0

3
2

文字

分享

0
3
2

應用 CRISPR基因編輯技術檢測 COVID-19:具革命性的 STOP 技術簡介

活躍星系核_96
・2020/06/01 ・3804字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 555 ・八年級

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

最近一則檢測新型冠狀病毒(COVID-19)技術的科技新聞相當吸睛:由美國華裔科學家張鋒所創辦的SHERLOCK (Specific high-sensitivity enzymatic reporter unlocking) 公司成功獲得美國食品藥物管理局(FDA)的緊急使用授權(EUA)1,得以將 CRISPR註1應用在於新冠狀病毒檢測。FDA 也在官網稱此為首次授權 CRISPR 技術使用於傳染疾病檢測2

  • 想了解更多EUA的話,在 fdacollege 有更為詳細的介紹

CRISPR 比傳統的 RT-qPCR 檢測時間更短、成本費用更便宜,且準確度非常高,因此檢測技術被視為非常大的突破,未來也極可能應用在各樣檢測。有鑑於目前尚未有文章介紹 CRISPR 這類革命性技術應用在的體外診斷醫材上,筆者歸納  SHERLOCK 公司公開的部分 CRISPR 技術以供讀者一窺其卓越性。

請注意: 本文所介紹的 STOP 檢測法,雖非美國 FDA 授權緊急使用授權的檢測法,但因張鋒教授在 STOPCOVID 官網3所提供的圖文資訊最完整,且檢測概念相似,因此以此加以說明。若您對緊急使用授權給 SHERLOCK的 CRISPR 檢測法有興趣,請上 FDA 官網查詢。

新冠狀病毒檢測技術傳統上採 RT-PCR 法,準確度雖高,但需費時三至四小時。在分秒必爭、人命關天的情形下,漫長的等待對醫療體系是沉重的負擔。

美國麻省理工學院的張鋒教授所領軍成立的 SHERLOCK 公司,擁有一種稱 STOP3,4 (SHERLOCK Testing in One Pot)的 CRISPR 檢測技術。 該技術能將檢測時間降至約一小時。檢測靈敏度和專一性也與舊技術不相上下,且成本低於上千台幣的舊技術。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
圖/CRISPR三巨頭

張鋒教授來自中國河北石家庄,1982 年出生,1993 年隨父母到美國愛荷華州首府德梅因市。哈佛大學學士、史丹佛大學博士。2017 年即成為麻省理工的終身教授,且不到四十歲就已經是美國國家科學院士了。

他拿過的獎項無數,也是現今 CRISPR 領域的三巨頭(另外兩位為加州大學柏克萊 Jennifer Doudna 教授和德國馬克斯-普朗克協會的 Emmanulle Charpentier 教授)。張教授也被視為將來很有可能問鼎諾貝爾獎的人選之一。其在 CRISPR 的專利之爭更像一部經典故事,他與他的同伴從合作走到對立的專利之爭都非常具有話題性。

CRISPR 戰場從專利延伸至體外檢測

除了張鋒教授所領導的團隊外,在美國另一端的舊金山灣區,同時有另一組人馬正在開發類似的技術。該團隊的領導人不是別人,正是 CRISPR 三巨頭之一的 Jennifer Doudna 。

圖/DETECTR, SHERLOCK 和美國疾管局 qRT-PCR 所需時間比較。

多年來,Jennifer Doudna 教授和張鋒教授一直在 CRISPR 的專利上攻防,現在競爭關係已經延伸到新冠病毒的檢測上。Dr. Doudna 所創辦的公司 Mammoth Bioscience 開發出的檢測平台(DETECTR)也刊載在知名期刊英國自然〈Nature〉上。該平台的所需的檢測時間甚至更少,可以壓在一小時內。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

Mammoth Bioscience 目標是提供充足的 DETECTR 給醫療系統以緩解美國當前病毒檢測套件嚴重不足的情形,更進一步希望能推展到不用處方即能讓大眾在在藥局買到該診斷醫材。Mammoth Bioscience 也和英國藥廠葛蘭素史克(GSK)合作向美國 FDA 提出 EUA 申請,雖然目前還在審查中,但可以預期的是,要拿到 EUA 許可應該只是時間早晚的問題。5,6,7

STOPCovid 技術的特點

SHERLOCK 開發出的 CRISPR 檢測技術(STOPCovid)有幾個特色

  • 快速:從開始到結束可以在一小時左右完成
  • 敏感度:和 RT-qPCR 比較,也能做到偵測到 100 Copies 的病毒 RNA.
  • 簡單易操作:簡單到像用驗孕棒一樣,他們將產品做到非常容易使用的地步。
  • 低成本:每次測試在十美金以下。
  • 規模化:可以快速的完成大量的檢測。
不同檢測技術的比較。圖/stopcovid.science

上圖比較了傳統的血清抗體測試、CRISPR 技術和 RT-qPCR 三種不同的檢測方法。從採樣、結果、方便性、速度和價格上來討論。

我們就直接依各項比較給大家看一下,就能馬上看懂:

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
  • 採樣:CRISPR=RT>血清
  • 結果:CRISPR=RT>血清
  • 便利性:CRISPR=血清>RT
  • 速度:血清>CRISPR>RT
  • 價格:血清=CRISPR>RT  (CRISPR大約十美金一次檢測,血清檢測再便宜也便宜不了多少。)

CRISPR 在所有項目幾乎完勝所有比較的檢測方式。

那最重要準確度呢?

