科技部工程司航太暨熱流學門

110年度科技部傑出研究獎得獎人

吳旻憲特聘教授：常常思考對人類社會帶來了什麼實際貢獻？

文/圖：吳旻憲   網頁編輯：張萬珍

圖一、吳旻憲 特聘教授

簡歷

姓名：吳旻憲

最高學歷：英國牛津大學 工程科學博士(2005)

經歷 (部分)

長庚大學生物醫學工程研究所/特聘教授(2021/02-迄今)

長庚大學生物醫學工程博士學位學程/主任(2020/02-迄今)

林口長庚血液腫瘤科/研究員(2016/01-迄今)

長庚大學生化與生醫工程研究所/所長(2016/08-2018/07)

長庚大學生化與生醫工程研究所/教授(2014/08-2021/01)

英國盧瑟福國家實驗室/科學家(2005/11-2006/12)

榮譽

科技部傑出研究獎(2022)

終身科學影響力排行榜之全球2％頂尖科學家(2021)

科技部傑出技轉貢獻獎(2019)

國家新創獎(2020, 2019, 2018, 2017, 2012)

英國皇家化學會會士

長庚大學優良教師 研究獎/技合獎(8次)

研究興趣

1. 應用微流體生物晶片技術於細胞相關之研究

2. 血液循環腫瘤細胞之應用性研究

3. 超快速核酸檢測技術之開發

4. 創新創意醫材之開發

以學術研究貢獻人類社會

學術研究需要某種程度的瘋狂與大膽，如此才有機會創新、突破與進化

我在國內大學及研究所的學習領域是食品科技，早年在研究所的碩士論文題目是『利用擠壓加工技術生產低含油量洋芋片』，我還記得當時我們所提出的方法大約能降低洋芋片40%的含油量，本來以為這樣算是成功地改善傳統洋芋片高含油量的問題。在研究工作準備收尾之際，我大膽嘗試一個瘋狂想法，即以烘烤來取代傳統的油炸加工法，結果我們成功開發了口感跟一般洋芋片相似的非油炸洋芋片，這項成果可能是目前市面上烘烤式洋芋片的起源。這算是我的學術研究初體驗，我當時在思考這項研究對於人類社會的實際貢獻是什麼？或許是讓全世界(特別是歐美)人們消費洋芋片時能大幅降低油脂及熱量的攝取，進而改善日益嚴重的人口肥胖問題。這個年少時的學研經驗對我後續的學術研究有很大的影響，那就是學術研究需要某種程度的瘋狂與大膽，如此才有機會創新、突破與進化。另一個影響是每當我進行一項新的研究工作之前，我總是會問自己，「這項研究將會對人類社會帶來什麼貢獻？」

轉向與再生醫學相關的關節組織工程 跨足微流體生物晶片技術

後來，我的學研方向轉了個大彎。我在國外求學及工作的研究領域，主要是與再生醫學相關的關節組織工程，這項研究是以自體的關節軟骨細胞為材料，在體外培養出專屬的關節軟骨組織，接下來再透過手術將此軟骨組織植入體內，其目地是修補體內缺陷的關節軟骨組織。研究過程中，為了精確地探索培養環境因子對於細胞功能的影響，我亦跨足當時新興的研究領域-微流體生物晶片技術。

應用微流體生物晶片的技術優勢 開發多項高效能細胞研究工具

回國後的學研旅途上，我以生物的角度，並善加應用微流體生物晶片的技術優勢，我們開發多項高效能的細胞研究工具，簡述如下。

1. 高通量微型三維仿生細胞培養系統(圖二)：細胞培養技術已被廣泛應用於生命科學或醫學相關的研究工作上。然而傳統細胞培養方法有其技術問題或極限，為了解決這些問題，我們提出了高通量微型三維仿生細胞培養系統，該系統主要係結合微流體生物晶片技術，並整合許多細胞培養的新觀念，其目的係開發一項能提供穩定、仿生、高通量化、低實驗資源需求、及操作方便的高效能細胞培養工具。我們相信它的應用將會在實驗精確性、效率及經濟層面大幅改善新藥開發、生命科學或醫學相關的研究工作，目前這項技術已成功技轉給國內新創公司。

