0

0
0

文字

分享

0
0
0

箭毒蛙越鮮豔就越毒嗎?又為什麼不會毒死自己?──《科學月刊》

科學月刊_96
・2018/02/27 ・3269字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 610 ・十年級

  • 文/嚴宏洋│國立海洋生物博物館特聘講座教授
金色箭毒蛙(Phyllobates terribilis) 圖/kirahoffmann @Pixabay

南美洲哥倫比亞西北邊山區的喬科省(Chocó)原住民長久以來一直將「分趾蟾科(Dendrobatidae)」中的「毒葉蛙屬(Phyllobates)」蛙(土著將它稱之為 kokoi 蛙)的皮膚分泌液(也是稱之為 kokoi)塗抹在箭頭上,用來麻醉被射中的獵物。早在 1869 年有位哥倫比亞的研究者阿朗戈(Posada Arango)首次以論文報導這毒物的生物特性。1957 年時瓦斯森(S. H. Wassen)對如何製作此箭毒及其藥理特性給了簡單的描述。

哥倫比亞原住民的麻醉藥:箭毒蛙毒液

但對這種蛙毒進行系統性的研究,要等到 1960 年代起才開始,由美國的研究人員馬吉(M. Märki)及威特科普(B. Witkop)對黑腿箭毒蛙(Phyllobates bicolor毒液的生化特性及對神經的毒性,做科學化的研究。

kokoi 蛙體重約有 1 公克、體長約 2~3 公分而已。一般是藏身於地表的植被內很難被看到,但土著們會在吹口哨時,同時用手指頭敲擊臉頰,而發出 fiu-fiu-fiu 的聲音。kokoi 蛙就會發出相同的回應叫聲,土著們就可以藉此定位去抓這蛙。因為經驗的關係,土著們在抓這蛙時都要用樹葉包著手,避免直接碰到蛙的皮膚,然後將牠們裝在竹筒內帶回部落。處理時用竹子製做成的竹籤(名稱 siuru kida),從蛙嘴穿過身體,放在火上烤,會使得乳白色毒液從背上的皮膚釋出。土著們就將箭頭沾上這毒液,然後晾乾。一隻毒蛙所分泌的毒液,可以製備約 50 隻箭頭。箭頭後方會裝上棉花狀的填充物,使其能與吹箭筒可以密合。而吹箭筒主要是用「芎榙棕櫚(chonta palm)」葉脈而製作成的中空吹筒,長度約為 20~25 公分。

過去在部落間的戰爭時,毒箭頭曾被用來射殺敵人;但目前只用來獵取豹、鹿、猴子及鳥類時使用。獵物在中箭後會導致癱瘓,然後死亡。獵人會用刀割下中箭部位周邊的肌肉及箭頭,以避免事後誤食。事實上這種毒素,與來自植物的「箭毒(curare)」一樣,是不會經由口腔進入體內。但若口腔黏膜有傷口,就會導致中毒。

蛙毒化合物研究

1962 年 8 月時馬吉及威特科普團隊的拉薩姆(M. Latham)女士在「杉莞流域(Rio San Juan)」地區採集了330 隻 kokoi 蛙,然後每十隻一組用乙醚麻醉安樂死後,將皮膚取下切成小片,在室溫下用甲醇粹取約 2~3 小時。然後倒掉上層溶液,再添加新的溶液,經過一夜後再過濾,進行真空乾燥,再冷藏於冷凍庫內。以白老鼠為材料,確認了這蛙毒的 50% 致死濃度(LD50)為 570(±40)μg/kg。這些初步的研究工作,以今天的標準來說是簡陋了些,但是對後續的研究工作,奠定了基礎的知識。

接著在美國國家衛生研究院工作的達利(J. W. Daly)在 1964、1966 年也加入蛙毒的研究。當時在鄰國巴拿馬從事兩棲、爬蟲類研究的邁爾斯(C. W. Myers)向達利提出,共同合作有計畫的對分佈於「杉莞流域」地區所有的毒蛙皮膚分泌的有毒化合物,進行整合性的研究。

箭毒蛙的體色越是鮮艷,牠的皮膚分泌物的毒性越高?研究並沒辦法證明這個假設。 source:wikimedia,圖中為 Ranitomeya amazonica

當時他們想要測試的一大假說是:若箭毒蛙的體色越是鮮艷,牠的皮膚分泌物的毒性,也會相對的高,以達到「警戒色」的目的。但結果卻令他們很失望,因為所得到的數據無法支持他們的假說。但是這些大規模長達 30 多年的持續研究,發現到毒蛙所分泌的毒素,包括蟾毒素(batrachotoxin, BTX)以及一些雙環的生物鹼,如高毒性的普密力托辛(pumilitotoxins)、三環類(coccinelline-like tricyclics)、表巴蒂啶(epibatidine)、愛濟啶(izidines)、吡咯啶(pyrrolidines)和幾乎無毒的十氫喹啉(decahydroquinolines)。

來自合成,也來自食物攝取的天然毒化物

達利與邁爾斯多年的工作和其它研究者們的努力,一共分離出超過 800 種生物鹼和至少 20 多種新的化學結構。更獨特的是這些天然化合物,只存在於毒蛙的分泌物。

毒蛙的毒液所含的生物鹼,到底是透過什麼生理機制而導致動物的死亡呢?後續的研究發現這些生物鹼與細胞膜上的鈣離子和鈉離子通道受體結合後,會使得這些離子通道無法正常的關閉,造成離子的流失,從而影響神經、肌肉和心肌的功能,而導致死亡。

蟾毒素(batrachotoxin, BTX)的化學結構。儘管達利等人無法證實原先的假說,但這長達 30 年的蛙毒研究依然豐碩:分離出蟾毒素等超過 800 種生物鹼和至少 20 多種新的化學結構。 圖/wikipedia

在研究毒蛙的分泌物過程中,研究者們發現到這些蛙不會自己合成有毒的生物鹼,而卻是從食物中攝取到含毒的物質,然後儲存到皮膚上的毒腺。研究成果顯示這些箭毒蛙可以從攝食到的許多昆蟲,包括:螞蟻、甲蟲、蚜蟲和馬陸,獲取高達 800  種以上的生物鹼類毒物。

箭毒蛙如何「死道友不死貧道」,不會毒死自己?

但這項發現又引發了另一個有趣的問題,那就是:這些毒蛙是用什麼樣的機制,避免自己被累積的生物鹼所毒害呢?這問題多年來困擾了許多研究者,而要到最近研究者們經由使用電生理及分子生物學技術,去研究箭毒蛙細胞膜上離子通道基因的突變,才得以找到答案。

2017 年 9 月 22 日美國德州大學奧斯汀校區整合生物學系扎康(Harold Zakon) 教授( 筆者博士論文的指導教授之一,也是第一個博士後的指導教授)的團隊在 Science 期刊發表了論文,顯示了蛙毒之一的「表巴蒂啶(epibatidine)」之所以有毒性,主要是它會與尼古丁乙醯膽鹼受體結合,導致了正常的乙醯膽鹼無法與受體結合,從而阻斷了神經訊號的傳導。而且即使是微公克(microgram)的劑量,就會導致死亡。

對 28 種分趾蟾科的毒蛙及 12 種不含毒物的蛙,經由電生理及分子生物學的研究,確認了在毒蛙身上的尼古丁乙醯膽鹼受體上,有一個胺基酸序列的變異,導致蛙體內尼古丁乙醯膽鹼受體靈敏度的降低,因而不會與「表巴蒂啶」蛙毒結合,體內累積的毒素,不會對毒蛙自己造成毒害。但是乙醯膽鹼是毒蛙要活下去所必要的神經傳導物質,雖然受體上的突變,可避免與累積的蛙毒結合,但也會降低與乙醯膽鹼的結合。因而演化上的另一傑作,就是乙醯膽鹼受體上有另一個胺基酸序列的變異,使得它能與乙醯膽鹼正常的結合,進行神經訊號的傳導。

換句話說,受體上兩個胺基酸的替換,一方面可使毒蛙不被自己儲存的毒素殺死;而另一方面,卻又能維持正常的乙醯膽鹼神經傳導的功能。

乙醯膽鹼(Acetylcholine)化學結構。毒蛙以變異乙醯膽鹼的方式避免毒害。 圖/wikipedia

很湊巧的是,在上述的論文發表 4 天後,紐約州立大學阿爾卑尼校區的黃秀雅、王經國夫婦(筆者臺灣大學動物系高兩屆學長、姊。我曾於 2001 前往王經國教授在哈佛大學醫學院的實驗室,進行鈉離子通道電生理的研究 。)在「美國國家研究院學報(PNAS)」上發表了一篇金色箭毒蛙(Phyllobates terribilis),如何避免被自己儲藏的蛙毒所害的機制的論文

  • 正在吃飯的金色箭毒蛙

金色箭毒蛙能透過食物將蟾毒素(BTX)儲藏在皮膚,以達自衛的作用。蟾毒素進入動物體內,會使得「電壓門控型鈉離子通道(voltage-gated Na+ channel)」持續保持開啟的狀態,而導致動物的死亡。他們發現在蛙體上,鈉離子通道上的蟾毒素受體上的天門冬醯胺酸(asparagine)被蘇胺酸(threonine)所取代後,蟾毒素就不會與鈉離子通道結合,因而不會對自己造成毒害。造成這胺基酸的取代主要是由 AAC 核苷酸,突變成 ACC 所導致的。

蘇胺酸(threonine)化學結構。以蘇胺酸取代天門冬醯胺酸(asparagine)是金色劍毒蛙免於毒害的關鍵。 圖/wikipedia

前述的兩篇論文,分別分析了箭毒蛙如何演化出避免表巴蒂啶及蟾毒素這兩種生物鹼,在牠們體內造成毒害的機制。但除了這兩大類的生物鹼外,毒蛙對其它種類的生物鹼,是使用哪些機制來保護自己,會是很有挑戰性的研究題目。

延伸閱讀:

 

 

本文轉載自《科學月刊》2018 年 2 月號 578 期,原文標題為〈探究箭毒蛙「死道友,不死貧道」的生物毒物特性〉。

文章難易度
科學月刊_96
232 篇文章 ・ 2410 位粉絲
非營利性質的《科學月刊》創刊於1970年,自創刊以來始終致力於科學普及工作;我們相信,提供一份正確而完整的科學知識,就是回饋給讀者最好的品質保證。

0

1
0

文字

分享

0
1
0
用這劑補好新冠預防保護力!防疫新解方:長效型單株抗體適用於「免疫低下族群預防」及「高風險族群輕症治療」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/01/19 ・2874字 ・閱讀時間約 5 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

本文由 台灣感染症醫學會 合作,泛科學企劃執行。

  • 審稿醫生/ 台灣感染症醫學會理事長 王復德

「好想飛出國~」這句話在長達近 3 年的「鎖國」後終於實現,然而隨著各國陸續解封、確診消息頻傳,讓民眾再度興起可能染疫的恐慌,特別是一群本身自體免疫力就比正常人差的病友。

全球約有 2% 的免疫功能低下病友,包括血癌、接受化放療、器官移植、接受免疫抑制劑治療、HIV 及先天性免疫不全的患者…等,由於自身免疫問題,即便施打新冠疫苗,所產生的抗體和保護力仍比一般人低。即使施打疫苗,這群病人一旦確診,因免疫力低難清除病毒,重症與死亡風險較高,加護病房 (ICU) 使用率是 1.5 倍,死亡率則是 2 倍。

進一步來看,部分免疫低下病患因服用免疫抑制劑,使得免疫功能與疫苗保護力下降,這些藥物包括高劑量類固醇、特定免疫抑制之生物製劑,或器官移植後預防免疫排斥的藥物。國外臨床研究顯示,部分病友打完疫苗後的抗體生成情況遠低於常人,以器官移植病患來說,僅有31%能產生抗體反應。

疫苗保護力較一般人低,靠「被動免疫」補充抗新冠保護力

為什麼免疫低下族群打疫苗無法產生足夠的抗體?主因為疫苗抗體產生的機轉,是仰賴身體正常免疫功能、自行激化主動產生抗體,這即為「主動免疫」,一般民眾接種新冠疫苗即屬於此。相比之下,免疫低下病患因自身免疫功能不足,難以經由疫苗主動激化免疫功能來保護自身,因此可採「被動免疫」方式,藉由外界輔助直接投以免疫低下病患抗體,給予保護力。

外力介入能達到「被動免疫」的有長效型單株抗體,可改善免疫低下病患因原有治療而無法接種疫苗,或接種疫苗後保護力較差的困境,有效降低確診後的重症風險,保護力可持續長達 6 個月。另須注意,單株抗體不可取代疫苗接種,完成單株抗體注射後仍需維持其他防疫措施。

長效型單株抗體緊急授權予免疫低下患者使用 有望降低感染與重症風險

2022年歐盟、英、法、澳等多國緊急使用授權用於 COVID-19 免疫低下族群暴露前預防,台灣也在去年 9 月通過緊急授權,免疫低下患者專用的單株抗體,在接種疫苗以外多一層保護,能降低感染、重症與死亡風險。

從臨床數據來看,長效型單株抗體對免疫功能嚴重不足的族群,接種後六個月內可降低 83% 感染風險,效力與安全性已通過臨床試驗證實,證據也顯示針對台灣主流病毒株 BA.5 及 BA.2.75 具保護力。

六大類人可公費施打 醫界呼籲民眾積極防禦

台灣提供對 COVID-19 疫苗接種反應不佳之免疫功能低下者以降低其染疫風險,根據 2022 年 11 月疾管署公布的最新領用方案,符合施打的條件包含:

一、成人或 ≥ 12 歲且體重 ≥ 40 公斤,且;
二、六個月內無感染 SARS-CoV-2,且;
三、一周內與 SARS-CoV-2 感染者無已知的接觸史,且;
四、且符合下列條件任一者:

(一)曾在一年內接受實體器官或血液幹細胞移植
(二)接受實體器官或血液幹細胞移植後任何時間有急性排斥現象
(三)曾在一年內接受 CAR-T 治療或 B 細胞清除治療 (B cell depletion therapy)
(四)具有效重大傷病卡之嚴重先天性免疫不全病患
(五)具有效重大傷病卡之血液腫瘤病患(淋巴肉瘤、何杰金氏、淋巴及組織其他惡性瘤、白血病)
(六)感染HIV且最近一次 CD4 < 200 cells/mm3 者 。

符合上述條件之病友,可主動諮詢醫師。多數病友施打後沒有特別的不適感,少數病友會有些微噁心或疲倦感,為即時處理發生率極低的過敏性休克或輸注反應,需於輸注時持續監測並於輸注後於醫療單位觀察至少 1 小時。

目前藥品存放醫療院所部分如下,完整名單請見公費COVID-19複合式單株抗體領用方案

  • 北部

台大醫院(含台大癌症醫院)、台北榮總、三軍總醫院、振興醫院、馬偕醫院、萬芳醫院、雙和醫院、和信治癌醫院、亞東醫院、台北慈濟醫院、耕莘醫院、陽明交通大學附設醫院、林口長庚醫院、新竹馬偕醫院

  • 中部

         大千醫院、中國醫藥大學附設醫院、台中榮總、彰化基督教醫療財團法人彰化基督教醫院

  • 南部/東部

台大雲林醫院、成功大學附設醫院、奇美醫院、高雄長庚醫院、高雄榮總、義大醫院、高雄醫學大學附設醫院、花蓮慈濟

除了預防 也可用於治療確診者

長效型單株抗體不但可以增加免疫低下者的保護力,還可以用來治療「具重症風險因子且不需用氧」的輕症病患。根據臨床數據顯示,只要在出現症狀後的 5 天內投藥,可有效降低近七成 (67%) 的住院或死亡風險;如果是3天內投藥,則可大幅減少到近九成 (88%) 的住院或死亡風險,所以把握黃金時間盡早治療是關鍵。

  • 新冠治療藥物比較表:
藥名Evusheld
長效型單株抗體
Molnupiravir
莫納皮拉韋
Paxlovid
倍拉維
Remdesivir
瑞德西韋
作用原理結合至病毒的棘蛋白受體結合區域,抑制病毒進入人體細胞干擾病毒的基因序列,導致複製錯亂突變蛋白酵素抑制劑,阻斷病毒繁殖抑制病毒複製所需之酵素的活性,從而抑制病毒增生
治療方式單次肌肉注射(施打後留觀1小時)口服5天口服5天靜脈注射3天
適用對象發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人(18歲以上)的輕症病患。發病7天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與孩童(年齡大於28天且體重3公斤以上)的輕症病患。
*Remdesivir用於重症之適用條件和使用天數有所不同
注意事項病毒變異株藥物交互作用孕婦哺乳禁用輸注反應

免疫低下病友需有更多重的防疫保護,除了戴口罩、保持社交距離、勤洗手、減少到公共場所等非藥物性防護措施外,按時接種COVID-19疫苗,仍是最具效益之傳染病預防介入措施。若有符合施打長效型單株抗體資格的病患,應主動諮詢醫師,經醫師評估用藥效益與施打必要性。

文章難易度
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
160 篇文章 ・ 270 位粉絲
充滿能量的泛科學品牌合作帳號!相關行銷合作請洽:contact@pansci.asia

1

1
0

文字

分享

1
1
0
「來點海洛因止咳糖漿?」:過去化學合成的進步,今日藥物成癮的危機?——《食藥史》
聯經出版_96
・2022/09/06 ・2005字 ・閱讀時間約 4 分鐘

海洛因是半天然產物,是用嗎啡製造出來的,而嗎啡是鴉片的天然生物鹼,它也是半合成產物,是操弄天然物質的分子結構、增減原子而來,是所謂的「半合成」鴉片類藥物

海洛因為我國一級毒品,大家千萬不要嘗試。圖/envato.elements

現今多種止痛藥,都是鴉片的子孫!

一九○○年以後,很多實驗室追隨拜耳製造海洛因的腳步,製造自己的半合成藥物。它們從鴉片的生物鹼入手,比如嗎啡、可待因、蒂巴因等,想找出藥效的根源。

這些化學物質不容易研究,以嗎啡為例,它的結構相當複雜,由五個原子環連結而成。有些科學家設法分離出最小的活性成分,拆解成碎片,尋找這些分子的核心。接著他們擺布那些碎片,替換不同的原子,添加支鏈,讓它們變成半合成產物。

第一次世界大戰前後,化學家繼續尋找非成癮性止痛劑聖杯,製造並試驗數以百計的半合成製品,其中有極少數順利上市,有些甚至非常成功。

20世紀,拜耳在藥局張貼的廣告。 圖/wikipedia

一九二○年,有人用可待因製造出氫可酮(hydrocodone),這種物質與乙醯胺酚(acetaminophen)混合後,就成為如今的止痛藥維可汀(Vicodin)。以類似方法操作嗎啡,就會得到氫嗎啡酮(hydromorphone),這款藥物在一九二四年取得專利,如今仍在使用,商品名是第勞第德(Dilaudid)。

一九一六年,化學家改造可待因,製造出氧可酮(oxycodone),這是一種藥效極強的半合成藥物,是波賽考特止痛劑(Percocet)的主要成分,緩釋型麻醉止痛藥奧施康定(OxyContin)裡也有它邪惡的身影。這些半合成鴉片類藥物都是有效的止痛劑,都能讓使用者精神恍惚,也都有成癮性。

也有化學家找出藥效驚人的成品,比如一九六○年,有個蘇格蘭研究團隊製造出一種又一種新型蒂巴因(也是鴉片的天然生物鹼)。有一天研究人員拿起實驗室工作台上的玻璃棒攪拌幾杯茶,幾分鐘後,喝了茶的幾名研究人員全都倒下,昏迷不醒。原來玻璃棒沾上他們正在研究的物質,這是一種超級半合成藥劑,效力比嗎啡強上數千倍。這種藥劑後來以止動劑(Immobilon)商標上市,用在飛鏢上麻醉大象和犀牛。

