第 5 章生醫光電產業與市場瞭望 5-1 第 5 章生醫光電產業與市場瞭望 5-1 整體產業態勢 生醫光電所涵蓋的領域甚廣, 從基礎的物理學 化學 生物學, 到材料科學 醫學工程, 進而跨入臨床上的應用 而生醫光電的產品, 最終還是應用在人體身上, 因此對於產品的認證時間 法規等等的評估都較一般產品來的嚴苛 因此台灣廠商目前所開發的生醫光電產品, 都碰到法規驗證的問題, 因此期望台灣生醫光電產業的形成, 還需產 官 學 研共同努力才行 圖 5-1-1 生醫光電技術關聯圖 資料來源 : 生物技術產業和其他科技產業相比, 具有下列重要的特色 : 1. 產品開發期長 投資龐大 風險高 ( 惟開發成功後, 報酬率高, 及產品生命週期長 ) 2. 產品與生命健康有關, 需要高度的品質與法規管制, 且附加價值高
第 5 章生醫光電產業與市場瞭望 5-2 3. 技術密集, 屬整合性科技, 需跨領域的專業人才 4. 產業結構複雜, 價值鏈長, 專業分工細 5. 研發導向, 無形資產價值高, 專利可作為收入來源 6. 產品技術的發展以全球市場為導向台灣二十年來, 更透過電子與資訊產業的蓬勃發展, 將經濟發展層次推向新的高峰 ; 從區域優勢的觀點, 台灣位於大中華經濟圈的窗口, 具有東西雙向文化及體制之多元特質, 與成長快速的亞太市場關係密切 此外在考慮既有的科技基礎與未來市場的競爭機會下, 政府也策略性地強力支持台灣生物技術產業的發展範疇, 並以涵蓋醫藥 醫療器材及結合基因 農業 食品 醫學等研發為基礎, 以建構多元發展之 生技醫藥產業 模式 藉著結合現有基礎之優勢, 如此對未來生物技術產業之發展最為有利 在這樣的前提下, 生醫光電無疑是生物科技極佳的切入點, 因為光電科技具有非侵入性 快速 精準等特性, 極易與生物科技結合, 形成獨特的優勢 生醫光電 奈米科技與其相關技術發展, 將是因應下一個生物科技與尖端生命科學研究挑戰的利器 生物醫學光電 (Biophotonics) 為一新興且快速成長的研究領域, 它的目標在於利用光電科技偵測與操控生物反應和材料 光電科技是功能強大之促成科技 (Enabling Technology), 並已在許多領域扮演極重要之角色 在生物的應用上包含探測分子層次的作用 機制 功能和結構 在醫學的應用上, 巨觀方面有組織的研究, 微觀方面則包括以非侵入性的方式對人體偵測 診斷和治療疾病 生物醫學光電是一門整合了生物醫學, 生物技術, 光學, 電子, 電機, 資訊, 精密機械, 物理與化學的新領域 它是因應解決生物技術與醫學上的問題所發展出來的 展望與預期成果尖端生物醫學研究的特點是需要結合大量不同學科領域作有系統的研究 除了傳統的生命科學領域, 如分子生物 結構生物 生化 微免 發育 生理 藥理等外, 更包含資訊處理的數學 語言 電腦, 與工程科學之晶片製作 光電科技 奈米科技與電子技術等 此種研究已難以單獨實驗室的研究模式進行, 必需依靠整合各種領域及特殊技術的研究團隊才能有效推動研發
第 5 章生醫光電產業與市場瞭望 5-3 在生物醫學的研究上, 觀察活體中之微小分子 ( 或細胞 ) 對其它分子 ( 或細胞 ) 間之交互作用, 並量測相關的參數, 並進而操控這些分子 ( 或細胞 ), 在早期是許多研究人員的夢想 如今, 藉著生醫光電科技的發展, 當初的夢想已能逐步實現 許多新的生物醫學研究領域已因而開發出來, 許多新藥研發的時程, 藉如大量使用光電科技之高通量篩檢 (High Throughput Screening, HTS) 科技, 亦縮短了許多 我們相信, 生醫光電的發展, 將使生物科技的發展與其他領域 ( 如光電 微機電 材料 半導體 資訊 精密機械, 物理與化學等 ) 產生聯動效應, 對台灣下一波的產業提供新機與沃土 藉此發展所培育的人才, 將成為台灣知識經濟的重要支柱
