新醫療黏膠仿生斑紋角石蛾

 
2017/06/03 賴婉婷 | 國立臺灣博物館研究組
歐陽盛菊 | 國立清華大學工業工程與工程管理研究所
歐陽盛芝 | 國立臺灣博物館     355
 

日本東京農業大學(Tokyo University of Agriculture)長島孝行(Takayuki Nagashima)教授與波多野友博(Tomohiro Hatano)共同研究斑紋角石蛾(Stenopsyche marmorata)幼蟲的絹絲腺(silk gland)構造、吐絲過程、蟲絲成分和超微結構等,他們打破以往相關研究僅專注於水棲生物黏膠的化學成分和構造,還發現其分泌的絲液含有奈米柱結構,有助於蟲絲的水中黏附,即除化學性黏附機制外,同時具有物理性的奈米柱黏附機制,研究成果於2015年3月在《科學報告》(Scientific Reports)期刊發表。

 

未來參考本種蟲絲成分中各蛋白質的功能和黏著機制,可利用生物合成重組DNA技術和機制,將相關的DNA序列添加到已有生物的基因組中,合成出所需蛋白質,並使用合成聚合物進行仿生,將可研發新一代具生物相容性與防水的仿生醫療用生物黏膠、藥膏、手術縫線、繃帶等,用於皮膚、血管、臟器、骨頭或牙齒等局部傷口黏合和修補微創,取代傳統手術縫合,縮短癒合時間、減少術後體內組織積水、或術後感染的風險,更能節省醫療成本;或開發新型纖維製造智能織品和服裝。

 

俗稱石蠶蛾的斑紋角石蛾常在溪邊活動,屬於毛翅目(Trichoptera)角石蛾科(Stenopsychidae),成蛾體長約2.4-2.7公分。雌蛾將卵產於水中、附著於石塊或水生植物根部,孵化的幼蟲就棲息水中,以氣管鰓呼吸,無腹足僅腹端有一對具鈎的臀足,體內有發達的絲腺,一齡幼蟲即開始以濾食方式在流動水域中吐絲織成捕獲網收集有機物或藻類為食。蟲絲具有很大黏性,能夠承受激流強力衝擊也不會散開,並可長期黏附於水中包括葉子、細枝、石頭、玻璃碎片、塑膠珠、鐵氟龍(PTFE)等各種柔軟、堅硬、有機、無機材質,但本種不會像其他種類般吐絲將溪流中的石塊、細砂、枯枝等黏結成巢(case)。

 

研究小組以穿透式電子顯微鏡觀察得知,斑紋角石蛾幼蟲下唇唾液腺已特化為可分泌蟲絲的絹絲腺,依蟲絲分泌類型和組織特徵可分為後段絲腺(PSG)、中段絲腺(MSG)、球狀區(bulbous region)、和前段絲腺(ASG)四部分。若依蟲絲功能可分為絲纖維區和黏附區,絲纖維區有兩層結構,一層是位於纖維中心的芯層,另一層斑紋角石蛾絲心蛋白(Sm fibroin)層是絲的主要成分;黏附區由三層組成,包括最外層(OM層)、B層、和C層。

 

後段絲腺主要分泌芯層化合物電子緻密分泌球(electron-dense secretory globules),在朝吐絲器運輸過程時位於絲液中心,接著在硬化的絲中形成柱狀芯層;中段絲腺主要分泌斑紋角石蛾絲心蛋白,腔內的絲液可分為芯層、斑紋角石蛾絲心蛋白層、及外層三層結構,外層可再細分為含大量直徑約25奈米(nm=10-9m)電子緻密球的A層、包括許多存在電子緻密基材之低電子密度橢圓物質的B層、及無內部結構的C層等三層。

球狀區分泌很多約100奈米長的微纖維(microfibrils)組成OM層,包覆著OM層的B層密佈大量規律間距排列的奈米柱結構,每根奈米柱直徑約40奈米,高度125奈米,前驅物材料是位於中段絲腺腔內A層的電子緻密球,當絲液被運送到球狀區腔內時,電子緻密球在B層彼此自動互相連接,形成奈米柱結構,接著塗覆OM層化合物的絲液往前運送到前段絲腺,內膜具有微絨毛狀結構,上皮細胞有很多內含電子緻密球的囊泡,腔內有無數奈米柱分布在包覆著OM層的B層,也存在電子緻密球。

 

前段絲腺則往前銜接前導管、共同導管、和吐絲器(spinneret orifice),前端腔內絲液脫水,藉絲腺以核苷三磷酸水解酶(V-ATPase)調節酸鹼值的酸鹼中和反應,使蟲絲不會溶解,纖維化往前送到吐絲器,吐出一對寬6-8微米(μm=10-6m)、具橢圓形橫切面絲纖維組成的硬化蟲絲,可分為圓柱形的芯層、微纖維組成的斑紋角石蛾絲心蛋白層、含微小球形物質的外層、和在蟲絲表面黏合一對絲纖維的OM層。

 

水中黏附機制則可分為物理和化學作用。物理性的黏附機制係指當幼蟲在水中吐絲製作捕獲網濾食時,OM層通常會被水流沖刷,使黏附區的奈米柱結構曝露表面,奈米柱就像刷毛會陷入葉片等基質的粗糙表面,彼此間形成緊密無間隙的單層黏著構造,能增加黏著面的接觸面積,增強蟲絲與基質間的黏附,因此浸泡水中的奈米柱可增加捕獲網的接觸面積,提高食物的收集效率;而蟲絲的芯層具低彈性、和比組成斑紋角石蛾絲心蛋白微細纖維高的剛性,加上具機械強度的絲纖維,故得以承受快速水流的力,維持捕獲網。

 

化學性的黏附機制則可分為三種,第一種由斑紋角石蛾絲心蛋白B、C、OM層與奈米柱結構混合物組成緊密的黏著層,含有與過氧化酶(peroxidase)交聯的二酪胺酸(dityrosine),可加強黏著區中各層間的連接,維持蟲絲的黏附;第二種在球狀區分泌的黏附化合物含有帶負電荷的磷酸化絲胺酸(phosphorylated serine,簡稱pSer),有助於蟲絲和基質間的化學鍵結黏合;第三種是中段絲腺的A、B、或C層含有大量半胱胺酸(cysteine)和帶電荷殘基的Smsp-72k蛋白質,除與斑紋角石蛾絲心蛋白分子間交聯外,也做為水中黏附蛋白,因而增加黏附力。

 

人體含70%水分,體內非常濕潤,適用於乾燥條件的黏膠用於體內高濕環境常降低性能,甚至無法黏合,因此這項研究可實質促進水中黏附的醫療用黏著劑研發應用。

 

(以上新聞編譯自2015年3月18日發行之Scientific Reports期刊)

(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

 
 
  • 來源:
     
    • Hatano, T. and T. Nagashima. 2015. The secretion process of liquid silk with nanopillar structures from Stenopsyche marmorata (Trichoptera: Stenopsychidae). Scientific Reports, 5: 9237-1-8.
     
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  • 延伸閱讀:
     
    • Heimbuch, J. 2016. Caddisfly’s stretchy, waterproof ‘tape’ could be our next medical material. Mother Nature Network (MNN), August 10, 2016.
    • Yang, Y. J., D. Jung, B. Yang, B. H. Hwang, and H. J. Cha. 2014. Aquatic proteins with repetitive motifs provide insights to bioengineering of novel biomaterials. Biotechnology Journal, 9(12): 1493-1502.
     
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