圖二、高通量微型三維仿生細胞培養系統

2. 為了偵測生物樣品中之稀有細胞(例如：血液循環腫瘤細胞)，我們提出利用微流體技術，結合細胞的特殊代謝特性或電學特性，來進行細胞的偵測與鑑別：存在於血液當中的循環腫瘤細胞，被認為與癌症轉移有關，偵測血液中之循環腫瘤細胞具有臨床應用潛力。然而，血液中的這類細胞其數量非常稀少而不易偵測。隨著細胞檢測技術的進步，目前已有多項技術被證明能成功偵測或定量血液中之循環腫瘤細胞。這些方法大部分係利用微型磁珠接合特殊抗體，這些特殊抗體能辨識並結合循環腫瘤細胞之特殊細胞表面抗原，在磁場下分離出循環腫瘤細胞，接下來再透過螢光染色觀察加以定量。然而，並非所有的循環腫瘤細胞均會表現這些特殊的細胞表面抗原，因此所獲得的檢測結果可能會產生偏差。為了解決上述議題，我們提出利用微流體技術，結合循環腫瘤細胞的特殊代謝特性(無氧呼吸而產生乳酸)、或電學特性來進行這類細胞的偵測。

3. 為了純化分離生物樣品中之稀有細胞(例如：血液循環腫瘤細胞)，我們提出在微流體晶片內，利用光介電泳力進行細胞操控，來純化分離這些稀有的細胞(圖三)，我們已證明該技術能以高純度(＞95%)的方式，純化分離循環腫瘤細胞。與目前國內外的循環腫瘤細胞純化分離方法相比，我們所提出之光介電泳微流體式方法，具有比較優越的純化分離效果。這方法特別適合應用於臨床上，從癌症病患血液中分離出高純度的循環腫瘤細胞，以供後續之基因分析及個人化抗癌藥物評估使用，我們深切期待這些研究成果，能對癌症精準醫療做出實質的貢獻。

圖三、示意圖：應用光介電泳力細胞操控來純化分離稀有細胞

4. 為了在細胞或細菌樣品有限的情況下，來進行快速且高解析之藥物反應評估(例如：癌症化療用藥之化學藥敏性評估、抑或是抗生素用藥之測試評估)，我們開發可用於細胞藥物測試之光電式微流體系統(圖四)。整體而言，我們從生物或臨床的角度，巧妙地應用微流體生物晶片的優勢，開發多項高效能的細胞研究技術，期盼這些技術能為細胞相關之基礎研究或臨床應用帶來實質的貢獻。

圖四、應用光介電泳力於細胞藥物測試

開發出循環腫瘤細胞計數方法 經十年臨床實驗考驗 已驗證其臨床應用性

除了前述微流體生物晶片之研究外，我們亦投入大約十年的時間來進行血液循環腫瘤細胞之應用性臨床研究，誠如前述，存在於血液當中的循環腫瘤細胞，被認為與癌症轉移有關，偵測血液中之循環腫瘤細胞能被應用於早期癌症之偵測、癌症治療成效之評估、及癌症復發之追蹤等。然而，目前的循環腫瘤細胞計數方法，大多使用所謂的正向篩選策略(即利用接合特殊抗體的磁珠去識別與結合帶有上皮細胞附著因子的循環腫瘤細胞)來達成目的。然而實際臨床上，並非所有的循環腫瘤細胞都會表現這種特殊的細胞表面抗原。因此，以正向篩選策略可能無法計數不表現上皮細胞附著因子的循環腫瘤細胞。為此，我們提出循環腫瘤細胞之負向篩選方法(圖五)。我們利用如同前述的免疫磁珠分選方式，選擇性地分離並移除大部份的血球細胞。利用此方法，我們可以篩分出所有可能之循環腫瘤細胞。接下來再透過免疫螢光染色、顯微照像與影像分析，我們開發出一項循環腫瘤細胞計數方法。經過十年來臨床實驗的考驗，我們已驗證該方法的臨床應用性。

簡單、快速、節能 冰水式超快速核酸擴增與檢測技術

除了前述兩項長期性的研究工作之外，近年來因為疫情的關係，傳統的PCR核酸檢測技術受到高度關注。在毫無預期成果及負擔下，我們在一年多前，進行一項大膽瘋狂的實驗(當時我們以好玩的心態進行這實驗)，意外開發了一項超快速且超簡單之PCR核酸檢測技術，稱它為「冰水式超快速核酸擴增與檢測技術」。簡而言之，有別於傳統PCR之加熱方式及溫控機制，本項技術係在冰水之中進行PCR，不僅能大幅減少PCR溫度循環所需之時間、亦能降低PCR設備之複雜度與高耗能等問題。我們目前已實現2~4秒/PCR溫度循環、及11~20分鐘之檢測時間。這是一項兼具技術突破性與應用性的核酸檢測技術平台，我們認為這項技術有機會改變未來人類進行核酸檢測之方法與其應用模式。

