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系統生物學方法發現肝癌嶄新預後標記

肝癌是目前最惡性的癌症類型之一。肝癌生物標記的發現仍然緩慢，仍然需要開發更好的方法。最近的研究顯示建立在生物意義下的系統性的方法能夠較好的引導生物標記的發性。 在細胞的層面使用蛋白質交互作用來解析癌症反應路徑網路是一個具潛力但仍不完善的方法。此研究結合計算生物學的模型建構和抗體原位雜交技術的生物驗證，成功地在兩個肝癌細胞株中測量出67筆內生性的蛋白質交互作用，這67筆蛋白質交互作用連接了21個癌症反應路徑，兩個肝癌細胞株分別是Huh7 (轉移能力最低的肝癌細胞株)、Mahlavu (轉移能力最高的肝癌細胞株)。 因為這兩個細胞株的轉移能力有很大的差別，此蛋白質交互作用網路採用差異化網路生物學進行分析，此分析方法發現了一筆嶄新的交互作用現象， CRKL-FLT1，此交互作用在網路的拓樸結構最為重要，更多的生物功能性驗證顯示此交互作用的表現量不僅在肝癌細胞也和其他種類癌症的細胞轉移能力呈現高度正相關。 經由實驗也證明將上述兩個蛋白質的基因從肝癌細胞中移除會大幅降低肝癌細胞的轉移能力，透過實驗也證明了CRKL或FLT1會參與被視為癌細胞具備侵襲和轉移能力之重要過程上皮-間質細胞轉換過程。 為了確認此交互作用被用於預後標記的能力，192個肝癌樣本被使用於免疫組織化學法的實驗，實驗結果的統計分析顯示CRKL或CRKL-FLT1的表現與無疾病存活期和整體存活期有高度的正相關，顯示此交互作用可作為一個新的肝癌預後指標。此研究顯示整合性地研究疾病網路有助於發現新的生物標記，此方法具通用性也可使用在其他種類的癌症或複雜疾病。

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外尿道括約肌肌電圖用於偵測脊髓損傷鼠的膀胱狀態

脊髓損傷病人常會伴隨著膀胱與外尿道括約肌共濟失調之現象，造成排尿功能低落，排尿不淨，增加尿路感染之風險。若長時間處在此病癥下，也容易造成腎臟及輸尿管水腫和腎功能病變，更甚者，導致慢性腎衰竭。 　　電刺激神經調控為一種新的治療方向，可取代受損神經來調控膀胱排尿功能，而偵測膀胱狀態進而在適當的時間點給電就顯得相當重要。目前臨床上是以尿道動力學檢查來偵測膀胱狀態，如體外超音波量測膀胱體積，或尿道插管量測膀胱內壓；但體外超音波無法對電刺激調控即時回饋，患者也無法長期尿道插管。本研究希望以外尿道括約肌肌電圖做為即時偵測膀胱狀態之依據，經過自製五級濾波放大器，由NI USB-6212資料擷取卡送入以LabVIEW撰寫的演算法，以移動視窗的方式處理，維持演算法適當的靈敏度並減少時間延遲，建立一套即時偵測膀胱狀態的系統，並以正常及脊髓損傷大白鼠進行實驗。 　　由ROC實驗結果統計，以外尿道括約肌肌電圖偵測膀胱狀態，與真實排尿狀態相比，在正常鼠方面精確度高達97%，而在脊髓損傷鼠方面則為90.3%，兩者皆相較於以膀胱內壓作為判斷依據來的高，由此證實了以外尿道括約肌肌電訊號取代膀胱內壓，作為膀胱狀態即時偵測的可行性，並可搭配資料擷取卡數位輸出功能，將偵測結果做為功能性電刺激器觸發給電依據，以期能對脊髓損傷病人的排尿功能改善做出貢獻。

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多晶矽奈米線生物分子感測元件之改善

近年來，在生醫工程的領域，開始針對引起疾病的生物分子進行研究和檢測。並因應引發疾病的特定分子而做出不同的治療。然而，發展這些技術都必須要有快速、即時、準確，以及穩定的生物感測技術在背後作支援。隨著奈米科技的蓬勃發展，帶動了生物分子感測技術的進步，進而可以發展出更新穎的感測技術。多晶矽奈米線場效電晶體，近年來已被證實可以做出高靈敏度的生物分子感測器，可以針對不同的生物分子進行感測。 　　為了要驗證本論文欲達到的目的，感測元件皆經過實驗上的驗證。多晶矽奈米線場效電晶體先經過表面固定化過程來使元件具有對特定生物分子的接合能力，如此來進行不同濃度的心肌肌鈣蛋白(Cardiac Troponin I; cTnI)的測試。本論文利用螢光圖來確定生物分子修飾固定化的步驟是否確實並利用電場來增加感測的靈敏度。最後利用臨界電壓的改變來分析，多晶矽奈米線場效電晶體生物分子感測器的靈敏度可達到320fM。由元件的結果可知，本論文的實驗結果被證實了具有成為生物分子感測科技的潛力。

