未來生技:大數據浪潮下的基因定序、精準醫療|大和有話說

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上週翻完了美國創新領域專家Alec Ross所寫的《未來產業》,開啟了我對未來生技、基因科技的想像,再加上已經讀兩個多月還沒讀完的《大演算》一書中,也一再提到演算法在癌症治癒上的應用。即便腦中一團亂,但看在生物科技絕對是未來趨勢的情況下,還是硬著頭皮把這些觀點做些整理。

過去半世紀以來,我們目睹生命科學出現了前所未有的進步,人們也因此活得更久、更健康。然而,這些進步與未來的基因科技相比,可說是不足為奇。你能相信嗎?在未來,癌症病患將能擺脫化療,準確地至癌細胞於死地,人們將不再飽受癌症之苦。

癌症的源起

所有的癌症都是因DNA受損而起。這些損害也許是天生基因注定,也許是隨時間自然受損,亦有可能是由菸害環境引起。一旦DNA突變,這些不健康的細胞若沒有自然死去,就會開始生長,癌症也因此誕生。

想治療癌症是很困難的,因為癌症並不算是一種疾病,而是許多病症的轉移。也因此,每ㄧ個癌症都不相同,並沒有單ㄧ藥物,可適用所有癌症。抗藥成功的的癌細胞,會經過物競天擇演化,再擴散到病人全身。因此,對某些病患而言是有效的藥物,很可能只對5%的患者有效。

基因定序

癌細胞可能是由各種意想不到的原因而生成,所以要殺死癌細胞,最可靠的方法就是進行其「基因組測序」,找出哪些藥物可以在不傷害好細胞的情況下對抗它,並阻止其複製,而不像傳統化療般會傷害到所有細胞。也就是說,從病人的基因組和病史,專門設計出一種新的抗癌藥物。

基因定序(gene sequencing)已成為一種典型的基因檢測,可以幫助判別好壞細胞之間的差異及基因組合,甚至可學習去預測哪些藥物將可有效對抗哪些癌症基因。然而,由於預測過程過於複雜,包括要全盤了解病人的病史、癌症基因組,病患基因組、藥物副作用等,幾乎沒有醫生可以完全掌握。因此,若能透過適切的機器演算法來進行運算,治療癌症將指日可待。不過,現今的演算法都還無法達到這樣的標準。

想藉由演算法去學習哪些藥物可以有效對抗哪些突變,需要患者的資料庫、癌症基因組、以及病患對藥物治療的成果,進而從中找到基因與藥物之間的一對一對應關係(A基因–>B藥物)。然而,光人體細胞的23對染色體中就承載2萬多個基因,因此唯有將「大演算」應用於大量的患者和藥物資料,並結合從生物醫學文獻中所挖掘的知識,才能稱得上是完整的癌症解決方案。

目前,科學家發明了「液態切片」(liquid biopsy),人們可以藉由驗血,偵測血液中是否存有腫瘤DNA,即使只有極小的數量都難逃法眼,希望能在癌症發展初期、甚至還沒出現任何症狀時就被發現。只要將檢體放入定序機,機器會默默攪動,直到DNA的每個片段變成數千億位元組的數據。

藥物核准速度的兩難

然而,就目前看來,即使定序找出了有害的遺傳突變,往往還是無藥可醫,因為醫學界尚未針對特定問題研究出特定療法,碰到罕見突變時更是如此。也就是說,我們當前的藥物開發流程還跟不上基因體科技的發展速度。

當一款具有潛力的新藥在實驗室被證實有效後,還得經過藥理、毒理測試確保安全性,再進入鼠、狗、猴等動物體內試驗。這還沒有完,接著還得經歷人體臨床一期、二期、三期試驗,看看人類適不適用。所有關卡通過後,新藥才能正式上市。而這前前後後,平均就耗費了五至十年。因此,值得我們思考的是,在基因科技快速發展下,我們是否該加速藥物開發流程,讓病患多一些生存機會(但可能有副作用)?亦或是遵從既有流程,以確保藥物品質?

