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協作研究金:2014/2015年度獲資助之研究項目摘要

設施/設備

利用光片照明顯微鏡和生物計算工具的斑馬魚胚胎發育四維實時成像技術
項目統籌者:鄭淑嫻教授 (香港城市大學)

這個設備撥款獲得研究資助局50%的配套資金用來購買光片照明顯微鏡。這個跨學科團隊的研究人員以斑馬魚胚胎作為模式生物來研究在發育生物學和發育毒理學重要階段由來已久。在胚胎內的個體細胞與其他細胞的相互作用和在細胞外基質中移動。現在,運用光片顯微鏡能讓科學家們觀察並調查聚醣組織的三維分佈和細胞的四維集體遷移的相關性。我們的目標是用光片照明顯微鏡記錄形態發生與器官形成過程中的細胞聚集的動態形態及其移動的三維圖像。在過去這種資料很難獲得,因為現有顯微鏡的局限性。

建設先進材料原子及纳米尺度表征的三維原子探針平臺
項目統籌者:劉錦川教授 (香港城市大學)

眾所周知,材料的性能在本質上是由其原子尺度的特徵所決定。為了理解並調控材料的性能,在原子級空間分辨率定量表徵材料的結構和成分特徵至關重要。在當今所有的納米分析手段中,三維原子探針是空間分辨率最高的分析技術。三維原子探針可以同時得到原子級的三維形貌影像和化學成分分佈。而且,它可以定量檢測包括氫、氦、鋰、碳和氧在內的所有化學元素,並具有超高的靈敏性。可以相信,三維原子探針設備將會促進香港及珠三角地區在納米材料、納米技術、輻照損傷、物理、化學、生物醫學和電子工程領域的創新與發現,並為該地區學術機構和工業界的合作研究提供巨大的機遇。

基于納升液相-納級電噴霧LTQ Orbitrap Fusion質譜的方法開發及其應用在蛋白質組學與代謝組學中的研究
項目統籌者:蔡宗葦教授 (香港浸會大學)

質譜技術在支持香港地區包括蛋白組學和代謝組學在內的眾多研究項目中扮演著日益重要的角色。結合蛋白組學和代謝組學的分析平臺已經深入地滲透到了包括,但不局限於,人類健康的眾多的生命科學領域。做為功能基因組學的重要組成部分,蛋白組學和代謝組學為環境對基因調控和後天基因改變的影響提供了全局性的信息。盡管如此,對這些生物功能的紊亂和修復背後引人入勝的機理的探索,仍需要強有力的分析平臺去支持相關的蛋白組學和代謝組學的研究。本項目計劃利用我們較強的質譜專業知識配置一臺高級的儀器—納升液相色譜搭配納升電噴霧融合軌道阱質譜(Orbitrap MS),並開發相關的分析方法來篩選蛋白/多肽和代謝物類的生物標記物。融合軌道阱質譜的超高分辨率為生物標記物的鑒定和定量提供了強有力的保證,特別是在與超高效液相色譜聯用的情況下。此外,納升級的液相色譜能顯著地提高靈敏度,從而減少樣品的需求量。同時其高靈敏度和選擇性以及較寬的動態範圍保證了代謝組學和蛋白組學研究中諸多不同化學結構和來自不同生物、動物和細胞模型樣品的定量分析。

基礎科研電算中心
項目統籌者:朱明中教授 (香港中文大學)

2012年在歐州核子物理中心(CERN) 利用大型强子對撞機(LHC) 進行的ATLAS及CMS實驗分別發現了希格斯粒子(或稱上帝粒子) 。這些實驗通過高能量的質子對撞,以模擬宇宙大爆炸後10-12秒的物理狀况。每秒鐘約六億次的質子對撞,産生極大量的數據,達至每年25 PB之譜,對于數據傳輸、貯存、顯示及分析,都是前所未有的挑戰。自2014年6月,香港實驗粒子物理學團隊成爲ATLAS實驗合作組一員,開創了香港科研人員參予這項國際前沿的基礎物理硏究的機會。我們將在香港建立一個ATLAS的電算中心,以支持粒子、天體物理及宇宙學範疇的數據分析及模擬硏究。我們亦將發展擦除編碼技術,以增强數據傳輸及貯存的效率及可靠性。

用以研究高速空氣動力學之獨特且多功能穿音速至超高音速陸德維格管的建置
項目統籌者:溫志湧教授(香港理工大學)

香港國際機場是目前世界第三大繁忙的國際客運機場和國際貨運樞紐。航空工業及香港國際機場對香港的國民生產總值的直接貢獻超過5%。考慮到近來亞太地區,特別是中國的航空工業的急速擴張, 香港特別行政區政府為了保證香港國際機場的超級航空運輸中心的戰略地位,正在建造第三條跑道,並希望通過該舉措繼續發展香港的航空工業。同時,中國也表現出強大的決心去發展自己的通用航空航太工業。為了緊密聯繫香港航空工業的優勢與中國航空的研究,航空航太工程的教育與研究是非常重要的。在現代飛行器的相關學科中,高速空氣動力學是最基本的和關鍵的學科。原因在於大多數的飛行器是近音速飛行,戰鬥機是超音速飛行,甚至火箭和航天器是高超音速飛行。充分理解複雜的高速空氣動力學需要依賴精確的風洞實驗。遺憾的是,目前香港並沒有高速風洞實驗室。因此,香港迫切需要建造一個大型的高速實驗設施以滿足研究和教育目的。該項目致力於提供一個獨一無二的並且多用途的平臺,並借此促進香港的高速空氣動力學的公共聯合研究和教育。這個專案的主要目標是設計建造一套帶有儀錶和高速氣流視覺化系統的跨音速至超高音速陸德維格管。另外的一個目標是進行四個多學科合作研究及實驗: (1) 亞音速/高超音速邊界層的不穩定性實驗及數值研究以及 層流至湍流的轉捩,(2) 航天器周圍高超音速稀薄氣流的實驗及數值研究, (3) 開發和測試新型微機電感測器,提高測量值的空間解析度和功能性材料的結構來延遲邊界層的轉捩, (4) 檢查測試壓縮機葉片級聯中的跨音速氣流。按照設想,跨音速至超高音速陸德維格管將不僅僅成為世界上研究高速空氣動力學的最好設施之一,並且使香港學術界能夠為快速發展的中國及香港航空航太工業貢獻更強大的高速空氣學的研究教育支持。

