女兒在游泳校隊的親戚問我：「妳在研究蛋白質？那要吃什麼蛋白質才可以頭好壯壯呢？」這是一般非科學人會問的問題，的確，蛋白質是人類營養不可或缺的一部分，因為蛋白質由胺基酸組成，蛋白質到了胃部會被分解成胺基酸，才被吸收再利用。但，難道蛋白質都是扮演好人的角色嗎？

非也。

大腦中有一種乙型類澱粉蛋白（Amyloid β , Aβ），是一種短鏈的蛋白質（或正確地說是胜肽），會經由堆積形成有毒的多倍體（或稱寡聚體，oligomer）和原型纖維（protofibrils），並最後會變成成熟纖維（mature fibrils）纖維狀物，繼而沉積在腦中形成阿茲海默症中的病理特徵——老年斑塊（senile plaques）。所以長久以來 Aβ 也被視為阿茲海默症的元兇之一。 阿茲海默症的病例特徵除了 Aβ ，還有形成神經糾結（neurofibrillary tangles）的 Tau 蛋白堆積。

然而今年頂尖的學術期刊 Science 刊登一篇偵查報導，質疑發表在 2006 年 Nature 的一篇重磅論文造假，這令國際社會感到震驚。其中的質疑點在於阿茲海默症（Alzheimer’s disease, AD，俗稱老年失智症）的病理蛋白——乙型類澱粉蛋白（Amyloid β , Aβ）的實驗數據。再加上 2021 年美國食品藥物管理局首次通過百健（Biogen）藥廠的 Aβ 抗體藥物aducanumab，因為其成效不張而飽受質疑。這皆使得 Aβ 成為眾人質疑的箭靶，懷疑它是否真的是阿茲海默症的原兇。

但局勢峰迴路轉，今年九月底日本衛采（Eisai）和百健（Biogen）藥廠公佈其合作的一株 Aβ 原型纖維抗體 Lecanemab，其第三期臨床試驗結果顯示：在治療 18 個月後，病人相較於安慰劑認知下降的程度減少了 27%。這是令人振奮的消息，雖然數據資料有待公佈，但這個消息再次將錯誤折疊的 Aβ 蛋白搬上王座。

回到最開始的問題，蛋白質都是扮演好的角色嗎？事實上，許多蛋白質都具有變壞的能力。但問題是，怎麼變？

變壞、變壞、變變變

蛋白質從一條 20 種胺基酸組成的胜肽鏈，要變成有功能的蛋白質，需要形成 3D 立體結構，而這個過程叫做蛋白質摺疊（protein folding）。在某些情況下糟糕摺錯了，就像魔術方塊回不到正方塊，美麗的摺紙摺不回原狀一樣，變成了怪形狀的醜八怪。這種情況稱為「蛋白質錯誤折疊（protein misfolding）」。

正常情況下，我們的細胞也有對付錯誤折疊醜八怪的方式，利用細胞內分子伴侶（molecular chaperons）或是清除機制（degradation）將它瓦解再分解掉。但偏偏總是會有出錯的情況，例如：老化、突變、環境毒素等，會讓錯誤摺疊的蛋白質漸漸堆積成垃圾山，大到細胞無法自行清除掉這些垃圾，而漸漸地細胞功能會喪失而死亡。

摺壞掉的蛋白質出現在很多器官，但產生嚴重疾病的大多都集中在中樞神經系統，當蛋白質沉積物出現在大腦小腦或脊髓，會造成不同的神經退化疾病，如：前面提及的阿茲海默症、額顳葉失智症（frontotemporal dementia, FTD，好發於中年的失智症）、肌萎縮性脊髓側索硬化症（Amyotrophic Lateral Sclerosis ALS，俗稱漸凍人）、帕金森氏症等。其中阿茲海默症和額顳葉失智症病徵皆為記憶喪失，全球恐怕已突破四千萬人。另外，帕金森氏症和漸凍人是運動神經元疾病，其中帕金森氏症尚有症狀藥物可以治療，而漸凍人是一種致命的罕見疾病，病人在 3 到 5 年內會漸進式的肌肉萎縮，由四肢擴散到全身肌肉，先是四肢癱瘓，再者無法言語和吞嚥，最終導致呼吸衰竭而死亡。

要怎麼研究壞壞蛋白質造成的疾病問題？

過去我們的研究著重在了解「蛋白質摺疊」與「錯誤摺疊機制所導致的疾病」。過去研究發現在阿茲海默症中 Aβ 異構物 Aβ 40 和 Aβ 42 具有不同的穩定性及組成，也發現其寡聚體並非一定要出現在類澱粉蛋白纖維化的路徑上 ¹，我們首度發現 Aβ 越穩定則越慢聚集成堆積路徑中所需形成的核種，而帶有家族性遺傳的突變 Aβ ，則易因為其不穩定而快速聚集 ²。

