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過敏反應是怎麼一回事?──《毒特物種》

PanSci_96
・2018/06/22 ・3445字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 575 ・九年級

免疫系統反應過頭,造成過敏反應

我們的靈長類祖先屬於毒蛇的獵物而非掠食者,毫不意外地對毒液沒有抵抗力。但是有少許證據指出,由於我們具備了適應性免疫系統,所以能獲得某種程度的抗毒能力。然而很不幸地,也因為相同的系統,讓我們對通常無害的毒液(例如蜜蜂的毒素)產生過敏反應,有時會因此死亡。

圖/pixabay

沒有人真的知道我們為什麼會有過敏反應,科學家對於這個免疫之謎已經爭論了數百年。

你可以把過敏反應想成免疫系統反應過頭的狀態。

過敏的定義是「免疫反應太過敏銳」(hypersensitive immune response)。讓人過敏的東西是過敏原,任何東西都有可能是過敏原,只要它能被身體裡製造抗體的系統辨認出來就行了。

在你首次接觸到過敏原時,並不會引發過敏反應,這時你的免疫系統正在對過敏原留下印象,好在下次遇到時能夠記起來。當過敏原再次出現,你的免疫系統便抓狂了,盡責地送出大量抗體。但是因為某種原因,有些抗原會讓身體送出免疫球蛋白E(IgE),而不是更普通的免疫球蛋白G(IgG)。

IgE抗體的結構。圖/wikipedia

造成過敏反應的 IgE 免疫球蛋白有什麼用?

IgE 本身有點麻煩,它們只占全身所有抗體的百分之 0.001 是有原因的,因為它們會刺激組織胺和其他發炎物質的大量釋放,造成全身性過敏反應(anaphylaxis)。過敏反應如果能讓血壓下降,那就是有益的,但是如果讓心跳停止,可是會要人命的。

由於 IgE 很容易就引起麻煩,科學家一直想要了解這種免疫球蛋白在免疫系統中的功用。怪的地方就在它看起來沒有什麼好處,只會引起過敏,有兩到三成的人曾發生過敏。能解釋 IgE 由來的證據並不多,對免疫學家而言這還是未解之謎。

為什麼會有一種弊多於利的抗體?

在人類演化史的某個階段,IgE 應該有些功用,不然持續引發過敏所付出的代價,應該會讓這種抗體消失。有些人認為 IgE 的功用是對抗寄生物,而現在我們周遭滿滿的洗手乳和抗生素,讓 IgE 沒了對手,所以我們只能在它功能失調時才注意到它的存在。

有些證據支持這個理論,但這個理論認為過敏只是 IgE 的副作用而非目的,可是無法解釋為何有些成分更容易引起過敏反應。我們抵抗寄生物的手段怎麼會那麼差勁,居然把花粉、食物、藥物、毒液和金屬誤認為寄生物?其他科學家則認為,這些惱人的抗體可能還有其他有趣的用途:

對抗有毒物質,包括毒液。

毒素理論:

演化生物學家 Margie Profet。圖/psychologytoday

「毒素理論」最早是由一位特別的科學家瑪姬.普羅菲特(Margie Profet)在一九九一年提出。雖然她有物理、數學和哲學學位,不過她讓免疫學界震驚的是對過敏的激進想法:過敏演化出來有其道理,而不是其他程序的副作用。她解釋:

「在演化的過程中,過敏持續存在。過敏耗費了大量成本,這意味著過敏是一種因適應而得到的能力,這種能力顯然是值得的。如是觀之,把過敏當成免疫上的缺陷是不正確的。」、

「過敏反應由一些特別的機制集合而成,顯然這是一種適應而得的反應。這些機制精確、經濟、有效率且複雜,目的就是要造成過敏。」

毒素理論包含了四大論點:

  • 首先,毒素無所不在而且會造成嚴重的傷害,這當然會成為演化驅力。如果毒素常見且造成的傷害又大,那麼我們的身體會發展出對抗毒素的方式,是非常合理的。除此之外,普羅菲特指出,大部分的毒素會造成急性傷害與長期傷害,例如許多毒素會刺激突變,進而引發癌症。
  • 第二,我們知道毒素具備的生理活性會引起過敏反應。例如許多毒素會和血清蛋白形成共價鍵,這通常會引發過敏。
  • 第三,絕大多數的過敏原,如果本身不是有毒物質,就是接上了其他較小毒素分子的攜帶蛋白。舉例來說,毒液本身及其中所含的物質都是劇毒,但有些乍看之下不會造成傷害的抗原也能攜帶毒素,例如乾草可以攜帶由真菌產生的黃麴毒素(aflatoxin),這種毒素會引發急性肝衰竭。
  • 最後,毒素理論指出,過敏症狀可以解釋成幫助緩解中毒狀況的方式。如果身體利用IgE 來調整對毒素的反應,那麼過敏症狀應該是有利的。事實上,嘔吐、噴嚏和咳嗽都有助於排出毒素,血壓降低能減緩毒素在體內散播的速度。就算是在過敏反應中釋放肝素這種抗凝血物質,都可以解釋成在對抗多種毒液的凝血作用。
中毒了?這時候給他一個牽制,擋住這波攻擊。圖/wikimedia

