別小看無腦水螅，牠可以用神經系統和細菌溝通呢！

本文與 Panasonic 合作，泛科學撰文 

●以下科學研究內容作為知識分享，不直接與Panasonic A La Uno全自動洗淨馬桶產品功能連結

在做家務的痛苦排行榜上，「刷馬桶」絕對名列前茅。明明天天都在沖水，但過不了幾天，馬桶內壁邊角總會浮現黃黃的水垢、角落發黑的霉斑，甚至是那些刷掉又長出來的粉紅色污垢（黏質沙雷氏菌）。

許多市售衛浴設備常標榜「神奇抗污」或「永久不沾」，讓人誤以為安裝後便能永保潔淨。然而從材料科學的角度來看，世上並無能使污垢憑空消失的魔法。所謂「耐污」的實質機制，並非打造完全不沾染髒污的材質，而是調整表面的物理與化學屬性，使水垢和微生物難以強力附著。一旦降低了污垢與內壁之間的附著力，透過日常水流沖刷，便能輕易地將髒污帶走。

為什麼污垢「黏不住」？ 

要搞懂為什麼某些特殊表面能做到「耐污」，我們得先像偵探一樣，拆解馬桶裡的髒污究竟是怎麼「抓緊」材料表面的。馬桶內壁的污垢主要有兩大難纏的元兇：

1. 水垢與礦物沉積*1：我們日常使用的自來水中含有鈣、鎂等金屬離子。當水滴在表面經歷反覆的濕潤與蒸發乾燥循環時，這些離子會逐漸結晶析出，變成硬度極高、緊緊「卡」在微觀縫隙裡的礦物質水垢。
2. 生物膜與有機物*2：包含尿液中的無機鹽、油脂殘留，以及細菌入侵後分泌出像超強膠水一般的聚合物，所組成的黏滑防禦大本營。

這兩大類污垢想要在材料上「落腳」，前提是它們必須能在表面找到足夠的附著點與黏合力。那麼，材料科學家是如何讓這些髒污「站不穩」的呢？答案就藏在「表面能（Surface Energy）」與「濕潤性（Wettability）」這兩個核心概念中。

當我們把水滴在某個表面上時，水滴會聚成一顆圓滾滾的水珠，還是迅速攤平開來？這取決於表面的特性：

• 疏水路線（Hydrophobic）*1：具備低表面能的疏水表面，能顯著減少水分子或污染物與表面之間的極性作用力與氫鍵。水滴在這種表面上會因為表面張力而收縮成水珠，當水珠滾動滑落時，就能順便把表面的灰塵與礦物質顆粒帶走，這就是著名的「自清潔效應」。
• 親水路線（Hydrophilic / Superhydrophilic）*2：相反地，極度親水的超親水表面則會強烈地吸引水分子，在材料最外層形成一層薄薄的「水化層（Hydration Layer）」。這層水化層就像是實體的液體盾牌，讓油污、蛋白質或細菌無法直接接觸到材料基底，只能漂浮在水膜上方。

如果要用攀岩來比喻：傳統粗糙的表面就像是有許多凹槽的攀岩牆，髒污就像攀岩者，需要找到落腳點並用力撐住才能攀附；而我們做的是抽掉把手點，或是在把手上塗上潤滑油，讓髒污找不到施力點，自然難以停留。

不給細菌「握手」的機會

解決了水垢，下一個更棘手的對手是「細菌」。

馬桶內壁那些黑黑粉粉、摸起來滑滑的污垢，在微生物學中被稱為「生物膜（Biofilm）」。細菌並不是孤立生長的，當單顆細菌落在表面後，如果覺得環境舒適，它就會開始分泌胞外聚合物（EPS），這是一種天然的超強膠水。細菌們用這種膠水把自己與同伴緊緊黏在一起，並築起堅固的防禦堡壘，這時一般的沖水就很難把它們沖洗乾淨了。

