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蜘蛛絲和蠶絲合體的醫療新應用

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賴婉婷｜國立臺灣博物館研究組

歐陽盛芝｜國立臺灣博物館

李冬齡｜美國馬里蘭大學植物學研究所

科學家致力發展以蠶繭與蜘蛛絲所合成的人造蛛蠶絲（Spidrex）和絲纖維蛋白（FibroFix），很快將可能徹底改革醫療應用，並促進可觀的生技醫藥產業。

英國牛津大學的動物學教授弗里茨•沃華夫（Fritz Vollrath）致力於蜘蛛的研究和應用，其中一項研究是將野蠶的蠶絲溶解，去除其中對人體有毒的膠質之後，再與蜘蛛的蜘蛛絲蛋白重組為人造的蛛蠶絲，其胺基酸序列和力學性質（mechanical property）均類似蜘蛛絲，且其中的絲蛋白（silk proteins）很容易被人體吸收，不會引起免疫反應，製成的縫線在兩年之內就能完成生物分解過程，並可調整為數週到半年等不同速率，因此手術後無需再回診拆線。未來可以進一步發展用於人工皮膚、血管、肌腱，和受損神經細胞的再生，甚至用來刺激新軟骨以癒合受損的組織，終極目標將可協助修復脊髓。

沃華夫教授發現蜘蛛網的研究一直未受重視，但是以人類的角度來看，蜘蛛每晚可創造一種比人類頭髮細10倍的建築材料，並能製造大如足球場、且強度足以「捕捉」整架飛機的蜘蛛網，並有獨特的能力回收牠們的網，再織網時會吃掉稍早織的網，轉換聚合物（polymer）回復成原始的胺基酸（amino acids）成分。他的研究發現蜘蛛絲的分子直徑能小到20奈米，從液態轉換成固態只須耗費極少的能量，低於任何人造合成聚合物（即人造纖維）所需的一千倍能量。

蜘蛛絲在很多古老的傳統中就被用來治療傷口，人類利用蜘蛛網的殺菌物質來抑制傷口的細菌和真菌感染，其微細蛋白絲能促進凝血和阻止出血。但是蜘蛛是肉食性昆蟲，必須結網捕食，密集飼養時彼此會自相殘殺，導致人類無法大規模進行人工飼養，另一方面收集蜘蛛絲時必須先將蜘蛛麻醉和固定，每隻蜘蛛一次卻只能抽取一根絲，成本上不合乎效益，因此科學家開始研發以人工合成方式製作人造蜘蛛絲。由於無法合成天然的絲蛋白，且大量飼育蠶蛾並將蠶絲製成商品早已成功，因此利用蠶絲取得足夠的絲蛋白原料，再結合蜘蛛絲的特性就可解決此問題。而高品質蠶繭一公斤市值約5美元，一公斤的絲線約60到70美元，如果把蠶絲轉作醫學用途，產值將可躍升超過百萬美元。

科學家運用絲蛋白能夠進入人體且不會引起太大副作用的特性，藉著液化這種蛋白質轉化為膠狀物，再塑成稱為「絲鞘」（Neurotex）的薄型空心圓柱管作為導管，能當成模具用於受損神經，類似以石膏保持斷骨伸直的治療方式。因為當神經被切斷後將損失約一公分，再生時需要形成稱為「軸突」（axons）的新細胞，絲鞘可以「誘騙」軸突順著此導管，讓神經呈一直線地再生，同時周圍的細胞、血管和組織也能透過具滲透性的絲薄膜餵養神經，當再生作用完成，絲鞘就會分解和消失。這種絲導管也能應用在治療坐骨神經等較大的神經損傷，絲鞘能夠讓外科醫生在緊急狀況時，使用任意長度進行手術治療。

蛛蠶絲也能製造為人工血管（SpiderGraft），並且具有極佳的抗凝血性，植入人體時的血液滲漏比目前使用的人工血管要少，更接近人體血管的力學性質，預期將可節省至少1.5億美元的洗腎費用。特別是尿毒症病人需要進行血液透析治療，理想的血管通路才能讓血液流出到迴路管及人工腎臟，經擴散及脫水之血液再流回體內，達到降低血中毒素及減少水腫的療效。但許多病人必須使用人工血管，目前市面產品效率不佳，且植入人體後每年需要兩次維護才能維持正常功能，兩年後就需要更新，蛛蠶絲將可成為更經濟有效的解決方案。

蛛蠶絲也已發展出新型的絲薄膜（SpinTec）技術，將可製成新的紗布傷口敷料（繃帶），外型如同透明的食物保鮮膜，含有的化學藥物可置於傷口長達6天不必拆換，有利於無縫且長效性的治療，同時解決目前開放性傷口需要以塗滿藥物的無機紗布墊處理，而且必須每天更換的問題，減少每一次換藥可能增加外來微生物感染的危險性。

而從家蠶（Bombyx mori）蠶絲中萃取一種具長鏈結構性的蛋白質，可讓絲纖維具有較大強度和彈性，經與蜘蛛絲的絲蛋白重組後可型塑製成稱為FibroFix多孔性水凝膠的絲纖維蛋白質（fibroin protein），類似於人類形成軟骨的膠原蛋白和纖維粘連蛋白（fibronectin），它能夠模擬蜘蛛結網時紡織絲蛋白的方式作為支架供再生組織生長，這種材質不但保有蜘蛛絲的強韌特性，並且強度更大更有彈性，經試驗證明能承載重量且具生物相容性，可用於置換人體容易磨損的膝蓋半月板（muniscus）。通常病人被切除半月板後，膝蓋就喪失緩衝作用，導致骨頭易碎與疼痛，必須等待植入人工膝蓋，目前多以屍體的組織置換，未來以此新技術將可大量複製，並經得起長達一生的損耗，日後還能運用於髖骨、顏面骨及顱骨等重建手術。（以上新聞編譯自2016年5月4日發行之The Optimist magazine雜誌）
（本文由科技部補助「向大自然借鏡：生物行為的科學解密」執行團隊撰稿）

責任編輯：歐陽盛芝／國立臺灣博物館
審校：歐陽盛芝／國立臺灣博物館

血液透析(11)

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