根據普羅菲特的說法,過敏是適應性免疫系統對抗毒素(包括毒液)最後的奮力一擋。每次接觸到同一種過敏原,過敏就變得更加嚴重,這並非免疫系統發生錯誤,而是這種反應的重點。因為同一種毒素倘若多次接觸,傷害便會累積。

換句話說,如果你接觸到某種毒素的次數越多,下次就越需要更快排除。

這個說法並不是說現在的各種過敏反應不會造成困擾,每年用來治療流鼻水、眼睛紅腫、乾草熱的醫藥費用高達數十億美元,這些過敏症狀由各式各樣的物質引發。毒素理論的支持者認為,如果只注意這些麻煩,會讓人忽略了全貌。他們指出,過敏被視為麻煩,這是因為我們不了解這種反應經常幫我們擦屁股。

普羅菲特的毒素理論在一九九三年為她贏得麥克阿瑟基金會(MacArthur Foundation)的「天才獎」(genius grant),但時至今日,科學社群還是無法完全接受。科學家一直說,是因為沒有實驗證據支持這個理論。

有些人(包括普羅菲特)指出,受過敏所苦的人比較不容易得到癌症,可能是因為過敏反應排除了致癌物,但這並非明確的證據。畢竟反應過頭的免疫系統會隨時警惕、啥都攻擊,當然也會更警覺地攻擊癌症。如果毒素理論被證明是對的,那麼過敏反應就應該有些特別的益處。

毒素理論有哪些實驗證據?

嗡嗡嗡。圖/wikimedia

普羅菲特激進的看法在二十年後才有實驗證據支持。二○一三年,科學家指出用少量的蜜蜂毒液引發過敏,有助於小鼠對抗後來承受致死的毒液劑量。

最有說服力的證據在於用基因工程改造小鼠,讓牠們缺少這個過敏程序中的某一個步驟(沒有 IgE、IgE 的受體,或是具有這個受體的肥大細胞),如此一來事先接觸少量的毒液便沒有幫助。這個實驗把 IgE 的反應和保護效果建立起直接的關連。後來科學家用毒性更強烈的山蝰(Russell’s viper)進行相同的實驗,之前由 IgE 引發的效應也具有抗毒的功能。

毒素理論如果要在仔細的檢驗下站得住腳,還得要能解釋更多的現象,包括一直受到仔細調控的免疫系統在過敏反應中是如何失控的。不過這是個讓人信服的理論,可以解釋我們身體對應毒素所產生的反應,特別是毒液中的毒素,而且也和我們對製造毒液動物的認知相符,特別是牠們的劇毒真的會影響周遭的動物。

嘶嘶嘶。圖/pxhere

我們現在或許還沒有辦法在自己的血液製造對抗毒液的蛋白質或分子,但是我們古老而嬌小的祖先(以及其他像小鼠那樣被當成獵物的動物)可能已經發展出複雜的免疫反應,目的就只是為了處理毒液這種威脅生命的毒素。如果毒素理論是正確的,那麼科學家可能就不需如此費力就能找出具有救命潛力的治療方式。中毒之後能活下來的祕密也許就在眼前,只是偽裝成過敏而已。

無須多說,對於致死性的中毒,我們急需更好的療法,估計每年有四十萬人遭到毒蛇齧咬,十萬人因此死亡。其他分泌毒液的動物,包括了蜘蛛、蠍子、水母等,也取人性命—我會在最後一章介紹這些動物。

不過抗毒科學未來一片光明,我們現在發展的許多方向,例如普羅菲特的見解、免疫動物、自我免疫者或抗毒學等,都充滿了希望。此外,我們越了解毒素在分子階層的運作方式,越能發展出對抗毒素的武器,就算是不致命的毒素也一樣。畢竟有些毒素雖然不會致人於死,引起的痛苦也要人命。

 

 

