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為何結核病如此難以治療?

葉綠舒
・2011/12/16 ・1172字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 493 ・六年級

結核病一向是非常難以治療的疾病,雖然大部分的人對結核桿菌(Mycobacterium tuberculosis)有抵抗力,但是大約有10%的受感染者會發展成結核病,這時候就需要服用至少四種抗生素至少半年到一年:主要是異煙肼(isoniazid), 結合利福平 (rifampin), 乙胺丁醇(ethambutol),和吡嗪酰胺 (pyrazinamide)。由於需服用的藥物種類太多,且療程又太長,所以病人常常半途而廢,不但造成治療功虧一簣,也加速了抗藥性菌株的演化。

過去一項認為結核桿菌之所以這麼難殺死是因為它分裂的慢;筆者還記得以前在醫院實習時,培養結核桿菌要連續培養半年,每隔一段時間觀察是否有細菌生長,直到半年以後培養基上都沒有細菌才可以發報告。但是最近發表在《科學》(Science)期刊上的研究成果,顯示了結核桿菌之所以這麼難以消滅,其實是因為他們有高度的個體差異。而這個個體差異來自於他們的細胞分裂機制:不對稱分裂(asymmetric division)。

一般我們認為細菌分裂都是所謂的二分裂(binary division),產生兩個一模一樣的子代。

細菌的二分裂。圖片來源:Campbell Biology, 8e.

由於兩個子代具有一模一樣的遺傳基因,所以他們在所有的特質上也都一模一樣,同時,也跟他們的親代一模一樣。這樣繼續分裂下去,在組織培養基上就會產生一個菌落(colony),整個菌落的數百萬顆乃至數億顆細菌,都是一模一樣的。

或許(絕)大部分的細菌是這樣繁殖的,但是哈佛的研究團隊發現,分枝桿菌(Mycobacterium)並不是以二分裂繁殖,他們是靠著不對稱分裂來繁殖,而不對稱分裂產生的結果就是:子代與親代有差異,不僅是在繁殖速度上有差異,連對於抗生素的敏感度也有差異。

研究團隊先用螢光標記分枝桿菌的細胞壁,由於新的細胞的細胞壁不會有螢光標記,這讓研究團隊可以清楚地看到新的分枝桿菌如何產生:一別於大腸桿菌(E. coli)的二分裂,分枝桿菌是經由桿菌的一端(pole)長出新的分枝桿菌,剛開始長得比較慢,等到細胞慢慢成熟後,它的成長速度開始加快。這樣慢慢由其中一端長出新的細菌造成的結果是:最後有一串細胞連在一起,但是它們在生長速度以及對抗生素的敏感度上都各不相同。

Mycobacterium tuberculosis

人類對抗結核病已經說不清楚多少年了,不論是歐洲、亞洲,史書上都有結核病的記載;原本以為隨著公共衛生的進步以及醫藥的發達,這個疾病應該可以像天花、小兒麻痺一樣地從地球上抹去,成為教科書的名詞;卻沒想到他頑強地繼續存留在世界上,而且最近這些年還有捲土重來的態勢。

哈佛研究團隊的發現,只能說我們對於這些在我們身旁的老友們(另一位老友是瘧疾)實在是太輕忽了,以致於從來不曾留意它們有多獨特,這次能有這樣的發現,除了幸運(研究團隊的主將是Sarah Fortune博士),好像也沒其他的好說了?

參考資料:
1. Science Now. 2011/12/15. Why Tuberculosis Is So Hard to Cure – ScienceNOW

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葉綠舒
262 篇文章 ・ 8 位粉絲
做人一定要讀書(主動學習),將來才會有出息。

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帶孩子一起,認識我們身邊的好細菌與壞細菌——《細菌與病毒》
台灣愛思唯爾_96
・2022/07/13 ・836字 ・閱讀時間約 1 分鐘

好細菌能讓我們的身體發揮重要的功能,但壞細菌卻會溜進我們體內,害我們生病!該怎麼趕跑討厭的壞細菌呢?

圖/台灣愛思唯爾

這些就是細菌
These are bacteria.

肉眼看不見的細菌,可是五花八門。

圖/台灣愛思唯爾

細菌是很小很小的生物。
Bacteria are very small living things.

細菌比我們的細胞還要小,但別小看了這群生物。

圖/台灣愛思唯爾

你的身體裡面跟外面,都有很多細菌,這一大群細菌就叫做微生物相
Your body has lots of bacteria both inside and outside. This is called your microbiome.