兼具最快速精確探測器和自動化功能的高輸出蛋白晶體衍射系統
項目統籌者:趙燕湘博士 (香港理工大學)

蛋白質晶體衍射學是現代生物醫學研究的重要技術。科學家通過它獲得蛋白質分子的三維結構,這對基於結構的機理研究和藥物開發至關重要。

香港理工大學的蛋白質晶體衍射設施自2006年建立以來,一直是一個服務多間香港高等教育院校的不可或缺的高產技術平台。過去八年來10多個實驗室已經使用這一設施進行了一系列的前沿研究,發表了40多篇學術論文,贏取了20多個競爭性資助項目。

本項目旨在為現有蛋白質晶體衍射設施添加新的尖端技術,包括最先進的探測區域檢測器以進行高品質的數據採集和可以簡化結晶過程的自動化模塊。這些升級對提升現有設施的性能至關重要,並且將促進它發展成為具有國際競爭力的一流研究中心。

添置離子淌度質譜儀以提升新藥開發的研究
項目統籌者:姚鍾平博士 (香港理工大學)

離子淌度質譜儀是配備有離子淌度技術的新一代質譜儀。相比於傳統質譜技術,離子淌度質譜既擁有傳統質譜基於質荷比差異的離子分離能力,還可以依據離子大小和形狀的差異實現更多一維的離子分離。除了快速、靈敏的特點外,離子淌度質譜儀還可有效地獲取樣品分子的結構信息。此外,離子淌度技術可降低背景干擾、分離異構體和提供化合物特征的附加信息,從而顯著地增強質譜分析復雜樣品及辨認化合物的能力。這些優勢可用於促進藥物開發等領域的發展,並開創新的研究點。

香港理工大學應用生物及化學科技學系在藥物開發領域具備雄厚的研究實力,並致力於與其它機構合作,引領具備國際水平的藥物開發研究。藥物開發研究涉及大量的分子結構相關的研究以及復雜樣品的分析。為了應對該領域日益增長的挑戰,購買在分子結構研究和複雜樣品分析具有強大功能的離子淌度質譜儀是必需的,並可以顯著地促進藥物開發的發展,構建與香港其它科研機構合作的平台。

促進跨領域材料研究的超級分辨率電子顯微鏡平台
項目統籌者:王寧教授 (香港科技大學)

材料微觀結構的測試平台在香港基礎研究領域,特別是在先進納米工程材料的結構鑑定方面具有日益增長的需求。透射電子顯微鏡是目前可以提供最高分辨率的顯微學工具,而具有革命性的磁透鏡球差矯正技術使得新一代電子顯微鏡可以提供真正的原子尺度下材料結構研究。我們計劃建立的超高原子分辨率的電子顯微鏡平台是基於先進的球差矯正技術,它將極大的提高我們的電子顯微技術,使我們的結構鑑定手段具有世界先進水平,同時有效的促進香港地區跨學科領域的研究,特別是在材料與工程學,應用物理, 機械與與土木工程,化學與化學工程,微電子和生物材料等方面。 在金屬材料,納米複合材料,能源材料,電子器件和生物材方面的研究都將受益於這個新一代的電子顯微鏡平台。 這一平台不僅極大的改善我們在尖端研究領域的能力,同時也將對科學與工程領域的學生提供更多的教學和訓練機會,並培養更多的材料鑑定與研究的專業人員。

雙光子光片顯微鏡系統
項目統籌者:雷明德教授 (香港科技大學)

此次重大儀器購置將會被用于搭建一台能够實現活體樣品的快速三維成像的雙光子光片顯微鏡系統。Truong et al (Nature Methods, 9, 757 (2011)) 已經展示了通過結合雙光子激發和掃描光片顯微鏡,人們可以在不增加光毒性對生物樣品影響的條件下以超高速(大于70張每秒)獲得生物樣品的超深層圖像。其他儀器無法達到這一要求。這種“深層快速活體成像”能力將完美的和我們現有的STORM超分辨率系統(分辨率小于20納米)結合,以補償它成像速度慢的不足(每張耗時幾分鐘)。

此顯微鏡將促使香港的研究人員以200張每秒的速度獲取最大500微米深的活體細胞或組織的三維熒光圖像,且成像時間可達幾小時。生物學家及醫學研究人員將能夠通過使用這一儀器以錄像速度實時的觀察學習任何動態複雜的活體系統。

Micro-PET的分子影像技術於香港的臨床前研究
項目統籌者:孔碧蘭教授 (香港大學)

