研究方向 Research Direction
研究方向
- 發育模式形成(Pattern formation)
- 幹細胞生物學(Stem cell biology)
- 量化或系統發育生物學 (Quantitative or system developmental biology)
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- 廣義: 不同物種的外觀獨特性
- 重點: 探討其開端包括胚胎或細胞的發育模式形成
- 胚胎的體軸前後軸胚胎模式發育
- 基因調控
- 物理作用力等作用機制
- 微管 (Microtube)
- 參與細胞內物質運輸
- 支持細胞型態
- 推動模式形成的內部構造的內部動力
- 形式必須以生長的角度來研究
- 解釋形狀則必須瞭解機轉
- 非均勻擴張(Anisotropic growth)
- 譬如組織的擴張並非一致，而這不一致則塑造出器官的獨特外觀
- 塑造的過程可能來自於外來機械力的塑造，或是細胞集團的集體行為。
- 生物形式是機械性與物理作用的結果
- 這些過程的描述必須具有數學準確性
- 描述發育的生物學空間形式 (Spatial patterns)
- 反應擴散模式 (Reaction-diffusion model)
- 1950 Turing
- 以電腦模擬空間形式如何生成, 模擬發育的空間形式
- 原理:將生長素及其他參與擴散的物質建立擴散模式
- 考慮各反應物質間反應的擴散參數，
- 建立多維偏微分程式組求解，解就是生成的空間形式。
- 生物力學模式(Biophysical models)
- 量化影像處理技術 (Quantitative imaging)
- 未來發育模式形成研究要努力的方向:
- 細胞與細胞之間的聯繫方式(Cell-cell interactions)
- 基因與轉錄表現的震盪現象 (Oscillations in transcription and protein expression)
- 生物力學及遺傳表現間的機制
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- 越來越多的傳統發育生物學家投入幹細胞生物學 (Stem cell biology)的研究。
- 希望藉著對幹細胞分化或更深研究而重新去瞭解胚胎發育的過程。
- 像再生醫學 (Regenerative medicine)，也因為幹細胞的研究及傳統發育生物學的結合進展迅速。
- 1960, 證明造血幹細胞
- Ernest A. McCulloch 及 James E. Till
- 1964, 胚胎腫瘤細胞（embryonal carcinoma cells，EC cells)
- 劉易斯·克萊因史密斯（Lewis Kleinsmith）和 巴里·皮爾斯（G. Barry Pierce Jr.）
- 1981, 培養出小鼠的胚胎幹細胞
- 英國劍橋大學遺傳學部中，馬丁·埃文斯（Martin Evans）及馬修·考夫曼（Matthew Kaufman）
- 1998, 人類胚胎幹細胞
- 威斯康星大學教授詹姆斯·湯姆森（James Thomson）
- 幹細胞可分成
- 胚胎幹細胞 (Embryonic stem cell，ES)
- 全能幹細胞 (Totipotent)
- 具有分化成完整個體的能力
- 如何利用 ES 細胞將會是未來幹細胞研究及生物工程的核心問題
- 成體幹細胞 (Adult stem cell)兩種。
- 萬能幹細胞 (Pluripotent) 或
- 多功能幹細胞 (Multipotent)
- 專一幹細胞(Unipotent)
- 僅具有能發育成多種組織的細胞能力，但不能發育成完整個體
- 臍帶血幹細胞或骨髓幹細胞等都算是成體幹細胞
- 它們能形成先驅細胞 (Progenitor cells) 再分化成不同的細胞類型。
- 研究重點
- 尋找在各組織中特異性的幹細胞
- 建立分離及鑑定系統
- 比較這些幹細胞和ES細胞的性質
- 這些幹細胞在Stem cell niche 中受因子控制細胞更新與分化的路徑
- 化學誘導性多功能幹細胞 (Chemical induced Pluripotent Stem Cells， IPSCs)
- 只需要化學物質無需基因轉殖步驟就能將體細胞誘導成幹細胞
- 在小鼠活體內就能將體細胞轉化成誘導性多能幹細胞
- 利用幹細胞培養出類似大腦發育早期的3D腦部結構, 研究大腦結構
- 使用自身iPSC的器官移植能避免自身排斥反應
- 應用人類幹細胞於心臟或肺炎疾病的治療
量化或系統發育生物學 Quantitative or system developmental biology
- 發育生物學新興的領域
- 結合影像處理技術及像蛋白質體學 (Proteomics) 或轉錄體學 (Transcriptome) 的量化技術，能取得高精確度的發育過程的量化資料，幫助回答傳統發育學上一些無法回答的問題.。
- 量化資料吸引了物理學家及數學家投入
- 解析在型態發生 (Morphogenesis) 中形狀改變的內部物理力量
- 瞭解胚胎發育的物理機制
- 量化技術以及電腦模擬將會越來越重要
- 結合Computation 與發育生物學
- 以胚胎量化資料於建立數學計算模型於胚胎模式發育 (Embryonic patterning)的研究
- 實驗資料與電腦模擬的結合是解決 Developmental patterning 的趨勢。
- 四種 Developmental patterning 的研究方向
- 生長素梯度(Morphogen gradient)
- 從某信號源細胞傳遞的信號梯度所引導的 Global pattern 現象
- 活化與抑制系統(Activator-inhibitor system)。
- 耦合振盪子(Coupled oscillators)
- 機械性形變(Mechanical deformation)
- 將系統生物學 (System biology) 概念應用在發育生物學上
- 結合對單一基因或細胞的研究
- 通過整合影響發育的基因表現及蛋白質之間的相互關係而建立系統
- 系統發育生物學(System developmental biology)也是未來發育生物學的主要研究趨勢
Reference: