炎炎夏日，來上一口冰涼的飲料能讓人快速消暑，但對於有敏感性牙齒的人來說，這一口冰涼飲料雖能消暑，卻換來又痠、又痛的牙疼，根據統計，約有 44% 的國人為敏感性牙齒所困¹。

拜「抗敏感牙膏」的電視廣告所賜，民眾普遍對敏感性牙齒的症狀並不陌生，然而，敏感性牙齒的精準定義是什麼？人們又為何會罹患敏感性牙齒呢？近期發表在 Science Advances 的研究，讓我們能一窺造成敏感性牙齒的可能機制²。

小小白色牙齒的內部構造

敏感性牙齒的正確名稱是「牙本質知覺敏感症」，要了解其中的原因，得先聊聊牙齒的構造。

人類的牙齒由外到內由三個部分組成：

• 琺瑯質：主要由鈣和磷所構成的堅硬外層，其功能為磨碎食物與保護牙本質。琺瑯質是人體內最堅硬的組成，但無法再生。
• 牙本質：構成牙齒主體的微黃色組織，終身都會繼續不斷地再生。
• 牙髓腔：牙齒核心，包含神經和血管等各類軟組織。

當琺瑯質因各種因素 （例如刷牙太大力、酸性物質腐蝕、蛀牙等）被耗損後，琺瑯質就會無法繼續保護牙本質，並讓牙本質暴露出來，一旦牙本質暴露後，外界的各種刺激像是溫度變化、酸性物質等就會直接影響牙本質，讓我們感到牙齒的痠軟或疼痛。

當牙本質被「見光死」後，為什麼會痛？

細看牙本質後，我們可以發現它由許多貫穿整個牙本質的牙本質小管構成。雖然牙本質沒有神經細胞分布，但位於牙髓腔內的神經細胞，其末梢會分布在充滿液體的牙本質小管內。

目前學界認為，這些液體正是導致敏感性牙齒的元凶。

關於敏感性牙齒來源的主流解釋是這樣的：

正常的牙本質會有琺瑯質的保護，讓外在因素不會直接影響牙本質小管，但當牙本質小管外露，外在因素的刺激很容易改變牙本質小管的壓力，進而使牙本質小管中的液體快速流動。這個液體流動速度的改變，會刺激牙本質小管內的牙髓神經末梢，進而引發神經衝動導致疼痛發生。

那麼該如何處理敏感性牙齒呢？

由於敏感性牙齒是因為牙本質暴露並受到外在刺激所導致，因此只要不讓牙本質與外界接觸，就能有效阻止疼痛發生。

理論上最好的辦法是讓琺瑯質包裹住牙本質，但正如前文提到，琺瑯質是無法再生的，因此人們退而求其次，想辦法使用其他物質來封住牙本質小管，使其不會受到外在因素的刺激，而這也是市售抗敏感牙膏的抗敏機制。

然而，以上僅僅只是學界的「主流觀點」，關於「牙本質小管內的液體流動是導致敏感性牙齒的主因」一說，尚未被有足夠的實驗和證據支持。

本文接下來將介紹近期發表在 Science Advances 的研究，這篇研究將針對敏感性牙齒的成因提出可能的分子機制。

十五年前的博士後研究：TRPC5 的發現

這項研究的開端要追溯到十五年前。

當時，此篇論文的主要作者 Katharina Zimmermann 正在進行博士後研究，她和團隊發現了一種叫作 TRPC5（Short transient receptor potential channel 5）的離子通道蛋白質。

這個 TRPC5 是甚麼？讓我們先從傷害受器說起。

傷害受器（nociceptor）是中樞神經系統中的感覺神經元之一，當人體遇到高溫或強酸等的刺激時，傷害受器會被活化，並將訊號傳至中樞神經 （延髓和大腦），讓人產生不適甚至是疼痛感，使我們避開這些可能造成傷害的危險。

依據接受的刺激不同，傷害受器可分為溫度感受、機械感受和化學感受。而人體專司溫度感受的傷害受器，主要是靠感覺神經元細胞膜上的瞬態感受器電位通道 （Transient Receptor Potential Channel, TRP）這個離子通道蛋白質來接收刺激。

針對不同的溫度刺激，會有不同的 TRP 蛋白來對應。

例如目前了解最多的是 TRPV1，它會對高溫作出反應，當 TRPV1 在 42℃ 以下時，通常不會活化，但一旦皮膚超過該溫度，傷害受器中的 TRPV1 就會活化，並把信號傳輸到中樞神經，讓你產生灼熱和疼痛感。