目前 CRISPR 正在進行更多的臨床驗証部份,但截至當下,SHERLOCK 的 STOP 檢測技術達到 97% 的敏感度和 100% 的專一性。這和其他已拿到 EUA 的檢測方式幾乎具有相同的敏感度。

STOP檢測方式

(以下所有圖片取自 stopcovid.science

SHERLOCK 開發的檢測技術非常容易操作,是透過鼻腔黏膜或唾液進行採樣放入收集液中,然後轉到 SHERLOCK 管內後加熱到 60 度一小時。將溶液滴在檢測器上進行測試。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

測試步驟

第一步:樣品採集

將唾液或鼻中收集到黏膜放入含有緩衝液的反應管中,該緩衝液會破壞 SARS-CoV-2 病毒顆粒,使 RNA 暴露出來以方便進行之後步驟的檢測。

第二步:擴增和CRISPR偵測

(a)核酸擴增:使用一種名為 Loop-mediated Isothermal Amplification,LAMP 的擴增方法,將採集檢體中少量病毒 RNA 擴增數十億倍。此方法與美國疾管局 CDC 所認可的其他新冠病毒測試所用的傳統 PCR 方法是不同。LAMP 不但不需要用到龐大的儀器設備,也不需要上上下下的溫度變動,只需要在 60 度下一小時即可。

(b)CRISPR偵測:一種名為 Cas12b 的 CRISPR 酶,會辨識擴增的新冠病毒核酸。識別後,Cas12b 會將一段由兩個重要分子 FAM 分子生物素(Biotin)所形成的特定報告分子(report molecular)剪開來。

第三步:檢體測試

將擴增和檢測到的樣本(第二步驟)加到檢測條上,測試樣本便會開始往檢測區方向流動。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

第四步:抗體-報告分子識別

當樣品向上流動時,在檢測條底部的帶金抗體(抗體為搭載和金的結合體,因此可以看到它們)會與檢測樣本中的報告分子中的 FAM 結合。

第五步:對照組

如果步驟四中的帶金抗體有結合到完整的報告分子 FAM,則它將會卡在檢測條的第一條線上(C)。在這條線上帶有抗生蛋白鏈菌素(streptavidin),它會抓住在報告基因的生物素。如果生物素在抗體識別之前就己經從報導基因上切下來的話,抗體將繼續沿檢測條向上流動。

第六步:測試組

在步驟五中任何成功離開對照組控制線的抗體都將在測試區的測試線上被抓住。在測試線處,是一個可與任何剩餘抗體-報導分子偶合物結合的分子。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

解釋結果

如果樣品中含有 SARS-CoV-2核酸,則 CRISPR 酶將破壞 FAM 與報告基因上生物素之間的鍵。任何被剪斷的報導分子都會導致檢測器上的抗體結合在第二條線上(測試線)而不會是在第一條(對照)。在測試線(T)上的顯示樣品為 COVID 陽性,而測試線上沒有東西則表示樣品為 COVID 陰性。


同場加映:什麼是 CRISPR ?

根據哈佛大學以及 MIT-哈佛的合作聯盟機構 Broad institute 針對 CRISPR8,9有明確的定義。

CRISPR(讀作 crisper)全名為 常間回文重複序列叢集/常間回文重複序列叢集關聯蛋白系(Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats/CRISPR-associated proteins),為存在於细菌中的一種短片段重複基因,該類型基因組中含有曾經攻擊過該細菌的病毒的基因片段,CRISPR 序列看似無害,但卻是細菌免疫系統的關鍵組成部分。

細菌透過這些基因片段來偵測並抵抗相同病毒的攻擊,並消滅病毒。這類基因組是細菌免疫系统的關鍵組成部分。透過這些基因组,人類可以準確且有效地編輯生命體内的部分基因,也就是 CRISPR/Cas9 基因編輯技術。換句話說這個細菌防禦系統的印記,是構成 CRISPR-Cas9 基因組編輯技術基礎的。

圖/研究圖片

在基因組工程領域,專業術語「 CRISPR」或「CRISPR-Cas9」通常被寬鬆地通稱在各種 CRISPR-Cas9 和 -CPF1(及其他)系統,這些系統可以編輯特定位置的基因片段(例如用於新的診斷工具)。至於 Sherlock 所用的 CRISPR/Cas12b 和 CRISPR/Cas9 有些不同,Cas12b 可以辨別特定片段的序列且不只可以剪斷該段基因,甚至可以一同切掉附近的單股 DNA,使得 Cas12b 有能力剪輯出報導基因。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

使用這些系統,研究人員可以永久性地修飾細胞和生物體中的基因,並且在未來可能可以精確的修正人類基因中的突變,進而治療遺傳性疾病。現在也開始有更多其他系統可以使用,例如 CRISPR-Cas13,此系統可鎖定在 RNA,並已經開始被使用在診斷醫材上(例如SHERLOCK)。

