理學院

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學院概況

理學院設有數學系、物理學系、化學系、生命科學系、地球科學系、資訊工程學系6個系(均含學士、碩士及博士課程),及科學教育研究所、環境教育研究所、光電科技研究所及海洋環境科技就所4個獨立研究所,另設有生物多樣性國際研究生博士學位學程。全學院專任教師約180人,陣容十分堅強,無論師資、學術長現、社會貢獻與影響力均居全國之首。

特色

理學院位在國立臺灣師範大學分部校區內,座落於臺北市公館,佔地約10公頃,是個小而美的校園,內含國際會議廳、圖書館、實驗室、天文臺等完善設施。

理學院創院已逾六十年,在此堅固基礎上,理學院不僅在基礎科學上有豐碩的表現,更在臺灣許多研究中獨占鰲頭,曾孕育出五位中研院院士。近年來,更致力於跨領域研究,並在應用科技上加強與業界合作,院內教師每年均取得多項專利,所開發之商品廣泛應用於醫、藥、化妝品、食品加工業、農業、環保、資訊、教育產業及日常生活中。

在科學教育研究上,臺灣師大理學院之排名更高居世界第一,此外更有獨步全臺的科學教育中心,該中心就中學科學課程、科學教與學等方面從事研究與推廣服務;是全國人力最充足,設備最完善,具有良好服務品質的中心。

在理學院紮實、多元的研究基礎下,學生可依其性向、興趣做出寬廣之選擇,無論對其未來進入學術研究領域、教育界或工業界工作,均是絕佳選擇。

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    以癌細胞株與動物模式探討吲哚結構化合物對於腫瘤細胞的生長抑制及其機轉
    (2011) 黃信銘; Sin-Ming Huang
      背景:前人研究指出,多種吲哚類化合物具有抑制細胞分裂的效果,進而導致癌細胞的細胞週期停滯和細胞凋亡。我們實驗室先前的研究證明,3-indole這個新穎的吲哚結構化合物可在30M的濃度下,藉由粒線體途徑(mitochondrial pathway)引起肺癌細胞凋亡,並在動物模式中抑制腫瘤生長。目的:本篇研究探討低濃度3-indole(10M)對癌細胞造成的生長抑制及其分子機轉。另外,我們也發展了另一個新穎的吲哚類化合物—SK228。我們利用細胞及動物模式,探討其對癌細胞生長的影響及其分子機轉。結果:在以10M 3-indole處理A549、CL1-1及H1437肺癌細胞株之後,發現癌細胞生長被抑制,並且造成細胞週期停滯於G1期。3-indole引起的DNA損傷由Comet assay所驗證,並且數種DNA損傷反應蛋白質及G1期調控蛋白質(例如RB、p53、p21和 SMAD3)在3-indole處理後表現量增加。我們進一步發現,3-indole也會引起DNA損傷反應路徑—ATM/ATR路徑的活化;另外,活性氧自由基(reactive oxygen species, ROS)的抑制劑rotenone能降低3-indole引起的DNA損傷和ATM/ATR反應路徑的活化。這些結果指出,ROS在3-indole引起的癌細胞生長抑制中,扮演重要的角色;動物異種移植(xenograft)實驗進一步證明,3-indole在細胞模式中活化的反應路徑,亦可見於動物模式中。在SK228的研究中,我們發現該化合物可有效的抑制肺癌及食道癌細胞生長,而對於正常肺纖維母細胞則無明顯影響。在以SK228處理過的細胞中,觀察到代表細胞凋亡的「細胞膜內膜外翻」的現象,指出SK228會引起細胞凋亡。我們進一步驗證了,SK228藉由與DNA的結合、鑲嵌及產生ROS而造成DNA的結構改變及損傷。SK228的處理會促進cytochrome c從粒線體釋放至細胞質中,以及caspase-3 和 caspase-9的活化,但不影響caspase-8的活性,並且這些反應可被ROS的抑制劑rotenone所抑制。另外,BCL-2家族的蛋白質表現量及粒線體外膜的完整性,亦受到SK228的影響。我們更進一步發現,SK228藉由降低FAK/paxillin路徑及RhoA的活性而抑制癌細胞的轉移能力。另外,動物實驗也證明SK228可有效抑制腫瘤細胞的生長,並且沒有引起明顯的體重變化或血液學、生化學上的明顯傷害。而且,藉由TUNEL assay和免疫組織化學染色證明,SK228可在動物模式中誘發癌細胞的細胞凋亡,進而抑制腫瘤生長。結論:本實驗證明,低濃度3-indole會藉由產生ROS而造成DNA損傷,並引起ATM/ATR路徑和TGF-β/SMAD路徑的活化,進而使細胞產生細胞週期G1期停滯現象。另外,SK228會藉由造成DNA損傷及ROS的產生而誘使癌細胞經由粒線體路徑進行細胞凋亡,並且也證明SK228可以在低濃度下有效抑制癌細胞的轉移能力。
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    PPP2R2B基因:啟動子記述及Bβ1/Bβ2 isoform在神經退化的角色
    (2010) 林志信; Chih-Hsin Lin
      PPP2R2B (亦稱為Bβ)廣泛表現在神經元,可調節去磷酸酶PP2A對tau及其他受質的去磷酸化作用。PPP2R2B基因5'端CAG重複擴增,導致體染色體顯性遺傳的神經退化性疾病第十二型小腦萎縮症。相反地,低轉錄活性且稀有短的等位基因,與台灣阿茲海默氏病和原發性顫抖症相關。本論文的第一部分在探討PPP2R2B基因CAG重複序列的角色,和鄰近cis要素及相關蛋白質調控PPP2R2B表現的情形。缺失/特定點突變、電腦模擬、cDNA 過度表現等實驗顯示,CREB1和SP1結合在CAG 重複的上游保守序列,來增加PPP2R2B的表現;然而TFAP4結合在CAG 重複的下游保守序列,來降低PPP2R2B的表現。DNA pull-down和染色質免疫沉澱-聚合酶連鎖反應等實驗進一步證實,CREB1、SP1和TFAP4結合在PPP2R2B起動子上。AT重複置換CAG重複的實驗顯示,CAG重複本身亦為一正調控PPP2R2B表現的cis要素。這些結果顯示CREB1、SP1和TFAP4在調節PPP2R2B表現中扮演角色,因此提供了一個調節PP2A活性的機制。論文的第二部分著重在建立穩定誘導表現Myc標籤的Bβ1/Bβ2細胞株,來探討Bβ調節的PP2A在神經退化中所扮演的角色。被誘導的Bβ1和Bβ2蛋白分別座落在細胞質和粒線體。Bβ細胞株的細胞週期分析顯示Bβ2表現的細胞,subG1和G2/M顯著增加,並伴隨著細胞存活率的顯著降低及cell division cycle (Cdc2)磷酸化的增加。表現Bβ2的細胞其特徵包括:活性氧自由基(ROS)和caspase 3活性增加、粒線體膜電位降低、Bax增加和cytochrome c由粒線體釋出至細胞質等,暗示Bβ2會誘導細胞自戕。抗氧化劑-tocopherol的添加可減弱ROS產生及cytochrome c釋放。總言之,這些結果顯示Bβ2能透過提升粒線體ROS的產生而誘導細胞凋亡。因此抑制Bβ2表現可能被發展為有潛能的治療策略,來治療與PP2A/Bβ2活性增加相關的神經退化性疾病。
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    以肺癌細胞株與動物模式探討新穎的吲哚結構合成化合物1,1,3-tri(3-indolyl)cyclohexane抑制腫瘤細胞生長機制
    (2008) 李慶孝; Ching-Hsiao Lee
    目的:肺癌在世界各地無論男性或女性都是發病率、死亡率名列前茅的惡性腫瘤。因此,發現與合成新穎的肺癌治療抗癌藥物是刻不容緩的工作。材料與方法:本研究發展了一種新穎的吲哚結構合成化合物1,1,3-tri(3-indolyl)cyclohexane (3-indole),設計使用二步法合成,該技術方法縮短製備過程,產品質量和產量也獲得提高,並藉由人類肺癌細胞株 (A549, H1299, H1435, CL1-1, and H1437) 來探討新穎抗癌藥物對於肺癌細胞的毒殺作用及其機制,同時進行前臨床動物實驗測試。結果:新穎的抗癌藥物3-indole經由不同濃度處理,可以誘導人類肺癌細胞株 (A549, H1299, H1435, CL1-1, and H1437) 進行細胞週期休止 (cell cycle arrest) 及細胞凋亡 (apoptosis)。細胞週期研究初步實驗結果顯示調控細胞週期休止的蛋白p53與p21表現增加,顯示p53/p21相關訊息傳遞路徑重要性。目前已知有兩個機轉可以調控細胞凋亡現象,第一個作用機轉是經由caspases (cysteine-dependent aspartate-specific proteases) 相關性機轉活化而引起細胞凋亡,目前已被認定有粒線體參與訊息傳遞的內在路徑與細胞外死亡訊息接受器作用的外在路徑;第二個機轉是經由caspases非相關性機轉。西方墨點法實驗結果顯示,調控細胞凋亡進行的促進凋亡蛋白Bax、Bad表現增加,抗凋亡蛋白Bcl-2表現下降,而粒線體細胞色素C釋放至細胞質情形也有增加,另外一方面,透過caspases活性分析實驗結果顯示,3-indole主要是藉由caspases-9、caspases-3參與粒線體訊息傳遞的內在路徑以誘發細胞凋亡發生。此外,3-indole誘導A549人類肺癌細胞株粒線體膜電位下降、活性氧分子 (reactive oxygen species, ROSs) 產量增加,與細胞生長調節相關MAPK (Mitogen-activated protein kinase) 家族分子c-Jun N端蛋白質激酶 (JNK) 表現增加,同時顯示有DNA損傷情形。進一步活性氧分子抑制劑實驗結果顯示,JNK表現與DNA損傷可部分減少。3-indole誘導細胞凋亡情形受到活性氧分子抑制劑或JNK訊息抑制劑阻斷,顯示活性氧分子與JNK壓力相關訊息傳遞路徑重要性。此外,初步實驗結果,其他生長調節相關訊息傳遞蛋白 (如Akt與p38/COX-2) 表現也受到3-indole抑制,顯示PI3K/Akt與p38/COX-2訊息傳遞路徑重要性。同時前臨床動物實驗測試結果顯示3-indole抑制A549及H1435肺癌細胞株生長。結論:3-indole在細胞模式與動物模式呈現具有抑制肺癌細胞株生長的作用,其誘導細胞死亡是透過ROS與JNK路徑之粒線體訊息傳遞的內在細胞凋亡,同時可誘導細胞週期休止以及抑制肺癌細胞株Akt與p38/COX-2的表現,顯示使用二步法合成,具有高質量和產量的3-indole具有發展作為新穎的抗癌症用藥的價值。
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    鑑定新藥物NH040-1透過抑制神經細胞內質網壓力以治療第十七型脊髓小腦共濟失調症
    (2015) 鄭瑀萱; Yu-Hsuan Cheng
    第十七型小腦脊髓共濟失調症 (Spinocerebellar ataxia type 17; SCA17) 是一種由多麩醯胺(polyglutamine; polyQ)蛋白異常擴增所引起的神經退化性疾病,致病原因是在TATA box binding protein (TBP) 基因上CAG三核苷序列重複出現不正常擴增,因而轉譯出異常的polyQ蛋白表現;polyQ蛋白異常擴增造成蛋白質錯誤折疊及聚集(Aggregation),另外未折疊及錯誤折疊蛋白若在內質網內堆積會引發內質網壓力 (Endoplasmic reticulum stress; ER stress),而細胞會啟動未折疊蛋白反應 (Unfolded protein response; UPR) 保護機制以修復內質網功能,一旦壓力持續未解決,反而會誘發由內質網介導的凋亡路徑進而造成細胞死亡。此外內質網功能失調也會增加活性氧 (Reactive oxygen species; ROS) 的生成,誘發氧化壓力而加劇傷害。近年來,越來越多研究認為內質網壓力及氧化壓力可能參與第十七型小腦脊髓共濟失調症致病過程,且許多文獻指出,中草藥的使用具有治療退化性疾病之潛力。因此,本研究設計 (I)人類神經瘤母細胞 (Neuroblastoma SH-SY5Ycells) 以毒蘿蔔素 (Thapsigargin; TG) 及衣黴素 (Tunicamycin; TM) 誘導的內質網壓力、(II) SCA17 nTBP/Q79-EGFP細胞以多西環素 (Doxycycline)誘導出polyQ蛋白表現 (III) SCA17小鼠模式三階段實驗,鑑定金銀花 (Lonicera japonica)之有效成分NH040-1是否具有保護神經細胞的作用。實驗結果顯示NH040-1可增加由TG或TM所造成細胞死亡的生存率、可抑制神經細胞凋亡、可降低內質網壓力路徑相關蛋白的表現並可減少由內質網壓力產生的活性氧生成量,顯示NH040-1對內質網壓力誘導的細胞死亡具有改善效果;並進一步以多西環素誘導出的SCA17 nTBP/Q79-EGFP細胞,我們發現NH040-1可對Q79細胞型態退化有顯著改善效果、減少Q79細胞聚集的現象、且可降低內質網壓力誘導的細胞凋亡表現。