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藥物Tranilast可阻絕S100A12蛋白與V-domain的結合

摘要 人類S100A12蛋白質(或鈣粒蛋白C)是屬於S100家族蛋白質之一，此系列蛋白多為小分子蛋白且水溶液中多以雙聚體存在。當鈣離子與S100A12結合時，鈣離子會接上結構中EF-hand的部分，促使蛋白構型改變並活化蛋白，可與多種蛋白作用，產生生物反應。RAGE (Receptor for Advanced glycation end products)蛋白為一種免疫球蛋白，與生物體內發炎反應、糖尿病相關，是近年備受矚目的蛋白。RAGE可接收不同配體，其中S100家族蛋白大多與其有相互作用，而近幾年研究指出，S100A12與RAGE 的結合會造成細胞增生或發炎的症狀，與癌症或糖尿病息息相關。 Tranilast是一種已商業量產之抗過敏藥物，目前主要用於治療過敏相關症狀，而在本篇研究中，發現其對於S100A12蛋白與RAGE V domain蛋白間作用，能夠產生有效的抑制，被認定為可作為抑制劑的藥物。為探討其抑制的機制，本篇論文中，利用許多生物與物理上技術，像是核磁共振儀、螢光光譜儀、HADDOCK軟體以及WST-1 細胞實驗，來得到蛋白產生結合的相關結構資訊。 本篇論文中，我們分別探討了S100A12和tranilast以及S100A12和RAGE V domain的錯合物結構，其中發現了tranilast的結合位置能夠擋住S100A12與RAGE V domain的結合位置，這樣的現象能夠幫助新藥物的開發，發展能夠抑制RAGE和S100A12結合的藥物，藉以治療相關疾病。

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利用CHAPS分子來隔絕S100A9 (C3S)與RAGE V domain兩種蛋白間之交互作用: 一種抑制細胞增生的新藥開發

人類S100A9鈣離子結合蛋白 (鈣粒蛋白B)為S100蛋白質家族的一員，通常伴隨著S100A8鈣離子結合蛋白 (鈣粒蛋白A) 出現，此系列蛋白在結構上具有高度相似性，通常S100A9以同質二聚體形式存在於骨髓細胞中，在發炎反應發生時，扮演著重要的調節角色。人類RAGE 蛋白質 (Receptors for the Advanced Glycation End products) 是一種免疫球蛋白，可以與多種配體結合 (如S100蛋白家族)，誘導細胞產生訊息傳遞，進而促進發炎反應、糖尿病及一些慢性疾病甚至是細胞增生的現象。 CHAPS為目前商業量產的藥物，在結構上具有助於結合細胞膜蛋白疏水性區域，而在本實驗發現對於mS100A9蛋白具有良好的活性抑制效果，因此我們希望進一步了解mS100A9-RAGE V domain、mS100A9-CHAPS之間的交互作用，並利用HADDOCK模擬在生物體內蛋白質錯合物的結構。 在本篇論文中，我們利用三維核磁共振實驗來完成蛋白質化學位移判定，將實驗所得距離、二面角、氫鍵限制條件經由軟體計算，計算解出mutant S100A9蛋白質在水溶液的二聚體結構，並搭配二維核磁共振滴定實驗，研究mS100A9蛋白與RAGE V domain蛋白以及與CHAPS之間的反應結合位置，並藉由二維光譜上的交叉峰位移，來推測mS100A9及RAGE V domain的解離常數(Kd)為5.7 μM。最後根據WST-1 Assay實驗的結果證實mS100A9是經由與RAGE上的 V domain結合後影響，並使細胞活性提升。同時CHAPS分子也能夠與RAGE V domain競爭mS100A9的結合，成功地抑制細胞活性。 此篇研究有助於了解S100A9蛋白質與RAGE V domain的反應情形，並對於未來的抑制細胞增生藥物發展有更進一步的幫助。然而後續仍須研究生物性的實驗，探討此反應是否可應用在癌症及相關疾病的治療。