參考資料

  1. SHERLOCK的緊急使用授權
  2. FDA 對Sherlock的EUA介紹Coronavirus (COVID-19) Update: Daily Roundup May 7, 2020
  3. STOP檢測法:STOP Covid │About US
  4. MIT對STOP法的介紹:MIT News SHERLOCK-based one-step test provides rapid and sensitive Covid-19 detection
  5. CRISPR pioneer Doudna opens lab to run Covid-19 tests
  6. Mammoth Biosciences partners with GSK to develop handheld CRISPR-based COVID-19 test
  7. A protocol for rapid detection of the 2019 novel coronavirus SARS-CoV-2 using CRISPR diagnostics: SARS-CoV-2 DETECTR
  8. 哈佛大學對CRISPR定義:CRISPR: A game-changing genetic engineering technique
  9. BROAD對CRISPR的定義:QUESTIONS AND ANSWERS ABOUT CRISPR
  • 作者/愛姆斯的醫材藥品法規世界,愛姆斯有超過十年醫藥法規經驗,工作經驗遍及海內外生技藥品臨床醫材公司。
  • 協作及審閱/Minxi Rao 為加州大學柏克萊分校化學博士,杜克大學化學學士;目前美國 Medler Ferro Woodhouse & Mills PLLC擔任 Patent Agent。
-----廣告,請繼續往下閱讀-----
文章難易度
活躍星系核_96
776 篇文章 ・ 130 位粉絲
活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

0

0
0

文字

分享

0
0
0
從奈米微塵到化學氣體, HEPA 與活性碳如何聯手打造純淨空氣?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/04/17 ・4433字 ・閱讀時間約 9 分鐘

本文由 Amway 委託,泛科學企劃執行。

很多人可能沒想到,無論是家用的空氣清淨機,還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠,它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩,而是一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網
在半導體產業的無塵室中,「乾淨」的定義極其殘酷:一粒肉眼看不見的灰塵,就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢 / 圖片來源:envato

到底怎樣才算是「乾淨」?這不是什麼靈魂拷問,而是一個價值上億的商業命題。

在半導體產業的無塵室中,「乾淨」的定義極其殘酷:一粒肉眼看不見的灰塵,就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢。空氣品質的好壞,甚至能成為台積電(TSMC)決定是否在當地設廠的關鍵性指標。回到你的家中,雖然不需要生產精密晶片,但我們呼吸系統中的肺泡同樣精密,卻長期暴露在充滿 PM2.5、病毒以及各種揮發性氣體的環境中。為了守護健康,你可能還要付費購買「乾淨的空氣」來用。

因此,空氣議題早已超越單純的環保範疇,成為同時影響國家經濟與個人健康的重要問題。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

很多人可能沒想到,無論是家用的空氣清淨機,還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠,它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩,而是同一件看起來平凡無奇的東西:一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網。但你真的相信,就憑這層厚度不到幾公分的板子,能擋住那些足以毀滅精密晶片、滲透人體細胞的「奈米級刺客」嗎?

這片大家都聽過的 HEPA 濾網,裡面到底是什麼?

首先,我們必須打破一個直覺上的誤解:HEPA 濾網(High Efficiency Particulate Air filter)在本質上其實並不是一張「網」。

細懸浮微粒 PM2.5,是指粒徑在 2.5 微米以下的污染物,它們能穿過呼吸道直達肺泡,並穿過血管引發全身性發炎。但這只是基本,在工廠與汽車尾氣中,還存在粒徑僅有 1 微米的 PM1,甚至是小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」(UFP,即 PM0.1)。 UFP 不僅能輕易進入血液,甚至能繞過血腦屏障(BBB),進入大腦與胎盤,其破壞力十分可怕。

如果 HEPA 濾網像水槽濾網或麵粉篩一樣,單靠孔目大小來「過濾」粒子,那麼為了攔截奈米微粒,濾網的孔目只能無限縮小到幾乎不透氣的程度。更別說在台積電或 Intel 的製程工程師眼裡,一般人認為的「乾淨」,在工程師眼裡簡直像沙塵暴一樣。對於線寬僅有 2 奈米3 奈米(相當於頭髮直徑萬分之一)的晶片而言,空氣中一顆微小的塵埃,就是一顆足以毀滅世界的隕石。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

因此,傳統的過濾思維並非治本之道,我們需要的是原理截然不同的過濾方案。這套技術的雛形,最早可追溯至二戰時期的「曼哈頓計畫」。

HEPA 的前身,誕生於曼哈頓計畫!

1940 年代,製造濃縮鈾是發展原子彈的關鍵。然而,若將排氣直接排向大氣,會導致致命的放射性微粒擴散。負責解決這問題的是 1932 年諾貝爾化學獎得主歐文·朗繆爾(Irving Langmuir),他是薄膜和表面吸附現象的專家。他開發了「絕對過濾器」(Absolute Filter),其內部並非有孔的篩網,而是石綿纖維。

有趣的來了,如果把過濾器放到顯微鏡下,你會發現纖維之間的空隙,其實比某些被攔截的粒子還要大。那為什麼粒子穿不過去呢?這是因為在奈米尺度下,物理規則與宏觀世界完全不同。極微小的粒子在空氣中飛行時,並非走直線,而是會受到空氣分子撞擊,而產生「布朗運動」(Brownian Motion),像個醉漢一樣東倒西歪。

當粒子通過由緻密纖維構成的混亂迷宮時,布朗運動會迫使它們不斷轉彎、移動,最終撞擊到帶有靜電的纖維上。這時,靜電的吸附力會讓纖維就像蜘蛛網般死死黏住微粒。那些狂亂移動的奈米刺客,就這樣被永久禁錮迷宮中。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

