2017年11月19日 星期日

聽!噬菌體在說話!

SPbeta 噬菌體。
圖片參考ViralZone網站手繪。
提到溶原性(lysogenic)噬菌體,大家第一個應該都會想到 λ 噬菌體(λ phage)吧! λ 噬菌體專門感染大腸桿菌(E. coli),它在進行溶原性感染時,會將自己的基因體插入大腸桿菌的特定位置,接著就跟著大腸桿菌一起複製。溶原性循環可以一直持續下去,直到大腸桿菌遭遇到生存危機,這時 λ 噬菌體便馬上翻臉,進入溶解循環(lytic cycle):先把自己的基因體由大腸桿菌中脫離,接著開始製作新的病毒顆粒,最後溶解大腸桿菌、釋放出新的病毒顆粒來!簡單來講就是:只可共享樂,不願共患難。說它是大腸桿菌的損友,真的是當之無愧呢!

目前對 λ 噬菌體如何由溶原循環進入溶解循環,已經相當了解。如:大腸桿菌遇到生存危機時,會啟動SOS反應,這時候大腸桿菌的RecA蛋白活化,接著去啟動另一個蛋白LexA的「自毀」...但在有 λ 噬菌體潛伏的大腸桿菌中,RecA不會去啟動LexA的自毀,而是改為啟動潛伏在大腸桿菌中 λ 噬菌體的 cI蛋白,使 λ 噬菌體進入溶解循環。

至於其他的溶原性噬菌體呢?不太清楚。不過,最近以色列的研究團隊,在試圖了解細菌被噬菌體感染是否會釋放什麼警告因子時,發現有一種溶原性噬菌體竟然會互相聯絡,決定要不要進入溶解循環!

故事的主角是枯草桿菌的噬菌體 phi3T。本來研究團隊要找的是「細菌」分泌的警告分子,所以他們找了四種噬菌體,以一比一的比例感染長到指數期中期(mid-log)的枯草桿菌。感染三小時後,把細菌與噬菌體去掉,留下上清液當作條件培養基,用來做後續的實驗。

結果發現,當研究團隊把 phi3T養在 phi3T條件培養基裡面的時候,被溶解的細菌少了很多。而且如果把 phi3T養在其他噬菌體的條件培養基裡面的話,被溶解的細菌的比例便會跟初次感染相同。

這結果意味著:有特定物質存在於條件培養基中,而且這個物質只對自己有用(有專一性)。這物質是什麼呢?過去對細菌的研究發現,細菌之間會利用小分子的多肽來感應彼此的存在;那麼 phi3T是否也是以多肽來互通聲息呢?如果是多肽,當研究團隊以蛋白酶處理過的條件培養基來培養噬菌體時,細菌溶解的比例應該會上昇。結果也的確是這樣。而且,當研究團隊把細菌運送小分子多肽的運輸蛋白 oppD去掉以後,細菌溶解的比例也上昇了,顯示條件培養基裡面的確存在著小分子多肽,這個多肽的功能與 phi3T能否進入溶原循環有關。

於是作者將這個未知的多肽取名為 arbitrium(拉丁文的「決定」)。為了進一步研究這個分子,研究團隊將 phi3T的基因體給定序了(才十二萬八千個鹼基對,小意思)。軟體分析預測 phi3T噬菌體有 201個基因,其中只有三個帶有胺基端的信息多肽。這三個有信息多肽的基因中,其中有一個最有可能用來產生小分子多肽;以質譜儀分析條件培養基也確認了 arbitrium應該就是由這個基因產生的一個六個胺基酸的多肽,其序列為 SAIRGA。進一步用人工合成這個多肽加入培養基中,也產生相同的效果;而且還發現最有效的濃度落在 500 nM,可使細菌溶解的比例由 18%上昇到48%。

由於噬菌體總是會把功能相關的基因放在基因體的附近,因此研究團隊便把眼光移到這個基因(命名為 aimP)的上下游。在它的上游有個基因可能是個細胞內多肽受器,而分析的結果發現:這個基因的確是 AimP蛋白的受器,於是命名為 aimR

進一步分析 aimR基因的蛋白質序列,顯示它可能會跟DNA結合。研究團隊測試發現,只有在沒有 aimP 多肽時, aimR才會形成雙體、與 aimP下游的一段序列結合。當 aimR與 aimP下游的一段序列結合後,下游的基因(命名為 aimX)表現便上昇了;若 aimP多肽存在時, aimR與 aimP多肽結合後,無法與 aimP下游的序列結合,則 aimX的表現量便急遽下降到原來的二十分之一。

總而言之,在感染初期,噬菌體很少、細菌很多的時候,這時因為 aimP多肽的量也很少,於是大部分的 aimR便形成雙體、結合在 aimP下游的序列上,使 aimX表現。於是噬菌體便不斷的進行溶解循環,產生新的噬菌體顆粒。等到噬菌體越來越多, aimP多肽的量也開始上昇,越來越多的 aimR與 aimP多肽結合、離開 aimP下游的序列,於是 aimX表現量下降,進入溶原循環的噬菌體就越來越多。

有意思的是,在 phi3T噬菌體發現這個現象以後,研究團隊分析許多枯草桿菌屬的噬菌體序列,發現有不少噬菌體可能都有類似的機制來調節溶原-溶解循環呢!究竟 aimX的作用是什麼呢?目前只知道它會使 phi3T噬菌體進入溶解循環,也就是說它可能具有抑制溶原循環的功能。這個基因只有51個胺基酸,下游的序列形成一個 RNA的次級結構。究竟 aimX是如何影響 phi3T?它下游的 RNA次級結構又有什麼樣的功能?這些都有待後續的研究。小分子多肽賀爾蒙從原本被認為是真核生物的溝通分子、後來在細菌(原核生物)的群體感應(quorum sensing)也軋一角、現在連噬菌體也用它,生物真是奇妙啊!