實驗進一步轉移至SCA17基因轉殖小鼠上,藉由腹腔注射NH040-1藥物,透過滾輪、步行等實驗觀察其行為,結果顯示NH040-1能夠有效地促進其滾輪上之行為分析以及改善步行印跡,在其運動失調的症狀上發揮療效,並且可以減少基因轉殖小鼠小腦中TBP/polyQ 蛋白的不正常聚集及內質網壓力介導的細胞凋亡現象,以及改善Purkinje cells失序分佈。綜合以上實驗結果,NH040-1具有透過抑制內質網壓力及活性氧生成的表現,進而治療第十七型小腦脊髓共濟失調症的潛在能力。
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    傳統中醫藥緩解錳中毒的治療潛力
    (2016) 徐志翔; Hsu,Chih-Hsiang
    本論文的主要研究目的為探討傳統中醫藥是否具有緩解錳中毒的治療潛力。過去文獻指出錳礦工人會因為吸入大量的錳而引起神經系統中毒以及勃起障礙的症狀,人體如果攝取過量的錳也會造成嚴重的神經系統疾病、行動障礙、心智和情緒的異常,嚴重的錳中毒甚至誘發類巴金森症候群。然而,臨床上利用西方藥物治療人體錳中毒的效果卻相當有限,如果選擇傳統中醫篩選緩解錳中毒的中草藥,則為錳中毒患者帶來替代治療的希望。為此,本研究選擇具有緩解發炎與氧化壓力的中藥配方B401,利用口服餵食錳毒處理的實驗雄鼠,探討中藥配方B401是否具備緩解錳中毒的治療潛力。本實驗選用的中藥配方B401,首先利用高效液相層析儀分析中藥各個配方的有效成分,再利用MTT分析檢視中藥配方B401的半抑制濃度;確定中藥配方B401的有效成分與半抑制濃度後,本實驗選用50隻ICR雄鼠,分為正常飲食(Sham)、錳毒處理(Mn)、餵食中藥配方B401 (B401)、以及餵食中藥配方B401加錳毒處理(B401+Mn)四組。實驗處理過程中,利用滾輪運動實驗檢視四組小鼠的運動與平衡能力,最後四組小鼠分別給予麻醉藥物處理後,採集小鼠血液,利用化學發光分析法檢視並且比較血液中活性氧化物質,同時利用多功能電化學偵測儀‎檢視並且比較陰莖組織一氧化氮的含量;隨後利用心臟灌流方式犧牲,採集四組小鼠的腦部與陰莖組織,再利用免疫組織化學染色以及西方轉漬方法檢視腦部與陰莖組織的相關蛋白質表現。實驗結果顯示ICR雄鼠給予錳毒處理後,會顯著增加血液中活性氧化物質(ROS)表現以及降低陰莖組織中一氧化氮(NO)的含量;從免疫組織化學染色以及西方轉漬方法的結果發現,ICR雄鼠給予錳毒處理後,會顯著降低腦部組織中多巴胺、多巴胺接受器、以及大腦神經生長因子(BDNF)的表現,以及降低陰莖組織中神經型一氧化氮合酶(nNOS)、内皮型一氧化氮合酶(eNOS)的表現;此外,ICR雄鼠給予錳毒處理後,對於腦部與陰莖組織均會增加氧化壓力、發炎反應以及細胞凋亡作用的標記蛋白表現。當ICR雄鼠預先餵食中藥配方B401,再給予錳毒處理,相較於單獨錳毒處理的ICR雄鼠,血液中ROS表現會顯著降低,陰莖組織中NO的含量則是改善增加;從免疫組織化學染色以及西方轉漬方法的結果發現,預先餵食中藥配方B401會使錳毒處理的ICR雄鼠腦部組織中多巴胺、多巴胺接受器、以及BDNF的表現會顯著回升;陰莖組織中nNOS、eNOS的表現也會顯著回升;此外,預先餵食中藥配方B401會使錳毒處理的ICR雄鼠腦部組織與陰莖組織的氧化壓力、發炎反應以及細胞凋亡作用的標記蛋白表現顯著下降。由以上實驗結果發現,ICR雄鼠口服中草藥配方B401可以透過促進腦部組織中多巴胺以及BDNF的表現,以及緩解腦部的氧化壓力、發炎作用與細胞凋亡反應來緩解錳毒引發的神經系統毒性;此外,ICR雄鼠口服中草藥配方B401可以透過增加陰莖組織中NO、nNOS、eNOS的表現,以及緩解陰莖組織的氧化壓力、發炎作用與細胞凋亡反應來緩解錳毒引發的陰莖毒性。因此,本論文結果認為中草藥配方B401應該具有緩解錳毒引起之神經毒性或是生殖毒性的醫療潛力。
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    探討間葉幹細胞在以N-nitrosodimethylamine誘發成肝炎、肝纖維化及肝癌之大鼠體內的生理、病理角色