第 5 章生醫光電產業與市場瞭望 5-4 5-2 生醫光電應用 光動力療法 (Photodynamic Therapy, PDT) 光動力療法是注射光感物質到有病變的細胞, 如癌細胞等 因為這些病變的細胞代謝這些光感物質較慢, 或是無法代謝而累積在這些病變細胞中, 藉由光的照射 350nm~700nm, 將這些特定的病變細胞殺死, 而較不會殺死其他正常細胞 美國 FDA 歐洲和日本等國家已進行臨床實驗, 並以光動力療法來治療腫瘤 在台灣, 有臺大醫學院光電生物醫學中心的陳進庭副教授, 利用光動力療法治療口腔癌, 並開發簡易的 LED 光源 ( 如圖 5-2-1), 取代傳統的雷射光源 利用光動力療法的原理, 在眼科的黃斑部病變 皮膚疣 食道癌 膀胱癌 肺癌 食道癌 子宮頸癌 胃癌等都可見臨床應用的報告 由於光動力療法屬於非侵入式, 對於傳統的化療將更能有效的殺死癌細胞 圖 5-2-1 光動力療法治療口腔癌的工具 資料來源 : 光動力療法最主要的二個原素為光和光感物質 施行此種療法時, 患者通常先需服用一種光感物質製劑, 讓腫瘤細胞吸收此種光感物質後, 再以特殊波長的光, 照射腫瘤細胞, 加以激發及殺死腫瘤細胞 當腫瘤組織中的光感物質以特殊波長的光加以激發時, 光會將其能量轉移至氧分子, 導致形成活性氧物質, 此活性氧物質即可將腫瘤細胞直接殺死, 或可破壞腫瘤中的血管系統, 形成血栓,
第 5 章生醫光電產業與市場瞭望 5-5 造成腫瘤細胞壞死 也有學者認為光動力治療, 可以激發人體的免疫系統, 以進一步殺死腫瘤細胞 5- 氨基酮戊酸 (ALA) 可以成功的用於診斷及治療人體的癌症或癌前病變 根據過去學者之研究, 利用 ALA 之光動力治療, 可用於治療食道癌 膀胱癌, 皮膚癌和口腔癌, 及用於治療食道, 子宮頸 膀胱 皮膚和口腔癌前病變, 其療效都相當令人滿意 ALA 本身並非光感物質, 它是光感物質原紫質 IX( protoporphyrin IX, PpIX) 之前驅物質 通常全身性服用或局部塗抹 ALA 後, 經過 1.5 至 6 個小時後,ALA 會被代謝成 PpIX, PpIX 於腫瘤或變異上皮細胞中的濃度, 通常會高於正常上皮細胞中的濃度, 我們即可利用此種特性, 以施行 ALA 媒介之光動力治療 ALA 於服用後 48 小時內, 可以被身體代謝清除乾淨, 因此使用 ALA 之光動力治療, 較無皮膚光過敏之問題存在 1. 光動力 (PDT) 用於口腔癌口腔癌之病因主要和嚼檳榔 吸菸和喝酒有關, 台灣人愛嚼食檳榔, 因此口腔癌的發生率也較一般歐美國家為高 約有 200 萬以上人口有嚼檳榔之習慣, 約 80% 之口腔癌死亡病例和嚼檳榔習慣有關 由於愛吃檳榔的患者, 長期在嚼時檳榔下, 口腔的細胞通常都纖維化, 在門診時, 嘴巴都不易張開, 此外, 傳統判斷是否得到癌病變的方式為切片, 切片不僅令病人感到疼痛, 此外切下來的部位, 會因醫師的經驗不同, 而產生不同癌病變判斷的結果 因此, 透過 PDT 