塗有止動劑的飛鏢,可以用來麻醉大象、犀牛和……。 圖/IMDb

科技帶來的隱憂:奧施康定濫用問題

半合成奧施康定(俗稱奧克西、棉花、踢客、豆子和土海洛因)已經是鴉片類藥物的今日嬌客,經常登上報紙頭條。全世界 80% 的供應量都銷往美國。

它成功地將鴉片類藥物成癮問題,從鬧區街頭推向美國的中部小鎮。它無所不在,使用者遍布所有階層,以鄉村地區的貧窮白種人為主。

過去一個世紀以來,醫藥的進步延長全人類平均壽命,這個族群卻反向降低,主要原因正是奧施康定過量(與酒精和其他鴉片類藥物混用時極易發生),以及吞奧施康定自殺。

奧施康定為什麼這麼普遍,這方面的資訊非常豐富,只要看看新聞就知道。一百七十年前中國之所以淪為成癮國度、一八八○年代嗎啡之所以變成美國國家醜聞、一九五○年代海洛因之所以是最醜惡的藥物,問題的核心跟目前的奧施康定風波一樣,因為它們是鴉片類藥物

鴉片類藥物背後都有嚴重成癮問題。 圖/elements.envato

而每一種鴉片類藥物都非常容易成癮,沒有例外。

經過數十年的努力和數不清的失敗,半合成這條路始終沒有通往那個非成癮的神奇化學物質。於是研究人員採取下一步,尋找不同的方法。他們要的不是以嗎啡、可待因或任何屬於鴉片成分為基礎的藥物,而是某種全新的東西,某種結構完全不同、純粹合成的藥物。

不可思議的是,他們確實找到幾種。這些新合成藥品之中效力最強的,比如吩坦尼(fentanyl)和卡吩坦尼(carfentanil),止痛效果不只跟嗎啡一樣強,甚至可能強上數百倍。只是這些藥物同樣容易上癮,無一例外。

——本文摘自《食藥史:從快樂草到數位藥丸,塑造人類歷史與當代醫療的藥物事典》,2022 年 8 月,聯經出版

所有討論 1
聯經出版_96
27 篇文章 ・ 16 位粉絲
聯經出版公司創立於1974年5月4日,是一個綜合性的出版公司,為聯合報系關係企業之一。 三十多年來已經累積了近六千餘種圖書, 範圍包括人文、社會科學、科技以及小說、藝術、傳記、商業、工具書、保健、旅遊、兒童讀物等。

0

1
1

文字

分享

0
1
1
蛇蠍心腸?才沒那麼壞!你所不知道的蠍毒妙用
科學月刊_96
・2019/11/24 ・2207字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 594 ・九年級

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

  • 文/嚴宏洋|國立海洋生物博物館特聘講座教授。

成語中的「蛇蠍心腸」是用來比喻某人心地的陰險及惡毒,蛇、蠍都是帶有毒液的動物,因而被擬人化形容人心的險惡。臺灣的毒蛇種類多,但是原生的蠍子只有不具毒性的「八重山蠍」和「斑等蠍」兩種。大家對蠍子的印象,多是從電視、報章和雜誌上來的,只知道蠍子是一種節肢動物,其尾部末端有一個內含毒液的毒囊與一支毒刺相連,用以螫擊獵物和禦敵。蠍子毒液的成份已被研究多年了,但最近的研究,卻發現它們有許多過去所意想不到的醫學用途⋯⋯

話說從頭──蠍毒也有殺菌的功能?

最近,來自墨西哥國立自治大學(Universidad Nacional Autonoma de Mexico)的研究人員卡加莫-諾利加(Edson Norberto Carcamo-Noriega)和他的團隊,採集一種棲息於墨西哥的蠍子——梁龍蠍(Diplocentrus melici)毒囊內的毒液。

令人驚訝的是,當毒液一曝露到空氣中,立即顯現出紅色及藍色兩種化合物。他們將這兩種化合物送到美國史丹佛大學(Leland Stanford Junior University)札爾(Richard N. Zare)教授的實驗室,經後續的質譜儀和核磁共振光譜學(nuclear magnetic resonance spectroscopy, NMR)進行分析,確定了兩種苯醌(benzoquinone,圖一)的存在。

不過,由於從每隻蠍子身上能採到的毒液量很少,無法直接進行生物檢定(bioassay)測試。幸好這兩種毒素是小分子化合物,因而研究人員得以在實驗室內,使用商業上的前驅物進行合成,再使用這些人工合成的毒素,進行結晶定序以確定其3-D結構。

圖一: (A) 紅色化合物3,5-dimethoxy-2-(methylthio) cyclohexa-2,5-diene-1,4-dione (B) 藍色化合物5-methoxy-2,3-bis(methylthio) cyclohexa-2,5-diene-1,4-dione

接著,這兩樣合成物被送到墨西哥國家醫學及營養學研究所(Instituto Nacional de Ciencias Médicas y Nutrición)病理實驗室,由曼杜扎-圖基羅(Monserrat Mendoza-Trujillo)的團隊進行生物檢定測試。