現在最常見的 HEPA 材料,是硼矽酸鹽玻璃纖維。

現代 HEPA 濾網最常見的核心材料為硼矽酸鹽玻璃纖維。這些玻璃纖維的直徑通常介於 0.5 至 2 微米之間,它們在濾網內隨機交織,像是一座茂密「黑森林」。微粒進入這片森林後,並非僅僅面對一層薄紙,而是得穿越一個具有厚度且排列混亂的纖維層,微粒極有可能在布朗運動的影響下撞擊並黏附在某根玻璃絲上。

除此之外,HEPA 濾網在外觀上還有一個極具辨識度的特徵,那就是像手風琴般的摺紙結構。濾材會被反覆摺疊、摺成手風琴的形狀,中間則用鋁箔或特殊的防潮紙進行結構支撐,目的是增加表面積。這不僅為了捕獲更多微粒,而是要「降低過濾風速」。這聽起來可能有點反直覺:過濾不是越快越好嗎?

其實,這與物理學中的流速控制有關。想像一條水管,如果你捏住出口,水流會變得湍急;若將出口放開並擴大,雖然總出水量不變,但出水處的流速會變得緩慢。對於 HEPA 濾網而言,當表面積越大,單位面積所需承載的空氣量就越少,空氣穿透濾網的速度也就越低。

低流速代表微粒停留在濾網內的時間也更久,增加被捕捉的機會。此外,越大的表面積也為 HEPA 濾網帶來了高「容塵量」,延長了使用壽命,這正是它能夠稱霸空氣清淨領域多年的主因。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

然而,即便都叫做 HEPA 高效率空氣微粒子過濾網 (High Efficiency Particulate Air filter),但每個 HEPA 的成分與結構還是會不一樣。例如 安麗逸新空氣清淨機 SKY ,其標榜「可過濾粒徑最小至 0.0024 微米」的污染物,去除率高達 99.99%。

0.0024 微米是什麼概念?塵蟎、花粉、皮屑或黴菌孢子,大小約在 2 至 200 微米;細懸浮微粒  PM2.5 大小約 2.5 微米,細菌也大概這麼大。最小的其實是粒徑小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」,大多數的病毒(如流感、新冠病毒)都落在此區間。對安麗逸新 的HEPA濾網來說,基本上通通都是可被攔截的榜上名單。

在過敏防護上,它更獲得英國過敏協會(Allergy UK)認證,能有效處理 19 大類、102 種過敏原,濾除空氣中超過 300 種氣態與固態污染物。

同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室,就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷,就是「硼 (Boron)」 / 圖片授權:Shutterstock

然而,同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室,就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷,就是「硼 (Boron)」。

在半導體製程中,硼是常見的 P 型摻雜物,用來精準改變矽晶圓的電性。如果濾網有任何微小的破損、老化或化學侵蝕,進而釋放出極微量的硼離子,就可能直接污染晶圓,改變其導電特性,導致晶片報廢。

此外,無塵室要求的是比 HEPA 更極致的 ULPA(超低穿透率空氣濾網) 等級的潔淨度。ULPA 的標準通常要求對 0.12 微米 的粒子達到 99.999% 甚至 99.9999% 的超高攔截率。在奈米級的競爭中,任何多穿透的一顆微塵,都代表著一筆不小的經濟損失。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

為了解決「硼」的問題並追求極限的過濾效率,材料學家搬出了塑膠界的王者,PTFE 也鐵氟龍。鐵氟龍不僅耐酸鹼、耐腐蝕,還能透過拉伸製成直徑僅 0.05 至 0.1 微米 的極細纖維,其細度遠勝玻璃纖維。雖然 PTFE 耐化學腐蝕,但它既昂貴且物理上也很脆弱,安裝時若不小心稍微觸碰,數萬元的濾網就可能報銷。因此,你只會在晶圓廠而非一般家庭環境看到它。

即便如此,在空氣濾淨系統中,還有一樣是無塵室和你家空氣清淨器上面都有的另一張濾網,就是活性碳濾網。

活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附?

好不容易將微塵擋在門外時,危機卻還沒有解除。因為空氣中還隱藏著另一類更難纏的大魔王:AMC(氣態分子污染物)

HEPA 或 ULPA 這類物理濾網雖然能攔截固體微粒,但面對氣態分子時,就像是用網球拍想撈起水一樣徒勞。這些氣態分子如同「幽靈」一般,能輕易穿過物理濾網的縫隙,其中包括氮氧化物、二氧化硫,以及來自人體的氨氣與各種揮發性有機物(VOCs)。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

為了對付這些幽靈,我們必須在物理防線之外,加裝一道「化學濾網」。

這道防線的核心就是我們熟知的活性碳。但這與烤肉用的木炭不同,這裡使用的是經過特殊改造的「浸漬處理(Impregnation)」活性碳。材料科學家會根據敵人的不同性質,在活性碳上添加不同的化學藥劑:

  • 酸鹼中和:對付氮氧化物、二氧化硫等酸性氣體,會在活性碳上添加碳酸鉀、氫氧化鉀等鹼性藥劑,透過酸鹼中和反應將有害氣體轉化為固體鹽類。反之,如果添加了磷酸、檸檬酸等酸性藥劑,就能中和空氣中的氨氣等鹼類。
  • 物理吸附與凡德瓦力:對於最麻煩的有機揮發物(VOCs,如甲醛、甲苯),因為它們不具酸鹼性,科學家會精密調控活性碳的孔徑大小,利用龐大的「比表面積」與分子間的吸引力(凡德瓦力),像海綿吸水般將特定的有機分子牢牢鎖在孔隙中。
活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附? / 圖片來源:Amway

空氣濾淨的終極邏輯:物理與化學防線的雙重合圍

在晶圓廠這種對空氣品質斤斤計較的極端環境,活性碳的運用並非「亂槍打鳥」,而是一場極其精密的對戰策略。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

工程師會根據不同製程區域的空氣分析報告,像玩 RPG 遊戲時根據怪物屬性更換裝備一樣——「打火屬性怪要穿防火裝,打冰屬性則換上防寒裝」。在最關鍵的黃光微影區(Photolithography),晶圓最怕的是人體呼出的氨氣,此時便會配置經過酸性藥劑處理的活性碳進行精準中和;而在蝕刻區(Etching),若偵測到酸性廢氣,則會改用鹼性配方的濾網。這種「對症下藥」的客製化邏輯,是確保晶片良率的唯一準則。

而在你的家中,雖然我們無法像晶圓廠那樣天天進行空氣成分分析,但你的肺部同樣需要這種等級的保護。安麗逸新空氣清淨機 SKY 的設計邏輯,正是將這種工業級的精密防護帶入家庭。它不僅擁有前述的高規 HEPA 濾網,更搭載了獲得美國專利的活性碳氣味濾網。

關於活性碳,科學界有個關鍵指標:「比表面積(Specific Surface Area)」。活性碳的孔隙越多、表面積越大,其吸附能力就越強。逸新氣味濾網選用高品質椰殼製成的活性碳,並經過高溫與蒸氣的特殊活化處理,打造出多孔且極致高密度的結構。

這片濾網內的活性碳配重達 1,020 克,但其展開後的總吸附表面積竟然高達 1,260,000 平方公尺——這是一個令人難以想像的數字,相當於 10.5 個台北大巨蛋 的面積。這種超高的比表面積,是市面上常見濾網的百倍之多。更重要的是,它還添加了雙重觸媒技術,能特別針對甲醛、戴奧辛、臭氧以及各種細微的異味分子進行捕捉。這道專利塗層防線,能將你從裝潢家具散發的有機揮發氣體,或是路邊繁忙車流的廢氣中拯救出來,成為全家人的專屬空氣守護者。

總結來說,無論是造價百億的半導體無塵室,還是守護家人的空氣清淨機,其背後的科學邏輯如出一轍:「物理濾網攔截微粒,化學濾網捕捉氣體」。只有當這兩道防線同時運作,空氣才稱得上是真正的「乾淨」。

進一步了解商品:https://shop.amway.com.tw/products/2071?navigationType=brand&

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
文章難易度

討論功能關閉中。

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
246 篇文章 ・ 319 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

0

0
0

文字

分享

0
0
0
便秘藥越吃越沒效?拆解腸道罷工的 3 大物理故障,FDA 核准「震動膠囊」重啟腸胃節律!【挺健康】
PanSci_96
・2026/04/06 ・2556字 ・閱讀時間約 5 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

本文由 AI 協助生成,內容經編輯審閱。

在台灣,超過 525 萬人有便秘的困擾,我們一年甚至能吞掉約 4.6 億顆便秘相關藥物。許多人把瀉藥當成仙丹,只要肚子一脹、蹲不出來,就趕緊吞兩顆。但你是否發現,藥好像越吃越重,腸子卻越來越不想自己動了?

其實,便秘往往不是單純的「疾病」,也不是你喝水不夠或缺乏意志力,而是一場發生在腸道裡的「物理學危機」。近年來,醫學界對於便秘的治療觀念正在翻轉,美國 FDA 甚至核准了一款不含任何化學藥物成分的「吞服式震動膠囊」。今天,就讓我們放下手中的瀉藥,從物理學的角度重新認識你的腸道,並看看這項神奇的醫療新科技如何喚醒罷工的腸胃!

為什麼你拉不出來?破解腸道的 3 種「物理故障」

當你坐在馬桶上奮戰時,不妨先問問自己:你的腸道到底碰上了哪一種物理故障?臨床上,我們常常可以將便秘的成因歸納為三個字:硬、不動、澀。

1. 硬:大便太硬(水分流失問題)

正常的大便應該像「鬆軟的麵包」,保有適當的水分才能輕易變形排出。但如果糞便在腸道停留太久,水分被過度回收,大便就會變成像「餅乾屑」一樣的乾硬顆粒(在布里斯托大便分類法 BSFS 中屬於第 1 或第 2 型)。面對「硬」的問題,如果你只是一味地用猛藥催促腸子用力推,就像硬把石頭擠出水管,不僅推不出來,還會痛得要命。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

2. 不動:腸子動力差(馬達失靈問題)

我們的腸子就像一條輸送帶,必須靠神經節律發出訊號,讓肌肉規律收縮來推進食物殘渣。如果輸送帶的「馬達」慢了,或是排便的肌肉協調出錯(例如該放鬆的括約肌反而收緊),這就是典型的「不動」。這時候,就算你喝再多水、吃再多菜,也只是讓貨物泡在水裡,因為輸送帶根本沒有在運轉。

3. 澀:腸道太澀(摩擦力過大)

有時候腸子有在動,大便也不算太硬,但就是有一種卡卡、排不乾淨的殘便感。這就像拿一塊乾掉的橡皮擦在桌面上推,不是推不動,而是「摩擦力太大」。糞便與腸壁之間的滑順度不足,缺乏油脂或黏液的潤滑,就會讓通道變得滯澀難行。解決這種問題,重點在於「潤滑通道」,而不是猛踩油門。

吃藥像敲引擎:為什麼瀉藥會越吃越沒感覺?

