保有肌力訓練的記憶,使得運動員能夠比平常人在較短的時間內重回之前訓練過的成果。

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是說我覺得用這樣來定義肌肉沒記憶怪怪的,因為某個基因的表現大多是被引誘開始的,應該是肌力訓練讓細胞釋放了什麼物質,然後啟動了某些 signalling pathways 讓這些基因表現,當肌力訓練停止,這些物質不再被釋放,當然表現就停止了。我會比較好奇在肌力訓練結束後,這些基因會持續表現多久才停止,之前比較常看到的是說運動過後的 24 小時身體還會持續燃燒熱量,所以我會想知道這些基因的表現是否也是持續 24 小時。另外,我可能會 check 和肌肉相關的蛋白表現量是否增加,例如 myostatin。

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Article:

ScienceNews / Endurance training leaves no memory in muscles


Paper:

ME Lindholm et al, The Impact of Endurance Training on Human Skeletal Muscle Memory, Global Isoform Expression and Novel Transcripts. PLOS Genetis (2017)









2017年6月7日 星期三

用一百年前的藥來治療自閉症

上個禮拜有位臉友給我看了這篇新聞 [1],UCSD 的研究發現 1922 年用來治療錐蟲病的藥可以改善自閉症的行為症狀。

因為不知道 suramin 和 trypanosomiasis 是什麼,所以就孤狗了一下,發現它的歷史還滿有趣的。Suramin 是由德國鼎鼎有名的藥廠 Bayer 研發的,所以它原本是叫 Bayer 205。十九世紀中葉,德國的合成染料工業開始崛起,後來也引領了世界,而其中的重要推手是德國科學家 Paul Ehrlich。十九世紀初期,Ehrlich 開始對用化學物質治療錐蟲病(trypanosomiasis, 又稱 Sleeping Sickness)有興趣,並且試了上百種化學染劑的殺蟲效果 [3]。他們在找殺錐蟲(Trypanosoma equinum)的化學物質時,意外發現用來染細胞的 Trypan Blue 殺蟲效果很好,只是它有顏色塗在病人皮膚上面不太好,所以就用它的 structure 研發出無色的 derivatives。1917 年的時候,在掃過上千種物質後,終於找到了這個 Bayer 205,之後命名為 Germanin [3]。

據說德國的 politicians 想要用它來跟英國換回在非洲的殖民地,還在期刊 British Medical J 上面互相喊話,英國說德國你這樣趁火打劫不應該哦 [5],德國科學家說我們才沒有,那是政客搞的鬼 [6]。XD

SIR, - The BRITISH MEDICAL JOURNAL for March 8th contains an article on "Synthetic therapeutic agents " by Sir William J. Pope, in which the author points to a publication of the Times (August 25th, 1922), that " at a meeting of the Association of Tropical Diseases held in Hamburg the statement was made that 'Bayer 205 ' is the key to tropical Africa, and consequently to all the colonies, and that the German Government must 'be required to safeguard this discovery for Germany; its value is such that any privilege of a share in it granted to other nations must be made conditional upon restoration to Germany of her colonial empire.'"

May I beg to inform you that I already, in 1922 (Archiv fur Schiffs- und Tropen-Hygiene, 1922, p332) have publicly stated that in the meeting of our association no such statement was made, that that the question of "Bayer 205" has not at all been treated in the meeting? In fact, it may be that a German politician has maintained a sentence like tat quoted above in a political gazette, but not a word of such or a similar idea has been uttered in any scientific meeting or by any German medical man.

I would be very much oliged if you would publish this letter in your Journal. -- I am, etc.,

Professor Dr. Nocht
President of the German Association of Tropical Diseases

好了,跳回來。這篇研究在說什麼呢?

美國的 Centers for Disease Control and Prevention 估計約每六十八位小孩中,就有一位有自閉症(ASD),而男孩的比例是女孩的四倍。造成自閉症的原因目前還不清楚,可能基因和環境都有關。UCSD 醫學院的 Dr. Robert K. Naviaux 認為其中一個原因是身體對外界的防禦反應所引起的,例如病毒感染會讓細胞產生一種防禦機制 "cell danger response (CDR)" [2, 4]。在有壓力或受傷的情況下,會引發細胞啟動 CDR,停止和旁邊的細胞交流,保護細胞不再繼續受傷,直到危險的情況結束。這個防禦機制通常是暫時的,但當它持續很久的話,會對腦內的神經傳導造成問題,也許是造成自閉症症狀的原因之一,這個小型的 Phase I/II 雙盲臨床試驗 SAT1 便是想檢視這個理論是不是對的。SATI 只有十位五到十四歲被診斷為自病症的小男孩,其中五位有施打一劑 suramin (i.v. infusion)。在這個臨床試驗之前,有先在老鼠身上試驗過,施打了一劑 suramin 的老鼠暫時緩解了自閉症的症狀 [2]。人體試驗的效果和老鼠一樣顯著,五位施打了一劑 suramin 的小孩在口語和社交上的表現有明顯的進步。在這個試驗中,有四位小孩說不好話的,兩位六歲的,兩位十四歲的,其中各有一位有施打 suramin,施打的兩位小孩在一個禮拜後說他們第一句完整的句子 [2, 4]。十四歲小孩的父母說他十二年來無法說出完整的一句話,但是在打 suramin 的一個小時後,便開始和同在房內的醫生和護士有眼神接觸,後來也會和他十六歲的哥哥玩起躲迷藏 [2]。