該項目旨在於在香港建立首個用於臨床前研究的分子成像研究平台,以促進多元學科及跨學科的轉化醫學研究,尤其是在腫瘤、心血管及神經系統等領域之研究。分子成像提供了一種非入侵性的方法,來顯示特定分子在活體動物組織和細胞代謝過程中,定性、定位以及定量的資訊,藉此以瞭解該動物的機能狀態。這些機能狀態,能透過回旋加速器製造有標記過的藥物,用以研究有標記過的有機分子而可被正電子發射式電腦斷層掃描(PET)產生成像。這些分子被稱之為"探針",它能提供於細胞及組織內,生理、病理以及藥物代謝及動力學等方面的寶貴資訊。對於腫瘤之診斷及評估,尤其在探索惡性腫瘤細胞的增生、播散和抑制的機制,及標靶性治療的療效評估中,有顯著的效果。概括言之,小動物正電子發射式斷層掃描顯像(microPET)在動物實驗模型轉向臨床研究或實踐的過程中,起著關鍵之作用。

超微結構活細胞造影共用技術平台
項目統籌者:曹世華教授 (香港大學)

螢光成像顯微鏡是生命科學和生物醫學研究領域一個重要研究工具。在腫瘤,幹細胞,神經科學,健康老齡化,感染性疾病,免疫學,生物醫學工程和其他諸多研究領域都有廣泛的應用。由於光的衍射特性,目前共聚焦顯微鏡在最佳條件下可以達到的最高分辨率為250納米。然而,在亞細胞水平的許多細胞生物學事件,包括細胞骨架的動態變化,核糖核酸-蛋白質的相互作用,病毒入侵,細胞器組織,囊泡運輸和胞吞作用均不能用常規顯微鏡清楚的分辨到。因此,發展和提升先進的顯微技術以解決在分子和細胞生物學研究領域的新挑戰是十分必要的。

超高分辨率螢光成像顯微鏡是一項克服了分辨率極限的強大的研究工具。近年來隨着新的光學元件,螢光探針,高量子效率的成像檢測器和圖象重建技術的整合,各種更高分辨率的新的成像方法得到開發。例如,結構照明顯微鏡(SIM),隨機光學重建顯微鏡(STORM),以及受激發射損耗顯微鏡(STED)已經達到了更高的分辨率(20-120納米)。三維和多色超高分辨率成像也允許直接觀測到在亞細胞水平的定位和生物分子在細胞內的相互作用,甚至達到了單分子的水平。

超高分辨率顯微鏡和活細胞成像技術的結合是一項特別強大並且在生物醫學研究中快速發展的領域。比起觀察固定的樣品,活細胞超高分辨率顯微鏡使我們能夠研究信號轉導和分子相互作用隨時間的變化。這一前所未有的成像能力使研究人員能夠在活細胞中在納米水平直接觀測到亞細胞結構和分子水平的事件,並徹底改變了在生物醫學科學領域中許多舊觀點和重新定義了很多尚未解決的問題。

比起很多領先的海外研究機構,香港的超高分辨率顯微鏡技術還處於相對發展中。香港要繼續保持在生命科學和生物醫學研究領域的競爭力,就應及時促進和發展超高分辨率螢光顯微鏡技術。香港大學醫學院中心實驗室是一個以用戶為主的共享設備實驗室,這個實驗室很適合在香港開創先進成像技術平台。活細胞超高分辨率成像顯微鏡的建立將大大提升我們香港研究人員的科研競爭力,使他們對生物醫學科學的進步作出重要的貢獻。

具有惰性氣體環境可用於研究複合結構光電子器件的光電熱特性的儀器
項目統籌者:蔡植豪博士 (香港大學)

通過在香港建立獨特惰性環境的設施,我們的目標是解決混合材料光電子器件的挑戰:包括(1)光電子器件的光學管理,(2)活性層和電極之間的有效載流子輸運,(3)混合材料系統/結構為柔性電極,(4)混合材料系統/結構的熱管理/物理,及(5)全面的器件物理了解。我們也想促進與機構和行業的跨領域專業人士之間的合作研究。
我們建議的系統覆蓋光電子器件的製造,以及對有關材料光/電/熱性能表徵的設備。包括:(1)製造混合材料系統的多層和薄膜結構的系統,(2)瞬態和靜態光/電/熱性質表徵的設備,(3)形態和納米級電性能表徵的設備,及(4)熱掃描顯微鏡和熱成像的設備。

合作研究

植物EXPO和自噬體細胞器的生物起源與功能的研究
項目統籌者:姜里文教授 (香港中文大學)

此研究的目的是要了解E2-exocyst複合體的招募和在植物的功能的作用機制,以及在植物中EXPO與自噬體在自噬過程中的功能關係。由於EXPO和自噬體二者在調節植物生長發育以及植物對環境的反應起著重要的作用,我們的研究將極大地促進我們對植物細胞器的生物合成和功能的認識。

研究PTEN基因突變的相關機制與自閉症的起源
項目統籌者:陳文樂教授 (香港中文大學)