大家常問重金屬是否會造成阿茲海默症呢？有甚麼解藥？的確，阿茲海默症腦中的老年斑塊具有高含量的鋅銅與鐵。另外，鋁離子也常被暗指與阿茲海默症相關。我們的團隊發現鋅離子與鋁離子會使 Aβ 穩定性下降，進而形成特殊的 Aβ 寡聚體 ³。我們詳細鑑定了因鋅離子引發地 Aβ 寡聚體的蛋白結構，也證實其在老鼠腦中產生神經毒性 ⁴。過往，我們與合作者從臺灣中草藥庫篩選三萬多種天然物分子，發現一天然小分子具良好的血腦障壁穿透性，其能抑制類澱粉的堆積和毒性，我們也設計合成了其他的小分子抑制物。同時，我們透過具生物相容性的奈米金粒子來了解「奈米材料在類澱粉疾病中可扮演的角色」，我們發現唯有帶負電的奈米金粒子可以抑制 Aβ 纖維化、促進纖維的解體和減緩毒性 ⁵。這些研究皆有助於未來阿茲海默症的藥物發展。

專一抗體來擊退新型 TDP-43 蛋白質疾病了！

後來我們也漸漸將研究延伸到 TDP-43 蛋白質疾病上。TDP-43 蛋白是於 2006 年在額顳葉失憶症（FTD）及漸凍人症（ALS）中被發現的沉積物。我們首先將人類的 TDP-43 全長蛋白純化出來，發現它會快速地聚集成具有神經毒性的球狀寡聚體 ⁶。更進一步製作出能專一辨認 TDP-43 球狀寡聚體的專一抗體，其不會辨識生理上具有正常功能的 TDP-43，期許它能夠成為一個抗體新藥。這個專一抗體只打擊錯誤摺疊的 TDP-43 壞蛋，而不去攻擊正常功能的好 TDP-43 蛋白。聽起來是不是很棒呢？

目前我們已生產了具結構專一性的小鼠單株抗體，每週靜脈注射到 ALS 小鼠模型中，再讓小鼠跑健身滾輪，發現：相較於注射控制組抗體的小鼠，注射了這個抗體的小鼠跑得比較為持久，其後肢張力也維持正常，運動神經元的數量也顯著地比較多，因此我們在小鼠體內證明了這個抗體的治療功效。

然而，我們可不是要治療漸凍小鼠，這個藥需要打到人體內。因此，為了進一步開發這個抗體的潛力，我們開始在製作人源化的抗體，也就是把抗體序列大多換成人類的序列，但仍保留它辨認錯誤摺疊 TDP-43 壞蛋白的功能。另外，專一抗體也有作為生物標記（biomarker）的潛在可能性，透過專一抗體與一些精密檢測技術，可以觀測病程並協助藥物開發，當然能夠用來診斷病情是在好不過的了。總而言之，此抗體在 ALS 症中具有極大治療及診斷潛力。

▲藉由專一抗體（綠色的 Y 字型）可以免疫染色出病人腦組織中的病理蛋白（中圖），也可以免疫沉澱出這個元凶（左圖，電子顯微鏡圖）⁶。

關鍵的第三者出現了！

阿茲海默症中除了已知的 Aβ 和 Tau 蛋白堆積，近年來在許多阿茲海默症患者腦中發現了第三者！它竟然是 TDP-43 蛋白沉積物……

TDP-43 蛋白不是僅被發現在 95%ALS 和 50% 額顳葉失智症病人病理中沉積物，現在居然也跨界到了阿茲海默症？的確，國外阿茲海默症病理中心分析高達三百多位過世後捐腦的病人，其病程數據及腦組織病理顯示：高達 57% 大腦帶有 TDP-43 蛋白沉積物的病人出現更快速的病程和更大規模的腦萎縮。

但這第三者到底怎麼干擾主事者?

其實，我們先前就觀察到全長 TDP-43 寡聚體會干擾 Aβ 的纖維化過程。我們接續著深入研究 TDP-43 在阿茲海默症中的角色 ⁷。我們發現 TDP-43 可以在 Aβ 聚集過程的初期和中期透過交互作用影響並抑制 Aβ 長成纖維，此作用使得過程中的 Aβ 寡聚體也增加了。

在小鼠行為實驗中，我們注射 TDP-43 誘導的 Aβ 到正常小鼠腦中，小鼠會有顯著惡化的空間記憶損傷。而使用基因轉殖的阿茲海默症模式鼠，注射 TDP-43 也有一樣的問題，並且引起大腦中的發炎反應。我們也確認 TDP-43 與 Aβ 有相互作用，並加劇了阿茲海默症病徵。更重要的是，我們發現 TDP-43 寡聚體在阿茲海默症患者大腦的神經細胞內與 Aβ 座落於同一個位置。因此，我們的研究提供了 TDP-43 這個第三者，透過相互作用抑制主事者 Aβ 的纖維化，並加劇了 AD 病徵的分子機制。