根據《Nature Communications》與《Microsystems & Nanoengineering》的學術期刊研究指出，要阻止生物膜形成，除了化學上的抗菌，材料的「表面微幾何結構」扮演了至關重要的角色。

材料科學領域中有一個著名的「附著點理論（Attachment Point Theory）」：

1. 粗糙與微孔洞表面：如果材料表面存在許多微小的裂縫、氣孔或微米級凹洞，細菌（體積通常約 1 到 3 微米）就會興高采烈地鑽進這些小凹槽裡。這些凹槽不僅提供了極佳的機械咬合支點，還能幫細菌擋掉水流的沖刷。
2. 極致平滑與微結構表面：相反地，如果材料表面做到極致平滑，完全沒有微米級的缺陷；或者反過來設計出尺寸遠小於細菌的奈米結構，細菌的足跡構造（如鞭毛或纖毛）就無法在表面找到穩固的「接觸附著點（Contact Points）」。

當細菌發現自己在這個表面上連「手都握不緊」、隨時會被水流吹走時，它就無法順利定殖並分泌膠水築巢。此外，現代衛浴結構在設計時，也越來越強調「一體成形」與「無接縫工藝」。消除接縫與死角，等於直接拔除了細菌與水垢最喜歡的避風港。

當材料、結構與流體科技組隊聯防 

了解了材料化學與微觀幾何，我們就能勾勒出一座現代耐污馬桶的完整防禦體系：【材料層（低附著力）】+【結構層（無縫平滑）】+【動態流體層（泡沫與水流剪切力）】= 高效清潔！

以市面上備受矚目的 Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶為例，就是將材料科學、結構工程與流體力學發揮到極致的典型代表：

1. 材料層：有機玻璃系新素材

A La Uno 全自動洗淨馬桶採新開發的「有機玻璃系新素材」（以壓克力高分子為基礎研發的衛浴專用材料，這類高分子成形技術亦被廣泛運用於大型水族館高壓觀景窗與飛機機艙罩）。這種材料表面具備極佳的疏水性與耐水垢特性，水滴不易長時間攤平停留；材質堅固、不易破裂，耐刮、不易造成細小傷痕。通過實驗測試，這種素材配合泡沫洗淨，在沖洗後能有效沖刷掉高達 99.99% 的大腸桿菌，從源頭阻斷細菌定殖。

2. 結構層：無接縫工藝與三重防濺防護

在宏觀結構上，A La Uno 全自動洗淨馬桶採用無水箱沖水與便器、溫水洗淨便座一體成型設計，減少傳統水箱與座體之間的結構層次及接縫，並搭配可動迴轉式排水系統完成沖洗。更貼心的是其「三重防護」設計：

• 泡沫防護：在水面上製造一層充沛的泡沫緩衝層，有效抑制男性站立小便時的尿液與污水飛濺；
• 外圍防護：馬桶邊界特別設計了高約 3mm 的水檔，防止液體延著外壁滴落至地板；
• 測漏防護：便座與馬桶本體採用不外露的防護設計，避免液體從縫隙飛濺滲漏。

3. 動態流體層：雙效泡沫洗淨、漩渦水流與 nanoe™ X

當污垢降落在馬桶內壁時，A La Uno全自動洗淨馬桶 的動態流體科技便接手進行徹底打掃。其「雙效泡沫洗淨」會先釋放直徑約 5mm 的「毫米泡沫」包裹並帶走大塊髒污，再透過直徑約 60微米的「微米泡沫」深入微觀縫隙，徹底溶解殘餘的油脂與細微污垢。接著，配合高度清潔力的「漩渦型強力水流」，利用旋轉產生的流體剪切力，一口氣將附著力已被削弱的污垢剝離並沖走。此外，Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶還搭襯了 nanoe™ X 健康科技，釋放氫氧離子有效抑制異味與髒污，維持空氣與內壁的良好衛生狀態。