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參考文獻:

Erez Z. et. al., Communication between viruses guides lysis-lysogeny decisions. Nature.541, 488–493 (26 January 2017) doi:10.1038/nature21049

2017年8月24日 星期四

停經是一件特別的好事

殺人鯨。圖片來源:Wikipedia
女性同胞們對月經與停經(menopause)應該都不陌生,這兩件事到底是好事還是壞事,不同的人有不同的看法。人類的女性通常在五十歲左右停經,在停經後,還可以活個二、三十年,但是大部分的動物是一直到死前都還有生殖能力的。跟人一樣會停經的哺乳動物,只有兩種:殺人鯨(Orcinus orca)與短鰭領航鯨(Giobicephala macrorhynchus)。如果只有這幾種哺乳動物會停經,是否意味著停經有害呢?如果停經有害,那麼這三種動物又為何還能生存下去呢?

有些科學家認為,停經可以讓年老的雌性協助育幼,這樣可以提高幼兒的存活率;但也有科學家認為,停經是因為「生殖衝突」(Reproductive Conflict)所產生的結果。什麼是「生殖衝突」呢?當年老的雌性與年輕的雌性在重疊的時間育幼時,「老」媽媽的孩子存活率會明顯降低。

至於為何「老」媽媽的孩子存活率較低呢?科學家們認為,可能是隨著媽媽一胎胎地生,她與附近各群之間的成員們親屬關係就越來越緊密;這造成為育幼而打獵、分配食物的時候,「老」媽媽們會因為左看也是親戚、右看也是親友,於是就搶不下手。但年輕的媽媽因為這些大多都不是她的親戚朋友,搶起食物來就比較沒有顧忌了。食物充足,小寶寶當然長得好,死亡率自然降低了。

要證明生殖衝突存在,科學家們至少要能夠證明:

(一)、個別雌性動物與周遭的社群之間的親屬關係,的確是隨著年紀漸長逐漸增加;
(二)、「老」媽媽的幼兒,如果與其他年輕雌性的幼兒在哺育的時間上重疊時,「老」媽媽的幼兒死亡率會比較高。

主要由英國科學家所組成的國際研究團隊,打算要以殺人鯨為研究材料,來解答這個問題。但要證明親屬關係隨著年紀漸長而增加,馬上就遇到一個困難:殺人鯨跟人一樣,也是相當長壽的動物。母鯨的平均壽命是50歲,從10歲到40歲之間都可以生育。因為牠們每懷一胎要15-18個月,小寶寶到一歲才開始斷奶,所以母鯨平均每五年才能生一胎。這樣非要觀察個幾十年,否則無法取得足夠的數據來進行分析。

還好,他們手上已經有過去四十年觀察兩群殺人鯨的資料。否則,要從頭觀察個幾十年,科學家的青春也有限啊!

從過去四十年收集到的資料分析發現:隨著年紀漸長,雌性殺人鯨與附近的社群成員之間的親屬關係逐漸上昇;到停經前上昇到最高,然後逐漸下降。親屬關係的上昇主要來自於雄性,因為雄性殺人鯨為了避免近親繁殖,不會找同群內的雌性交配。停經後為何親屬關係就開始下降呢?因為雄性殺人鯨很少活超過三十歲,但要到二十歲左右才開始繁殖;當雌殺人鯨停經後,隨著跟她有親屬關係的雄殺人鯨漸漸死亡,她與附近的社群之間的親屬關係當然就慢慢下降了。

接著要能看到「老」媽媽的孩子在跟其他年輕媽媽的幼兒同時哺育時,死亡率會比較高。一樣可以從過去四十年的資料來分析,只是要重疊多長的時間才算呢?前面提到,小寶寶一歲開始斷奶;那麼重疊一年算嗎?但是那只是「開始」斷奶,從這個點開始算還是要大約一年才能完全斷奶呢!所以最後他們的標準是:只要在自己的孫兒孫女出生前兩年到兩歲生日之間的「老蚌生珠」,都算是重疊。

結果發現:落在這個區間的「老來子」,死亡率比孫兒孫女高了1.67倍;如果是在孫兒孫女出生前誕生的「老來子」,死亡率更高了1.95倍之多!但只要不是落在這個區間的「老來子」,死亡率並沒有明顯提高,顯示並不是因為老媽媽造成孩子先天不足的關係。

研究團隊分析數據也發現,似乎也不能排除「阿嬤效應」:阿嬤仍健在的孫兒孫女,即使阿嬤在他們出生前兩年內也生了小寶寶,這些孫兒孫女的存活率仍高於沒有阿嬤的孫兒孫女。或許是阿嬤也會協助哺乳、或許是阿嬤給予媽媽一些生存技巧上的援助,畢竟數字雖然能告訴我們一些事,但中間究竟發生了什麼,也只能猜測、無法確定了。

總而言之,從長達四十年的觀察數據可以看到:老來子不論比孫兒女先出生或後出生,死亡率都較高。由於懷孕與育幼都非常消耗能量,在這樣的狀況下,以停經這種可以永遠防止懷孕發生的機制,對整個族群的存活,確實是好處多於壞處的。年老雌性不再具有生殖能力,一方面可以防止能量的浪費,另一方面又可將這些能量轉移給年輕的雌性哺育幼兒,畢竟自然界的資源也不是無限的。雖然阿嬤也會把她的生存智慧傳承給下一代,但生育並不妨礙智慧傳承;如大象也會有智慧傳承,但雌性大象通常到死前都還保有生育能力,就是最好的證據。

相較於殺人鯨的幼年期僅有兩年,人的幼年期至少有五六年,養育的成本比殺人鯨更高;從殺人鯨的例子我們可以看到,或許人發展出停經的理由,與殺人鯨也相去不遠!

