以矽奈米電子元件為基礎之生醫檢測平台開發:以B肝病毒表面抗原檢測為例( I )

Abstract

過去 6 年，本研究團隊在學校的支持下已建立相關奈米生電子醫成測元件之製作技術，並初 步驗證此元件對生物分子檢測的超高靈敏度，部分研究成果已發表於國際一流期刊並已申請美 國專利中。為暸解現階段醫療檢測的瓶頸與需求，近年來本研究團隊更積極與國內各醫學中心 和醫學研究團隊頻繁交流，並獲其肯定與積極參與合作之意願。合作研究之方向包括癌症、發 炎與成染、腸病毒、登革熱和各式流成病毒之檢測等，然此等檢測研究將高度仰賴大量和高靈 敏度生物元件之供應，克服此瓶頸將有賴本素之推動與執行。台灣向來以半導體和相關產業傲 視全球，如何將此等產業與生醫領域充分結合是政府與產業界努力的目標。有鑒於此，本團隊 所開發的奈米電子元件製作技術皆以現行半導體產業技術為主軸。幾年來的努力，此等奈米元 件的製作技術已臻完備！而下一階段的首要工作將是如何充分結合產業與醫學中心專業醫療人 員，進行奈米電子元件之工業化量產，開發儀器等級之生醫檢測系統，進而實施大規模的真實 樣品檢測。過去幾年來，本團隊於研究室內開發並完成製作此等元件，以供研究所需。利用此 等奈米電子元件，本團隊已建立快速檢測方法與電性量測平台。去年，經由本校吳前校長與校 友會的協助，開始將我團隊之專利技術引入園區電子廠評估工業化量產之可行性，初步結果令 人振奮!但因量產製程條件尚待確立且所需經費龐大，所得之奈米電子元件的適用性亦待全面測 試，故擬以此計畫結合產業界與醫界，還定有市場規模與醫療重要性的肝病毒表面抗原(Hepatitis B Virus surface antigen)為快速檢測標的，以整合開發奈米電子元件量產開發和系統，用以驗證 此奈米生醫檢測平台之實用性。相信計畫之執行將可克服實驗室技術和工業化製造之技術銜接 問題。