科技讓生活變輕鬆，但物理法則依然誠實

從材料化學的低表面能設計，到微觀幾何的附著點控制，再到流體力學的水流沖刷，一座現代抗污馬桶的演進，縮影了人類如何運用基礎科學來解決日常生活痛點的智慧。

我們習慣將衛生清潔想像成一場與細菌髒污的硬碰硬死鬥。然而，A La Uno全自動洗淨馬桶 等現代衛浴技術的突破，展示了材料科學的另一種聰明思維：不靠強酸強鹼硬打，而是透過物理與化學邏輯，將「污垢固著」的機率降到最低。

當材料科學與現代衛浴技術結合，刷馬桶不再是一件令人頭痛的辛苦瑣事。透過這些前沿科技的加持，我們得以從繁重的家務勞動中解放，享受更加乾淨、舒適且有品質的日常生活。

*1 參考論文：A metallic anti-biofouling surface with a hierarchical topography containing nanostructures on curved micro-riblets

*2 參考論文：Brushing up functional materials

餓了就要吃飯，冷了就會找衣服穿。一個生物體會反覆在不同的變化中，維持著某種「動態平衡」，無論是體溫、血壓還是血糖，身體內這些物理或化學條件的恆定性，是許多生理反應的核心，也是讓身體各部位可以在正常範圍內運作的主因。

然而，身體的調節不見得只是機械性的生理變化，更可能還牽涉到與微生物的互動。自2004年「腸腦軸線」 (gut-brain axis) 的概念出現，科學家對於生活在腸道中的微生物如何與大腦互相交流影響，有了越來越多的理解。

許多疾病，也與腸道生物有關？

雖然有很多細節待釐清，但有許多研究發現到腸道微生物的種類與許多嚴重疾病有關聯，如自閉症、焦慮症、肥胖症、精神分裂症、帕金森氏症與阿茲海默症等。

以往的研究認為，腸道微生物群的代謝產物，如短鏈脂肪酸、支鏈胺基酸與肽聚醣 (peptidoglycan) 等成分會透過免疫系統、迷走神經、腸道神經叢進行調節，與大腦互相交流，因此也有人主張應該稱之為「微生物─腸─腦軸線」。過去科學家發現微生物影響大腦的途徑，基本上都是比較間接的。但在2022年4月15日的《科學》 (Science) 中，科學家發現到腦部的下視丘 (hypothalamic) 神經元可以直接偵測細菌活動的變化，相對應的調整食慾與身體溫度。也就是說，這似乎是科學家第一次找到微生物直接跟大腦「對話」的證據。

微生物怎麼影響你？NOD2──模式鑑別受器

首先介紹本次研究中最重要的腦部構造，下視丘 (Hypothalamas) 。下視丘位在腦的基底，在一般成年人身上大概只有一顆碗豆的大小，卻負責調控非常多重要的生理機能，包括體溫、情緒、飢餓、口渴。

下視丘還負責調控腦垂腺前葉，參與多種內分泌調控。可以說，微生物如果能夠影響下視丘的功能，相當於開啟了影響生理機制的大門。

回到微生物，剛剛有提到微生物釋放在血液中的物質可以影響宿主的免疫、代謝與大腦等等功能。這些代謝產物會被生物體內許多受器所感測。最具代表性的受器為模式鑑別受器 (pattern recognition receptors, PRRs) 。

過去，科學家認為模式鑑別受器主要由先天免疫系統的細胞，偵測微生物病原體或者受損的細胞黏膜表面、組織間與細胞內出現病毒、細菌、真菌的訊號。

其中，有一種模式鑑別受器被稱為 NOD2 (Nucleotide-binding oligomerization domain-containing protein 2) ，會偵測細菌細胞壁的主要成分肽聚醣（也稱為細胞壁胜肽（muropeptides）。因此，科學家過去認為，NOD2的功能有可能就是幫助免疫系統辨識細菌細胞壁的碎片。