本文選自泛科學2018年6月選書《毒特物種:從致命武器到救命解藥,看有毒生物如何成為地球上最出色的生化魔術師》,馬可孛羅出版社。





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喝母乳的寶寶能提升神經認知功能?——是真的!而且「曾經喝過就有效」

查克爸
・2021/10/26 ・3015字 ・閱讀時間約 6 分鐘

喝母乳的寶寶,真的會更聰明嗎?母乳不僅能夠提供小寶寶所需的營養以及免疫力,而透過母親的生理機制,更能將各種符合自己孩子需求的成分,客製成孩子專屬的母乳。需要發育大腦,就多給些相關的成分,如果要長肌肉也沒問題,媽媽隨時隨地都準備為孩子產製最適合的母乳,這可是任何產業都難以複製的機能。因此母乳被說是對寶寶是最好的禮物,想當然各種與母乳哺育相關的研究主題,便是眾多學者探討了解的目標。

其中,研究智力發展應該是最吸引人的主題之一,不過目前為止也是有研究指出,母乳哺育的孩子,他們的平均智商與沒有母乳哺育的孩子相差無幾,這不知潑了多少人一身的冷水,掃了無數爸媽的興致。但以前的證據說智商沒差異,不代表新的研究一樣沒差異,科學這件事就是會不斷變化,產出新的結論,全世界仍有不少研究都提出母乳可能使寶寶更聰明。

這次要介紹的羅徹斯特大學醫學中心(URMC)神經科學研究所(Del Monte Institute for Neuroscience)的成果就是其中之一,他們這次提出的新證據是與認知能力有關,而且他們的結論應該會讓人眼睛一亮,因為他們發現,母乳哺育的時間長短與 9-10 歲兒童的部分認知發展有關連,而且只要孩子有吃母乳一段時間就可以看出差異[1]

人類積極探索智力,母乳與智力的關係更是熱門主題之一。圖/Pixabay

改變研究方向,找出母乳與智力之間的正向證據

隨著各種研究產出,我們得以知道智力受到很多變項影響,尤其是與父母親直接相關的因素,例如父母的社經地位、智力程度、學經歷等都可能使孩子擁有較高的智力。換句話說,也就是研究者比較了相同教育程度或是經濟程度的母親後,結論是不管有沒有哺餵母乳,他們孩子的智商分數可能相近。

既然知道多種因素可以影響智力,便要在研究方法的設計下足功夫,因為要盡可能控制所有影響,讓母乳哺育的小孩,以及沒有母乳哺育的小孩都能在同一個基準線上比較,才能看出客觀上的差異,或可說是未能控制好混雜因素[2]

不過就如開頭所說,研究目標、方法不同,看到的成果就不一樣,羅徹斯特大學醫學中心這篇藉由分析青少年大腦認知發展研究計畫[3](The Adolescent Brain Cognitive Development Study;ABCD Study)數據的報告,就看到了母乳與認知的正向關係,改而分析更細項的各種認知能力[4],其涉及了執行與感知、學習、記憶、理解、意識、推理、判斷、直覺和語言相關的等各種任務技能。

認知能力分好多,研究分析哪些?

這個認知研究採用 ABCD 研究數據來探討,但為了減少測量誤差的影響(例如孩童曾經暴露會接觸酒精的環境、未參加訪視的兒童等因素),研究者最終保留了 9,116 名兒童的數據,並以此分析母乳哺育時間與神經認知能力之間的關係。那列入分析的認知能力向度有哪些?

向度一共有三項,而且跟每個人都有關,分別是一般能力(general ability)、執行能力(executive function)以及記憶力(memory),而這三項能力各自有其解釋在,如一般能力,美國心理學會對此提出的解釋定義是,一種可以被衡量的能力,且被認為是基礎能力,用來處理所有與智力相關的任務。

再來是執行能力,這個能力則可用來管理和控制工作記憶、注意力,也跟抽象思考等種種認知過程有關,像是設定目標、想像並預見;最後一個是大家耳熟能詳的記憶力,是透過大腦系統所儲存的訊息,是能回憶特定訊息或曾經有過的經歷。

不過這些能力的發展程度真的能評量嗎?放心,各項認知能力背後有眾多的研究依據,也發展出各種不同的測量方式來評定。像是「魏氏兒童智力量表的矩陣推理測驗」就在這個研究被用來測量知覺推理和組織、空間訊息處理等相關的能力;而美國國立衛生研究院的 NIH Toolbox®-Cognition battery,也在這個研究裡被整合運用評估兒童的神經和行為功能。最後通過次數以極多的神經認知測驗,也才讓研究結果得出有吃母乳的小朋友,是能改善某個認知能力。

針對各種能力、認知所開發的測驗,不斷的被開發出來並應用。圖/Pexels

母乳真的有助於認知能力!是哪一項呢?