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Exploring the Evolution and Unique Properties of Multi-Branched Gold Nanostructures in Biomedicine

近年來，貴金屬奈米粒子備受關注，由於它們有良好的光學性質、電性及催化性質，因此在多種應用中具有淺力，其中包含：生物醫學、觸媒以及感測器等。各種形貌金奈米材料已被發表過，而多分支的金奈米材料尤其重要，因為其特殊的形狀，導致近紅外光區有寬的表面電漿共振吸收峰。在本論文第一章中，我們著重於使用晶種成長法來合成金奈米海膽（Au nanoechinus）以及在雙尾陽離子界面活性劑（DC14TAB）控制下成長機制的探討。在其後的幾個章節中，將金奈米海膽的特殊性質應用在生物醫學上，包含癌症的光動力/光熱治療以及多種顯影的應用。 近年來，由於光熱治療的非侵入性特點使得在癌症治療備受重視。光動力治療（PDT）以及光熱治療(PTT)是光療法主要的兩種，其原理是利用感光試劑吸收光以後分別產生活性氧物種(ROS)和熱來達到毒殺細胞的效果。為了要讓照射的光線達到更好的穿深度，感光試劑必須吸收近紅外光(NIR)，因為生物組織在波段有最小的吸收，第一個近紅外光視窗波長介於650nm到900nm之間，而第二個近紅外光視窗波長屆在1000nm到1350nm之間，在這兩個波段中有以下幾個特性：低散射、極佳的組織穿深度及微弱自體螢光。第二章中，我們利用金奈米海膽作為PDT的載體，使用兩個近紅外光波段的雷射（915nm& 1064nm）激發產生單重態氧（1O2），進而達到毒殺癌細胞/腫瘤。 癌症是主要人類死因之一，非侵入性治療深層腫瘤組織是目前臨床上的一大挑戰，許多研究中的治療都是為了要克服這問題，但卻只能達到部分腫瘤毒殺或是抑制腫瘤生長。在第三章中，我們將展示如何使用金奈米海膽的PDT以及靜默基因的技術來根除深層組織的腫瘤，在此我們使用分別位於第一跟第二紅外光視窗的低強度雷射作為光源（915nm, 340mW/cm2; 1064nm, 420mW/cm2），本研究為未來深層腫瘤的治療做新的鋪路。 為了要達到更先進治療技術，奈米材料能夠擁有生物顯影應用是非常重要的。生物顯影技術的重要性在於它能夠做深層細胞的研究、提供致命疾病的偵測、狀態及治療等等資訊。在最後一張，我們發表金奈米海膽其三種生物顯影的應用：近紅外光激發/放光的上/下轉換過程、光聲顯影。綜觀本論文探討了金奈米海膽的光學性質以及在癌症的診斷及治療的應用。

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Nanomaterial-Mediated Photodynamic Therapy for the Destruction of Tumors