了解這三種物理故障後,你就會明白為什麼瀉藥不能亂吃。現行的便秘藥物其實都有各自負責的任務:軟便劑或滲透性瀉藥是負責「加水」(解決硬);潤滑類藥物負責「降低摩擦力」(解決澀);而大家最常買到的刺激性瀉藥(如番瀉葉 Senna),則是直接刺激腸壁神經,強迫腸子蠕動(解決不動)。

選錯藥物不僅無效,還會讓你更崩潰。例如,大便已經很硬的人若猛吃刺激性瀉藥,只會引發劇烈腹痛;腸道太澀的人一直吃滲透性軟便劑,可能只會覺得肚子脹得像青蛙。更危險的是,把刺激性瀉藥當成日常保養,就像是拿鐵鎚去敲壞掉的汽車引擎——剛開始敲一下引擎還會發動,久了神經變得遲鈍,你就必須敲得更大力。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

雖然醫界對於瀉藥是否會造成不可逆的神經結構傷害還有討論空間,但長期依賴這類藥物,確實常見「大腸色素沉著(Melanosis coli)」的現象。這雖多半是可逆的,但絕對是腸道在警告你:「這招已經用太久了!」此外,如果是腸躁症(IBS)、阿片類止痛藥引發的便秘,或是先天神經缺失的巨結腸症,這些都需要專業醫療介入,絕對不是去藥局多買幾盒瀉藥就能解決的。

吞下一顆「腸道鬧鐘」?FDA 核准的震動膠囊

既然許多慢性便秘的本質是「節奏失靈(不動)」,那我們能不能用純「物理」的方式,重新喚醒腸道的節律?這正是近年腸胃科的重大科技突破——吞服式震動膠囊(Vibrant System)。

這顆膠囊不含任何化學藥物,它更像是一個微型機器人。它通過了美國 FDA De Novo 核准,主要針對「成人慢性特發性便秘(CIC)」,且使用瀉藥至少 1 個月仍無法緩解的族群。患者在睡前吞下這顆膠囊,經過約 14 小時抵達大腸後,膠囊會根據預設的程式,在腸道內產生定時、間歇性的微小震動。

這個過程就像是每天固定時間幫腸子做「晨操」,利用機械性的物理刺激,模擬腸壁肌肉的節律性收縮,喚醒胃-結腸反射。它不灌水、不鞭打腸道,而是讓排便變得「更可預期」。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

真實世界數據揭密:它真的有效嗎?

2025 年一項針對 1722 名患者的大規模社區真實世界研究顯示,使用震動膠囊 3 到 6 個月後,患者每週自發性完全排便次數(CSBM)顯著增加,糞便型態變得更正常,且約 76% 的人如廁時間大幅縮短至 10 分鐘以內。

最值得注意的是它的安全性。傳統的新型促腸道動力藥物(如利那洛肽)常伴隨高達 15-20% 的腹瀉率,讓許多人因為頻繁跑廁所而放棄治療。但在這項研究中,震動膠囊引發腹瀉的比例極低(僅約 0.64%)。當然,它並非毫無副作用,少數人會感覺到肚子裡有震動感或輕微腹痛,但因為它不進入血液循環、不干擾荷爾蒙,系統性的副作用可說是微乎其微。

不過,這項高科技目前仍有禁忌症。由於膠囊內含金屬與電池,吞服後排出前絕對不能進行 MRI(核磁共振)檢查,以免引發危險;有腸梗阻病史或體內裝有心律調節器的人也不適用。

從化學走向物理,找回順暢人生

從傳統的瀉藥到最新的震動膠囊,現代醫學治療便秘的思維,正在從「化學藥力」逐漸走向「物理介入與裝置節律」。下次當你又在廁所裡苦苦掙扎時,記得先辨別自己到底是硬、澀、還是不動,並尋求專業醫師的協助,找出最適合的階梯式治療方案。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

讀完這篇文章,你覺得自己是哪一種便秘類型呢?你最崩潰的是蹲太久、肚子脹,還是便秘腹瀉輪流來?如果未來有越來越多這種「吞下去的微型裝置」能治病,你會覺得看見了希望,還是覺得肚子裡有機器在動有點毛毛的呢?歡迎在留言區跟我們分享你的看法!