他們先使老鼠感染金黃葡萄球菌(Staphylococcus aureus)及肺結核分枝桿菌(Mycobacterium tuberculosis),再用這兩種化合物投藥。結果發現,紅色成份可以殺死金黃葡萄球菌,其最低抑制濃度(minimal inhibitory concentration, MIC)為 4 μg∕mL;藍色化合物則是可以殺死肺結核分枝桿菌,MIC 亦為 4μg∕mL。對於具有多重抗藥性的「肺結核分枝桿菌株」,也有相同的殺菌效用,且不會傷害老鼠肺臟表襯細胞的活性。

是毒藥,也是良方!那些年他們研究的蠍毒

回顧過去 50 年,蠍毒的研究可以分為三個階段:

被蠍子螫到會發生什麼事──

第一階段的研究,著重於患者被蠍子螫後的生理反應描述,醫界將中毒的反應分為三級:第一級有局部的疼痛,只要給予止痛藥即可;第二級反應包括心搏過速(tachycardia)、心律不整(arrhythmia)、呼吸困難(dyspnea)、無法控制的流淚、口吐白沫、嘔吐、高血壓或低血壓等生理反應。治療方式主要為施打抗血清加速代謝毒物或給予藥物抑制痙攣;第三級反應包括有:心臟衰竭、心因性休克(cardiogenic shock)和電解質失調等,這種病患要立即送入加護病房急救。

它們怎麼讓人中毒的──

第二階段的研究,著重於蠍毒內含物的結構分析及致毒的生理機制的探討。截至2010年,超過一千種的蠍毒蛋白結構已被定序。其中有許多種毒蛋白,都是胱胺酸的衍生物,但也有不屬於這一類的。它們共同的特徵是皆為小分子結構,分子量小於 3001 道爾頓(Da),且具有干擾細胞膜表面的鉀離子、鈉離子、鈣離子和氯離子的通道活性,從而造成被螫者中毒。

抑炎抗菌,反轉死神鐮刀──

第三階段的研究,則是從實用的角度探討蠍毒的醫療應用價值。例如從墨西哥阿茲特克蠍子(Hadrurus aztecus)分離出的抗菌蛋白(hadrurin)有殺菌的作用;而帝王蠍(Pandinus imperator,圖二)毒素中分離出的蠍毒(scorpine)有殺死細菌及瘧原蟲的效應。史密斯墨西哥蠍(Vaejovis mexicanus smithi)分離出的鉀離子管道阻斷分子,則有抑制發炎的作用等。而前述卡加莫-諾利加團隊最新發現的紅色及藍色化合物,含有抗生素作用,則代表目前研究者們努力的方向。

圖二:帝王蠍。(Pxhere)

蠍子身上帶有毒液 為何不會毒到自己?

截至目前為止,有關蠍毒的研究仍有一個重要的題目尚未有研究者著手:既然蠍毒會干擾被螫動物細胞膜表面的鉀離子、鈉離子、鈣離子和氯離子的通道活性,為何這毒液不會對蠍子本身造成損害呢?

箭毒蛙的毒素與其受體突變是相當經典的研究內容。圖/wikipedia

以箭毒蛙(poison dart frog)為例,其會在體內儲藏毒液作為禦敵使用,帶有表巴蒂啶(epibatidine)毒的分趾蟾科毒蛙具備尼古丁乙醯膽鹼受體,而受體上有一個胺基酸序列的變異,使得蛙體內尼古丁乙醯膽鹼受體靈敏度的降低,因而不會與表巴蒂啶蛙毒結合。意即,蛙體內累積的毒素,並不會對毒蛙自己造成毒害。

但是,乙醯膽鹼是毒蛙存活的必要神經傳導物質,雖然受體上的突變可避免與累積的蛙毒結合,但也會降低與乙醯膽鹼的結合。因此,演化上的另一傑作,就是乙醯膽鹼受體上有另一個胺基酸序列的變異,使得它能與乙醯膽鹼正常結合,進行神經訊號的傳導。換句話說,受體上兩個胺基酸的替換,一方面可使毒蛙不被自己儲存的毒素殺死;而另一方面,卻又能維持正常的乙醯膽鹼神經傳導功能。

蠍子體內是用哪種機制,以避免被自己體內儲存的毒液所害?筆者認為,這是未來值得研究的好題材。

延伸閱讀

  1. 維基百科:〈蠍子〉
  2. Jean-Philippe Chippaux, Emerging options for the management of scorpion stings. Drug Design, Development and Therapy , Vol. 6: 165-173, 2012.
  3. Edson Norberto Carcamo-Noriegaa et al., 1,4-Benzoquinone antimicrobial agents against Staphylococcus aureus and Mycobacterium tuberculosis derived from scorpion venom, PNAS, Vol. 116 (26): 12642-12647, 2019.