另一例是 TRPM8 ，TRPM8 對低溫刺激 （10-30℃） 有反應，不過和 TRPV1 不同的是，TRPM8 的活化是讓人感到清涼，而不是疼痛。

除了溫度會活化 TRP 蛋白，一些化學物質也會活化 TRP 蛋白：例如辣椒中的「辣椒素」就會活化 TRPV1；薄荷中的「薄荷醇」會活化 TRPM8。

而 Zimmermann 所發現的 TRPC5 對寒冷極為敏感，但她和研究團隊發現 TRPC5 和 TRPV1、TRPM8 不同，作用位置並不在人體的皮膚上，而這讓他們的研究陷入了死胡同。

身體哪個部分也怕冷？報告：牙齒！

一天，研究團隊在午餐會上討論研究進度時，突然有人對 TRPC5 的研究提出新的想法。Zimmermann 回憶道，那時大家正在吃飯，突然有人提出：「牙齒也是人體對寒冷極為敏感的部位啊！」而這個想法，開啟了團隊的新研究方向。

雖然這個想法似乎為研究團隊開啟一道曙光，但想要研究牙齒沒這麼容易。當科學家想要研究牙齒的內部時，勢必要切開琺瑯質和牙本質這兩層硬度很高的物質，而且這個過程還不能傷到牙齒內部柔軟的牙髓。

然而，許多有經驗的研究人員都知道，在切開牙齒的過程中，整顆牙齒四分五裂是相當稀鬆平常的。

後來 Zimmermann 的團隊改變思路，他們沒有切開小鼠的牙齒，而是選擇研究整個牙齒系統：包括頜骨、牙齒和牙神經。

研究團隊將小鼠的牙齒系統放入冰涼的液體後，他們透過觀察神經訊號，顯示小鼠的牙齒系統確實能感受到寒冷。然而，當他們加入神經阻斷劑，或者將小鼠的 TRCP5 破壞後，就不會產生顯示疼痛的訊號。這個研究結果證實了小鼠牙齒系統內的 TRCP5 能偵測寒冷的訊號。

研究團隊接著發現 TRCP5 會出現在小鼠牙齒系統中，牙本質靠近牙髓的交界處，而美國麻省總醫院的病理學家 Jochen Lennerz 也進一步證實了 TRCP5 也會出現在人類牙本質中。

另外他們也發現，TRCP5 是造成小鼠牙痛的重要因素，當小鼠牙齒有損傷後，牠們飲用糖水的頻率會降低，但只要破壞 TRCP5 後，即使牙齒損傷，也不影響小鼠飲用糖水的頻率。

綜合以上的發現，Zimmermann 認為 TRCP5 是小鼠牙齒系統內，偵測寒冷並傳遞疼痛訊號的關鍵蛋白質。

敏感性牙齒：液體移動 vs. 刺激蛋白？

雖然 TRP 蛋白主要受溫度刺激，但正如前文所說，一些化學物質也能刺激 TRP 蛋白。

Zimmermann 表示，溫度、化學物質、撞擊等都可以活化 TRCP5 蛋白，因此她認為比起牙本質小管內液體移動這個假說，TRCP5 的活化更有可能是引起敏感性牙齒的主因。

當牙本質失去琺瑯質的保護後，各種外界因素就非常容易刺激 TRCP5 並使其活化，進而讓人產生牙齒的痠痛感，不過她也表示，這個想法需要更多實驗才能被證實。

牙痛和敏感性牙齒雖然不是一個熱門的研究主題，但它對我們其實頗重要，俗話說：「牙痛不是病，痛起來要人命！」我們每個人或多或少都經歷過牙痛，也都知道那種難受，而這篇研究揭示了一個可能引起敏感性牙齒的分子機制，因此未來只要能專一的封鎖 TRCP5，也許就有機會有效治療敏感性牙齒了。

另外這篇研究也解釋了一個古老的治牙痛處方——丁香油的作用機制。

人類很早就知道，在牙齒上塗上丁香油，能有效緩解牙痛，目前研究已知，丁香油酚是其中的有效物質，但為何有效至今仍是謎。

而這篇研究也發現，丁香油酚可以抑制 TRCP5 的活化，或許這就是丁香油緩解牙痛的原因，但正如前文所說，一切都還有待更多的研究來證實。Zimmermann也希望他們的研究，能給其他研究人員提供治療敏感性牙齒與牙痛的新思路。