近年來光療法已經被發現能夠用在治療多種的癌症上面，比起其他的治療，它主要的優點如：非侵入性治療、高穿深度、低副作用以及低成本等。光動力治療（PDT）是一種光療法中的重要方法，主要是使用有機感光劑(PS)吸光後將光子能量轉移到組織中的氧氣(3O2)，產生單重態的氧氣（1O2），進而毒殺癌細胞。大部分臨床上的PDT只能使用在治療表皮的腫瘤，因為大部分的有機PS吸收UV光或是可見光，而這兩波段的光對組織的穿深度低，加上有機PS通常水溶性較差，導致較差的吸光能力。此外，有機PS也容易被光分解（Photobleaching）或被酵素分解，因此PDT在臨床上還有許多的問題必須去克服。然而，奈米材料的優點為PDT帶來了許多契機。在合成具有高吸光係數、近紅外光的吸收、高光學穩定性、高表面積、磁性和螢光等等性質的奈米材料是不易的，在本論文中，將探討幾種不含有機PS的奈米材料在PDT的應用，以及其使用近紅外光驅動的皮膚癌和肺癌的治療。 第一章中，我們合成了摻雜鑭系金屬矽中孔洞奈米材料（EuGd@MCF），並將抗癌藥物Doxorubicin(DOX)修飾在表面，此材料具有磁振造影、螢光顯影及紅外光驅動單重態氧氣生成等性質，能夠同時使用化療及 PDT來對癌細胞/腫瘤進行毒殺。第二章中，我們發表PEGylated氧化鎢奈米線（PEG-W18O49NWs）作為PDT光敏材料，應用在單重態氧對癌細胞/腫瘤細胞的毒殺; 我們使用低功率的雷射（980nm, 200mW/cm2）對HeLa細胞進行光療實驗，此結果顯示細胞凋亡PDT的貢獻遠大於光熱治療（PTT），直接的證據包含：單重態氧形成、活性氧物種（ROS）及Heat shock protein(HSP70)表現。在in vivo實驗，在低劑量的雷射治療下，結果顯示，PDT毒殺B16F0黑色素瘤遠大於PTT。 第三章中，我們合成上轉換奈米粒子（UCNPs），由於UCNPs有上轉換螢光散射，在低強度的雷射（70~360 mW/cm2）下能夠產生單重態氧並可以作為PDT的PS。將UCNPs結合靜默基因（silencing gene）,superoxide dismutase (SOD1)，能夠提升材料對肺癌細胞毒殺的效率提升。最後在第四章中，我們使用PEGylated 氧化石墨烯修飾上葉酸（GO-PEG-folate）作為PDT的試劑，使用980nm雷射照射下毒殺黑色素瘤細胞。綜觀本論文介紹多種奈米材料，探討在不使用有機的感光劑的情況下，PDT毒殺癌細胞的效果。綜觀，我們發現了奈米材料光動力治療領域(NmPDT)，且能夠取代使用有機感光劑的PDT以及奈米材料光熱治療(NmPTT)在臨床上癌症治療。

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Electrochemical and Catalytic Hydrogen Evolution by Porphyrin-based Transition Metal Complexes

