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用超快雷射來殺菌,不會太小題大作了嗎?

2016 年初,在泛科學分享過〈蚊子剋星:「雷射炮」問世!〉,現在想跟各位分享,還有人想用雷射來殺比蚊子更小的細菌(微米大小)與奈米大小的病毒!而且,目前科學家用來殺病菌的雷射可不便宜,是新台幣百萬以上的超快雷射。

有點小常識的人,聽到雷射殺菌馬上會想到:市面上不是已經有很多殺菌的東西了嗎?(不好意思,我不是說你沒常識。) 譬如烘碗機裡常有一個功能,開啟紫外光殺菌,又或者是我們日常常用酒精、漂白水來消毒(就是讓病菌無法作用),還有高溫也可以殺菌等等。既然已經有那麼多方法可讓細菌病毒失去活性,為何還要用這麼貴的雷射去滅菌?如果我這樣說:「暴力一點你也可以選擇潑硫酸讓細菌死光!或是放火燒了它!」你知道問題的關鍵了嗎?

病菌,你小心一點!圖/pixabay, CC0

重點在於「選擇性」!

如果想把手上的細菌消滅,誰會想放火燒自己的手?如何殺菌而安全不傷手,才是重點。酒精、漂白水並非對所有病菌有用,紫外線接觸久會引發皮膚癌,更別提手被沸水、硫酸潑下去會發生什麼事了!

美國亞利桑納州立大學物理系鄭功榮教授與他生醫背景的兒子鄭紹偉博士,在 2006 年左右開始研究如何用超快雷射讓病毒失去活性。他們首先找上會感染細菌的嗜菌體 M13,並研究 M13 在超快雷射不同功率照射下,如何失去活性甚至解體。

  • 在超快雷射實驗室內工作看起來酷嗎?可以看看鄭教授在他的實驗室玩超快雷射的樣子。

超快雷射如何殺死 M13 嗜菌體的機制,在經過多年的研究才被了解。如下圖所示,病毒受到電場影響下會引發極性;超快雷射中的光,其實就是振盪頻率很快的電磁波,透過光場中的電場與病毒極性的交互作用,使病毒的原子間開始振動,這個機制稱「脈衝受激拉曼散射」(Impulsive Stimulated Raman Scattering, ISRS)。適當的參數下,譬如雷射脈衝寬度夠短及雷射功率高出某一個臨界值,超快雷射可使 M13 嗜菌體原子間的振盪過大,進而讓鍵結力弱的結構瓦解。最重要的是,這個功率並不會造成人體或哺乳動物細胞及蛋白質的損害,功率大概要提高上千上萬倍才會造成人體細胞損傷。因此,超快雷射能「選擇性」的殺死 M13 嗜菌體而對人體無違害。

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超快雷射可使 M13 嗜菌體原子間的振盪過大,進而讓鍵結力弱的結構瓦解。圖/鄭功榮教授提供

這個技術目前已被證實可用在消毒人類的血漿。未來也許可以應用在輸血上,輸血過程需要消毒,雷射可打入透明導管,為其中的血液進行滅菌。生物實驗中常常需要培養的細胞,也被證實可用這個技術來消毒。

當然目前還有許多需要更準確的消毒技術,譬如製藥產業。現在所用的生化方法雖然也可以滅菌,但常常殺敵一千,自損八百,甚至不該被殺的比應該被殺的災情慘重得多。利用物理方式,雷射並不會造成病菌結構中共價鍵的破壞,不需要加入額外生化物質引發化學反應,也不會造成溫度明顯升高,殺菌的副作用會小很多。

雷射不只殺菌,還可以幫忙做疫苗

圖/pixabay, CC0

最讓人期待的,可能是應用在製作疫苗的可能性。最近研究顯示,以這個技術處理過的 H1N1 流感病毒,其複製能力被破壞,但仍保有主要結構。經過處理的 H1N1 病毒注入老鼠中可引發免疫反應,因此有機會成為疫苗。如果將有打疫苗與沒打疫苗的老鼠做比較,在感染 H1N1 流感七天後,沒打疫苗的老鼠因為生病體重平均掉了 25%,而打疫苗的老鼠體重沒有明顯改變。這個研究顯示,此技術適合發展適合肉禽或人類的流感疫苗,但仍需進一步的動物或人體實驗證實。

目前疫苗的開發主要用生化方法,需要花很長的時間發展出有效又安全的疫苗。最近 DNA 相關技術可加快疫苗研發速率,但效果較不顯著,需增加劑量使成本提高並增加副作用風險。目前生化方法都有針對性,需要對不同病毒開發,因此目前還有很多病毒沒有疫苗。譬如容易讓寶寶呼吸道感染的呼吸道融合細胞病毒(RSV),最近大家認識的茲卡病毒(Zika),曾讓台灣醫院封閉的嚴重急性呼吸道症候群病毒(SARS),讓人聞之色變的愛滋病毒(HIV)等等。因為人類對病毒束手無策,容易在人類間傳染、致死率又高的病毒才會引起恐慌。對抗不斷在變化的病毒,是否有一個共通的方法來應付各式病毒而產生疫苗呢?

物理方法是可能的解決方案,利用超快雷射處理病毒,沒有額外的化學物質,也許可快速、安全又有效的製造各種病毒的疫苗。目前為止,超快雷射已證實能使許多的病毒與細菌常去活性,其中包括 HIV 愛滋病毒、 H1N1 流感病毒、71 型腸病毒、A 型肝炎病毒、大腸桿菌等等,而每個病菌失去活性的「選擇性功率」不同,鄭教授把這個技術命名為「選擇性光學消毒」(Selective Photonic Disinfection, SEPHODIS)。

國人有許多 B 型或 C 型肝炎病毒帶原者,鄭教授也希望能跟相關單位合作,證實這個技術是有效的。這個技術距離實際應用,還有很長的一段路要走,如果成功可造福廣大人類,就像藥品的開發,動輒二三十年以上的實驗與測試。超快雷射已經在醫療手術刀及光學影像等生醫領域廣泛應用,也許未來還多了消毒與疫苗等實際應用。

延伸閱讀:

  1. SM Journal of Biomedical Engineering, <An Updated Report of the Ultrashort Pulsed Laser Technology and its Perspectives in Biomedical Applications>
  2. Selective Photonic Disinfection – A ray of hope in the war against pathogens
  3. Bio-Optics World, <ULTRAFAST LASERS: Femtosecond pulses kill viruses, leave human cells alone>
  4. Journal of Biomedical Optics, <Chemical-free inactivated whole influenza virus vaccine prepared by ultrashort pulsed laser treatment>

「空虛寂寞覺得冷會傳染嗎?」「為什麼人看到可愛的東西就想捏?」「為什麼蚊子喜歡叮穿深色衣服的人?」

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關於作者

南宮簫笛哥

林宮玄

任職於中研院物理所,雷射光譜實驗室負責人,生物影像核心設施管理負責人,兼任科學月刊/科技報導副總編輯。擔任過國立臺灣大學、國立臺灣師範大學、美國麻省理工學院博士後研究員,工業技術研究院南分院工程師。曾被戲稱南宮博士,擅長簫及竹笛,故稱南宮簫笛哥 (「人講瘋豬哥」台語諧音)。