〈本文選自《科學月刊》2019年11月號〉

在這個資訊不被期待的時空裡,卻仍不忘科學事實至上的自由價值。

 

0

0
0

文字

分享

0
0
0
箭毒蛙越鮮豔就越毒嗎?又為什麼不會毒死自己?──《科學月刊》
科學月刊_96
・2018/02/27 ・3269字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 610 ・十年級

  • 文/嚴宏洋│國立海洋生物博物館特聘講座教授

金色箭毒蛙(Phyllobates terribilis) 圖/kirahoffmann @Pixabay

南美洲哥倫比亞西北邊山區的喬科省(Chocó)原住民長久以來一直將「分趾蟾科(Dendrobatidae)」中的「毒葉蛙屬(Phyllobates)」蛙(土著將它稱之為 kokoi 蛙)的皮膚分泌液(也是稱之為 kokoi)塗抹在箭頭上,用來麻醉被射中的獵物。早在 1869 年有位哥倫比亞的研究者阿朗戈(Posada Arango)首次以論文報導這毒物的生物特性。1957 年時瓦斯森(S. H. Wassen)對如何製作此箭毒及其藥理特性給了簡單的描述。

哥倫比亞原住民的麻醉藥:箭毒蛙毒液

但對這種蛙毒進行系統性的研究,要等到 1960 年代起才開始,由美國的研究人員馬吉(M. Märki)及威特科普(B. Witkop)對黑腿箭毒蛙(Phyllobates bicolor毒液的生化特性及對神經的毒性,做科學化的研究。

kokoi 蛙體重約有 1 公克、體長約 2~3 公分而已。一般是藏身於地表的植被內很難被看到,但土著們會在吹口哨時,同時用手指頭敲擊臉頰,而發出 fiu-fiu-fiu 的聲音。kokoi 蛙就會發出相同的回應叫聲,土著們就可以藉此定位去抓這蛙。因為經驗的關係,土著們在抓這蛙時都要用樹葉包著手,避免直接碰到蛙的皮膚,然後將牠們裝在竹筒內帶回部落。處理時用竹子製做成的竹籤(名稱 siuru kida),從蛙嘴穿過身體,放在火上烤,會使得乳白色毒液從背上的皮膚釋出。土著們就將箭頭沾上這毒液,然後晾乾。一隻毒蛙所分泌的毒液,可以製備約 50 隻箭頭。箭頭後方會裝上棉花狀的填充物,使其能與吹箭筒可以密合。而吹箭筒主要是用「芎榙棕櫚(chonta palm)」葉脈而製作成的中空吹筒,長度約為 20~25 公分。

過去在部落間的戰爭時,毒箭頭曾被用來射殺敵人;但目前只用來獵取豹、鹿、猴子及鳥類時使用。獵物在中箭後會導致癱瘓,然後死亡。獵人會用刀割下中箭部位周邊的肌肉及箭頭,以避免事後誤食。事實上這種毒素,與來自植物的「箭毒(curare)」一樣,是不會經由口腔進入體內。但若口腔黏膜有傷口,就會導致中毒。

蛙毒化合物研究

1962 年 8 月時馬吉及威特科普團隊的拉薩姆(M. Latham)女士在「杉莞流域(Rio San Juan)」地區採集了330 隻 kokoi 蛙,然後每十隻一組用乙醚麻醉安樂死後,將皮膚取下切成小片,在室溫下用甲醇粹取約 2~3 小時。然後倒掉上層溶液,再添加新的溶液,經過一夜後再過濾,進行真空乾燥,再冷藏於冷凍庫內。以白老鼠為材料,確認了這蛙毒的 50% 致死濃度(LD50)為 570(±40)μg/kg。這些初步的研究工作,以今天的標準來說是簡陋了些,但是對後續的研究工作,奠定了基礎的知識。

接著在美國國家衛生研究院工作的達利(J. W. Daly)在 1964、1966 年也加入蛙毒的研究。當時在鄰國巴拿馬從事兩棲、爬蟲類研究的邁爾斯(C. W. Myers)向達利提出,共同合作有計畫的對分佈於「杉莞流域」地區所有的毒蛙皮膚分泌的有毒化合物,進行整合性的研究。

箭毒蛙的體色越是鮮艷,牠的皮膚分泌物的毒性越高?研究並沒辦法證明這個假設。 source:wikimedia,圖中為 Ranitomeya amazonica

當時他們想要測試的一大假說是:若箭毒蛙的體色越是鮮艷,牠的皮膚分泌物的毒性,也會相對的高,以達到「警戒色」的目的。但結果卻令他們很失望,因為所得到的數據無法支持他們的假說。但是這些大規模長達 30 多年的持續研究,發現到毒蛙所分泌的毒素,包括蟾毒素(batrachotoxin, BTX)以及一些雙環的生物鹼,如高毒性的普密力托辛(pumilitotoxins)、三環類(coccinelline-like tricyclics)、表巴蒂啶(epibatidine)、愛濟啶(izidines)、吡咯啶(pyrrolidines)和幾乎無毒的十氫喹啉(decahydroquinolines)。

來自合成,也來自食物攝取的天然毒化物

達利與邁爾斯多年的工作和其它研究者們的努力,一共分離出超過 800 種生物鹼和至少 20 多種新的化學結構。更獨特的是這些天然化合物,只存在於毒蛙的分泌物。

毒蛙的毒液所含的生物鹼,到底是透過什麼生理機制而導致動物的死亡呢?後續的研究發現這些生物鹼與細胞膜上的鈣離子和鈉離子通道受體結合後,會使得這些離子通道無法正常的關閉,造成離子的流失,從而影響神經、肌肉和心肌的功能,而導致死亡。