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參考文獻:

Croft et al., Reproductive Conflict and the Evolution of Menopause in Killer Whales. Current Biology (2017)  http://dx.doi.org/10.1016/j.cub.2016.12.015

Wikipedia. Killer whale.

2017年8月17日 星期四

蝙蝠是冠狀病毒(coronavirus)的儲存庫

冠狀病毒。圖片來源:Wikipedia
提到21世紀的「世紀瘟疫」,大概很少人不會想到SARS (Severe Acute Respiratory Syndrome)吧!2002年11月從中國廣東省順德市(第一例則是來自同年12月15日同省分的河源市)開始出現的SARS,在很短的時間內迅速散播至27國、感染8,098人、造成774人死亡(死亡率將近10%);在台灣,從2003年3月14日出現第一起病例直到7月5日由世界衛生組織宣布從感染區除名之間,共有346人感染,其中73人死亡(死亡率21%),並使得台北市立和平醫院及周圍街道、鄰近大樓管制封鎖。和平醫院自4月24日封鎖至5月8日,共計兩週;全台灣死亡的73人中,有35人來自和平醫院。筆者記得2003年時,台灣人人談SARS色變,春假時因花蓮沒有SARS病例,加上台灣因被列名為SARS疫區不能出國,旅遊人潮把花蓮擠爆,甚至得開放操場讓觀光客露營!

2012年的中東呼吸道症候群MERS (Middle East Respiratory Syndrome)比2002/2003的SARS死亡率更高;共有1,782人感染,640人死亡,死亡率為35.9%。但不論是SARS或是MERS,其實病原都屬於冠狀病毒(coronavirus,CoV);冠狀病毒是正股單股RNA病毒,因為在顯微鏡下外面有一圈由病毒棘突膜粒所形成的構造,看起來很像王冠或日冕,所以被取名為冠狀病毒。

兩次的冠狀病毒大流行,後來都發現與蝙蝠直接(SARS)或間接(MERS)有關,這使得研究者開啟了與冠狀病毒與動物相關的研究,也發現冠狀病毒幾乎都源自於動物,但蝙蝠與冠狀病毒之間的關係還不是很清楚;除此之外,一些研究/醫療資源較不足的區域,當地蝙蝠體內冠狀病毒多樣性的資料極少,但這些區域有許多都是潛在冠狀病毒疾病爆發的熱點。

為了要釐清冠狀病毒與蝙蝠的關係,美國在2009年開始了PREDICT計畫,以五年的時間走遍美洲、亞洲、非洲20國,來研究冠狀病毒在不同生物體內的存在狀況以及多樣性。研究團隊收集蝙蝠、齧齒類、非人的靈長類糞便作為取樣來源(動物都在取得糞便樣本後原地野放),取樣的區域來自於有人類、同時也有這些動物出沒的區域,這樣結果對於預測人畜之間互相感染的風險才更直接。

在取樣12,333隻蝙蝠、3,387隻齧齒類、3,470非人的靈長類並進行分析後發現,驗出冠狀病毒的個體主要集中在蝙蝠,佔98%(1065/1082),為全體蝙蝠的8.6%。序列分析後,共發現100個冠狀病毒分類群(taxa),其中有91個在蝙蝠中出現。而與SARS病原(SARS-CoV)、MERS病原(MERS-CoV)、人類冠狀病毒229E同屬一子分支的冠狀病毒也在非洲多個國家的蹄蝠屬、菊頭蝠屬蝙蝠類中出現。

分析資料發現,單一種蝙蝠只要取樣超過110隻,就會驗出至少一種冠狀病毒分類群;平均每種蝙蝠體內可發現2.67個冠狀病毒的分類群。蝙蝠的種類越多的區域,冠狀病毒分類群的多樣性也越高。

在非洲、亞洲的蝙蝠體內的冠狀病毒,在不同科的宿主間轉換相當普遍;但在拉丁美洲只有在同一科的宿主之間轉換。這是否意味著在非洲、亞洲蝙蝠體內的冠狀病毒更容易「跳」到人身上去?目前作此定論尚嫌過早。不過,拉美的蝙蝠體內的冠狀病毒,在屬內的轉換率遠高於非洲、亞洲。

研究團隊估計在蝙蝠中大約有3,204個冠狀病毒的分類群,未來應該進行更大量的取樣(每種至少400隻),以深入瞭解蝙蝠體內的冠狀病毒多樣性。

至於是否因此就應該要開始「消滅」蝙蝠呢?研究團隊提醒大家,蝙蝠並不是害畜,牠是生態系裡重要的一個成員,可以協助傳播花粉、捕捉害蟲;如果因此開始大規模消滅蝙蝠,會造成生態系不穩定,所產生的害處將遠大於可能的益處。看過2011年上映、由SARS事件發想而來的電影「全境擴散」(Contagion)的讀者應該都還記得,在影片的最後告訴我們,片中的神秘疾病其根源來自於人類砍伐森林造成蝙蝠無家可歸,這些蝙蝠在尋找新棲地時住進了豬圈,將身上的病毒傳播到豬身上;接著豬被運到市場宰殺、屠體送進餐廳經由廚師傳染給不知情的食客...人類應當要學會的功課不是「消滅一切可能的疾病來源」,而是如何取得自己與自然間的平衡。筆者以為,在人類一次次向外界擴張時,或許更應該尊重其他物種的生存權,這才是避免未來再度爆發新瘟疫的關鍵。

本文刊登於2017/7/14基因線上)

參考文獻:

報橘 Buzz Orange。2015/05/28。新 SARS 來勢洶洶:回顧 12 年前,和平醫院的「官僚殺人」實錄

Tracey Goldstein et al. Global patterns in coronavirus diversity. Virus Evolution, June 2017 DOI: 10.1093/ve/vex012

2017年7月31日 星期一

生物時鐘與腸道菌有什麼關連?