Abstract The rational design toward developing energy-efficient and cost-effective processes to generate H2 remains as an outstanding challenge. To come up with this challenge, various transition metal complexes of macrocycles have been extensively reported as catalysts, with little attention given to porphyrin-based systems. In line with this, we reported electrochemical H2 evolution from organic acids and neutral aqueous solution using cheap and earth abundant transition metal complexes of porphyrin as catalysts. The thesis is divided in to 6 chapters. The 1st chapter is introduction part, chapters 2-5 author’s original works and the last chapter is conclusion of thesis. Encouraged by literature reports of H2 evolution based on cobalt(II) porphyrins in organic solvents or aqueous solution, we reported a water-soluble cobalt(II) tetrakis(p-sulfonatophenyl) porphyrin (CoTPPS) as a stable, active, and efficient electrocatalyst for H2 generation from neutral aqueous solution without any organic additives. The molecule features nearly quantitative Faradaic efficiency with a TOF of ~1.83 s-1 measured over 1 h and a TON of 1.9 x 104 moles of H2 per mole of catalyst with no loss in activity over 73 h at an applied potential of -1.29 V vs SHE in neutral phosphate buffer solution. In the 3rd chapter, H2 evolution activity of a series of cobalt(II) porphyrins with EW groups (COOMe, COOH, and SO3H), unsubstituted phenyl and ED groups (NH2, OH and OMe) at para position of meso-phenyl rings has been investigated in DMSO using acetic acid as a proton source. The study showed that nature of substituents significantly influences catalytic performance and overpotential. Faradaic efficiencies ranging from 44 to 99 %, TONs from 1.5 to 104 (~11 h electrolysis), TOFs from 0.23 to 9.1 h-1 and onset overpotentials ranging from 25 to 445 mV were obtained by tuning the substituents. Molecules with -SO3H, -COOH and -NH2 groups showed high activity and efficiency with more positive onset potentials as compared to a parent molecule, (CoTPP) and other molecules in this study. The key factor in enhancing activity at lower overpotential was supposed to be acidity of a functional group at para position of meso-phenyl ring during catalysis process. In chapter four, the effect of position and electronic nature of substituents were examined. Cobalt(II) porphyrins with pendant orth-amino, orth-nitro, and para-amino groups have been prepared to examine the role of substituent position and electronic nature in tuning overpotential and activity. Enhanced catalytic activity with H2 evolution rate constant of 1.12 x 105 M-1 s-1 with onset overpotential as low as 20 mV was obtained for cobalt(II) porphyrin with ortho-amino pendant group, confirming the substantial role of pendant amino group in intramoleular shuttling of proton to cobalt center thereby thermodynamically favouring proton-hydride interactions to evolve H2. In the 5th chapter, M-(p-NH2phenyl)4porphyrins (where M = Fe, Co, Ni, Cu and Zn) were synthesized and employed for H2 evolution study in organic solvents using weak and strong acids as well as in neutral aqueous solution to explore the roles of nature of central metal ion and proton source in H2 evolution activity and overpotential. In acetic acid (weak acid), the catalytic current appeared at a potential close to M1+/M0 redox couple, implying formation of M(II)-H as reactive intermediate through protonation of M(0) and the activity order of catalysts is Fe> Co> Ni> Cu>. However, in trifluoroacetic acid (strong acid) catalysis occur close to M2+/M1+ redox couple for Co and Cu while close to M1+/M0 redox event for Fe and Ni complexes with activity order of Co>Fe>Cu>Ni. In neutral aqueous solution, high activities were noticed for Co and Fe complexes than others. Based on our results, the redox potential of central metal ion and thermodynamic reduction potential of a proton source seem to play roles in tuning catalytic activity. In the last chapter, summary of author’s original work is presented. Thus, electrocatalytic H2 evolution studies using various metalloporphyrins has been reported in organic solvents and aqueous solution.

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鈷−氮碳異位紫質一氧化氮錯合物的合成與鑑定及其一氧化氮還原至氧化亞氮或氫氣產生反應的探討