▲ TDP-43 寡聚體惡化阿茲海默症病徵。 TDP-43 寡聚體抑制 Aβ 纖維及誘發 Aβ 寡聚體形成（左圖一二，電子顯微鏡圖）。TDP-43寡聚體和 Aβ 座落於在阿茲海默症大腦的神經細胞內（中圖）。TDP-43 寡聚體引起發炎反應（右圖）。

未來展望

說到這邊，曾經有一位天資聰穎、拿過奧林匹亞金牌的高中生告訴我，他覺得神經退化疾病是不可逆的，可以把精力放去研究其他事情。 當時我覺得這樣說好像也沒什麼錯，但是心裡有點難過。我告訴他：那也許是因為你現在還年輕，家裡也沒有人生病的關係。

對於自身經歷過家中長輩有神經退化疾病患者的我，還記得每一日的週旋對話，是像這樣的：

祖母憂心忡忡地走來走去、喃喃自語：「小孩不見了，我要去找小孩！」，我說：「什麼小孩？我已經長大了」她又生氣地說，「我顧的小孩，妳不懂啦！」。然後走開，五分鐘後，又憂心忡忡地走來:「妳有沒有看到我顧的小孩？」原來祖母的腦筋迴路只停留在她以前做保母幫忙顧小孩的時期，而且這個迴路每五分鐘就重來一遍。更別提她去市場買十幾顆高麗菜回家放在陽台放到爛，但還是每天要去買；拿著盤子對著電視煮菜節目的人說，這個菜很好吃的樣子可不可以分我一點；還到處藏錢，藏物品，走失走丟等問題。

這種退化的情況整整持續了 20 年，想想家屬的辛酸。更別提漸凍人在中年發病，即便智力都正常卻漸漸喪失肢體與語言能力，像是被囚禁的靈魂，也可能來不及看孩子長大。

然而，不只是神經退化疾病，還有太多疾病。身為研究者，或是科研小小兵，我們要知道人類最偉大的就是夢想，有夢想就有希望。雖然人免不了生老病死，但科學研發確切根除某些疾病或是延緩病程。不去研究就沒有機會，研究就算是失敗，過程卻會留下發芽的幼苗。回到最近的 Aβ 抗體成功的新聞，這不就應證了「堅定信念」的道理嗎?

往後請社會大眾繼續支持並參與科學研發，人類與世界才能持續的進步。

參考文獻

1.Chen, Y. R.; Glabe, C. G., Distinct early folding and aggregation properties of Alzheimer amyloid-beta peptides Abeta40 and Abeta42: stable trimer or tetramer formation by Abeta42. J Biol Chem 2006, 281（34）, 24414-22.
2.Ni, C. L.; Shi, H. P.; Yu, H. M.; Chang, Y. C.; Chen, Y. R., Folding stability of amyloid-beta 40 monomer is an important determinant of the nucleation kinetics in fibrillization. FASEB J 2011, 25（4）, 1390-401.
3.Chen, W. T.; Liao, Y. H.; Yu, H. M.; Cheng, I. H.; Chen, Y. R., Distinct effects of Zn2+, Cu2+, Fe3+, and Al3+ on amyloid-beta stability, oligomerization, and aggregation: amyloid-beta destabilization promotes annular protofibril formation. J Biol Chem 2011, 286（11）, 9646-56.
4.Lee, M. C.; Yu, W. C.; Shih, Y. H.; Chen, C. Y.; Guo, Z. H.; Huang, S. J.; Chan, J. C. C.; Chen, Y. R., Zinc ion rapidly induces toxic, off-pathway amyloid-beta oligomers distinct from amyloid-beta derived diffusible ligands in Alzheimer’s disease. Scientific reports 2018, 8（1）, 4772.
5.Liao, Y. H.; Chang, Y. J.; Yoshiike, Y.; Chang, Y. C.; Chen, Y. R., Negatively charged gold nanoparticles inhibit Alzheimer’s amyloid-beta fibrillization, induce fibril dissociation, and mitigate neurotoxicity. Small 2012, 8（23）, 3631-9.
6.Fang, Y. S.; Tsai, K. J.; Chang, Y. J.; Kao, P.; Woods, R.; Kuo, P. H.; Wu, C. C.; Liao, J. Y.; Chou, S. C.; Lin, V.; Jin, L. W.; Yuan, H. S.; Cheng, I. H.; Tu, P. H.; Chen, Y. R., Full-length TDP-43 forms toxic amyloid oligomers that are present in frontotemporal lobar dementia-TDP patients. Nat Commun 2014, 5, 4824.
7.Shih, Y. H.; Tu, L. H.; Chang, T. Y.; Ganesan, K.; Chang, W. W.; Chang, P. S.; Fang, Y. S.; Lin, Y. T.; Jin, L. W.; Chen, Y. R., TDP-43 interacts with amyloid-beta, inhibits fibrillization, and worsens pathology in a model of Alzheimer’s disease. Nat Commun 2020, 11（1）, 5950.