自閉症是一種神經系統失調病症。根據估計在香港每10,000人中便有26.6人會有不同程度的病狀。自閉症的發病年齡通常在3歲前而其病徵包括缺乏社交能力和語言技能。治療方式會采用多學科醫療專業團隊而以行為治療為主要的療法。自閉症的起源是非常複雜。環境與遺傳皆是主要成因。這項目會研究一個自閉症基因,PTEN,其突變在 1%的自閉症患者中發現。 PTEN能抑制細胞蛋白質的正常生產。自閉症患者在喪失PTEN後會導致蛋白質在神經細胞的異常積累。病理後果是失去正常神經細胞傳遞信號的能力。這項目有三個目標。首先,項目會研究如何自閉症患者的PTEN基因突變會導致蛋白質的異常積累。為加強香港自閉症的研究資源,本地自閉症患者的PTEN基因突變將會被納入。第二,在自閉症神經細胞異常積累的蛋白質將會被識別。它們可用於未來研究治療這種疾病的藥物。最後,項目會研究一個新的PTEN小鼠品種。此品種預計將失去神經信號傳遞。現項目的長遠目標是了解基因突變如何鏈接到自閉症的臨床特徵。研究會集中剖析自閉症的遺傳基礎,並會加深我們對這種複雜疾病的認識。

肝癌表觀基因組功能性研究 -- 開發表觀遺傳治療
項目統籌者:鄭詩樂教授 (香港中文大學)

DNA和組蛋白是基因組中眾多修飾的靶點,這些表觀遺傳的變異在癌症發展中極為常見。慢性乙肝病毒感染是肝細胞癌(HCC)的主要誘因,然而隨著肥胖人群的增加,肥胖導致的非酒精性肝病亦成為另一個誘發HCC的重要因素。越來越多的報導指出,炎症和營養過剩的微環境可以通過表觀遺傳機制導致基因轉錄異常,由此可見表觀遺傳學對調控HCC病變起關鍵作用。因此,我們以多學科相互融合組成的研究團隊將會通過表觀基因組、基因組和轉錄組的綜合性分析,尋索可逆轉的HCC表觀基因組相關的異常基因轉錄,從而研發出新一代有效的靶向治療。

用作骨科內植物的生物金屬材料的聯合研發
項目統籌者:秦嶺教授 (香港中文大學)

創傷、運動以及年齡增長引起的骨骼肌組織損傷在全球範圍內給我們的病人,家庭以及社會造成了巨大的醫療與社會經濟負擔。骨科醫療設備與內植物的需求與日俱增,尤其是在如今這個老齡化並且伴隨著交通與體育高速發展的社會。傳統的用於骨折與腱骨融合固定的骨科內植物多採用如不鏽鋼及鈦的永久金屬製成。這些金屬內植物用作固定時具有過高的剛度,會導致應力遮擋以影響骨組織的自然癒合過程。此外,該內植入物大多要求二次手術取出,內植物被移除的過程中剛癒合的骨或腱骨組織組織常會再次受損從而引起再次骨折。因此,在初始固定階段能穩定並且隨著骨折癒合能漸漸降解的生物金屬的研發變得越發迫切。有些生物金屬降解產生的金屬離子安全無毒性且能促進以及加速骨組織癒合更應得到大力發展,其製成的內植物可以有效地避免延遲癒合甚至能促進某些非自發癒合的受創組織實現癒合。更具吸引力的是,這些生物金屬內植物的可降解性可以避免二次移除手術的發生。鎂以及鎂合金是相當有前景的生物金屬材料,我們的多學科合作團隊一直致力於其相關的符合臨床應用需求的創新表面改性研究並取得了許多理想的成果。

我們的項目申請將通過結合冶金工程師,生物材料學家,預臨床及臨床科學家以及骨科醫生的特長以加強在UGC院校基金體系下的多學科合作。通過這些合作,我們將努力實現機具前景的生物金屬材料的聯合研發及開拓其在全世界範圍內的骨科領域的應用,並且將全力在各學科取得極富有意義的學術成果,如高質量的學術文章,並實現向骨科應用的轉化,如申請專利。我們的聯合研發以及知識轉化的努力將產生可註冊的用於臨床實際應用的鎂基骨科內植物並進行臨床試驗。我們的國際學術交流合作將強化這種機具前景的醫學內植物的研發。這將改革我們現有的骨科臨床的實際應用操作,包括避免內植物移除的二次手術。此外,我們多學科合作的共同努力將會大量地減少醫療費用的開支,減少全球範圍內的病人,家庭以及政府的經濟負擔。

彎曲的稠環芳烴: 從分子到材料
項目統籌者:繆謙教授 (香港中文大學)

彎曲的稠環芳烴是結構有機化學中有趣的研究對象,也在碳納米材料科學中佔有重要的地位。由於其有趣的性質和可期的應用前景,彎曲的稠環芳烴最近還在超分子化學和有機功能材料等領域引起了相當的關注。然而由於其固有的張力,很多彎曲的稠環芳烴仍然是有機合成的難題。由於缺乏高效的合成方法,彎曲的稠環芳烴在有機半導體等功能材料中的應用受到限制。為應對這一挑戰並探索這些結構獨特的分子在新型功能材料中的應用,我們整合了有機合成、超分子化學、計算化學、碳納米材料及電子器件工程等方面的專業力量,在此提出一項協作研究計劃。

以我們過去有關彎曲的稠環芳烴的工作為基礎,我們為這項協作研究計劃設計了三組分子,即彎曲的有機半導體分子,含有七元碳環的稠環芳烴,以及含有八元碳環的稠環芳烴。圍繞這些結構獨特的分子,我們計劃展開四方面的工作:(1)建立高效的有機合成,(2)發展用於有機半導體和液晶材料的新型超分子結構,(3)製備和表徵有機電子器件,(4)從計算和實驗兩方面來研究從彎曲的稠環芳烴生長新型的碳納米材料。