身體若要維持健康,缺不了一群好細菌。

圖/台灣愛思唯爾

抗生素只對細菌有用,卻對病毒或真菌沒有效,所以沒辦法讓病毒引起的感冒好起來。
Antibiotics only work on bacteria, not viruses or fungi, so they won’t help you get over a cold (which is a virus).

細菌、病毒、真菌可是不一樣的病原體喔。

圖/台灣愛思唯爾

很多抗生素都會黏住細菌體內稱為蛋白質的特殊小工人。
Many antibiotics stick to special workers in the bacteria, called proteins.
在抗生素的作用下,蛋白質就沒辦法做它們的工作了,例如蓋細胞壁或是閱讀指令。
With the antibiotic in the way, the protein can’t do its job, like building a wall or reading instructions

抗生素的作用機制各異,像是阻止蛋白質工作。

——本文摘自《寶寶醫學院:中英雙語繪本系列套書》(細菌與抗生素),2022 年4月,台灣愛思唯爾出版。

台灣愛思唯爾_96
3 篇文章 ・ 0 位粉絲
愛思唯爾(Elsevier)於1880年成立於荷蘭阿姆斯特丹,是全球首要經營醫學、科學和技術資訊產品及出版服務的出版商。台灣愛思唯爾致力深耕繁體中文版的醫學知識內容,包含專業教科書、醫學資料庫,以及符合大眾需求的知識普及書。

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都是尼古丁惹的禍?——戒菸後變胖,與腸道菌叢代謝物有關?
Charlotte 熊_96
・2022/01/10 ・2953字 ・閱讀時間約 6 分鐘

吸菸對健康的危害眾所皆知,許多吸菸者為了身體健康而嘗試戒菸,但戒菸過程卻遇到體重發胖的難題,導致許多吸菸者難以成功戒菸。長久以來,科學家們試圖了解戒菸導致體重發胖的生理機制。

過往研究發現吸菸會讓人沒有食慾,是因尼古丁作用在位在下視丘的尼古丁乙醯膽鹼的受器,改變人類體內能量供需的平衡。一直以來,科學家相信戒菸後體重增加,是因為戒菸後,體內少了尼古丁抑制食慾。

然而,來自以色列魏茲曼科學研究所(Weizmann Institute of Science)的 Leviel Fluhr 卻有不一樣的看法[2],他認為抽菸可能也會改變「腸道內的微生物群系」,並且試圖從其差異找到戒菸與體重變化的關係。

腸道內的微生物群系

腸道內微生物群系(microbiome)由上兆的微生物組成,包括病毒、細菌、真菌。這些腸道內的小小居民們其實對主人的健康有很深刻的影響。有許多疾病都被證實和腸道內微生物群系有關,包括自體免疫疾病、過敏、癌症等等[1]。這些微生物也會影響食物以及藥物在腸道的吸收。

「You are what you eat.」所代表的意義,可能超越字面上的翻譯。我們每天攝取的食物、添加物、環境荷爾蒙,都會改變腸道內的微生物群系。而 Fluhr 正是由這個角度,來探討戒菸之後體重的變化趨勢。

戒菸變胖,不單只是缺少尼古丁而已

在 Fluhr 的第一個實驗中,他們將老鼠分成四組,分別是不暴露菸害暴露菸害接受抗生素但不暴露菸害接受抗生素且暴露菸害

暴露菸害是模擬人類的抽菸行為,不暴露菸害當然就是模擬從未抽菸的人。其中兩組老鼠還有在實驗介入前使用抗生素,使用抗生素是為了控制老鼠腸道內的微生物群系,更精確地來說,是剔除微生物群系中的「細菌」,以此作為對照組,證明「戒菸後體重增加不單是尼古丁消失」造成的。

最終實驗發現,比起沒有使用抗生素的老鼠,在接受菸害前使用過抗生素的老鼠,暴露後戒斷時期體重增加的趨勢相對比較低,而且差異非常顯著。換句話說,在正常狀況下(也就是沒有接觸抗生素,腸內有菌的狀況下),戒菸後的體重增加與腸道內微生物群系有關。

實驗發現,吸菸者戒菸後體重增加,不單是尼古丁消失造成的。圖/Pixabay

移植「暴露菸害的微生物群系」,有同樣效果

在第一個實驗確認了戒菸後體重增加並非只是缺少尼古丁,腸道內微生物群系也可能影響體重後,Fluhr 的第二個實驗就決定來測試看看,這些微生物群系的影響有多大:他把先前實驗老鼠的腸道微生物群系(也就是糞便)移植到原本無菌的老鼠體中。