參考資料

  1. FDA De Novo Classification for Vibrant System
  2. Chronic Idiopathic Constipation Epidemiology and Impact
  3. Melanosis Coli and Laxative Use
  4. Clinical and Translational Gastroenterology: Real-World Evidence Study of Vibrant System (2025)
-----廣告,請繼續往下閱讀-----

討論功能關閉中。

PanSci_96
1276 篇文章 ・ 2675 位粉絲
PanSci的編輯部帳號,會發自產內容跟各種消息喔。

0

1
0

文字

分享

0
1
0
找回擁有食物的主導權?從零開始「菇類採集」!——《真菌大未來》
積木文化
・2024/02/25 ・4266字 ・閱讀時間約 8 分鐘

菇類採集

在新冠肺炎(COVID-19)大流行後,馬斯洛「需求層次理論」裡的食品與安全在眾目睽睽下被抽離出來,變成後疫情時代最重要的兩個元素。對食物的焦慮點燃人們大腦中所有生存意志,於是大家開始恐慌性地購買,讓原本就已經脆弱、易受攻擊的現代糧食系統更岌岌可危。

值得慶幸的是,我們的祖先以前就經歷過這一切,留下來的經驗值得借鏡。菇類採集的興趣在艱難時期達到顛峰,這反映了人類本能上對未來產生的恐懼。1 無論是否有意,我們意識到需要找回擁有食物的主導權,循著古老能力的引導來找尋、準備我們自己的食物,如此才能應付食物短缺所產生的焦慮。

在新冠肺炎大流行後,馬斯洛「需求層次理論」裡的食品與安全在眾目睽睽下被抽離出來,變成後疫情時代最重要的兩個元素。圖/pexels

我們看見越來越多人以城市採集者的身分對野生菇類有了新的品味,進而找到安全感並與大自然建立起連結。這並不是說菇類採集將成為主要的生存方式,而是找回重新獲得自給自足能力的安全感。此外,菇類採集的快感就足以讓任何人不斷回歸嘗試。

在這個數位時代,菇類採集是讓我們能與自然重新連結的獨特活動。我們早已遺忘,身體和本能,就是遺傳自世世代代與自然和諧相處的菇類採集者。走出現代牢籠、進入大自然從而獲得的心理和心靈滋養不容小不容小覷。森林和其他自然空間提醒著我們,這裡還存在另一個宇宙,且和那些由金錢、商業、政治與媒體統治的宇宙同樣重要(或更重要)。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
在這個數位時代,菇類採集是讓我們能與自然重新連結的獨特活動。圖/unsplash

只有願意撥開遮蓋的落葉並專注尋找,才能體認到菇類的多樣性和廣泛分布。一趟森林之旅能讓人與廣大的生態系統重新建立連結,另一方面也提醒我們,自己永遠屬於生命之網的一部分,從未被排除在外。

腐爛的樹幹不再讓人看了難受,而是一個充滿機遇的地方:多孔菌(Bracket Fungi)──這個外觀看起來像貨架的木材分解者,就在腐爛的樹幹上茁壯成長,規模雖小卻很常見。此外,枯葉中、倒下的樹上、草地裡或牛糞上,也都是菇類生長的地方。

菇類採集是一種社會的「反學習」(遺忘先前所學)。你不是被動地吸收資訊,而是主動且專注地在森林的每個角落尋找真菌。不過度採集、只拿自身所需,把剩下的留給別人。你不再感覺遲鈍,而是磨練出注意的技巧,只注意菇類、泥土的香氣,以及醒目的形狀、質地和顏色。

只有願意撥開遮蓋的落葉並專注尋找,才能體認到菇類的多樣性和廣泛分布。圖/unsplash

菇類採集喚醒身體的感官感受,讓心靈與身體重新建立連結。這是一種可以從中瞭解自然世界的感人冥想,每次的發現都振奮人心,運氣好的話還可以帶一些免費、美味又營養的食物回家。祝您採集愉快。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

計畫

菇類採集就像在生活中摸索一樣,很難照既定計畫執行,而且以前的經歷完全派不上用場。最好的方法就是放棄「非採集到什麼不可」的念頭,持開放心態走出戶外執行這項工作。菇類採集不僅是享受找到菇的滿足感,更重要的是體驗走過鬆脆的樹葉、聞著森林潮濕的有機氣味,並與手持手杖和柳條筐的友善採菇人相遇的過程。

菇類採集很難照既定計畫執行,最好的方法就是放棄「非採集到什麼不可」的念頭。採集過程幾乎就像玩捉迷藏,只不過你根本不確定自己在找什麼,甚至根本不知道要找的東西是否存在。圖/unsplash

你很快就會明白為什麼真菌會有「神秘的生物界」的稱號。真菌無所不在但又難以捉摸,採集過程幾乎就像玩捉迷藏,只不過你根本不確定自己在找什麼,甚至根本不知道要找的東西是否存在。但還是要有信心,只要循著樹木走、翻動一下原木、看看有落葉的地方,這個過程就會為你指路。一點點的計畫,將大大增加你獲得健康收益的機會。所以,讓我們開始吧。

去哪裡找?