積極參與技轉、產學、新創活動：將科技落實/貢獻於人類社會

除了學術研究工作之外，我也積極參與一些技轉、產學、甚至新創的活動，因為我相信唯有透過這些活動，才有機會將科技落實於且貢獻於人類社會。以下幾項案例與各位分享。

診斷心房顫動及預防中風：長天期、連續式、心電記錄貼片

我們實驗室曾經參與一項生理訊號感測裝置之開發與新創，該貼片型之醫療電子裝置可用於心電及呼吸訊號之長時間及連續式記錄。此項技術已成功技轉給一家具有潛力的新創公司，目前這間公司已成功將其開發成生為全球第二項、而亞洲第一項的長天期、連續式、心電記錄貼片(及其附屬之具有人工智慧之心電訊號分析軟體)。在學理及臨床上，此項產品已被證明能以高診斷率方式診斷心律不整(特別是針對心房顫動)。目前這項檢測服務已在臺灣及東南亞上市，吾人深切期盼該項產品能對心房顫動之診斷及中風之預防帶來實質的貢獻。

只要60秒！衛生紙式糞便潛血檢測試紙

我們實驗室亦協助國內企業，開發一項衛生紙式糞便潛血檢測試紙(圖五)。大腸直腸癌在臺灣的發生率已連續多年為全世界第一，從癌前病變演進到大腸直腸癌的過程相當長，歐美各國對糞便潛血篩查進行長達三十年的臨床試驗，結果證明持續每一到兩年固定實施糞便潛血檢查，可有效降低大腸直腸癌的死亡率約20％。然而，在傳統糞便潛血檢測的操作過程中，民眾需用勺子挖取自己的糞便並送樣，這些操作常常造成使用者的心理不適感與麻煩，因此國健署針對50歲以上的民眾提供免費糞便潛血檢查，其篩查率只有42％。為了提高糞便潛血之篩檢率，我們實驗室協助企業開發一項衛生紙式糞便潛血試紙，此項新穎性的衛生紙，能將傳統糞便潛血測試中之取樣與檢測步驟整合，並將健康檢測的實施融入民眾每日生活如廁當中。配合自行研發的高靈敏度反應試劑，該項衛生紙能在60秒內獲得檢測結果。目前這項產品已取得歐盟CE認證，我們預期該項產品能於2023年在臺灣、美國及歐洲上市。盼望未來這項產品的上市與推廣，能協助提高民眾篩檢的意願，以達到「即早發現大腸癌、即早治療」的目標。

圖五、衛生紙式糞便潛血檢測試紙

價格友善 協助癌症病友定期追蹤

如前述，我們開發出一項血液循環腫瘤細胞計數方法(圖六)，有別於目前市面上高價位(例如: 每一檢測2～3萬台幣)之循環腫瘤細胞檢測服務，我們提出一項價格友善(例如：每一檢測4,000台幣)且具有臨床應用性之血液循環腫瘤細胞定量方法，我們期盼該方法能嘉惠大部份的癌症病友。基於這項技術與慈善之心，一些企業主已出資成立一家生醫新創公司，該公司主要業務係協助癌症病友定期進行癌症復發追蹤。

圖六、示意圖：負向篩選式循環腫瘤細胞計數方法

癌症精準醫療檢測服務與硬體設備

在生命科學或醫學的相關研究領域，從各種生物樣品或檢體中，純化分離生物細胞是一項常見的基礎實驗操作。一般來說，純化分離所獲得的生物細胞其純度越高，越能更精確地進行後續的細胞相關研究或檢測分析工作。然而，特別是對於生物樣品或檢體中之稀有細胞而言，要獲得高純度的細胞樣品有其困難度。為此，吾人實驗室在科技部專題研究案的支持下，開發一項光電式細胞純化分離方法，該項技術係於微流體晶片內，利用光介電泳力生物細胞操控技術，來進行高純度細胞純化分離，目前這項技術已技轉給國內一家生醫新創公司。該公司鎖定癌症精準醫療產業，目標是開發一系列的檢測服務或硬體設備(例如：高效率及高純度細胞純化分離設備)。癌症精準醫療是一項新興的產業領域，目前許多硬體設備或檢測分析服務均高度依賴國外技術或產品，吾人相信這項自動化高純度細胞純化分離裝置的問世，有機會在該產業領域扮演舉足輕重的角色，讓臺灣廠商在這項新興產業的發展潮流上不缺席。

不忘初衷：為人類社會進步作出實際貢獻

回臺從事學研工作已十六年，在學術研究過程中，發現一項新知或開發一項新技術，確實讓人振奮與雀躍。然而，能將學研成果轉變成為應用技術，而最後能落實於產業或臨床應用，更是一種莫名的成就感。研究工作是一項漫長、曲折且寂寞的旅程，展望未來之路，我仍不忘當初選擇科學研究的初衷，希望能盡個人棉薄之力，為人類社會的進步作出實際的貢獻。