柔軟廉價的有機電子器件,以有機半導體材料為關鍵組成部分,不僅在材料科學的基礎研究中引起廣泛的興趣,而且是具有市場價值的新興工業領域。基於彎曲的稠環芳烴的有機半導體分子可能表現出傳統的平面的有機半導體分子所不具有的分子堆砌方式和功能。利用彎曲的有機半導體分子,這項協作研究計劃將致力於解決有機半導體材料和器件研究中的兩個重要問題,即高性能有機薄膜晶體管中有機半導體分子的堆砌方式和有機光伏太陽能電池中構成p-n異質結的超分子組裝結構。

這項協作研究計劃的成功實施將為彎曲的稠環芳烴帶來高效的合成方法,為富碳材料引入新的設計思路,為製造更高性能的有機薄膜晶體管和有機光伏太陽能電池探索新的方向。對彎曲的稠環芳烴及平面的類似分子作比較研究,將帶來關於結構性能關係的有趣發現。

海洋基因組學: 甲殼動物進化和水產養殖
項目統籌者:朱嘉濠教授 (香港中文大學)

蝦,蟹,龍蝦和小龍蝦都屬於甲殼動物。它們遍布於全球,具有重要的科研價值,並在漁業和水產養殖業中具有重大的經濟價值。它們物種豐富,與其它節肢動物(如昆蟲)一起,組成世界上最龐大的動物類群。在這個項目中,我們計劃測定八大重要甲殼動物的基因組及其不同時期的轉錄組,以便更好地理解動物的進化,並有利於水產養殖技術的提升。

城市小區風環境和熱舒適的設計方法研究
項目統籌者:麥卓明教授 (香港理工大學)

越來越滯止的城市風場以及大量累積的太陽輻射熱量嚴重地惡化了高密度城市環境中的風環境和熱舒適狀況。目前香港的"空氣通風評估"體系使用'速度率'(表徵行人高度處的風速與更高處未受建築影響處風速之比)來評估新建樓宇對城市通風的影響。這個體系的不足之處在於它幾乎沒有提供對於通風設計方面的評估指導。最近正在倡導的"城市通風"概念試圖建立大尺度城市滲透模型與城市換氣率之間的關係。但是,到目前為止,仍然缺乏一個對於城市熱島問題可行的工程和設計方面的解決方案。由於大尺度的城市佈局和地形刻畫了城市熱島效應,而城市局部風速和溫度場受到城市熱島效應的影響,本研究試圖開發一套基於模擬的設計方法,用以提高城市住宅小區周圍行人高度處的風舒適和熱舒適狀況。

首先風洞實驗用於測試圍繞一棟獨立建築的氣流基礎數據,該實驗同時考慮一些重要的建築圍護結構構件。這些數據將被用於驗證和開發用於模擬氣流場的湍流模型。之後,現場實驗用於測試真實的城市環境參數,包括溫度,濕度,太陽輻射,地表輻射以及風速。這些實測數據將被用於開發季節適應性的,基於人體生理學的熱舒適模型。對於氣流,太陽輻射和人體熱舒適模型的新發現將會耦合到一個全面的計算平台系統。從而建築佈局,朝向,形式和高度,圍護結構開口,地面和牆面材料對於空間上任何一點的熱舒適狀況的聯合影響都能夠得到逐時的全年評估。通過這一縝密的模擬分析與設計,全年某一特定時間段的室外熱舒適將能夠被滿足,以便於城市居民外出活動。

該項目將得益於計算能力的不斷發展以及研究團隊專業的物理和數值模擬技術。該項目成果的長遠貢獻在於能夠提高城市環境質量,可居住性以及公共健康。

大氣氮氧化物的非均相化學研究
項目統籌者:王韜教授 (香港理工大學)

氮氧化物是大氣中一類極為重要的低含量、高活性物質,在大氣化學、土壤和水體污染、生態系統循環中均扮演關鍵角色;部分氮氧化物(如二氧化氮)更是導致目前香港嚴重的路邊污染和煙霧/灰霾等空氣污染問題的罪魁禍首之一。它主要通過汽車、工業等人為活動以一氧化氮的形式排放到大氣中,後可經一系列化學反應生成多種活性更高或危害更大的物質,如二氧化氮、硝酸、亞硝酸、過氧有機硝酸酯、三氧化氮、五氧化二氮等。這些化學反應過程非常複雜,既可以在氣體分子之間進行(統稱為均相化學),又可以在氣體-顆粒物的界面發生(稱為非均相化學)。研究大氣氮氧化物的化學轉化過程對於認識並緩解氮氧化物的環境危害至關重要。

儘管作為熱點問題已經研究多年,近期研究結果表明科學界對於大氣氮氧化物化學轉化的認識仍有所欠缺。早期研究多側重於均相化學,對非均相化學的研究十分匱乏,原因之一在於氣體-顆粒物界面上的非均相化學過程更加複雜,需要更高水平的研究技術和手段。目前有限的研究工作主要開展於美國和歐洲,而在大氣環境更加複雜的中國地區(如氮氧化物和大氣顆粒物濃度更高),限於人力及技術原因,對大氣氮氧化物非均相化學的系統研究仍未有所聞。

本項研究致力於構建一個綜合研究體系,融合本港及國際(法國)本領域的優秀學者,統籌實驗室、野外測量和計算機模擬等研究手段和資源,針對大氣氮氧化物非均相化學開展高水平的基礎研究。本項目的預期成果包括:(1)在高污染、亞熱帶海岸地區大氣氮氧化物化學轉化的新知識;(2)適用於香港、中國大陸以及其他環境類似地區的研究模式和技術;(3)提交与政府的研究報告,以支持本港及內地城市空氣污染問題的科學治理。