擬桿菌屬的細菌。圖片來源:Wiki
近年來,研究腸道菌如何影響生物的生理、心理,已經是炙手可熱的領域;飲食可以改變腸道菌相也不是新聞,但是我們的生物時鐘是否與腸道菌有關係呢?

最近的一篇研究發現,生理時鐘的確與腸道菌有關,而且是透過飲食去調節生理時鐘基因!怎麼會呢?

這要從好幾年前開始說起。當時,德州貝勒醫學院的研究團隊發現,以高脂肪食物餵食懷孕的靈長類動物時,胎兒的生理時鐘基因Npas2會因為組蛋白H3的第十四個胺基酸(離胺酸)被乙酰化程度上升,造成它的表現量提高;這個現象持續到出生後以及幼年期,造成孩子至少在三歲以前很容易出現代謝失調、脂肪肝等問題。

這個研究,顯示了肝臟的生理時鐘對維持動物的代謝的重要性。過去的研究發現,新生兒的腸道菌也會受到母親的飲食影響、且生物的腸道菌相也有生物節律的表現;但是如果把生物時鐘基因ClockBmalI剔除,則腸道菌相變化就失去節律性了。但觀察無菌鼠卻發現,這些無菌鼠的肝臟生物時鐘也產生了變化,顯示在肝臟與腸道菌之間可能有互動。

若把Npas2基因直接剔除呢?過去發現,直接剔除Npas2基因的小鼠,在一般狀況下跟野生種並沒有什麼不同;但是當研究團隊把Npas2基因剔除小鼠施以「限制餵食」時,只有Npas2剔除鼠出現明顯變瘦的現象;甚至在其中一次實驗時,小鼠因為消瘦得太多,死亡率高達20%!

綜合過去的研究,顯然Npas2基因在限制餵食狀況下,對小鼠非常重要;為了要更進一步瞭解,研究團隊建立了只在新生兒時期的肝臟剔除Npas2的小鼠(稱為cKO),進行17天的「限制餵食」實驗,分析實驗進行前後小鼠體重變化以及腸道菌相的變化。

所謂的「限制餵食」要如何進行呢?原本讓小鼠們自由取食,改為每天只有早上九點到下午一點有食物。因為小鼠是夜行動物,改為只有白天有食物可以吃,對牠們來說會造成很大的壓力(想像你白天都沒得吃,半夜餓到不行要起來找食物的感覺)。

就體重變化來說,控制組與實驗組都瘦了,且直到實驗的最後一天也沒有回復實驗開始時的體重;不過cKO公鼠在實驗開始後第五到第九天體重的回復相當明顯,造成在實驗結束時,這一組的小鼠雖然沒有吃得比較多,但是瘦得比較少。

那麼小鼠的腸道菌相有沒有變化呢?比較實驗前後,研究團隊發現在實驗結束時,不論是野生種還是cKO組,都出現擬桿菌(Bacteroidales)變多、毛螺菌(Lachnospiraceae)變少的現象。

由於體重變化趨勢只有公的cKO鼠與其他組不同,所以研究團隊仔細看了一下不同性別的腸道菌相。在實驗前的腸道菌相並不因性別不同而有差別,但是在實驗結束時,公母cKO鼠的腸道菌相就出現了相當程度的差異。

野生種的腸道菌與體重減輕呈現正相關的包括了反芻梭菌(Ruminiclostridium)、羅斯氏菌(Roseburia)、顫桿菌(Oscillibacter)、葡萄球菌(Staphylococcus)、韋榮菌(Veillonella)。但是這些菌在cKO公鼠反而與體重減輕呈現負相關!而真桿菌(Eubacterium coprostanoligenes)、棒狀桿菌(Corynebacterium)、Parasutterella、擬桿菌S24-7群(Bacteroidales S24-7 group)、支原體科的 Allobaculum屬則與cKO公鼠體重減輕呈現正相關,但卻與野生種體重減輕呈現負相關!

雖然不論野生種或cKO鼠在實驗結束時擬桿菌(Bacteroides)屬細菌都有上升的現象,但cKO鼠擬桿菌增加得並不顯著;由於之前曾有實驗發現,不同株擬桿菌對飲食的反應不同,於是研究團隊仔細地分析了定序結果,但在同組不同個體間不同菌株增減的趨勢並沒有一致性,所以也就只能參考參考了。

整個看來,生物時鐘基因Npas2在飲食改變(高脂肪或限制飲食)時,擔任了很重要的角色。在這個研究裡甚至發現,胎兒的Npas2基因表現,與母體的飲食相關,且這個效應持續到幼年期,造成出生後到幼年期的代謝問題;且腸道菌相也出現一些變化。而Npas2基因的有無,在限制飲食的狀況下,對於公鼠腸道菌相的改變出現相關性。由於飲食對腸道菌相的改變已經不是新聞,而胎兒在自然產時會由母鼠的陰道得到媽媽的菌;所以小鼠的腸道菌隨著媽媽的改變而改變,也不能說很意外。但是究竟Npas2與腸道菌之間是否存在著互動,有待未來更多實驗來協助釐清。

最後筆者想提出一點,這個研究也再度提醒了我們,雌性與雄性在相同狀況下,生理(應該也包括了心理)的反應是不盡相同的。過去許多動物實驗總會採用雄姓動物來減少因月經週期所帶來的變化,雖然這讓實驗結果容易解釋,但也造成近年來發現,有些治療方式對女性未必有效。性別差異影響到生理反應,這也是未來在醫療研究上不可忽略的。

本文版權為基因線上所有,並於2017.6.28 刊登於基因線上網站)

參考文獻:

Melissa Suter et. al., Epigenomics: maternal high-fat diet exposure in utero disrupts peripheral circadian gene expression in nonhuman primates. FASEB J. 2011 Feb; 25(2): 714–726. doi: 10.1096/fj.10-172080

Derek S. O’Neil et. al., Conditional postnatal deletion of the neonatal murine hepatic circadian gene, Npas2, alters the gut microbiome following restricted feeding. American Journal of Obstetrics & Gynecology. http://dx.doi.org/10.1016/j.ajog.2017.03.024

2017年7月21日 星期五

哈姆立克傳奇

哈姆力克醫師。圖片來源:Wikipedia

發明哈姆立克法(Heimlich maneuver)的亨利‧哈姆立克醫師(Henry Judah Heimlich)因為心肌梗塞,在2016年12月17日離開了這個世界。提到哈姆立克醫師,大家馬上就會想到「哈姆立克法」:施救者站在後側兩手環繞有異物哽塞的病人,一手的拳頭之大拇指與食指側對準肚臍與劍突之間,另一手放在拳頭上握緊後,快速向上方壓擠,利用這個動作讓橫隔膜忽然向上,使肺部的氣體將堵塞於氣管的異物噴出。這個方法在1974年第一次在「急診醫學」(Emergency Medicine)期刊提出以後,可以說是救人無數,光是在美國可能就超過十萬人!包括已逝的美國前總統雷根(Ronald Reagan)、好萊塢巨星伊莉莎白‧泰勒(Elizabeth Taylor)、知名女歌手雪兒(Cher)都受過哈姆立克醫師的救命大恩,甚至演導雙棲的克林‧伊斯伍德(Clint Eastwood)還曾在2014年以哈姆立克法救過一個人的命呢!

有趣的是,哈姆立克醫師自己一輩子只用過這個方法「兩次」,而2016年五月是他第一次親自上場以自己發明的方法救人!當時高齡已96歲的哈姆立克醫師正在享用晚餐,忽然注意到鄰桌的女士噎到了。於是他立刻以他自己發明的方法,救了那位女士的命。哈姆立克醫師在事後受訪時說,過去他演示過非常多次哈姆立克法,但用來救人還真是頭一次。

在哈姆立克法出現之前,美國心臟學會與美國紅十字會都是建議對噎到的人施以背部拍打。在哈姆立克法出現以後,從1976到1985年,建議的作法是:先施以背部拍打,若無效,再使用哈姆立克法。自1986年開始,哈姆立克法被列為唯一用來急救噎到的人的方法,不過到了2006年,背部拍打又回到哽塞病人急救方法中,並且強調對於失去意識的哽塞病人應先拍打胸部。雖然有一種說法認為,哈姆立克醫師為了提倡他的急救法,曾贊助耶魯大學的相關研究人員,使該急救法獨佔美國心臟學會與美國紅十字會的急救指南20年,不過在沒有更多佐證資料的狀況下,筆者對這說法採取姑且聽之的態度。不過,美國心臟學會在2005年出版的急救指南中提到,對於溺水的人施以哈姆立克法,因為可能會導致嘔吐,因此不建議採用。

說了這麼多,哈姆立克醫師到底是誰呢?

亨利‧哈姆立克於1920年2月3日生於德拉瓦州的威明頓,父母親都是猶太人,父親一系來自匈牙利,母系則來自俄羅斯。在康乃爾大學取得學士與醫學士的學位以後,他成為一名胸腔外科醫師。

雖然大家都只記得他的「哈姆立克法」,但那其實不是他的第一個發明。在1962年,因為過去遇到一名二戰傷兵的經歷,讓他發明了哈姆立克閥(flutter valve,擺動閥),用來協助氣胸的病人將胸腔內的液體與氣體排出。哈姆立克閥在越戰時拯救了無數美國大兵的生命。

哈姆立克醫師一生都努力地在找新的方法治療病人,但並不是每個方法都像哈姆立克閥、哈姆立克法那樣成功。在1980年代,他開始研發以瘧原蟲感染病人來治療癌症、萊姆病與HIV。雖然在1917年朱利葉斯·瓦格納-堯雷格(Julius Wagner-Jauregg)博士成功地以瘧原蟲感染病人來治療梅毒,同時也因此獲得了1927年的諾貝爾生理醫學獎;但那是因為梅毒螺旋體怕熱,因此在感染後,只要發熱個三到四次就可以殺死體內的病原。癌細胞、萊姆病、HIV等卻不見得那麼怕熱,而且在非洲許多地方甚至發現,得了瘧疾的人如果也同時受到HIV感染,病毒會複製的更多,疾病也散播得更快。因此,哈姆立克醫師的「瘧疾療法」並不成功,這個療法也並未被核准使用。

除了以上這些成功與不成功的發明之外,哈姆立克醫師還發明了微氣切(Micro-Trach)技術,讓病人可以以氣管造口的方式呼吸,解決供氧問題。

發明一個很容易執行、又可以救人的方法,也真的拯救了千千萬萬人的生命,筆者想這是很多醫生的願望;而哈姆立克醫師也真的做到了,這也就足夠為他的一生平添許多的傳奇色彩了!

(本文版權為台大科教中心所有,其他單位需經同意始可轉載)

參考文獻:

高雄醫學大學附設醫院。哈姆立克急救法

BBC. Heimlich manoeuvre inventor dies aged 96.

BBC. Dr Heimlich saves choking woman with manoeuvre he invented.

搜狐健康。纪念哈姆立克医生

Nobelprize.org. The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1927.