參考資料

1. Bernal L, Sotelo-Hitschfeld P, König C, Sinica V, Wyatt A, Winter Z, Hein A, Touska F, Reinhardt S, Tragl A, Kusuda R, Wartenberg P, Sclaroff A, Pfeifer JD, Ectors F, Dahl A, Freichel M, Vlachova V, Brauchi S, Roza C, Boehm U, Clapham DE, Lennerz JK, Zimmermann K. Odontoblast TRPC5 channels signal cold pain in teeth. Sci Adv. 2021 Mar 26;7(13):eabf5567.
2. 台灣民眾「超敏感」不到3人就有1人敏感齒
3. 牙齒
4. Ji wonKim, Joo-CheolPark. Dentin hypersensitivity and emerging concepts for treatments. Journal of Oral Biosciences. Volume 59, Issue 4, November 2017. 
5. How Teeth Sense the Cold

本文轉載自中央研究院研之有物，泛科學為宣傳推廣執行單位。

• 採訪撰文／寒波
• 美術設計／林洵安

為何新冠病毒突變之後傳染力更強？

COVID-19 至今仍深深影響全人類，新冠病毒持續演化，例如曾經造成臺灣大規模社區感染的 Alpha 變異株、傳染力更強的 Delta 變異株，近期出現的 Omicron 變異株等，它們逃避免疫系統的能力都不一樣，關鍵就在不同的棘蛋白（spike protein）結構。「研之有物」專訪中央研究院生物化學研究所徐尚德副研究員，他的團隊陸續解析各種新冠病毒變異株的棘蛋白結構，不但能釐清新的突變帶來的威脅，後續也可作為研發人造抗體的指引。

解析新型冠狀病毒棘蛋白

COVID-19 的病原體是一種冠狀病毒，和 SARS 病毒是近親，正式命名為 SARS-CoV-2，中文常稱作新型冠狀病毒。為了知道病毒如何感染人體細胞，以及如何逃避免疫系統的辨識，我們需要進一步瞭解冠狀病毒表面的棘蛋白結構。

結構為什麼重要？因為結構會影響蛋白質功能。蛋白質是由不同的氨基酸所組成的長鏈，實際作用時會摺疊形成特別立體結構，而冠狀病毒的蛋白質中，又以棘蛋白最為關鍵。

徐尚德強調，棘蛋白是冠狀病毒暴露在表面的蛋白質之一，絕大多數被感染者的免疫系統所產生的抗體都是辨識棘蛋白。因此現今臨床使用的蛋白質次單元疫苗、腺病毒疫苗以及 mRNA 疫苗，都是以棘蛋白為基礎來研發。

Cryo-EM 讓蛋白質結構無所遁形

工欲善其事，必先利其器。解析蛋白質結構的方法很多，早期的 X 光晶體繞射（X-ray diffraction），就像將影片定格截圖，但不一定為蛋白質實際作用的狀態。

再來是核磁共振（Nuclear Magnetic Resonanc，簡稱 NMR），這是徐尚德留學深造時的專業，可以重現蛋白質在水溶液中的結構及動態，更接近實際作用的形態，可惜不適合分子量較大的分子。

目前結構生物學最具潛力的新技術是：冷凍電子顯微鏡（Cryogenic Electron Microscopy，簡稱 Cryo-EM），Cryo-EM 可以拍出原子尺度下高解析度的三維結構，此技術於 2017 年獲得諾貝爾化學獎。中研院則於 2018 年開始添購 Cryo-EM 設備，而 Cryo-EM 正是徐尚德用來解析棘蛋白結構的主要利器！

在 COVID-19 疫情爆發初期（2020 年 1 月），徐尚德就率先啟動新冠病毒的結構分析，當時他的研究團隊剛好已分析過感染貓科動物的冠狀病毒，對於解析棘蛋白結構有一定經驗，可說是贏得先機。

具體來說，如何用 Cryo-EM 解析新冠病毒的棘蛋白結構？

首先要大量培養新冠病毒、再分離、純化得到棘蛋白。接下來，將大量蛋白質樣本鋪成薄薄一層液體，之後以 -190℃ 急速冷凍，讓蛋白質分子保持凍結前的形態，最後用程式重建棘蛋白的三維影像。徐尚德譬喻，就像一匹馬在高速移動時，連續拍攝許多照片，再將照片疊加起來，重建馬的形狀。