配體功能的直接和區域選擇性的碳-氧鍵斷裂/官能化:可持續化學合成芳香族和脂肪族醚
項目統籌者:鄺褔兒教授 (香港理工大學)

直接把多功能的有機分子組裝並應用於製藥和材料科學是基礎主題,它能為化學科學研究帶來新思想新局面。而事實上,在可持續發展合成研究上,最大的挑戰在於建立一個簡單而有效的方法有選擇性地消斷化學鍵。此項目集成了來自不同院校(香港理工大學、香港科技大學及香港中文大學)不同領域專長的合成化學家、材料及理論科學家,這個多樣化的團隊能形成互補互助的作用,能應對重大的挑戰和其於綠色化學的研究上。此項目展望能成功實現有效的催化劑設計及其應用發展,並藉此有效合成生物質,從而促進香港邁向低碳經濟。

白介素-33在阿茲海默氏症突觸功能失調及發病過程中的作用
項目統籌者:葉玉如教授 (香港科技大學)

阿爾茨海默病是一種無法逆轉的退化性腦疾病,也是目前老年人的頭號殺手之一。這種疾病的兩大特徵就是細胞外beta-澱粉樣蛋白(Abeta)的沉積和細胞內tau蛋白的過量聚集(神經原纖維纏結)。患者表現爲記憶、推理、判斷和活動能力的逐步喪失。儘管患者人數衆多,但目前的療法只能够有限度緩解症狀,而不能達到治愈的目的。很多治療方案都還處於研發階段,而這個階段所面臨的主要障礙就是對於阿爾茨海默病的機理缺乏足够的瞭解。隨著研究的發展,科學家們逐漸認識到阿爾茨海默病幷非一個簡單的腦疾病,而是一個多系統功能失調疾病,而免疫系統功能障礙可能是其中一個重要因素。因此,我們擬通過本項目研究免疫炎症反應與阿爾茨海默病的關係,重點解析細胞因子白介素-33(IL-33)的作用機制。IL-33等白介素是免疫系統中的重要成員,在多種免疫反應中有重要作用。我們會研究IL-33及其介導的信號通路在不同阿爾茨海默病動物模型(模擬不同病情發展階段)中的作用。首先是研究IL-33能否改善學習記憶功能和阿爾茨海默病病理指標。這些研究將會幫助我們評估IL-33作爲治療阿爾茨海默病和輕度認知障礙(一種早于阿爾茨海默病的腦功能退化)新手段的潛力。其次是研究IL-33參與阿爾茨海默病病理變化的細胞生物學機理。這部分研究將增進我們對於阿爾茨海默病中免疫系統(包括細胞因子網絡)功能失調的瞭解。通過分析參與病程發展的炎症反應,我們能够發現新分子靶點,促進藥物研發工作。總括而言,本項目在科研及社會發展方面具有重要意義,一方面可以加强對阿爾茨海默病的認識和推動新療法的研發,另一方面可以突顯香港的高水平科學研究,提升在尖端分子神經科學研究領域的國際地位,爲推動本地生物醫藥産業和知識型經濟的發展做出重要貢獻。

界面上的軟物質動力學:理論,模擬和實驗
項目統籌者:童彭爾教授 (香港科技大學)

在物理學眾多的學科分支中,軟物質的獨特之處在於它的研究主題經常涉及到我們日常生活中的許多現象。這項研究計畫的主題-介面上的軟物質動力學研究,也不例外。我們將本研究專案的兩個目標鎖定在詳盡地理解由兩種不相溶的流體與固體表面所形成的三相交界線的動力學:其中移動接觸線的研究,我們可以在喝咖啡時觀察到它的存在;另外表徵液體與液體介面上的動力學,它是許多化妝品、食品添加劑和藥品等商品生產的基礎。第三個目標,通過直接地觀察由可調粒子之間相互吸引力所形成的獨特的膠體系統,進行固體表面熔化的動力學研究。雖然我們的研究計畫所涉及的背景現象很普遍,但對它們的研究卻是一項科學挑戰,需要一個協作的團隊,跨越物理、數學和材料科學的學科邊界,在理論、模擬和實驗開展合作。我們已經組建了一個這樣的團隊。

我們的研究團隊包括四位實驗學家,三位理論學家和大約40位由研究生和博士後組成的研究助理,他們分別來自香港三所主要研究型大學的物理、應用數學、和機械工程專業。基於對液-液、固-液介面現象的共同興趣,我們已經團隊內建立了良好的工作關係。此研究項目的成功完成將會為多種潛在的應用提供資訊和知識上的支援。比如,改進預測多孔介質的多相滲透率,三次採油,在微流體中使用水性產品的綠色化學加工,和通過表面預熔動力學的詳細知識改進材料加工。此外,參與此項目的本科生、研究生和博士後將獲得廣泛的跨學科研究訓練。這為他們今後無論在學術界還是工業界廣闊的職業生涯做了良好鋪墊。

闡述Pax7在骨骼肌幹細胞中的作用
項目統籌者:鄔振國教授 (香港科技大學)