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利用斜角光纖定量雙層組織的光學參數

在如口腔組織的鱗狀細胞瘤癌變的過程中，主要是從上皮結構開始產生退行性發育，因此在用於早期癌症診斷的光纖式漫反射光譜的研究中，準確的定量跟上皮層組織相關的光學參數是非常重要的，尤其是跟上皮細胞結構相關的散射係數。然而在雙層組織中，由於上皮層比起下層組織(基質)而言非常的薄，漫反射光譜大部分容易受到下層的影響，使得上皮層的光學參數相當難以準確地定量；而在前人提出的不同光纖設計的研究中，以模擬而言，對於上皮層散射係數，定量的誤差範圍約在4~42%，上下層多個光學參數的整體誤差約為1~49%。為了改善傳統光纖設計對上皮層光學參數不靈敏的缺點，我們利用沿著組織表面傾斜且平行排列的斜角光纖，及自行開發的光譜擬合工具來達到準確定量上皮層光學參數的目的。 本論文主要為數值模擬的研究，首先利用雙層縮放(scaling)蒙地卡羅(Monte Carlo)演算法來加速傳統蒙地卡羅演算法計算時間較長的缺點，此光譜模擬工具由C++所編寫，其計算時間顯著降低，且與傳統蒙地卡羅演算法相比，誤差小於1%。本研究利用此程式模擬調整上下層光學參數後，觀察空間解析光譜的靈敏度變化趨勢，由模擬結果可看出斜角光纖確實對上皮層光學參數的變化有較高的靈敏度，但對下層的血紅素吸收較不靈敏，此缺點可由圈選適當的光纖收光區域來改善。 接下來，本研究利用MATLAB編寫反向擬合工具來模擬定量雙層組織中的多個光學參數之準確度，利用最佳化的斜角光纖設計，分別擬合調整血紅素濃度或上皮層厚度的光譜，其定量上層散射係數的平均誤差約為1.5%，且上下層光學參數的整體誤差皆小於7%。因此本研究所提出的光纖設計及擬合方法不僅改善了定量上皮層散射係數的準確度，同時也準確地定量雙層組織中的多個光學參數，有利於光纖式漫反射光譜對於早期癌症的診斷。

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臨床前研究之剪切波彈性影像

高頻超音波目前已經被廣泛應用在小鼠實驗上，提供臨床前研究了解各種小鼠疾病的模型及評估醫療器材的有效性及安全性。剪切波彈性影像為近年來在臨床上蓬勃發展的影像技術，因為可以提供即時量化的彈性結果，幫助醫生們做腫瘤硬化上的診斷。目前彈性影像系統還是以低頻超音波和臨床上的應用為主，而在高頻超音波系統上，並沒有用到剪切波彈性影像來量測組織彈性。因此本研究的目的在於高頻單一超音波探頭的系統上實現剪切波彈性影像，提供臨床前研究使用，量測小鼠肝臟彈性。高頻超音波除了可以提供高空間解析度，很適合用來觀測小鼠、細胞及皮膚等細微組織的結構上；相較於低頻超音波，還可以偵測到更小的剪切波位移、擁有更佳的剪切波訊雜比和可以量測到更硬的仿體組織。而傳統的低頻剪切波彈性影像系統，大多是使用陣列探頭，透過超聲速剪切成像(Supersonic Shear Imaging)的技術來成像，就可以很簡單的透過一個陣列探頭達到產生和偵測剪切波的功能，而我們所採用的系統是高頻單一探頭的超音波系統，不可能只使用同一顆探頭就可以達到同時產生和偵測剪切波。因此，為了在系統上實現剪切波彈性影像，本研究提出了系統時序同步設計和探頭共焦架構，讓推動探頭及影像探頭同步及藉由機械式掃描，透過自相關函數分析，得到剪切波位移，最後再由Time-of-flight及K-space的方法來重建彈性影像，成功的讓單一探頭系統達到類似陣列影像系統功能，可以同時具有高頻超音波及剪切波彈性影像的優點。仿體實驗結果顯示，本實驗架構系統可以量測到不同硬度仿體的彈性趨勢，且利用重建影像的方法也可以成功的把硬塊仿體的彈性影像重建出來。在小動物實驗之中，可以初步的量測出肝硬化與正常小鼠的肝臟彈性差異。