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蜘蛛絲和蠶絲合體的醫療新應用

本篇主要介紹以野蠶和家蠶蠶絲為原料,再分別與蜘蛛絲重組為人造蛛蠶絲及絲纖維蛋白,兼具其特性且具生物相容性,將可做為手術縫線、絲鞘、人工血管、紗布傷口敷料和人工半月板等人體醫療用途
 
 
 
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
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