2017年6月30日 星期五

三百年義大利名琴的秘密

斯特拉迪瓦里在1703年製作的小提琴。
圖片來源:Wikipedia

斯特拉迪瓦里琴(Stradivarius)指得是由安東尼奧‧斯特拉迪瓦里(Antonio Stradivari,1644 – 1737)在十七~十八世紀所製作的小提琴、中提琴、大提琴。由於音樂家們都認為斯特拉迪瓦里琴具有高音甜美、明亮且投射能力佳等優點,使得這些琴在製琴師辭世以後,價格水漲船高。目前在市面上,由斯特拉迪瓦里在1690-1700年製作的琴,少則數十萬、多則數百萬美金;若是在1700-1725年間,所謂的「黃金年代」製作的琴,價格都是百萬起跳!到底這些琴有多好,讓所有的音樂家如此迷戀?

難道斯特拉迪瓦里有什麼秘訣?或是,過去他在克雷莫納(Cremona)所使用的材料,現在已經找不到了嗎?好像也不是。以小提琴(violin)來說,前板是雲杉(spruce,Picea abies)、後板與琴頸是楓木(maple,Acer sp.),這些材料現在在歐洲都還找得到。過去也有許多製琴師製作了許多的琴,但是音樂家們都認為還是斯特拉迪瓦里琴最好(另一個音樂家們的心頭好是瓜奈里 Guarneri)。

這真是讓人不服氣,所以科學家們想盡辦法要了解到底為什麼,一樣是兩塊木板,為什麼別人的兩塊木板就不如他們的?

遠從1817年開始,就有人進行盲測,想了解究竟斯特拉迪瓦里琴是否真的「聽起來就是好」;但是,因為聽覺的短期記憶只有兩秒、而只聽一個音符其實也聽不出個所以然來,所以盲測總是沒有結論。試試看錄音吧?但是錄音的設備也會影響到聲音的品質,而所謂的「投射能力」--指在音樂廳的最後面還可以清清楚楚地聽到琴音--也沒辦法用物理學去解釋。過去在音樂廳裡的盲測,也一樣沒有結果。所以,到底這些名琴是不是真的好?為什麼好?沒有人知道。

最近,台大戴桓青老師的研究團隊,試著用其他的方法來找出這些名琴的秘密。他們用化學與物理的方法來分析斯特拉迪瓦里琴的背板(楓木)與現代楓木,想要了解木板中的纖維、纖維素的結晶狀態、木板的含水量、熱氧化特性(thermooxidative properties)以及無機鹽的含量等。

看起來很有趣吧?可是...等一下!這些測試,難道不會損毀這些珍貴的名琴嗎?怎麼可能有人願意把自己數百萬、甚至千萬美金的名琴拿來作這些測試呢?

別緊張!由於名琴也難免需要修理,歷年來的修補所取下來的木屑,並沒有被扔掉;這時,都成為珍貴的研究材料了。除此以外,有一把斯特拉迪瓦里琴在柏林空襲時毀於戰火,但琴頸仍在,且被奇美博物館好好地收藏著;為了研究,奇美館方也慷慨地將琴頸捐出。

戴老師的研究,有許多非常有趣的發現。首先他們以「交叉極化魔角旋轉」(CPMAS,cross-polarization magic angle spinning)分析發現,名琴中的半纖維素(hemicellulose,為存在於植物細胞壁中的雜聚合物)與木質素(lignin)的含量都變少了。尤其是半纖維素,與現代楓木比較起來,整整少了三分之一強(36.9±3.9%)。由於半纖維素在木材中會把木質素與纖維素連結在一起、也會影響到木材的吸水能力,三百年來它整整少了三分之一,對這些名琴會產生什麼樣的影響呢?

由於半纖維素是木材中主要吸水的分子,半纖維素的減少也反映在在木板的含水量上。以加熱分析發現,名琴的楓木的濕氣,比現代楓木少了四分之一!過去許多製琴師都發現,濕氣少的木頭用來製琴,聲音會比較明亮,這應該也是為何斯特拉迪瓦里琴的聲音向來有「甜美、明亮」的評語。

那些半纖維素去哪裡了?由CPMAS分析發現,應該是已經被分解了。有意思的是,在加熱分析上,研究團隊發現,斯特拉迪瓦里小提琴比中提琴、大提琴多了一個波峰!研究團隊認為,這個波峰是因為纖維素與木質素分離的結果,但為什麼中提琴、大提琴沒有呢?可能是因為小提琴較常被使用,重複的震動讓纖維素與木質素分開了。

更有趣的是無機鹽的含量分析。研究團隊發現,斯特拉迪瓦里可能有將木材進行過特別的處理,因為在名琴的楓木中發現了鋁、銅、鈣、鉀、鈉、鋅這些元素。由於鋁與鈣可以和木材中的纖維產生連結(crosslink),這是否就是一些音樂家們提到的,名琴「比較有彈性」的來源呢?到底這些元素是如何進入木材的?為什麼斯特拉迪瓦里要處理這些木材呢?有可能是為了防蟲而將木材浸泡於鹽類溶液中,過去發現斯特拉迪瓦里琴真的比較不容易被蟲蛀;也有可能是進行所謂的「樹液置換」(將木材倒掛使維管束內的液體流出)。雖然以鹽類浸泡木材來進行防腐在以前的義大利是常常進行的事,但查閱過去的文獻也只提到明礬或其他成分相當簡單的鹽類。如斯特拉迪瓦里琴的木材含有這麼多不同的無機鹽,實在也頗為罕見。雖然過去有科學家們想要找到斯特拉迪瓦里是否有「秘方」,但很可惜的是,那個年代的工匠,多半都是十一、二歲就開始拜師學藝,所受的正式教育極為有限。他們查遍了許多斯特拉迪瓦里的書信,試圖找出可能的偏方,但是他連寫給顧客的信都錯字連篇,想來處理木材的工序,可能只存在在他的大腦裡吧。

這些名琴,除了其中兩把,其它都被音樂家小心的使用著。但是,正如前面提到,這個研究之所以能進行,是因為名琴還是會損壞、需要維修;所以,到底這些古琴能用多久呢?目前存世的古樂器,除了斯特拉迪瓦里琴以外,還有十六世紀中葉由阿馬蒂(Andrea Amati,1505-1577)所製作的琴,以及唐朝(公元八世紀)的琵琶。不論是阿馬蒂的琴、或是唐朝的琵琶,都已經不能發出「明亮」的聲音了,而只有溫潤的音調。這是否意味著,再過一、兩百年,斯特拉迪瓦里琴也無法再發出它那著名的「甜美、明亮」的聲音呢?或許在此時對這些名琴進行更多的研究,可以讓我們更了解斯特拉迪瓦里製琴的技術,從而可以由現代人的手上,再現斯特拉迪瓦里的工藝呢?