一組是移植「有暴露過菸害的老鼠腸道內微生物群系」,另一組則移植「未暴露過菸害的老鼠腸道內微生物群系」。移植了先前接觸過菸害的老鼠的腸道菌叢後,被移植的老鼠體重增加的幅度,大於移植了未暴露過菸害的老鼠的腸道菌叢。

微生物菌叢的代謝差異,是戒菸者變胖的主因

上述的實驗結果表明了尼古丁在下視丘的抑制食慾訊號,並不是戒菸後體重增加的唯一解釋,腸道微生物群系的差異也是原因之一。

Fluhr 為實驗結果提供了新的說法。暴露過菸害的微生物菌叢產生了許多不同的代謝產物,部分的代謝產物能幫助個體由攝取的食物中提煉出更多可利用能量

其中,一種名叫二甲基甘氨酸(Dimethylglycine)的分子,就是這些代謝產物的一員。二甲基甘氨酸是甘氨酸(Glycine)的衍生物。食物中的蛋白質在腸道消化後,分解成各式多肽,進一步再被分解成胺基酸,而甘氨酸就是其中一種胺基酸。菸害會讓腸道內促進二甲基甘氨酸生成的酶增加,令二甲基甘氨酸變多。

實驗發現,暴露了菸害的老鼠,血清中的二甲基甘氨酸含量比較高。給了二甲基甘氨酸添加劑的老鼠,不論有沒有經過抗生素處理,體重都會增加比較多。相反來說,如果剔除了老鼠們的食物中產生二甲基甘氨酸的前驅物質硫酸膽鹼(choline sulfate),老鼠暴露菸害後的體重增加就沒有那麼顯著。

實驗發現,暴露了菸害的老鼠,血清中的二甲基甘氨酸含量比較高。給了二甲基甘氨酸添加劑的老鼠,不論有沒有經過抗生素處理,體重都會增加比較多。圖/Pixabay

從腸道微生物組成角度,檢視吸菸對健康的影響

微生物菌叢在暴露過菸害後產生的代謝產物,除了解釋戒菸後體重增加,也可能解釋菸害如何造成其他疾病。

甘氨酸,除了是組成蛋白質的其中一種氨基酸,也是一種組成神經傳導物質的原料。神經傳導物質就是在神經突觸間,接替神經脈衝,傳遞神經訊息的化學物質。當癮君子拿起香菸、將裊裊煙霧吸入肺葉、進入肺泡、擴散入血流,腸道內的菌叢組成就再也不同。而這些腸道內的變化,改變了甘氨酸以及其衍生物的代謝。甘氨酸多才多藝的特性,讓它在腸道內的濃度變化,有如蝴蝶效應般,影響許多不同系統。譬如說,甘氨酸在人體內濃度的多寡,就與糖尿病有關[4],甘氨酸的代謝出現異常也會導致神經性疾病[5]

儘管有許多動物實驗提供戒菸後體重增加的生理證據,但真正的議題是:如何從動物模型轉到人類臨床現象。目前我們只知道戒菸後體重增加的高危險群是女性、低收入、飲食不良、缺乏運動、重度煙癮者。

逆向思考:運用微生物代謝或可幫助其他疾病

了解菸害的代謝物如何影響戒菸後的體重增加,甚至改變個體的健康後,Fluhr 試著從臨床治療的角度來看這個發現。有沒有可能把老鼠的模型實驗結果帶到臨床醫學,突破醫學瓶頸呢?就戒菸後體重增加的現象來說,只要改變這個微生物叢的變化,這個現象就可能有解!

譬如說,如果做出可以降低甘氨酸前驅物的藥物,或是發明可以降低微生物菌叢產生的代謝物的療法,戒菸後的體重增加可能就不復存在。從另一個角度切入,如果之後的實驗,破解出到底是哪些代謝物質重塑了腸內菌叢,並且由香菸中剔除這些物質,也可能是解法之一。

從另外一個完全相反的思維來看,對於急需增加體重的人,這些代謝物質可能是這群人的神藥。舉例來說,因為被癌症侵襲,而體重直直掉的病人(惡體質),就可能很需要這些代謝物質。