    (2017) 賴怡安; Lai, Yi-An
    在台灣、亞洲及南非地區肝細胞癌是最嚴重的癌症。由於肝癌無論是手術治療或非手術治療,其治療效果均與腫瘤期別有密切關係,因此早期診斷、早期治療是非常重要的。然而高達80%的原發性肝細胞癌病人於五年內會再併發復發性肝細胞癌,其再復發的機制至今仍不十分清楚。因此對於肝癌之形成機轉、復發原因與預防或治療方式之探究是至為重要的。 隨著不同時期和程度的肝損傷,過度的活性氧(reactive oxygen species, ROS) 如O2˙-、H2O2 以及NO會造成脂質過氧化(lipid peroxidation)、蛋白質氧化(protein oxidation)、DNA損傷(DNA damage) 與突變產生(mutagenesis)。這些活性氧(reactive oxygen species, ROS)d可能主要來自肝細胞之粒線體、活化的巨噬細胞(activated macrophages, 或稱Kupffer cells)與入侵之中性球(infiltrating neutrophils)。活性氧(reactive oxygen species, ROS)會啟動細胞核因子nuclear factor-kappa B (NF-kB) 與activator protein-1 (AP-1) 移位至細胞核而造成許多發炎細胞激素的釋放引起發炎。過量活性氧(reactive oxygen species, ROS)透過Kupffer cell內的 NADPH oxidase 或是肝細胞之cytochrome P4502E1 (CYP2E1) 會促進肝臟內之stellate cells 活化而造成肝纖維化與肝癌。 肝損傷時肝臟內許多細胞受原位細胞或發炎細胞氧化壓力增加引起Bax/Bcl-2 family啟動細胞凋亡 (apoptosis)、caspase 1/IL-1調節之發炎性細胞死亡(pyroptosis)或Beclin-1/LC-3β調節之細胞自噬 (autophagy)造成肝功能損傷進而形成肝腫瘤。間葉幹細胞(MSC)具有極佳自我更新(self-renewal)及增生(proliferation)能力,MSC同時也具有旁分泌(paracrine)的功能,其培養基(CM)中可能含有高量的growth factors、cytokines及prostaglandins。這些物質會增加細胞增生、存活及血管生成而提升組織修復。 為探究MSC之治療效益,我們利用以N-nitrosodiethylamine (DEN)刺激肝發炎、硬化與腫瘤之大鼠動物模式,評估MSC給予對DEN誘發肝發炎、硬化與腫瘤之病理生理效應。研究發現靜脈給予MSC後,其主要匯集於受傷的肝臟組織。另外,MSC的給予改善DEN引起之肝發炎、硬化與腫瘤等病理特徵,包括降低Masson染色之損傷指標、細胞凋亡、細胞自噬,發炎性細胞死亡表現,並降低肝功能AST與ALT之數值。綜合研究結果,MSC有相當之潛力發展成為對肝損傷患者之細胞治療製劑。
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    含氟抗生素光誘發聚合類核黃素及導電高分子的反應與葡萄糖感測應用
    (2011) 洪嘉均
    含氟抗生素Lomefloxacin(簡稱LFLX)在含氧環境中受到UV光照射時會進行脫氟反應,所衍生的碳烯可與氧氣反應,進一步生成高反應性含氧自由基(Reactive oxygen species,簡稱ROS)。有鑒於此,本論文利用黃血鹽、NADH、維生素C與Ru(bpy)32+探討其氧化力,發現其氧化力高達1.0 V。根據此一結果,我們藉以對類核黃素、苯胺及吡咯進行氧化聚合反應。原子力顯微鏡(Atomic force microscopy,簡稱AFM)分析結果顯示:這些具電化學活性單體可被LFLX氧化,而聚合固定於導電玻璃表面。因此,我們也以之製備類核黃素、苯胺及吡咯修飾電極,藉以對過氧化氫進行檢測。實驗結果顯示:聚苯胺修飾電極可降低過氧化氫過電壓。若在這些電極表面再修飾金屬微粒,如白金、銀與銅,發現聚苯胺-銀修飾電極對過氧化氫具有更高檢測能力,我們也藉以製備葡萄糖修飾電極,成功對葡萄糖進行定量分析。