另外,筆者在查閱相關的資料時,發現一個很有意思的研究。在2008年有人以兩種木腐菌(透明變色臥孔菌 Physisporinus vitreus P. Karst 與長柄炭角菌 Xylaria longipes Nitschke)腐蝕過的雲杉和梧桐製作小提琴,並進行盲測;結果發現大部分的聽眾都以為用真菌腐蝕過的木材製作的小提琴才是斯特拉迪瓦里!為什麼這個研究團隊會想到用木腐菌來處理這些木材呢?原來在1645-1715年,正好是所謂的「蒙德極小期」(Maunder Minimum)--這段時間太陽黑子極少、地球處於小冰河期,歐洲氣候寒冷多雨,造成樹木的年輪極窄且容易被真菌感染。因此,他們決定將木材先泡在1%的麥芽溶液中,直到木材的濕度來到飽和(28%)後,再以木腐菌處理木材20週。沒想到這樣的木材製作的小提琴,竟然得到了半數參與者(90名)同意它應該是斯特拉迪瓦里,而真正的斯特拉迪瓦里卻只得到39票!當然,以木腐菌處理木材要極為小心,如果太久,整個木材就分解、無用了。這個研究另外讓筆者注意到的是:這段時間的木材年輪特別窄,是否這樣的木材也會有不同的特性呢?而在戴老師的文章中也提到,目前用以製琴的木材會放置3-10年甚至更久來乾燥,不知道過去是否也會放置那麼久,而以當時處在寒冷多雨的狀況,或許這些木材也受到不同程度的木腐菌的作用?如果真的是因為氣候影響造成,大約只能說斯特拉迪瓦里也真的是「天時、地利、人和」的傑作吧!

最後,背板其實只影響小提琴30%的聲音,另外70%是由前板的雲杉提供的。所以,戴老師對於背板的研究,其實只是這個系列研究的開端,未來我們將拭目以待前板的研究成果,有朝一日或可重現斯特拉迪瓦里的工藝呢!

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參考文獻:

Wikipedia. Stradivarius.

Hwan-Ching Tai et. al. Chemical distinctions between Stradivari’s maple and modern tonewood. 2016. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. doi: 10.1073/pnas.1611253114

Fungus-treated Violin Outdoes Stradivarius. Science Daily.

Francis W. M. R. Schwarze, Melanie Spycher, Siegfried Fink. Superior wood for violins – wood decay fungi as a substitute for cold climate. 28 June 2008.New Phytologist. DOI: 10.1111/j.1469-8137.2008.02524.x

2017年6月12日 星期一

瘧原蟲如何流佈無窮?

瘧原蟲(Plasmodium vivax)的滋養體與紅血球。
圖片來源:Wiki
雖然時間已經來到二十一世紀,但如瘧疾(malaria)這種古老的疾病不僅還沒有從地球上消失,反而還有捲土重來的跡象。單是2015年,全世界有大約兩億一千四百萬個新病例;患者有88%在非洲,10%在東南亞,2%在地中海區域。那一年,全世界就有大約四十三萬八千人因罹患瘧疾而死,其中非洲佔90%, 東南亞7%,地中海區域2%。 瘧疾對於小孩與懷孕的婦女影響極大,2015年死於瘧疾的人裡面,將近七成(三十萬六千人)為五歲以下的兒童,為撒哈拉以南地區兒童第四大死因 。目前瘧疾雖然已經有疫苗,但目前已上市的疫苗效果仍有限,而瘧原蟲卻已對青蒿素發展出抗藥性;因此,除了繼續研發新的藥劑來治療瘧疾、以及繼續進行疫苗的開發以外,了解它如何散播,對防治也應有極大的幫助。

最近瑞典的斯德哥爾摩大學(Stockholm University)的研究團隊發現,惡性瘧(Plasmodium falciparum)原蟲會利用自己產生的(E)-4-羥基-3-甲基 - 丁-2-烯基焦磷酸酯((E)-4-Hydroxy-3-methyl-but-2-enyl pyrophosphate,以下簡稱HMBPP),來改變紅血球的代謝,使紅血球產生可以吸引瘧蚊(Anopheles 屬)與家蚊(Culex 屬)的蚊子前來吸血的氣味(1)。

HMBPP。圖片來源:Wiki

從1998年就發現,瘧蚊對已經感染瘧疾的人有偏好。當瘧蚊叮咬了瘧疾患者後,患者體內的配子體就會進入瘧蚊體內,在中腸產生雌雄配子、結合形成合子,動合子穿出中腸形成卵囊然後釋出成熟的子孢子移動到瘧蚊的唾腺等待下一次的叮咬。因此,對瘧原蟲來說,瘧蚊的叮咬是瘧疾散播的關鍵,能夠讓罹患瘧疾的人對瘧蚊有吸引力,絕對是一件好事。

但是,瘧原蟲釋放的代謝物絕對不只有HMBPP,為什麼它會被研究團隊注意到呢?原來在過去已經發現,HMBPP可以引發人類宿主的Vγ9Vδ2 T 細胞反應,而甘比亞瘧蚊(A. gambiae)的腸道菌對它也會有一些反應(2)。