的治療方式, 台大醫院發現以 5-ALA 的光感物質搭配 PDT 療法, 對口腔疣狀增生效果特別好 同時, 研究團隊也研發新的藥物傳輸模式, 利用 5-ALA 和膠狀物的結合, 在口腔中因溫度上升而凝固, 可以增加 5-ALA 在細胞內的吸收濃度, 進而達到更好的治療效果 此外, 一個有效的光動力治療, 必須不斷的有新的 PpIX 產生及氧氣供給, 我們相信每次 180 秒之照光後, 休息 180 秒, 將使病變組織產生新的 PpIX 及獲得新的氧氣供給, 因此當然可以獲得較佳的光動力治療療效
第 5 章生醫光電產業與市場瞭望 5-6 2. 光動力 (PDT) 用於外科 PDT 用於治療外, 也可以當做癌病變細胞的指示標記 ( Bio-Marker) 在紫外光或藍光的照射下, 具特異選擇性累積在腫瘤的光感物質, 會產生螢光 (fluorescene), 可以協助腫瘤的診斷及尋找腫瘤的位置及範圍 也就是說光感物質不但能夠用來治療腫瘤, 也可以用來診斷, 實在是一箭雙鵰 由於癌細胞與正常細胞之間並無特異的標示, 因此很難發展出具有高度特異性的抗癌治療方法 有些治療方式是基於腫瘤與正常組織的空間位置差異, 例如手術切除與放射線治療, 有些治療則是基於癌細胞與正常細胞之微小差異, 例如化學治療 因此幾乎所有抗癌治療均會對正常組織有不可忽視的某種程度的損害, 也就是說為了殺滅癌細胞, 正常組織也要付出相當大的代價 而大家所熟知的抗生素治療, 由於細菌與人類細胞具有顯著的差異, 所以抗生素能夠治癒感染症而不會對人體有太大的毒性或傷害 放射線治療及化學治療每次治療通常只能殺滅一定比率的癌細胞而不是一定數目的癌細胞, 因此很難治癒癌症 目前影像學檢查的解析度很難發現很小的癌瘤, 而且癌瘤還小時通常沒有症狀, 不會施行昂貴的影像學檢查, 所以一般而言癌瘤被發現時大約至少有 10 克, 也就是說大約有百億 (10 10 ) 個癌細胞, 治療後即使影像學已經見不到癌症, 可能還有一億 (10 8 ) 個癌細胞 ( 約 0.1 克 ) 存在, 不久之後腫瘤復發也就不足為奇了醫生對付增生的癌細胞, 通常都是以開刀的方式移除, 並在癌病變以外的地方多切除一些, 以免因為其他地方有潛藏的癌病變因子 這種切除方法對肝臟的運作影響較小, 但對於腦瘤的患者, 多切除一分, 就對身體功能產生障礙 因此, 透過 PDT 的光感物質, 對於外科醫師可以切換不同的光源, 從白光 藍光到紅光, 判斷出腦瘤細胞的正確位置, 而予以切除, 而不會多切除正常的細胞 與手術 化學治療 放射線治療等常規治療手段相比, 光動力治療最大的好處是可以反覆施予, 亦可與手術 化學治療及放射線治療同時進行 光動力療法具有下列重要優點 : 1. 創傷很小, 侵入性低
第 5 章生醫光電產業與市場瞭望 5-7 2. 毒性低微, 副作用少 3. 選擇性好, 不傷害重要器官功能 4. 可重復治療, 不會產生耐受性 5. 可進行恩慈治療, 有效減輕痛苦 6. 輔助性地增加手術治療效果 7. 消滅隱性癌病灶, 不會損及外觀容貌目前國外已經有多個醫院以光動力治療作為腦瘤手術的輔佐性治療, 主要的理論基礎基於惡性腦瘤幾乎不會全身性轉移, 但幾乎都會局部復發, 手術切除腫瘤之後, 術中給予光動力治療將可選擇性殺滅殘留的腫瘤細胞而不會傷害周圍的腦組織 實際臨床治療效果雖非很神奇, 但確實能改善治療結果, 例如 Stylli 等人以光動力治療輔佐手術切除治療了 358 例惡性神經膠瘤病患, 其中最惡性的多形神經膠母細胞瘤 (GBM, glioblastoma multiforme) 中位存活期 ( median survival) 為 14.3 個月, 比目前手術切除加上放射線治療加上化學治療的結果 ( 約 8.5-12.5 個月 ) 來得好 3. 