合成的錯合物{Co(NO)}8 [Co(CTPPMe)(NO)] (1)及[Co(HCTPP)(NO)] (2)已完成IR、UV-Vis、1H、15N NMR以及單晶X-ray繞射鑑定。其中{Co(NO)}8是採用Enemark−Feltham來表示金屬中心d軌域及π*(NO)軌域上電子數總和。利用環伏電位量測(CV)及其搭配IR或UV-Vis光譜電化學了解錯合物1及2的氧化還原特性。IR及UV-Vis光譜電化學結果顯示錯合物1的氧化反應主要來自porphyrin-環為主的電子而還原則是發生在具有CoNO-單元特徵的電子軌域。錯合物2的氧化(CoNO-單元)、還原(porphyrin-環)反應發生的表現與錯合物1相反。IR及UV-Vis光譜電化學分別呈現1^0/−/0及2^0/+/0氧化還原過程的可逆性。此研究中值得注意的是錯合物1及2的還原反應在光譜電化學的IR光譜上並沒有發生明顯且快速的NO離去反應，這個結果與一般鈷的紫質一氧化氮錯合物在還原反應中發生NO迅速離去有所不同。另一個{Co(NO)}7錯合物[Co(CTPPO)(NO)] (3)進行CV及IR光譜電化學研究結果呈現與錯合物1相似的氧化(porphyrin-環)、還原(CoNO-單元)反應。由上述歸納出：鈷的氮碳異位紫質一氧化氮錯合物當發生CoNO-單元軌域特徵的氧化還原反應造成ν(NO)約改變100 cm−1，而發生以porphyrin-環特徵軌域的氧化還原反應則造成ν(NO)改變約35 cm−1。而且還原反應造成錯合物1的ν(NO) = 95 cm−1的改變是目前在{Co(NO)}8鈷的紫質及類紫質一氧化氮錯合物中所未曾觀測到的變化。 IR光譜電化學的結果顯示具有可能性可以單離化學還原{Co(NO)}8錯合物1及2的產物並進行其後續反應性的研究。目前已可以藉由Co(Cp*)2為還原劑還原錯合物1得到[Co(CTPPMe)(NO)][Co(Cp*)2] (4) (89.7%)並且完成鑑定。錯合物4是目前第一個具有{Co(NO)}9電子結構的鈷−一氧化氮的紫質錯合物。在質子存在下，錯合物4將質子還原成氫氣並且伴隨被氧化成錯合物1。錯合物2還原後加入質子的平行反應亦是產生氫氣並且回復成錯合物2。在質子溶劑(protic solvent)下，例如：水、甲醇、乙醇，都可以用來驅動錯合物4上的NO配子轉化成N2O。但是該策略並無法驅使錯合物2的還原產物產生N2O。再者，同為CoNO-單元軌域特徵還原的錯合物3在還原反應後加入甲醇也無法產生N2O，由此推測還原NO至N2O可能需要足夠電子密度及還原反應在適當與CoNO-單元相關的特徵軌域。 在N2O產生反應機制的研究中，利用IR光譜及ESI(−)質譜術追蹤反應過程發現：錯合物4在甲醇存在下會部分形成具有氫鍵作用力的分子(4···MeOH)；而該分子再與錯合物4反應後在IR光譜出現1622 cm−1的訊號。再者，由ESI(−)質譜追蹤反應測量到具有含[N2O2]雙鈷的氮碳異位紫質的中間產物生成，而且其生成至消減的趨勢及改變時間皆與IR光譜上1622 cm−1訊號的變化一致。由此推測1622 cm−1訊號的來源可能是來自於含[N2O2]成分中間產物的ν(NO)。此NO轉化成N2O的反應，在還原劑及NO來源可供給的條件下可以至少進行五個循環並且沒有顯著N2O生成量的減少。

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Lysosome-responsive Transcription Factor EB Activation upon Mitophagy Degradation Stress

除了將溶酶體視為降解過程的最後胞器，溶酶體逐漸被認為參與控制細胞功能的上游路徑。因此，溶酶體的動態穩定應該被嚴格的調控，已配合代謝的需求以及維護溶酶體參與的細胞功能調控。這裡我們使用光調控產生粒線體自噬需求，以降解基質影響溶酶體的動態穩定，並定量觀察在不同程度的降解壓力下，溶酶體如何調控其生合成與動態平衡。我們觀察到，在粒線體自噬降解需求下，TFEB轉錄因子調控的溶酶體相關基因有正向活化趨勢，並且基因活化幅度與降解需求有正相關性。細胞藉由調控mTOR的活性抑制，得以產生這種壓力與反應的定量協調。進一步的研究證實粒線體自噬造成的mTOR活性抑制是透過在autolysosome胞器上聚集mTOR活性調節分子，DEPDC5和FLCN。Autolysosome 是一種溶酶體與自噬體融合後的混和胞器。此外，藉由STX17基因靜默進而阻斷自噬體與溶酶體的融合，足以使TFEB基因活化反應與壓力脫鉤。這些結果顯示兩種胞器中，溶酶體和autolysosome在mTOR活性調控和TFEB基因活化的功能上有不同之處。溶酶體透過與自噬體的融合，得以定量上感測降解壓力的幅度並且微調TFEB基因活化以維護自我調節的動態平衡。

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製備具一系列形狀控制的氧化銀晶體並探討晶面效應對其光催化活性與電性的影響