市場應用

2015年初,歐巴馬總統提出了「The Precision Medicine Initiative(精準醫學計畫)」,宣布美國政府將投入2億1千5百萬美元,發展根據個人遺傳體質和腫瘤特性量身打造的「精準醫療」,計畫招募百萬志願者,從他們的遺傳資訊、檢體、生活方式來評估各種疾病發生的風險。

生物學家沃格斯坦(Bert Vogelstein)曾說:「人類DNA鹼基對定序一定會在二十年內變得稀鬆平常,現在費用接近1,000美元,在二十年內,費用一定會大幅降低,遠低於1,000美元。今天技術已經不成問題了,只是還沒有辦法擴大嘉惠數十億人,但二十年後一定辦得到。」未來,只要檢查的價格下降到一定程度,一般人的年度健檢項目都將包含這種偵測癌症的血液檢查。

基因篩選的後果

自從孟德爾(Gregor Mendel)在十九世紀中葉發現遺傳的基本定律以來,基因體研究一直進展快速。然而,隨著基因科技日益精良,也將會衍生出新型態的問題。例如,我們將能在胎兒出生前,掌握胎兒所有的遺傳特性,包括未來會長多高、容易生什麼病……等等。在這樣的情況下,基因科技將可能改變演化慣性,使「訂製嬰兒」成為極具爭議性的問題。另一方面,基因科技的發展,亦可能使得人們越來越不注重飲食、環境和生活型態,繞了一圈,同樣會傷害DNA,引發癌症。

中國生技發展現況

在人類基因體定序的15年長跑中,中國逐漸冒出頭來,取得領先地位。北京華大基因研究中心(Bejing Genomics Institute;簡稱BGI)目前已成為全球規模最大的基因體研究中心,擁有的定序機數量超出美國所有定序機的總和。過去十年來,美國研發經費占全球比例從37%下跌到30%,中國所占比例則從2%躍升到14.5%。過去中國未能在網路發展初期取得領先地位,現在許多中國最有權勢的領導人都認為,基因體科技將創造下一個兆元產業,而他們也決心取得領先地位。

台灣生技發展現況

2009年,政府推出「生技起飛鑽石行動方案」,以成立食品藥物管理署(TFDA)、成立生技創投基金、成立生技育成整合中心、成立國家生技園區等四大支柱為主軸。如今看來,四大主軸皆已完成,如2010年TFDA成立,國家生技園區也落腳南港202兵工廠等。

然而,在創投部分,雖然設立了生技創投公司TMF(Taiwan Medtech Fund),但在推動過程中,卻面臨政府層層限制,包括生技創投公司只能設在台灣,因而無法引進外國資金,再加上國發基金的投入也從原本的四成縮至兩成,資金不足下,TMF公司最終也無疾而終。《未來產業》的作者告訴我們:「要創造生命科學的重大突破,有三個重要條件:卓越的科學家、充裕的學術研究經費,以及能將學術研究商品化的創投市場。」顯然台灣雖有一流的醫學人才,但在創投資金領域還是無法到位。

此外,在基因科技方面,台灣在2003年由中研院院長李遠哲成立基因體中心,並指派翁啟惠為首任主任。然而,台灣在生技領域的法規推動並不順暢。生技產業要能發展,只有在非常注重法規、法治的國家才有辦法。政府應努力鬆綁,建立起台灣的biobank(生物資料庫),才能讓生技發展更快速,達到真正的精準醫療。

結論:早睡早起身體好

人類基因定序催生了個人化醫療趨勢,延長了人類壽命,也帶動相關生技產業佈局與投資熱潮,但卻也讓我們的生命變得更加複雜,得面對更多的倫理上的抉擇。無論你的看法如何,筆者最後只想提醒大家:「在研究完基因定序後,我發現癌症的生成實在太可怕了,大家一定要早睡早起、正常作息啊!看完這篇文章就快去睡吧,希望我們都能健健康康der。」

參考資料

科學人雜誌,2006,1000美金解開你的基因http://sa.ylib.com/MagArticle.aspx?Unit=featurearticles&id=802,最後搜尋日期:2017年1月7日。

陳皓嬿,2016,《台灣生技產業是從哪裡開始的? 李國鼎與1982年的那場研討會》。新北:聯合報系。

陳中庸、蔡世峰。基因體定序之現況與展望(Current Status and Perspective of Genome Sequencing)http://bc.imb.sinica.edu.tw/images/biotech/14_16.pdf,最後搜尋日期:2017年1月7日。

張正苓、胡玉城(譯),2016。Pedro Domingos著。《大演算:機器學習的終極演算法將如何改變我們的未來,創造新紀元的文明?》(The Master Algorithm: How the Quest for the Ultimate Learning Machine Will Remake Our World)。台北:三采文化。

齊若蘭(譯),2016。Alec Ross著。《未來產業》(The Industries of the Future)。台北:遠見天下文化。

謝柏宏,2016。《楊泮池:生技要從個人化醫療趨勢談起 在對的時間選對的藥 給對的病人》。新北:聯合報系。


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