利用腦部成像技術，科學家進一步觀察小鼠腦部的不同區域，尤其在下視丘，紀錄 NOD2 受器的表現。結果證明，若是缺乏NOD2受器的腦袋可是會出問題的，過去科學家們已經確定 NOD2受器的突變，與消化系統疾病如克隆氏症 (Crohn’s disease) 有關，也與幾種神經系統疾病與情緒障礙有關聯。

小鼠研究中揭露了， NOD2 可能在多種免疫與神經的機制上扮演了重要的角色。為了進一步解相關的功能，團隊還開發出一種在下視丘區域缺乏 NOD2 受體的小鼠，這些小鼠對於許多行為與生理包括體溫保存、築巢行為、晝夜節律、禁食與腎上腺刺激等等都有所減弱。更長時間的觀察還顯示，這些失去 NOD2 的小鼠體重會增加，且更容易罹患第二型糖尿病，這些情況尤其在年老的雌鼠上更為嚴重。

細菌與神經元的你增我減

那麼，正常小鼠的 NOD2 受體作用是什麼呢？若小鼠擁有正常的 NOD2 神經元，其神經活動在遭遇到肽聚醣時會受抑制。換句話說，如果NOD2受器消失了，這些神經元就不再受到抑制。

肽聚醣在腦部、血液或腸道中都被認為是細菌增殖 (proliferation) 的標誌物，而研究發現，不管是口服或腸道菌釋出肽聚醣都會抵達大腦的許多區域，包括下視丘中，負責體溫調節、進食行為的弓形核 (arcuate nucles) 。而其中的 GABA 神經元在接觸到肽聚醣時，也會遭到抑制。

研究人員進一步測試微生物與 NOD2 在下視丘 GABA 神經元的表現，是否確實與食物攝取和體溫調節有關？研究顯示，在使用抗生素消除微生物，或是以病毒消除在下視丘的 NOD2 基因表現後，都會導致年老的小鼠體重增加與行為改變。

至此，科學家初步證實，下視丘神經元可以直接偵測到細菌的成分，並改變進食、築巢與體溫調節的行為。微生物非常有可能能夠藉由 NOD2 來調節宿主的一些行為，或者反過來也可以解釋成，大腦藉由 NOD2 受器接受到的訊號，來偵測微生物的狀況、進行一些調節。

微生物幫助你維持完美平衡

某種程度上，腸道菌可能被大腦視為攝入食物品質的某種直接指標；而另一方面，腸道菌的增長或死亡也與腸道的恆定或病理機制有關，因此下視丘進行調節可能至關重要。下視丘主掌的多種生理調控，在腸道菌生長得「不如人意」時，改變攝食與體溫來調整腸道菌相，似乎也相當合理。

反過來，某些腸道菌叢可能也會提供調節訊號，以維繫適合自己的生活環境。影響腸道細菌生長最主要的兩個因子，就是食物以及體溫。舉例來說，大量攝取單一種類的食物，有可能會導致某些細菌甚至是病原菌不成比例的生長，因而危及腸道平衡。因此對於腸道菌來說，有管道可以「上達天聽」似乎是頗合邏輯的。

整個調控機制到底是腸道菌主動、大腦掌握主導權，抑或是兩者基本上「狼狽為奸」，尚待進一步的研究。然而發現大腦可以直接偵測細菌活動，即使是遠在腸道的腸道菌的增生或是死亡，也讓我們了解到大腦與身體待解的謎題，或許遠比想像中還來的多。

細菌細胞壁的肽聚醣會影響下視丘神經元與代謝，那還有沒有更多細菌影響大腦功能的機制呢？本次發現到 NOD2 受器在中樞神經中扮演的角色，未來是否能以此為開端，為腦部疾病與代謝性疾病，如糖尿病與肥胖症找到新的治療手法？就讓我們繼續看下去吧！

參考資料：

1. Institut Pasteur. (2022, April 15). Decoding a direct dialog between the gut microbiota and the brain. ScienceDaily. Retrieved April 29, 2022 from www.sciencedaily.com/releases/2022/04/220415100551.htm
2. Gabanyi, I., Lepousez, G., Wheeler, R., Vieites-Prado, A., Nissant, A., Wagner, S., … & Lledo, P. M. (2022). Bacterial sensing via neuronal Nod2 regulates appetite and body temperature. Science, 376(6590), eabj3986.
3. Cryan, J. F., O’Riordan, K. J., Cowan, C. S., Sandhu, K. V., Bastiaanssen, T. F., Boehme, M., … & Dinan, T. G. (2019). The microbiota-gut-brain axis. Physiological reviews.