子計畫一將利用側壁邊襯(side-wall spacer)技術，在(100)絕緣矽(SOI)矽晶基材上，研製特性 極佳之無介面矽奈米電晶體以作為生醫成測元件，並將無介面矽奈米電晶體投產，所製作之元 件將提供子計畫二作為檢測平台之測試。子計畫二將針對奈米生物成測器進行初步測試、定性 分析及定量檢驗，將負責檢視子計畫一所發展之奈米檢測平台是否可以成功搭載市售 B 型肝炎 抗原抗體以及子計畫三所發展之單株抗體，在臨床檢體上可以成功地進行定性分析及定量分 析。另外，子計畫二也將檢測子計畫一及子計畫三所發展之奈米檢測平台及單株抗體，在不同 的檢體種類、不同基因型的的 B 型肝炎患者、不同的 B 型肝炎抗原濃度、不同的疾病程度等狀 態下，其檢測的敏成度、特異度及正確度。如果發現在某些特定族群的偵測結果不盡理想，將 與各子計畫主持人共同研討可能的問題以及解決的方式。子計畫三將針對 B 肝病毒表面抗原， 開發其有高度專一性及靈敏性之辨識性生物分子，並將其位向固定化於子計畫所製作之奈米元 件上，以進行生子計畫二所收集之臨床檢體進行檢測，驗證平台商業應用之潛力，經由掌握自 有之專一性及靈敏性之辨識性生物分子，達到不求於人，且降低成本，增進獲利及提升競爭力 之目標。另外，臺大醫院與榮總醫院更將參與本素之開發，計有多位醫師協助檢體收集並以傳 統方法檢驗，所得數據將與新建之平台所測得者相互比較以建立新舊平台之對映參數。合作企 業的參與可加速檢測平台開發的時間，及早建立相關量測經驗，加速進行生醫檢測平台的修正 改進，對將來產業化可立於領先的地位。總計畫將統籌整合所有資源，以 B 肝病毒表面抗原檢 測為例，於三年內建立一可定量分析之奈米電子生醫檢測平台。 本研究擬利用倒壁邊襯(side-wall spacer)技術，在(100)絕緣矽（SOI)矽晶基材上，研製無介面矽奈線電 晶體。與傳統 MOSFET 利用介面(junctions)的形成，經由間極對通道位能的調變，控制電流的有無不 同之處，無介面矽奈線電晶體擁有高度接雜通道(channel)，因此其元件本質時間延遲(intrinsic time delay)、載子遷移率受通道長度奈米化與溫度擾動的影響，都預期比傳統元件小，同時製程整合的 thermal budget 也因高度參雜通道容易控制。因此、計畫第一年擬研製延伸間極無介面矽奈米電晶體， 經熱氧化將矽元件通道厚度控制在 20 奈米(元件通道寬度 350 奈米)，達成次臨界擺幅(subthreshold swing) <75 mV/dec、Ion/Ioff > 107 的元件特性。另外、配合子計畫三在延伸間極上進行抗體修飾，並協 同子計畫二與總計畫合作廠商設計之電性放大量測象統，進行單通道檢體的 B 肝病毒表面抗原(HBsAg) 量測分析。第二年擬研製延伸間極無介面矽奈米電晶體，經熱氧化將矽元件通道厚度控制在 15 奈米 (元件通道寬度 250 奈米)，達成次臨界擺幅 <70 mV/dec、Ion/Ioff > 107 的元件特性。另外、配合子計 畫三在延伸間極上進行抗體修飾，並協同子計畫二與總計畫合作廠商設計之電性放大量測象統，進行 單通道檢體的 HBVsAg 量測分析。計畫第三年擬將延伸間極無介面矽奈米電晶體的元件通道寬度推至 180 奈米(通道厚度控制在 10 奈米)，達成次臨界擺幅(subthreshold swing) <65 mV/dec、Ion/Ioff > 107 的 元件特性。另外、配合子計畫三在延伸間極上進行抗體修飾，並協同子計畫二與總計畫合作廠商設計 之電性放大量測象統，進行多通道檢體的 HBsAg 量測分析，實現 B 肝病毒的 HBsAg 定量分析。

研究背景： B 型肝炎成染除了會導致急性肝炎、慢性肝炎，同時也是肝癌與肝硬化的重要原因，全世界每年至 少有一億人口死於 B 型肝炎相關疾病，而台灣 B 型肝炎帶原盛行率高達 15-20%。B 型肝炎成染的患

者，每 3-6 個月要進行抽血及超音波追蹤，以發現 B 型肝炎的急性發作及肝癌的發生。傳統的抽血 追蹤僅進行肝功能及胎兒白蛋白檢測，但近年來許多研究發現，B 型肝炎表面帶原(HBsAg)的定量檢 測，有助於預測 B 型肝炎病患將來疾病發展，以及蔡物治療的效果。

研究目標： 發展針對 HBsAg 進行定性及定量測量的奈米成測元件，籍以縮短量測時間，並顯著降低量測成本， 而有機會成為將來 B 型肝炎患者常規檢測的一部分。

研究方法：

在這個三年期研究計畫中，我們希望發展新穎的 HBsAg 奈米成測元件，其方法如下： 第一年：奈米成測元件臨床應用之初步測試 1. 篩選市售 B 型肝炎表面抗原抗體，檢驗其敏成度及特異度 2. 檢驗子計畫一所製作之奈米成測元件搭載 HBsAg 可行性 3. 檢驗不同濃度之 HBsAg 奈米成測元件之敏成度 4. 測試子計畫三所發展之 HBsAg 單株抗體搭載於奈米成測元件之敏成度 5. 不同血液樣本之 HBsAg 奈米成測元件條件測試