棘蛋白的體積已經算大，假如又與其他蛋白質結合，體積將會更大。能解析如此龐大結構為 Cryo-EM 一大優點，但是也會創造很大的資料量。徐尚德強調，用 Cryo-EM 分析蛋白質結構不只做實驗，也要協調資料處理等疑難雜症。

關鍵 D614G 突變，讓新冠病毒棘蛋白穩定性大增

儘管已有貓冠狀病毒的經驗，徐尚德研究團隊初期仍經歷一陣摸索，一大困難在於，做實驗時發現不少棘蛋白壞掉，不再保持原本的結構。

這是因為一般取得蛋白質樣本後會置於 4°C 冷藏，但 4°C 其實不適合保存棘蛋白。接著徐尚德細心觀察到，具備 D614G 突變的棘蛋白，保存期限竟然比沒突變的棘蛋白要長，可以從 1 天增加到至少 1 週。

什麼是 D614G 突變呢？武漢爆發 COVID-19 疫情的初版新冠病毒，其棘蛋白全長超過 1200 個胺基酸，D614G 突變的意思就是：第 614 號氨基酸由天門冬胺酸（aspartic acid，縮寫為 D）變成甘胺酸（glycine，縮寫為 G）。

D614G 突變誕生後，存在感持續上升，2020 年 6 月時已經成為全世界的主流，隨後新冠病毒 Alpha、Delta 等變異株，皆建立於 D614G 的基礎上。

儘管序列僅有微小差異，許多證據指出 D614G 突變會增加新冠病毒的傳染力。有趣的是，它也能大幅增加棘蛋白在體外的穩定性。因此在研究用途上，變種病毒的棘蛋白反而容易保存，徐尚德更指出，對抗變種病毒的蛋白質次單元疫苗（subunit vaccine）穩定性也會增加。

新冠病毒棘蛋白的「三隻爪子」：受器結合區域

徐尚德參與的一系列新冠病毒結構研究，除了棘蛋白本身，還包含棘蛋白與細胞受器 ACE2 的結合、棘蛋白和人造抗體的結合。

既然要解析結構，儀器「解析度」能看清楚多小的尺度就很重要！蛋白質結構學的常見單位是 Å（10^-10 公尺），原子與原子間的距離約為 2 Å，Cryo-EM 的極限將近 1 Å，不過棘蛋白大約到 3 Å 便足以重建立體結構。

冠狀病毒如何感染宿主細胞，和結構又有什麼關係？棘蛋白位於冠狀病毒的表面，直接接觸宿主細胞受器 ACE2 的部分，稱為受器結合區域（receptor binding domain，簡稱 RBD），結構可能展現「向上」（RBD-up）或是「向下」（RBD-down）的狀態。向下，RBD 便不會接觸宿主細胞的受器，缺乏感染能力，；向上，RBD 方能結合受器，引發後續入侵。

新冠病毒表面的棘蛋白有「三隻爪子」（3 RBD），RBD 有可能同時向上（3 RBD-up），也可能只有 1～2 個向上，結構會影響病毒的感染能力。更詳細地說，棘蛋白某些胺基酸位置的差異，會影響結構的開放與封閉程度。

棘蛋白向上或向下是動態的，假如能保持穩定性，延長向上的時間，也有助於新冠病毒的感染。這正是徐尚德一系列研究下來，實際觀察到不同品系的變化。

一網打盡所有高關注變異株的結構變化

和武漢最初的新冠病毒相比，D614G 突變帶來什麼改變呢？簡單說：棘蛋白向上的比例增加了，導致整個結構變得更加開放，增加新冠病毒對宿主受器的親合力（affinity）。

以 D614G 為基礎，接下來又獨立衍生出數款品系，皆具備多個突變，傳染力、抵抗力更強 。影響最大的是首先於英國現身的 Alpha（B.1.1.7）、南非的 Beta（B.1.351）、巴西的 Gamma（P.1），以及更晚幾個月後，於印度誕生的 Kappa（B.167.1）與 Delta（B.167.2）。Alpha 一度於世界廣傳，導致包括臺灣在內的嚴重疫情，不過隨後不敵優勢更大的 Delta。

對於上述品系，徐尚德率隊一網打盡。 Alpha 的棘蛋白結構解析已經發表於 《自然－結構與分子生物學》（Nature Structural & Molecular Biology）期刊，其餘新冠病毒變異株的論文仍在等待審查，目前能在預印網站 bioRxiv 看到，該研究一次報告 38 個 Cryo-EM 結構，刷新紀錄。