林地和草原,是你將開始探索的兩個主要所在。林地底層提供真菌所需的有機物質,也為樹木提供菌根關係。橡樹、松樹、山毛櫸和白樺樹都是長期的菌根夥伴,所以循著樹種,就離找到目標菇類更近了。

林地底層提供真菌所需的有機物質,也為樹木提供菌根關係。圖/pexels

草原上也會有大量菇類,但由於這裡的樹木多樣性和環境條件不足,所以菇類種類會比林地少許多。如果這些地點選項對你來說都太遠了,那麼可以試著在自家花園或在地公園綠地當中尋找看看。這些也都是尋菇的好地方。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

澳洲新南威爾斯州奧伯倫

澳洲可以說是真菌天堂。與其他大陸隔絕的歷史、不斷變化的氣候以及營養豐富的森林,讓澳洲真菌擁有廣大的多樣性。澳洲新南威爾斯州(New South Wales)的奧伯倫(Oberon)就有一座超過四萬公頃的松樹林,是採集菇類的最佳地點之一。

在那裡,有廣受歡迎的可食用菌松乳菇(又稱紅松菌),據說這種真菌的菌絲體附著在一棵歐洲進口樹的根部,而意外被引進澳洲。 1821 年,英國真菌學家塞繆爾・弗里德里克・格雷(Samuel Frederick Gray)將這種胡蘿蔔色的菇命名為美味乳菇(Lactarius deliciosus),這的確名符其實,因為「Deliciosus」在拉丁語中意為「美味」。如果想要在奧伯倫找到這些菇類,秋天時就要開始計劃,在隔年二月下旬至五月的產季到訪。

位於澳洲新南威爾斯州的奧伯倫就有一座超過四萬公頃的松樹林,是採集菇類的絕佳地點。圖/unsplash

英國漢普郡新森林國家公園

在英國,漢普郡的新森林國家公園(Hampshire’s New Forest)距離倫敦有九十分鐘的火車車程。它由林地和草原組成,當中有種類繁多的植物群、動物群和真菌可供遊客觀賞,甚至還有野生馬匹在園區裡四處遊蕩。

這片森林擁有兩千五百多種真菌,其中包括會散發惡臭的臭角菌(Phallus impudicus),它的外觀和結構就如圖鑑中描述般,與男性生殖器相似且不常見。還有喜好生長於橡樹上,外觀像架子一樣層層堆疊的硫色絢孔菌(Laetiporus sulphureus ,又稱林中雞)。該國家公園不允許遊客採收這裡的菇,所以請把時間花在搜尋、鑑別與欣賞真菌上。如果幸運的話,該地區可能會有採集團體可以加入,但能做的也僅限於採集圖像鑑別菇類,而非採集食用。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
在英國,漢普郡的新森林國家公園由林地和草原組成,當中有種類繁多的植物群、動物群和真菌可供遊客觀賞。該國家公園不允許遊客採收這裡的菇,所以請把時間花在搜尋、鑑別與欣賞真菌上。圖/unsplash

美國紐約市中央公園

甚至紐約市的中央公園也有採集菇類的可能性。雖然在 1850 年代公園建造之時並未刻意引進菇類物種,但這個占地八百四十英畝的公園現已登錄了四百多種菇類,足以證明真菌孢子的影響之深遠。

加里・林科夫(Gary Lincoff)是一位自學成才、被稱作「菇類吹笛人」2 的真菌學家,他住在中央公園附近,並以紐約真菌學會的名義會定期舉辦菇類採集活動。林科夫是該學會的早期成員之一,該學會於 1962 年由前衛作曲家約翰・凱吉(John Cage)重新恢復運作。凱吉也是一位自學成才的業餘真菌學家,並靠自己的能力成為專家。

甚至紐約市的中央公園也有採集菇類的可能性。雖然在 1850 年代公園建造之時並未刻意引進菇類物種,但這個占地八百四十英畝的公園現已登錄了四百多種菇類。圖/wikipedia

進行菇類採集時,找瞭解特定物種及其棲息地的在地專家結伴同行,總是有幫助的。如果你需要一個採集嚮導,求助於所在地的真菌學會會是一個正確方向。

何時去找?

在適當的環境條件下(例如溫度、光照、濕度和二氧化碳濃度),菌絲體全年皆可生長。某些物種對環境條件較敏感,但平均理想溫度介於 15~24 ℃ 之間,通常是正要進入冬季或冬季剛過期間,因此秋季和春季會是為採集菇類作計畫的好季節。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
秋季和春季是為採集菇類作計畫的好季節,但因為菇類受溫度變化模式和降雨量的影響很大,所以每年採菇的旺季時間會略有不同。圖/unsplash

當菌絲體從周圍吸收水分時,會產生一股破裂性的力量,讓細胞充滿水分並開始出菇。這就是菇類通常會出現在雨後和一年中最潮濕月份的原因。牢記這些條件,就可以引導你找到寶藏。但也要記得,因為菇類受溫度變化模式和降雨量的影響很大,所以每年採菇的旺季時間會略有不同。

註解

  1. Sonya Sachdeva, Marla R Emery and Patrick T Hurley, ‘Depiction of wild food foraging practices in the media: Impact of the great recession’, Society & Natural Resources, vol. 31, issue 8, 2018, <doi.org/10.1080/08941920.2 018.1450914>. ↩︎
  2. 譯注:民間傳說人物。吹笛人消除了哈梅林鎮的所有老鼠,但鎮上官員拒絕給予承諾的報酬,於是他就吹奏著美麗的音樂,把所有孩子帶出哈梅林鎮。 ↩︎

——本文摘自《真菌大未來:不斷改變世界樣貌的全能生物,從食品、醫藥、建築、環保到迷幻》,2023 年 12 月,積木文化出版,未經同意請勿轉載。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----