Fluhr 的實驗讓戒菸後體重增加的現象有新的解釋,他把焦點由先前的尼古丁在腦中的作用,轉移到腸內的菌叢組成。不僅如此,他的實驗更開啟了除了體重變化以外,香菸對健康影響的新的討論方向,並且不落窠臼的從臨床角度出發,企盼由老鼠實驗,解答戒菸以及體重變化的難題。

延伸閱讀:菸煙相報何時了?關於香菸、加熱菸和電子煙你該知道的事

參考資料

  1. The gut microbiome​​
  2. 以色列魏茲曼科學研究所
  3. Metabolomics in Prediabetes and Diabetes: A Systematic Review and Meta-analysis
  4. Chapter 21 – Disorder: Glycine encephalopathy
  5. Gut microbiota modulates weight gain in mice after discontinued smoke exposure

 

Charlotte 熊_96
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著迷於世界的多彩,也希望帶給人對生命的熱愛。現任美國愛因斯坦醫學中心小兒科住院醫師,畢業於台大醫學系。目前最希望成為小兒心臟科醫師,也沒忘從高中就想去無國界醫生當臨時醫師的夢想。 https://www.instagram.com/charlottethesunbear/

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盤點全球生活條件——我們需要多少能量,才能讓所有人過上體面的生活?
安比西林_96
・2021/10/01 ・2933字 ・閱讀時間約 6 分鐘

每天煩惱三餐要吃什麽、出門要怎麽穿、回家後有沒有舒適的被窩可以鑽,應該是我們大部分人的日常。然而,在社會的某些角落,「貧窮」卻可能讓人連基本生理需求都難以滿足。

要消除貧窮,免不了增加資源消耗,但全球暖化危機當前,人類又不得不展開節能減碳的行動。面對「對抗貧窮和調適氣候變遷,兩者是否相互衝突」的疑問,科學家們提出了一個直指核心的問題:我們需要多少能量,才能讓所有人過上體面的生活?

打造放諸四海皆準的人類基本福祉指標!

為了解答這個大哉問,來自國際應用系統分析研究所(IIASA)的研究者們,提出了一個新的指標——「體面生活標準」(Decent Living Standards,DLS )。它源自於基本人權與公平正義的普世理念,定義為任何人都應享有的一系列基礎物質與社會滿足要件;不論你出身何處、對好的生活有何想法,或擁有什麽訴求

這些基礎條件,可以分為五大面向:營養(Nutrient)、庇護所(Shelter)、健康(Health)、社會互動(Socialization)及可移動性(Mobility)。在食衣住行方面,除了三餐溫飽及空間大小充裕的住處外,DLS 更貼心地考慮生活的細緻之處,例如乾淨的衛浴、可以烹飪、保存食物的基礎家電,以及高緯度地區在冬、夏兩季不可或缺的溫控設備等等。DLS 也不止步於基本物質需求,更涵括一個健全生活的人應享有的醫療服務、義務教育,使用基本通訊和交通設施,以及進行社交聯繫和政治參與的權利。

「體面生活標準」所列出的指標。圖/參考資料 2

逐項列出統一化的 DLS 各面向的要求後,研究者們會根據不同國情,例如氣候、都市化程度、文化及科技經濟結構的程度,去計算各國達成這些基準的閾值能量。除了國與國的差異,在計算上,也會納入在地的城鄉差距。

舉例來説,訂定了擁有足夠空間和熱舒適的房屋通用標準後,研究者會把它換算成各地所用的不同建材,及建設與維持各類民生服務的基礎設施(如水電廠、運輸系統等)所需耗費的能量。有了 DLS 的理想標竿值,再與每個國家目前用於實現 DLS 的能源進行比較,就可估算出填補 DLS 缺口所需的能源需求。

為什麼要以「能量」衡量生活標準?

過去,我們總是以滿足生活標準的最低收入,來制定貧窮線的水平。但 DLS 作為最低限度理想生活的基準,採用的是計算能源消耗量(energy consumption)常用的單位,即千兆焦耳(Gigajoule,GJ)或十萬億焦耳(Exajoule,EJ)。一般國家的能源消耗量,都與基礎建設有關,大部分來自化學燃料的燃燒,以及水力發電、核電、風力發電、太陽能發電等。

值得注意的是,DLS 分析結果顯示,無法過上體面生活的人,數量遠比處在貧窮線底下的人來得多!這說明:現有衡量貧富的指標,跟實際情況是脫節的。以金錢收入作為生活水平的衡量單位,是預設個人能透過消費,去換取相應的生活品質。但現實中,有一大部分的人,即使收入高於貧窮門檻,現今社會所投入建設的能源,卻未必足以讓他們過上體面的生活。