Alpha 變異株的 RBD 向上結構穩定

一度入侵台灣造成社區大規模感染的 Alpha 株有何優勢？其棘蛋白除了 D614G，還多出 8 處胺基酸突變，徐尚德發現 N501Y（天門冬酰胺變成酪胺酸）、A570D（丙胺酸變成天門冬胺酸）的影響相當關鍵。

直覺地想，棘蛋白的外層結構才會與受器接觸影響傳染力，立體結構中第 570 號胺基酸的位置比較裡面，乍看並不要緊。但是徐尚德敏銳地捕捉到，A570D 突變會改變局部的空間關係，令「RBD 向上」的結構更加穩定。徐尚德形容為「腳踏板」（pedal-bin）── A570D 突變的效果就像踩著垃圾桶的腳踏板，讓桶蓋（也就是 RBD）穩定保持開啟。

事實上，棘蛋白總體向上的比例，Alpha 還比單純的 D614G 突變株更少，不過 A570D 增進的穩定性似乎優勢更大。研究團隊製作缺乏 A570D 突變的人造模擬病毒，嘗試體外感染人類細胞，發現感染力明顯減少，證實 A570D 突變頗有貢獻。

Alpha 變異株的棘蛋白親近宿主細胞，干擾抗體作用

另一個重要突變是 N501Y，不只 Alpha 有，Beta 等許多品系也有，Delta 則無。N501Y 在眾多品系獨立誕生，似乎為趨同演化所致。N501Y 能為病毒帶來哪些優勢？

第 501 號胺基酸位於棘蛋白表面，會直接與宿主受器 ACE2 結合。此一位置變成酪胺酸（tyrosine，縮寫為 Y）後，和受器的 Y41 兩個酪胺酸之間，容易形成苯環和苯環的「π–π stacking」鍵結，從而大幅提升棘蛋白對細胞的親合力。

另一方面，N501Y 突變也會干擾抗體的作用。中研院細胞與個體生物學研究所的吳漢忠特聘研究員，率隊研發一批針對棘蛋白的人造抗體，測試發現有一款抗體 chAb25 對 D614G 突變株相當有效，但是對 Alpha 株無能為力。徐尚德由結構分析發現：N501Y 改變了棘蛋白表面的形狀，讓抗體 chAb25 無法附著。

好消息是，另外有兩款抗體 chAb15、chAb45，依然能有效對抗 Alpha 病毒，不受 N501Y 影響。這兩款抗體會附著在棘蛋白 RBD 的邊緣，避免棘蛋白和宿主細胞接觸。而且抗體 chAb15、chAb45 會各占一方，可以同時使用，多面協同打擊病毒。

棘蛋白結構不只胺基酸，還要注意表面的醣

有了 Alpha 的經驗，接下來分析 Beta、Gamma、Kappa、Delta 便順手很多。這批新冠病毒的棘蛋白變化多端，但是「RBD 向上」的整體比例皆超過 Alpha 和 D614G 突變株，可見適應上各有巧妙。徐尚德也發現，要釐清棘蛋白的結構，不能只關心蛋白質，還要考慮棘蛋白表面的醣基化（glycosylation）修飾。

蛋白質在完工後，某些胺基酸還能加上各種醣基。病毒蛋白質表面的醣基可以作為防護罩，干擾抗體和免疫系統的辨識。醣基化修飾就像替病毒訂作一套迷彩外衣，不同變異株的情況都不一樣，假如醣基化的位置和數量，由於突變而改變，便有可能影響立體結構，有助於它們閃躲抗體。例如和武漢原版新冠病毒相比，Delta 株棘蛋白少了一個醣化修飾，Gamma 株棘蛋白則多了兩處醣化。

還好從結構看來，並沒有任何突變組合能完美逃避抗體。例如由美國的雷傑納榮製藥公司（Regeneron）製作並通過緊急使用授權的抗體；以及中研院吳漢忠率隊研發，有望投入實用的多款人造抗體，對變異品系依然有效。這場人類與病毒的長期抗戰中，同時使用多款抗體的「雞尾酒」療法，仍然是可行的醫療方案。

回顧將近兩年來的研究之路，徐尚德表示：時間壓力真的非常大！COVID-19 疫情爆發後，全世界投入相關研究的專家眾多，只要稍有遲疑，便會落在競爭者後頭。但是即使跑在最前端的研究者，也只能苦苦追趕病毒演化的速度，一篇論文還在審查時，現實世界的疫情已經邁向全新局面。

人類要贏得勝利，必需全方面認識病毒，而結構無疑是相當重要的一環。