截至2022/5/28臺灣時間09:20，全世界的COVID-19確診者人數已達5億2444萬多人，其中臺灣已通報的確診人數已超過181萬人，對於COVID-19的得病與否已經無法控制。隨著確診人數不斷攀升，與此同時，臺灣也有了越來越多的康復者。這些康復者得到了超強的COVID-19天然抗體，在短期內不易再被相同病毒株感染，然而，得到超強抗體的同時，即使康復了，不少人仍然承受著病毒感染後的後遺症，也就是所謂的「Long COVID（新冠長期症狀）」。

什麼是Long COVID？

目前學界對於 Long COVID 的定義仍持續地在修正，大致對於 Long COVID 的描述為：感染過 COVID-19 並康復後，有些因為 COVID-19 感染造成的症狀仍持續4–12週或甚至更久。從中國、英國、法國、西班牙和美國對 Long COVID 患者相關的研究中可以看到，只要具有：

• 「倦怠（fatigue）」、
• 「關節疼痛（joint pain）」、
• 「睡眠障礙（sleep disturbance）」、
• 「呼吸困難（dyspnea）」、
• 「味覺或嗅覺喪失（loss of taste/smell）」、
• 「咳嗽（cough）」、
• 「頭痛（headache）」、
• 「掉髮（hair loss）」、
• 「胸痛（chest pain）」
• 「拉肚子（diarrhea）」

以上等任何一個症狀，持續了很久都無法痊癒，那這項症狀就是所謂的 Long COVID 症狀。
（以上的症狀占較大的比例，占比較低的症狀並沒有在此列出）

痊癒後，病毒也不會消失……？

許多論文研究指出，具有 Long COVID 症狀的患者的腸道菌相有失衡（dysbiosis）的情況，可能因此造成免疫系統失衡與許多症狀的產生；另外，更有趣的是，在今年的 Nature 期刊中刊出一篇對於 Long COVID 的新發現， Ledford 的團隊發現具有 Long COVID 症狀的康復者在康復7個月後，腸道中仍然可以偵測到 COVID-19 病毒！

這說明著，即使上呼吸道已經偵測不到病毒，病毒仍有可能藏匿在身體的其他地方（例如腸道），神不知鬼不覺地影響康復者的健康。但也因為這篇研究的樣本數還不夠多，並且受試者皆具有自體免疫相關的疾病，因此，病毒藏匿在腸道的現象，是否也會在健康的 Long COVID 患者身上被發現？這一點需要更進一步的研究。

腸道菌相失衡，會導致Long COVID嗎？

雖然，目前為止相關研究的取樣數量仍然不足；但是，與 COVID-19 患者以及康復者的腸道微生物相研究幾乎都指出， COVID-19 會導致患者的腸道微生物多樣性大幅下降，並且導致伺機性病原菌（opportunistic pathogens）在腸道的含量占比大大增加。這些病原菌雖然平常不易引起我們的疾病，但因為腸道菌相失衡，而大幅增加這些病原菌感染我們的機會。既然如此，那如果使用抗生素清除腸道微生物相後，菌相能不能重新恢復健康恆定的狀態？