第二年：HBsAg 奈米成測元件之定性分析 1. 訓練族群之定性分析 2. 確認族群之定性分析 3. 一般族群之定性分析 4. 特定族群之定性分析

第三年：HBsAg 奈米成測元件之定量檢驗 1. 相關性初步檢定 2. 奈米成測元件之干擾因素分析 3. 訓練族群之定量檢驗 4. 確認族群之定量檢驗 5. 奈米成測元件的前瞻性臨床測試 預期研究結果： 1) 本研究將有機會發表一象列多篇論文於國際頂尖期刊，以探討 HBsAg 定量分析對於 B 型肝炎患 者之疾病發展及蔡物治療反應之重要性。 2) 本研究將有機會將製成的奈米成測元件商品化，進而部分甚或全部取代目前的 HBsAg ELISA 定 性分析以及羅氏 Elecsys HBsAg II assay 的定量分析，其預估每年的市場規模在台灣即可高達台 幣數十億元，而全世界之市場規模可達數千億元。

發展對 B 肝病毒表面抗原具有專一辨識識性的生物分子及其於生物感測之應用

B 肝病毒感染由於其高盛行行率率率、分佈範圍廣泛、及其所引發之嚴重後遺症， 已經是一個全世界共同的健康議題。在亞洲及非洲之大部分區域其感染率率率達 30~100%。全世界有超過二十億的人口被 B 肝病毒感染過，其中有三點六六億的人 口是慢性帶原者。每年年有超過六六十萬人死於 B 肝病毒感染。在臨臨床醫學，對於 輸血、器官移殖、孕婦及要接受化療療或服用免疫抑制藥的人，若若能準確地檢驗出 B 肝病毒的感染，在臨臨床檢測上將有重大的意義。另外，根據流流行行病學的研究， B 肝病毒表面抗原是一個用來來評估演變為肝癌的重要指標。近期也有文獻指出， 血液中 B 肝病毒表面抗原的定量量，可以作為藥物治療療效果的評估指標。 本子計畫之主要目標為對 B 肝病毒表面抗原 a 決定簇胜肽，開發具有高度度專 一性及靈靈敏性之辨識識性生物分子，並將其位向固定化於奈奈米元件上以進行行生醫檢 測。所欲開發之辨識識性生物分子包括了了完整的單株抗體、噬菌體表現系統得到 Fab 抗體、和奈奈米抗體(nanobody)。另外，為了了讓這些辨識識性生物分子，有最好 的辨識識能力力，將設計並合成不不同之連連接子以將其位向性固定於生物感測器元件上。 對於完整之單株抗體，將合成雙苯硼酸之連連接子，與抗體之醣基鍵結以位向地固 定在生物感測器元件上。而對於 Fab 抗體及奈奈米抗體，則是利利用修飾酶(sortase A)的活性，將抗體上修飾的 LPETG 胜肽，與元件表面的甘胺酸胜肽形成胜肽鍵。 透過這樣的方式將 Fab 抗體及奈奈米抗體將有位向地固定到元件表面。 因此，本計畫在未來來三年年之研究目標將分為以下數數項: 1. B 肝病毒表面抗原 a 決定簇胜肽片段的合成。

2. 開發針對 B 肝病毒表面抗原具有辨識識性之單株抗體。

3. 開發針對 B 肝病毒表面抗原具有辨識識性之噬菌體表現系統得到 Fab 抗 體。 4. 開發針對 B 肝病毒表面抗原具有辨識識性之奈奈米抗體。

5. 雙苯硼酸連連接子的設計與合成，以應用於完整單株抗體位向性固定。

6. 修飾酶的取得，以應用於小分子蛋白位向性固定。

7. 修飾酶之演化突變以獲得較佳活性之修飾酶變種蛋白。

8. 結合連連接子及辨識識性生物分子及抗體之為向固定化。

9. 進行行連連接子及辨識識性生物分子於矽奈奈米電子元件之固定化，並進行行生醫 檢測的探討。

經由本計畫之執行行，將可獲得專一性辨識識 B 肝病毒表面抗原 a 決定簇胜肽之 單株抗體、噬菌體表現系統得到 Fab 抗體、和奈奈米抗體。而所獲得之辨識識性生物 分子經由連連接子位向性地固定化於元件表面後將可發展成為一檢測元件，進行行 B 肝病毒之臨臨床檢測，達到產業化應用之目的。