蟾毒素(batrachotoxin, BTX)的化學結構。儘管達利等人無法證實原先的假說,但這長達 30 年的蛙毒研究依然豐碩:分離出蟾毒素等超過 800 種生物鹼和至少 20 多種新的化學結構。 圖/wikipedia

在研究毒蛙的分泌物過程中,研究者們發現到這些蛙不會自己合成有毒的生物鹼,而卻是從食物中攝取到含毒的物質,然後儲存到皮膚上的毒腺。研究成果顯示這些箭毒蛙可以從攝食到的許多昆蟲,包括:螞蟻、甲蟲、蚜蟲和馬陸,獲取高達 800  種以上的生物鹼類毒物。

箭毒蛙如何「死道友不死貧道」,不會毒死自己?

但這項發現又引發了另一個有趣的問題,那就是:這些毒蛙是用什麼樣的機制,避免自己被累積的生物鹼所毒害呢?這問題多年來困擾了許多研究者,而要到最近研究者們經由使用電生理及分子生物學技術,去研究箭毒蛙細胞膜上離子通道基因的突變,才得以找到答案。

2017 年 9 月 22 日美國德州大學奧斯汀校區整合生物學系扎康(Harold Zakon) 教授( 筆者博士論文的指導教授之一,也是第一個博士後的指導教授)的團隊在 Science 期刊發表了論文,顯示了蛙毒之一的「表巴蒂啶(epibatidine)」之所以有毒性,主要是它會與尼古丁乙醯膽鹼受體結合,導致了正常的乙醯膽鹼無法與受體結合,從而阻斷了神經訊號的傳導。而且即使是微公克(microgram)的劑量,就會導致死亡。

對 28 種分趾蟾科的毒蛙及 12 種不含毒物的蛙,經由電生理及分子生物學的研究,確認了在毒蛙身上的尼古丁乙醯膽鹼受體上,有一個胺基酸序列的變異,導致蛙體內尼古丁乙醯膽鹼受體靈敏度的降低,因而不會與「表巴蒂啶」蛙毒結合,體內累積的毒素,不會對毒蛙自己造成毒害。但是乙醯膽鹼是毒蛙要活下去所必要的神經傳導物質,雖然受體上的突變,可避免與累積的蛙毒結合,但也會降低與乙醯膽鹼的結合。因而演化上的另一傑作,就是乙醯膽鹼受體上有另一個胺基酸序列的變異,使得它能與乙醯膽鹼正常的結合,進行神經訊號的傳導。

換句話說,受體上兩個胺基酸的替換,一方面可使毒蛙不被自己儲存的毒素殺死;而另一方面,卻又能維持正常的乙醯膽鹼神經傳導的功能。

乙醯膽鹼(Acetylcholine)化學結構。毒蛙以變異乙醯膽鹼的方式避免毒害。 圖/wikipedia

很湊巧的是,在上述的論文發表 4 天後,紐約州立大學阿爾卑尼校區的黃秀雅、王經國夫婦(筆者臺灣大學動物系高兩屆學長、姊。我曾於 2001 前往王經國教授在哈佛大學醫學院的實驗室,進行鈉離子通道電生理的研究 。)在「美國國家研究院學報(PNAS)」上發表了一篇金色箭毒蛙(Phyllobates terribilis),如何避免被自己儲藏的蛙毒所害的機制的論文

  • 正在吃飯的金色箭毒蛙

金色箭毒蛙能透過食物將蟾毒素(BTX)儲藏在皮膚,以達自衛的作用。蟾毒素進入動物體內,會使得「電壓門控型鈉離子通道(voltage-gated Na+ channel)」持續保持開啟的狀態,而導致動物的死亡。他們發現在蛙體上,鈉離子通道上的蟾毒素受體上的天門冬醯胺酸(asparagine)被蘇胺酸(threonine)所取代後,蟾毒素就不會與鈉離子通道結合,因而不會對自己造成毒害。造成這胺基酸的取代主要是由 AAC 核苷酸,突變成 ACC 所導致的。

蘇胺酸(threonine)化學結構。以蘇胺酸取代天門冬醯胺酸(asparagine)是金色劍毒蛙免於毒害的關鍵。 圖/wikipedia

前述的兩篇論文,分別分析了箭毒蛙如何演化出避免表巴蒂啶及蟾毒素這兩種生物鹼,在牠們體內造成毒害的機制。但除了這兩大類的生物鹼外,毒蛙對其它種類的生物鹼,是使用哪些機制來保護自己,會是很有挑戰性的研究題目。

延伸閱讀:

 

 

本文轉載自《科學月刊》2018 年 2 月號 578 期,原文標題為〈探究箭毒蛙「死道友,不死貧道」的生物毒物特性〉。

文章難易度
科學月刊_96
232 篇文章 ・ 2410 位粉絲
非營利性質的《科學月刊》創刊於1970年,自創刊以來始終致力於科學普及工作;我們相信,提供一份正確而完整的科學知識,就是回饋給讀者最好的品質保證。