Suramin 是怎麼作用的呢?細胞機能的維持是靠 ATP,但 ATP 除了是細胞運作的能量外,他同時也是 excitatory neurotransmitter。根據 Dr. Naviaux 的說法,當細胞受到外來的壓力,CDR 被啟動後會使 ATP 被釋放到細胞外(extracellular),然後接合到它的接受器 purinergic receptor,引發下游的 signalling pathway,使得 CDR 持續下去,而 suramin 的作用則是抑制 puringeric signalling。


Figure: Structure of Bayer 205 [3]

Suramin 大概算是 purinergic receptor antagonist,不過其實它還滿大的,大概是 ATP 的兩三倍大吧,找資料的時候發現 suramin 的 protein targets 還滿多的,大概是因為結構大的關係,所以可以 bind 的蛋白很多,除了可以用來治療錐蟲病,研究也發現可以用來治療 HIV。不過要注意的是它的副作用也滿嚴重的,也許是因為它的 target proteins 很多的關係,只是不像用在治療錐蟲病需要大的劑量,用在治療 ASD 上的劑量不多,所以比較沒有副作用的問題。還有就是 suramin 無法穿過 blood-brain barrier (BBB),這同時是缺點也是優點,缺點是因為無法穿過 BBB 所以會降低效果,優點就是因為無法穿過 BBB,所以會減掉它的毒性,降低副作用 [4]。除上述的缺點外,另外就是它的效果是短暫的,打了一劑後如果沒持續施打,效用會漸漸褪掉,還好費用沒有很貴就是了。

是說不知道他們有沒有試過其他的 antagonist,如果 antipurnergic compound 有效的話,找一個比較 specific 和 selective 的應該會比 suramin 好很多。



Articles:

1. The Economist / A drug used to treat sleeping sickness may also help with autism (June 2017)

2. Scott LaFee & Heather Buschman, Researchers Studying Century-Old Drug in Potential New Approach to Autism. UCSD Newsroom (May 2017)


Papers:

3. D Steverding, The development of drugs for treatment of sleeping sickness: a historical review. Parasites & Vectors (2010)

4. RK Naviaux et al, Low-dose suramin in autism spectrum disorder: a small,phase I/II, randomized clinical trial. Annals of Clinical and Translational Neurology (2017)

5. WJ Pope, SYNTHETIC THERAPEUTIC AGENTS. Br Med J (1924)

6. Nocht, BAYER 205. Br Med J (1924)









2017年5月21日 星期日

3D 列印卵巢

這好酷~ 這是美國西北大學的研究,他們用 gelatin 在玻片(glass slide)上列印出一小塊方形(15mm x 15mm)支撐體(scaffold),列印是像針織一樣一條條交叉,他們用了三種角度(30°, 60°, 90°),然後在印出來支撐體上打出 2mm 大小的洞,可以放進不同大小的濾泡,包括次級卵泡(secondary follicles, 150-180 mm in diameter)和未成熟的濾泡集結(immature follicles aggregates (< 100 mm)。卵巢濾泡是一堆細胞的集結,包含了卵母細胞、支撐卵子的細胞,還有生產賀爾蒙的卵囊(theca)。

他們把列印出來的 gelatin scaffold 放到 24-well 的 transwell,把從老鼠卵巢裡取出的濾泡(follicles)放進去培養,發現 30° 和 60° 的支撐體效果比較好,濾泡的支撐細胞會依附在 scaffold 上面,且濾泡可以在裡面培養到八天還存活。他們也檢測了濾泡的功能性,發現培養在 30° 和 60° 的支撐體的濾泡可以生產賀爾蒙,讓卵子成熟(MII eggs),並且成功排卵(ovulation)。

之後,他們試驗在老鼠身上。他們在每個 scaffold 裡面放入 40-50 個濾泡,包括有原始卵泡(primordial follicles)、初級卵泡(primary follicles)和次級卵泡,然後體外培養四天後植入沒有卵巢的老鼠體內(原本卵巢被手術取出),植入一個禮拜後,血管長入濾泡內供給氧氣、養分和運送賀爾蒙進去刺激卵子成熟。而後,被植入人工卵巢的母鼠和公鼠交配,三隻帶有人工卵巢的母鼠都順利懷孕並且生出一到兩隻小鼠。

可以看影片介紹:



雖然帶有 3D 列印的人造卵巢的母鼠可以成功受孕,但每胎生的小鼠比正常老鼠少(正常老鼠每胎有六到八隻小鼠),加上看起來即便有了人工卵巢,卵子還是要用別人的,不過如果是用 iPS cells 的話,沒有卵巢的還是可以生自己的孩子。

參考舊文:未來.... 我們可以把皮膚細胞變成小寶寶嗎?

用自身的細胞轉為 iPS cells,然後在體外引導分化成卵子,之前日本做到這個階段,如果在這個時候可以放到 scaffold 裡面培養,然後再植入老鼠體內,這樣子就算是沒有卵巢也能靠人造卵巢生出自己的小孩了吧?



Articles:

Science / 3D-printed ovaries restore fertility in mice

The Scientist / Mice Successfully Reproduce with 3-D Printed Ovaries


Paper:

MM Laronda, AL Rutz et al, A bioprosthetic ovary created using 3D printed microporous scaffolds restores ovarian function in sterilized mice. Nature Communications (2017)