因此比起以金錢為單位,DLS 由下而上(bottom-up)去推算建設和維持基本物質需求所耗費能量的模式,也許更適合作為反映人類生活品質的指標。以消耗能量為單位的 DLS 不只有物質條件,也納入社會層面的需求,因此可以為政策制定者在思考資源規劃時,提供更直接、全面的參考。

世界並不公平,尤其在所需耗費的能量上

上方柱狀圖中表示的是各區域平均人口與 DLS 之間的差距,空白間隙及其上數值越大,表示距離達至 DLS 的缺口越大。而下方光譜顯示由 0 至 1 表示體面生活至缺乏體面生活的量度,顔色越深則表示越沒有體面的生活。圖/參考資料 1

搭配各國戶口統計調查、世界銀行(World Bank)發展指標等數據,研究者推算出世界各國在不同面向上與 DLS 的差距。結果顯示,北半球的北美與歐洲,大部分人民都過著與 DLS 相距不遠的生活。然而,南方卻呈現截然不同的境況。

在撒哈拉以南的非洲國家,有超過 60% 的人口在居家、溫控、衛浴與飲用水設施上,都相當匱乏。部分南亞與太平洋地區也面臨類似困境,尤其缺少乾淨的保暖與烹飪設施。這與他們使用的傳統生質能源帶來的不良健康影響有關。此外,部分亞洲、中東、拉丁美洲地區,也存在不便取得飲用水和保暖設施等等的缺口。

那麽,要投入資源做新建設,弭平當今與未來人口與 DLS 之間的距離,我們還需要多少能量呢?研究者設定情境估算,在 2040 年前,我們總共需要 290 EJ 的累積能量——大概是如今全世界每年所消耗能量的四分之三!是的,當今世界平均所消耗的能量,其實早已超過滿足每個人 DLS 的額度。在提升生活標準的耗能中,有大半會是拿來打造適宜的居所,四分之一用以建設以公共交通為主的交通設施,而改善健康營養所需的能量,會比推動社會互動來得少。

上圖顯示 2015 年至 2040 年間,全球用以投入建設以達到 DLS 所需的累積能量。不同顏色的區塊代表不同 DLS 的面向,而區塊大小則表示其所占總能量的比例。圖/參考資料 1

如果我們能成功在 2040 年時,讓所有人都達到 DLS,那在 2050 年時達到體面生活,最終需要年均 156 EJ 的能量,其中 108 EJ 會是供南方世界所用。到時候,人類生活的耗能大抵都會用在移動、通勤上,其次是維持健康及居住品質,而投入在維持社會互動所需的能量所占比例最低。

2050 年時,用以支持全球人口達到 DLS 所需的年均能量。圖/Kikstra, et al. (2021)

另一個研究的重要發現是,由於各地的氣候、文化和交通管道不同,即使在同一套 DLS 下,有些地區就是會比其他地區耗費更多能量,才能達到相同的基準,這個能量差異甚至可達 4 倍!例如,高緯度國家會需要耗費更多能量,來維持相同舒適的室内溫度;同樣的通勤距離,公共交通覆蓋率高的國家不需太多能量就能完成,但在個人擁車率高的地區,就會產生更多耗能。

結論:消除貧窮與對抗氣候變遷不衝突

總體而言,DLS 的研究結果,在貧富懸殊與氣候正義議題上提供了新的視野,告訴我們:投入消除貧窮的能量,並不會對調適氣候變遷的行動產生威脅。現今人類社會所產生的能量,其實大都挹注在讓原本就充裕的生活更好,而非幫助仍在體面生活基準下的人。因此,各國如何在經濟成長與耗能規劃上取捨,找出更公正、有效率的資源重分配方式,才是關鍵解決之道。

參考資料

  1. Decent living gaps and energy needs around the world
  2. Decent Living Standards: Material Prerequisites for Human Wellbeing
  3. Energy requirements for decent living in India, Brazil and South Africa
  4. 让全球老百姓过上体面生活不会拖累气候减排目标
  5. How much energy do we need to achieve a decent life for all?
  6. 維基百科:貧窮門檻
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安比西林_96
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本職為生態環境領域的可撥煙酒生。 不定時掉落科普文章。 大家一起嗑科科(❍ᴥ❍ʋ)