論文摘要 氧化銀具有與氧化亞銅相同的晶體結構，而氧化亞銅之晶面效應已經由不同形狀之單一晶面氧化亞銅藉由光催化、表面化學侵蝕以及導電性等實驗中被發現與證實。因此，在本論文研究中，我們在水溶液的系統下，簡單的調控硝酸銨、氫氧化鈉與硝酸銀之間的莫爾比例，藉此控制反應速率，在室溫下簡易且快速的合成一系列具立方體、菱形12面體以及八面體等不同形狀的氧化銀晶體，並進行晶面效應的實驗分析。各式氧化銀晶體的形狀可在場發式電子顯微鏡下清楚的被觀察到，透過粉末式X光繞射、X射線光電子能譜分析與固態UV-vis光譜的分析，可了解氧化銀晶體的成分與表面特性。在光催化降解甲基橙有機染料的實驗中發現，以立方體氧化銀當催化劑的效果最佳，在90分鐘內降解了85%，次之是八面體，最後是菱形十二面體只降解了15%。而利用電子自旋共振分析，我們偵測到光催化下產生的自由基並發現光照氧化銀晶體時所產生的自由基濃度與光催化效率的結果相符。雖然在光催化反應後氧化銀晶體形狀發生崩解的情況，但藉由X射線光電子能譜的分析我們可以確定在此催化過程中沒有金屬銀的產生。在氧化銀單一晶體的導電性分析，我們發現不同晶面的氧化銀，會得到截然不同的導電性，八面體導電性最佳，立方體次之，菱形十二面體不導電，此結果與氧化亞銅晶體一致。

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二環戊烷並苯二噻吩衍生物之設計合成及其應用於有機光伏電池暨鈣鈦礦太陽能電池穩定度之研究

因申請專利緣故，資料延後公開

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N-亞柳胺基酸及 N-柳胺基酸衍生掌性氧釩錯合物催化 α-酮醯胺類不對稱還原反應之研究

本實驗室以先前開發的 3,5-雙取代 N-亞柳胺基酸錯合物催化 α-酮基苄基醯胺進行不對稱還原反應有初步的成果，我們接續先前的方針以 C3 位為特丁基取代， C5 位為溴基取代的 N-亞柳胺基酸衍生的氧釩錯合物 1a 搭配頻那醇硼烷，在氬氣與 −20 °C 下以無水甲苯為溶劑，對 α-酮基苄基醯胺之不對稱還原反應，可得產率 62% 與鏡像超越值 84% (R)-構型之 α-羥基苄基醯胺產物。另外，以 N-柳胺基酸衍生的氧釩錯合物 1a’ 配合兒茶酚硼烷作為還原劑進行反應，可以獲得較佳的產率 99% 與互補的鏡像超越值 64% (S)-構型之 α-羥基苄基醯胺產物。 在最佳化條件確立後，對一系列不同的 α-酮基苄基醯胺受質進行反應測試，其中以頻那醇硼烷搭配催化劑 1a 作為還原劑的例子中，受質之 α-酮基位置之官能基取代傾向平面及立體位阻較小的情況下會有較佳的鏡像超越值 (84-99%)；兒茶酚硼烷作為還原劑搭配催化劑 1a’ 的例子中，受質之 α-酮基位置之官能基取代傾向擁有較大芳香環系統的 2-萘基及立體位阻較小 2-噻吩基取代之受質擁有較佳的鏡像超越值 (72-76%)。 反應機構的推測中，受質之醯胺基的羰基會軸向配位到正五價氧釩中心，並與氧釩雙鍵存在於相反的位向，其中錯合物赤道位的甲氧基會與硼烷配位結合，其中體積較大的頻那醇硼烷使受質中的羰基與醯胺羰基形成特殊近垂直的構型環境，使得氫負離子傾向由看似立體位阻較大 C3-特丁基的 Si-face 位向加成，最終獲得 (R)-構型的產物。另一方面，兒茶酚硼烷與受質之間因芳香環之平面 π-π 作用力，使得受質中的羰基與醯胺羰基採取近共平面的 s-cis 構型環境；氫負離子傾向由遠離 C3-特丁基的 Re-face 位向加成，最終獲得 (S)-構型的產物。