HMBPP是2-C-甲基-D-赤蘚醇-4-磷酸路徑(2-C-methyl-D-erythritol 4-phosphate pathway,MEP pathway,又稱為非甲羥戊酸路徑 non-mevalonate pathway)的前驅物,瘧原蟲以MEP路徑來合成類異戊二烯(isoprenoids)。類異戊二烯是細胞內許多重要物質的前驅物,包含賀爾蒙的合成、蛋白質的醣化等都需要它。高等真核生物(如人與蚊子)並不使用這條路徑,而是使用甲羥戊酸路徑;只有細菌與頂複門(apicomplexan)的寄生蟲使用MEP 路徑。

研究團隊發現,雌性瘧蚊偏愛加入HMBPP的紅血球;當研究團隊提供加了HMBPP與不加的紅血球給雌性瘧蚊時,95%的雌性瘧蚊都去吸含有HMBPP的血,其效果與含有瘧原蟲滋養體或配子體的紅血球的效果相當。而這個效應,只有在HMBPP與紅血球同時存在時出現:若以血清取代(添加HMBPP的血清與不加HMBPP的血清)則無此效應。不過,若把含有滋養體或配子體的紅血球分離,只以上清液(約含10微莫爾的HMBPP)來進行觀察時,也有類似的效果。但如果先把被感染的紅血球以抑制HMBPP合成的藥劑膦絲菌素(fosmidomycin)處理,瘧蚊對它的偏好就消失了。這些都顯示了,瘧蚊受到HMBPP的吸引,而這個效應與紅血球有關。

這個效應是否是因為HMBPP刺激紅血球,使紅血球釋放出瘧蚊喜愛的氣味呢?研究團隊使用Y形管來測量瘧蚊對不同方式處理的紅血球發出的氣味的反應,發現HMBPP處理過的紅血球放出的氣味,與被配子體感染的紅血球放出的氣味相比,吸引力一樣強。

究竟這是什麼樣的氣味呢?過去對蚊子的研究發現,二氧化碳是很強的吸引劑;於是研究團隊先測量是否被HMBPP處理過的紅血球,釋放出來的二氧化碳比較多。結果發現,以HMBPP處理過的紅血球,釋放出來的二氧化碳多了16%;不過若只是把二氧化碳與紅血球放在一起,發出來的氣味對瘧蚊的吸引力並不特別強。這代表HMBPP對紅血球的影響,不只是二氧化碳而已。

於是研究團隊收集了被HMBPP處理過的紅血球所釋放出來的揮發物質,發現這些物質加上二氧化碳,就可以產生與被HMBPP處理過的紅血球一樣的效果。

這些揮發物質是什麼呢?分析的結果發現,裡面有α-蒎烯(α-pinene)、β-蒎烯(β-pinene)、檸烯(limonene)、辛醛(octanal)、壬醛(nonanal)與癸醛(decanal)。當研究團隊把這六種物質加上二氧化碳時,便有一樣的效果,而且加的越多效果越好。

更有意思的是,瘧蚊在吸食HMBPP處理的血時,會喝得比較多;吸了含有HMBPP的血的瘧蚊,體內的卵囊數也多了好幾倍,於是子孢子的數量當然也就大為增加(接近一倍)了。但是瘧蚊的繁殖力以及存活率都不受到影響。

整體來看,受到瘧原蟲感染的人,因其紅血球被HMBPP作用,產生較多的二氧化碳與揮發性物質,而這些物質對瘧蚊具有吸引力,使瘧蚊對瘧疾患者產生偏好。如此一來,就會有更多的瘧蚊帶有瘧原蟲來傳播瘧疾;而且由於吸食到含有HMBPP血的瘧蚊可以產生更多的子孢子,可能會使牠們下次叮咬人類時感染力變得更強。與弓漿蟲(Toxoplasma gondii)對中間宿主(老鼠)的作用相比,瘧原蟲以及瘧原蟲所產生的HMBPP對瘧蚊本身似乎沒有產生多少影響,不若弓漿蟲會造成老鼠不怕貓、甚至對貓產生好奇,而導致殺身之禍(3)。

有趣的是,在之前有關阿拉伯瘧蚊(Anopheles arabiensis)對氣味的研究中發現,阿拉伯瘧蚊不喜歡的氣味裡其實也包含了檸烯(4)。當然,不論是在阿拉伯瘧蚊或在本文中所提及的甘比亞瘧蚊對氣味的反應上,其實都包含了許多不同的揮發性物質;只是檸烯(俗稱檸檬油精)的氣味相當特殊,這兩種同屬的生物對它的反應卻是南轅北轍,因此筆者特別看了一下甘比亞瘧蚊對檸烯的愛好是否特別強烈?從研究團隊所提供的結果上看來,應該也不算特別強烈吧!

了解瘧蚊喜愛的氣味,便可以開發出瘧蚊的誘捕劑;加上環境衛生的管理等措施,應該也可有效控制瘧蚊的數目。雖然到後來不免會篩選出不受這些氣味吸引的瘧蚊,不過若能因此降低瘧疾傳播的速率,也可說是另一種成就吧!

本文刊登於2017/5/10基因線上)

參考文獻:
1. S. N. Emami et. al. A key malaria metabolite modulates vector blood seeking, feeding, and susceptibility to infection. Science. 10.1126/science.aah4563 (2017).

2.B. G. Lindberg et. al. Immunogenic and Antioxidant Effects of a Pathogen-Associated Prenyl Pyrophosphate in Anopheles gambiae.  2013. PLOS One. http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0073868

3. 鴻宇。2011. 寄生使人狂。PanSci 泛科學。

4. 葉綠舒。2016。怕蚊子叮?找隻雞來幫忙吧!Miscellaneous999