成年肌肉幹細胞主要參與各種肌肉損傷引起的肌肉修復。在未損傷的成年肌肉中,肌肉幹細胞處於"休眠"狀態並附著於肌纖維外。Pax7是肌肉幹細胞內的關鍵調控分子,在Pax7突變小鼠中Pax7的缺失會導致肌肉幹細胞的數目急劇減少。可是我們仍不清楚Pax7如何在肌肉幹細胞中發揮作用。在此,我們將在以下三個方面研究Pax7在肌肉幹細胞中的作用: (1) Pax7如何在肌肉損傷後促進肌肉幹細胞數目的擴增;(2)Pax7如何通過抑制另一種可能形成的細胞類型(即棕色脂肪細胞)來維持其肌肉幹細胞的特徵;(3)Pax7如何調控肌肉幹細胞的"休眠"狀態。本項目的研究成果能讓我們對幹細胞在組織再生,疾病及衰老過程中的作用有更深入的了解。因為肌肉幹細胞的失調也與一些肌肉疾病包括杜興肌肉萎縮症的病理相關,深入了解調控肌肉幹細胞的分子機理有助於今後設計出更有效的臨床療法。

廚餘垃圾與城市生活污水綜合管理
項目統籌者:陳光浩教授 (香港科技大學)

香港固體廢物處理正面臨嚴峻的挑戰。本港城市固體廢物中廚餘垃圾總量高達36%不僅是堆田區臭氣和產生垃圾滲濾液的主要源頭,也會在將來垃圾焚燒處理固體廢物時大幅度降低固體垃圾焚燒效率。將廚餘垃圾分離出來再從中回收能量顯然是一條理想的解決之道。雖然生活廚餘垃圾分離工作十分困難,家庭廚餘垃圾粉碎機的發明和使用能夠容易地實現這個目標。通過污水管道粉碎後的廚餘直接從廚房送往污水處理廠進行消化生產沼氣發電回收能源。本項目稱這一系統為"廚餘垃圾與城市生活污水綜合管理"。依賴於現有完善的污水處理系統和廚餘垃圾粉碎機技術,廚餘垃圾與城市生活污水綜合管理應當十分可行。當然,在香港特殊飲食習慣、烹飪方式、海水沖廁的使用及熱帶/亞熱帶氣候條件下,該系統可能會影響污水管道和污水處理系統的運行效率,有必要進行綜合研究評估。因此,本項目通過下述五個主要方面,深入研究該提出的廚餘垃圾與城市生活污水綜合管理系統對污水管道、污水處理廠、厭氧消化罐等各種影響加以考察,同時綜合評估其應用的可行性及經濟效益。
1)分析表徵生活廚餘垃圾,廚餘垃圾粉碎機的出水水質,以及廚餘垃圾粉碎機的出水與管道污水混合後的基本水質成分;
2)實驗測定及數學模擬評估廚餘垃圾粉碎機的使用對污水管網系統的影響;
3)數學模擬廚餘垃圾粉碎機使用對生化污水處理系統的影響;
4)實驗測定及數學模擬確認廚餘垃圾粉碎機使用對污泥消化系統的影響;
5)系統評估本系統的工程應用可行性及經濟效益。

本項目的研究將促進香港固體廢物的減量及能源回收。

CD133肝癌幹細胞:分子機制、臨床意義及治療應用的綜合性研究
項目統籌者:馬桂宜博士 (香港大學)

癌症是由不同分級的異質細胞組成的。目前,研究人員已經有確鑿證據證明癌幹細胞的存在及其重要性。癌幹細胞與正常的幹細胞有很多相似地方,例如自我更新能力,多系細胞分化特徵等。除此之外,癌幹細胞具有很強的致癌性,它的發現對癌症研究有著重大的影響。從臨床角度來看,癌幹細胞對於傳統的癌症治療方法(放療,化療)有較強的抵抗性,眾多實驗證明這是癌症復發的潛在原因之一。目前我們需要重新審視癌症的治療方法。傳統的癌症治療方法普遍針對快速增殖的癌細胞,然而我們不能忽視除去癌幹細胞的重要性,因為該群細胞對腫瘤的增長至關重要。因此,目前迫切需要闡明維繫癌幹細胞的因素,進而在此基礎之上研發出更有效的抗癌療法。與其他實質固態腫瘤一樣,目前有足夠的證據證明肝細胞癌中亦存在著一群癌幹細胞。我們與其他人的早期實驗結果證實肝細胞癌幹細胞表達CD133分子標誌,並且該群細胞具有自我更新、分化,在體內生成腫瘤,抵抗化療的能力。除了作為肝細胞癌幹細胞的分子標誌,我們通過CD133 shRNA干擾的方法發現CD133在調節肝細胞癌產生中具有實質性功能。然而,CD133+肝細胞癌幹細胞調節肝細胞癌生成和發展的機制目前尚未明確。基於CD133+肝癌幹細胞在肝細胞癌的增長和復發中起到關鍵作用,在此項目中,我們希望可以通過多個層面(病毒機制, 基因/分子通路,比較肝細胞癌與正常/非腫瘤CD133亞群)闡明CD133+肝癌幹細胞的發生、維繫、發展和分化。鑒於肝細胞癌在中國的高發病率和高致死亡率,該研究項目的成果將會帶來重大意義。

人類沉默調節蛋白的新結構和功能
項目統籌者:郝權教授 (香港大學)

人類沉默調節蛋白家族成員參與各種生物學過程的調節。沉默調節蛋白的故障會導致許多人類疾病,包括衰老,癌症,代謝性疾病和神經變性疾病。理解沉默調節蛋白的分子結構和功能對於更好表徵它們的生物作用和藥物設計非常重要。此提案的目的是確定若干沉默調節蛋白的晶體結構,調查結構引導的功能,使用化學探針來識別沉默調節蛋白的底物,並設計新穎沉默調節蛋白的抑製劑應用於研究或藥物。