光動力 (PDT) 用於皮膚疾病皮膚是人體極佳的保護層, 阻擋了很多有害物質進入身體 但是, 同時我們所塗抹的外用藥高, 也不容易達到病變的位置而產生療效 因此若能透過光的照射, 穿過皮質層達到病變位置而達到治療效果 目前 ALA-PDT 于皮膚的應用主要有皮膚癌的治療 皮脂疾患青春痘的治療 抗老化回春醫療及皮膚感染性疾患的醫療 其中, 皮膚感染性疾患的醫療方面, 台大醫院在疣的 PDT 治療方面, 有相當不錯的成績,ALA-PDT 的完全治癒率達 80%, 部分治癒率及完全無效僅 20% 和傳統臨床上有一些治療方法如外科割除 使用液態氮的冷凍治療或電燒, 但皆會造成疤痕及治療時的劇烈疼痛及治療後的高復發率的方式比較, 為另一種不錯的治療方式 其為一的缺點是, 在光照之下, 因每個人的體質不同, 會有疼痛不一的感覺 ( 通常會感覺痛, 代表有殺死細胞 ), 可藉由選擇不同光源或施加局部麻醉
第 5 章生醫光電產業與市場瞭望 5-8 生醫光電產品 University of Pennsylvania( UPenn) 的 Britton Chance 和其同僚發展出可攜式乳癌偵測器, 預期在三年後上市 乳癌是早期發現, 早期治療的復原率最高, 但是傳統偵測乳癌的儀器是 X-Ray, 並非輕易可以測試 而這個可攜式乳癌偵測器大小約 10 X 10cm( 如圖最右邊 ), 大小和血糖測試器差不多 ( 如圖中間 ), 而其使用 LED 的波長為遠紅外線 650nm~900nm 光譜範圍 這個範圍的波長可以穿透皮下 5 公分的脂肪組織, 而有癌病變的組織, 因為其附近血管增生較多, 相較正常的組織會吸收較多的遠紅外線 藉由光被吸收的強弱不同, 則可將有問題的部分紀錄在內部的晶片中, 再由研究人員做近一步的判讀 由小型的 preclinical trial 一百位婦女的實驗中發現, 這個儀器的準確度達到 92%, 和 MRI 差不多並優於 X-Ray 的偵測 此外, 由於不需要切片判斷癌病變, 和遠紅外線有較好的穿透度, 對於初期的乳癌有很好的預防效果, 而且對 40 歲以下的婦女, 因為其脂肪較結實, 也較不會有判斷上的錯誤 圖 5-2-2 偵測乳癌的工具 資料來源 :Drexel University 結論在國科會學界支持方面, 有國立陽明大學生醫光電工程研究所 臺大醫學院光電生物醫學中心 台灣大學應用力學研究所 台灣大學工學院醫學工程學研究所 國立成功大學 ( 微奈米科技研究中心 ) 財團法人工業技術研究院生物與醫學工程中心 清華大學原子科學系 清華大學材料科學與工程系 義守大學生物醫學工程學系 國立高雄第一科技大學光電工程研究所 國立彰化師範大學機電工程學系暨研究所 國立臺灣師範大學光電科技研究所等, 對
第 5 章生醫光電產業與市場瞭望 5-9 生醫光電不同範圍領域進行探討研究 台灣對生醫光電的產品開發能力不差, 並有極好的量產能力 倘若台灣的法規能有效的制定生醫光電的規範, 並和美國 歐洲等法規銜接, 相信生醫光電產業將是台灣另一個發展優勢