不幸的是，在感染 COVID-19 的時候，不論病患是否使用抗生素，在康復後，腸道菌相仍然會出現失衡的情況。其中，從這些康復者的糞便中分離出的細菌 Clostridium ramosum, Coprobacillus, Clostridium hathewayi  等的占比，和康復者得到 COVID-19 病症的嚴重性具有高度正相關；而 Alistipes onderdonkii  和 Faecalibacterium prausnitzii （這個菌株具有消炎的效果）的含量，則和 COVID-19 的病症嚴重性具有高度負相關。這些細菌的在腸道中的占比間接指出，重症患者的腸道菌相失衡且伺機性病原菌占比大增的事實。

另外，延續上述所說「COVID-19 病毒會藏匿在康復者腸道的現象」，關於存在於腸道的病毒是否是造成菌相失衡的原因，以及病毒的感染如何造成腸道菌相失衡，科學家們仍持續探究著。

健康的便便可以治療Long COVID嗎？

為什麼腸道菌相失衡會造成上述的 Long COVID 症狀？ Burchill 等人基於腸腦軸線（gut-brain axis）以及腸肺軸線（gut-lung axis）的理論提出假說：腸道微生物相會影響人的心情以及行為等，而腸道微生物相已知和許多嚴重的肺部疾病相關。因此， COVID-19 的患者和康復者因為 COVID-19 造成腸道菌相失衡，而這樣的結果藉由腸腦軸線導致嗜睡、心情低落等症狀，以及藉由腸肺軸線導致呼吸道的症狀。

延伸閱讀：

腸道炎會導致憂鬱症？——淺談體內的腸腦軸線，揭露腸道菌的「腦控」機制！

既然各項症狀都和腸道菌相失衡有關，那麼，如果要讓 COVID-19 的患者和康復者痊癒，是不是只要讓他們的微生物相恢復健康恆定即可？因此，Burchill 等人嘗試探索使用糞便菌相移植（faecal microbiota transplant, FMT）以治療 COVID-19 的方法。

糞便菌相移植在醫學上已行之有年，用以治療許多疾病，其中包含癌症、發炎性腸胃疾病（inflammatory bowel disease）、神經疾病（neurological disorders）等。

然而，若要使用糞便菌相移植治療 COVID-19 ，目前已知可能會有一些潛在的風險，例如：如果健康的糞便捐贈者不具有任何COVID-19症狀，但是血液裡卻帶有病毒呢？病毒是否會透過糞便傳播？再者，需要接受糞便菌相移植的患者，相較於捐贈者，可能較容易被病毒以及其他病原菌感染。因此，在篩選健康菌相時，必須要非常小心並且嚴格地把關，否則可能會輾轉加劇患者的病情。

目前對於 Long COVID 患者和他們的腸道菌相的研究持續增加中，對於「腸道菌相失衡導致了 Long COVID 」這個問題，從現在的相關研究結果來看仍無法百分之百確定，但可以確定的是，腸道菌相的恆定對於人體的健康具有絕對的重要性。

參考資料：

1. 衛生福利部疾病管制署網站。擷取時間：2022/5/28。取自：https://www.cdc.gov.tw/

2. Burchill E, Lymberopoulos E, Menozzi E, Budhdeo S, Mcllroy JR, Macnaughtan J & Sharma N. (2021). The Unique Impact of COVID-19 on Human Gut Microbiome Research. Frontiers in Medicine 8:652464, doi: 10.3389/fmed.2021.652464

3. Hilpert K & Mikut R. (2021). Is There a Connection Between Gut Microbiome Dysbiosis Occurring in COVID-19 Patients and Post-COVID-19 Symptoms? Frontiers in Microbiology 12: 732838, doi:　10.3389/fmicb.2021.732838

4. Ledford H. (2022). Coronavirus ‘ghosts’ found lingering in the gut. Nature 605: 408–409, doi: 10.1038/d41586–022–01280–3

5. Wang B, Zhang L, Wang Y, Dai T, Qin Z, Zhou F & Zhang. (2022). Alterations in microbiota of patients with COVID-19: potential mechanisms and therapeutic interventions. Signal Transduction and Targeted Therapy 7 (143), doi: 10.1038/s41392-022-00986-0