研究FGFR2陽性腫瘤相關成纖維細胞對食道鱗癌腫瘤微環境的影響及其分子機制
項目統籌者:關新元教授 (香港大學)

惡性腫瘤是一個由腫瘤細胞和間質細胞組成的複合系統。腫瘤周邊及腫瘤組織內的間質細胞(如成纖維細胞、內皮細胞和免疫細胞等)共同構成了腫瘤微環境,為腫瘤的發生和發展提供了必不可少的基質支架,並在促進腫瘤細胞發展和轉移方面起著至關重要的作用。所以近年來,越來越多的研究者把目光投向了腫瘤微環境,尋找新的腫瘤治療靶點。繼內皮細胞之後,腫瘤微環境中數量最多、分佈最廣的腫瘤相關成纖維細胞成為了研究焦點。雖然腫瘤相關成纖維細胞促進腫瘤的生長和發展已被廣泛認可,但是它們如何被召集到腫瘤組織中、如何與腫瘤細胞相互作用的分子機制仍然未知。

我們在前期研究中發現成纖維細胞生長因子受體2(FGFR2)是食管鱗癌相關成纖維細胞的特異性標記物。通過生物學實驗,我們證明了這種FGFR2陽性的成纖維細胞可以通過分泌Wnt2蛋白激活食管鱗癌細胞Wnt/β-catenin信號通路,促進食管鱗癌的發展。更重要的是皮下注射食管鱗癌細胞到裸鼠體內後,外周血中會出現FGFR2陽性的纖維細胞(成纖維細胞的前體),而且這種細胞會被腫瘤細胞召集到腫瘤組織中分化為成熟的FGFR2陽性成纖維細胞。為了進一步闡明腫瘤相關成纖維細胞和食管鱗癌細胞之間的相互作用機制,開發出破壞腫瘤微環境的新方法,本課題從已知確切的現象入手,首先通過性別錯配骨髓移植技術尋找FGFR2陽性腫瘤相關成纖維細胞的來源,然後根據高通量測序結果結合生物學實驗探討FGFR2陽性纖維細胞的動員、分化機制,以及FGFR2陽性成纖維細胞對食管癌幹細胞"乾性"的調控機制,並以此為基礎,運用生物信息學工具設計合成靶向FGFR2和Wnt2蛋白的中和抗體,在體內外食管鱗癌模型中篩選評價其抑癌的效果。此外,腫瘤細胞為了逃避宿主的免疫攻擊,可傳達細胞表面抑製配體PD-1,通過與TLR4相互作用抑制細胞毒性T細胞的功能。而我們的前期研究發現FGFR2陽性食管鱗癌相關成纖維細胞高表達PD-1的選擇性剪切亞型Δ42PD1,因此,本課題亦將通過一系列細胞免疫學實驗驗證FGFR2陽性食管鱗癌相關成纖維細胞能否通過激活Δ42PD1/TLR4信號通路,抑制T細胞和NK細胞的活性,為食管鱗癌細胞提供逃避宿主免疫攻擊的保護屏障。

採用鐵混凝沉澱及污泥酸化實現廢水處理中的資源(磷和生物塑料)回收
項目統籌者:李曉岩教授 (香港大學)

水是地球上最爲珍貴的自然資源。然而,隨著社會和經濟的高度發展,水污染問題日益嚴重,降低了人們的生活質量,威脅著人類的可持續發展。現有污水處理的核心技術仍然依賴半個世紀前建立的活性污泥法,效率不高、能耗巨大,且不能回收污水中磷和有機物等有用物質。對此,我們提出了采用鐵混凝沉澱及污泥酸化實現廢水處理中的資源回收方案。該方案首先用三價鐵强化沉澱的方式將污水中的污染物濃縮於污泥中,然後在酸化反應器中將污泥中富集的磷釋放出來以供回收和生産磷肥,並將沉澱的有機物轉化爲有機酸,用於製造生物塑料,從而在污水淨化的同時實現資源的有效回收。

這一全新的污水處理技術可形成獨立的附加單元,用於現有城市污水處理設施的升級改造,在資源回收的同時,提高污染物的去除效率,幷降低能耗和運行成本。該技術也非常適用于香港即將進行的污水處理系統的整體升級。在小試研究的基礎上,我們將開展中式實驗,全面評估該工藝技術的可行性、相應的經濟和環境效益。相信此新工藝的研發將促進水污染控制技術的發展。

對肥胖、糖尿病相關血管病變的跨學科研究:從分子機制到干預治療
項目統籌者:徐愛民教授 (香港大學)

心血管疾病(如中風,心臟病和外週動脈疾病等) 居現今各種住院及死亡疾病的首位。儘管多年研究,預防和治療心血管病的方法仍然十分有限。而肥胖和糖尿病的流行是心血管疾病高發的重要原因。因此,深入研究肥胖、糖尿病引發心血管疾病的詳細病理機制,可以制定更有效的預防和治療心血管病的策略。通過過去協作研究金對我們的支持,我們已在小鼠模型確認了幾種由肥胖引起心血管疾病中起關鍵作用的脂肪因子和微小核醣核酸。在本項研究中,我們將全面闡明這些脂肪因子,微小核醣核酸及其調控因子在血管炎症和動脈粥樣硬化的發生發展過程中的作用機制,和探索這些新型因子作為早期診斷標記物和藥物干預靶點治療心血管疾病的可能性。此外,本項目將鞏固和擴大我們實驗團隊用來支持本地肥胖,糖尿病和心血管病的基礎,轉化和臨床研究平台。