研究要分析的有一般能力、執行能力以及記憶力,那究竟哪像能力獲得提升呢?鏘鏘,從數據提供的結論是一般能力(general ability)與母乳哺育的時間長短有顯著關聯[1]。但你可能會說「怎麼才提升一種能力?」,這時候我們要關注的是,在心理學上的一般能力也包含多種能力,一般能力只是所有分向能力的統整稱呼。

研究中把這九千多位 9-10 歲的孩子,依照他們吃母乳的時間長短分成四組,第一組是 0 個月的控制組,接著是三組母乳哺育的實驗組,分別是 1-6 個月、7-12 個月以及吃母乳超過 12 個月的寶寶,可以看到在母乳哺育期最短的 1-6 個組別寶寶,他們在一般能力的測驗結果,比起沒吃母乳的寶寶有所提升,而且隨著母乳哺育的時間變長,孩子們在一般能力的發展程度也越來越高。

用另外一個角度來看研究結果就是,今天有某一個家庭選擇餵養母乳,即便哺育期間落在有點長又不算太長的 2 個月或是半年內,對寶寶的神經認知發展來說也是有幫助的,這也符合研究人員的設定目標,因為這有望幫助改善人們的動機,讓更多人想要母乳哺育,不只告訴每個家庭們可以量力而行,也藉此呼籲政府、社會企業能夠更設身處地為媽媽們著想。

母乳哺育與一般能力認知的關聯性較高,且隨著期間變長而增加。資料/參考資料1

研究成果重要,但更該考慮「人」

各種母乳相關的科學證據報告,讓母乳對孩子的好處不言而喻,這次介紹的研究也是,也的確可以藉由這些證據協助家庭做出決定,讓他們決定是否要餵養母乳,但這篇研究成果的重點,是希望能夠「鼓勵」家庭選擇用母乳哺育寶寶,而不是「非得要」。

不可否認的是,母乳哺育對媽媽們是一個壓力來源,常常聽到「給寶寶最好的」,反而讓各種美好變成壓力,像是聽到哪位媽媽不給寶寶吃母乳,各種批評襲來,不餵母乳變成一種罪過。而如果選擇母乳哺育,又可能因為家人不支持而宣告放棄。

母乳對寶寶有幫助,但家人彼此間的支持才更重要。圖/Pixabay


研究也實實在在告訴我們,餵養母乳的意願及時間長短,可是牽涉眾多因素,其中個體因素如教育程度、年齡會改變想法,還有環境和社會文化影素也會影響,例如就業問題、丈夫支持程度、家人態度也都大大的參雜其中[6]

因此每個家庭間的討論、媽媽的個人意願都很重要,有了共識後再來下決定,而當你們決定好要給寶寶母乳,又就差那決定性的臨門一腳時,不妨想想這篇研究提出的結論,「只要曾經給寶寶喝母乳,便有機會提升他特定的認知能力喔」。

參考資料

  1. Lopez, D. A., Foxe, J. J., Mao, Y., Thompson, W. K., Martin, H. J., & Freedman, E. G. (2021). Breastfeeding Duration Is Associated With Domain-Specific Improvements in Cognitive Performance in 9-10-Year-Old Children. Frontiers in public health, 9, 657422. https://doi.org/10.3389/fpubh.2021.657422
  2. Walfisch, A., Sermer, C., Cressman, A., & Koren, G. (2013). Breast milk and cognitive development–the role of confounders: a systematic review. BMJ open, 3(8), e003259. https://doi.org/10.1136/bmjopen-2013-003259
  3. https://abcdstudy.org/
  4. https://dictionary.apa.org/cognitive-ability
  5. Natland ST, Andersen LF, Nilsen TI, Forsmo S, Jacobsen GW. Maternal recall of breastfeeding duration twenty years after delivery. BMC Med Res Methodol. 2012 Nov 23;12:179. doi: 10.1186/1471-2288-12-179. PMID: 23176436; PMCID: PMC3568415.
  6. Shi, H., Yang, Y., Yin, X. et al. Determinants of exclusive breastfeeding for the first six months in China: a cross-sectional study. Int Breastfeed J 16, 40 (2021). https://doi.org/10.1186/s13006-021-00388-y

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查克爸|醫學生物技術領域 碩士,現職為開發自然科學評量工具的研究 人員,將各種研究設計為科學教育評量工具的同時,也投入喜愛的科普領域。
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