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如何運用細胞機制改善脂肪肝?先來認識什麼是泛素與細胞自噬

研之有物│中央研究院_96
・2021/07/05 ・4727字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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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

細胞小小一顆,內部運作卻複雜無比,堪比現代化城市,生產、物流、回收與廢棄物清運,每個環節都要考慮平衡,時時應付變局。中央研究院生物化學研究所的陳瑞華特聘研究員,發現細胞兩大資源回收系統的特殊互動:透過泛素─蛋白酶體系統來調控細胞自噬。簡單來說就是,細胞在一般狀況下如何維持平衡,面臨逆境時怎麼力挽狂瀾。在研究過程中,負責脂肪代謝的肝細胞當然也沒有缺席,將來我們對細胞自噬有更多瞭解時,就可能開發出有效控制非酒精性脂肪肝的藥物。論文於 2021 年 2 月發表於《自然通訊》(Nature Communications)。

細胞分解蛋白質的兩套系統:泛素與細胞自噬

細胞內的蛋白質零件如有損壞,就需要分解與回收,主要依靠各有所長、也能互補的兩套回收系統:一套是「泛素─蛋白酶體系統」(ubiquitin-proteasome system,簡稱 UPS ),另一套是「細胞自噬溶酶體系統」(autophagy-lysosome system)。

上圖是細胞內兩大資源回收系統,「泛素─蛋白酶體系統」與「細胞自噬─溶酶體系統」。
圖/研之有物(資料來源│陳瑞華)

雖然 autophagy 的中文翻譯為「細胞自噬」,不過當細胞自噬啟動時,其實不是直接自我毀滅,而是在受到外在壓力時改善狀態、自我拯救。此一領域的先驅大隅良典(Yoshinori Ohsumi)在 2016 年獲得諾貝爾生理學或醫學獎。如今我們知道,細胞自噬可分為多種,可針對細胞內各種老舊廢物和有害物質進行分解,包含可溶及不可溶的蛋白質以及非蛋白質分子(例如後續會提到的脂肪)。

另一套細胞清運系統「泛素─蛋白酶體系統」處理的對象通常是可溶蛋白質。泛素會直接與目標結合做上記號,標記的目標會送往蛋白酶體分解。羅斯(Irwin Rose)、赫什科(Avram Hershko)、切哈諾沃(Aaron Ciechanover)藉此獲得 2004 年的諾貝爾化學獎。隨著研究愈來愈多,有些學者發現,兩套系統有時候會互相影響。

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陳瑞華原本的研究對象是各種蛋白質修飾,而泛素化作用就是一種修飾蛋白質的方式,這使得她投入泛素的領域,開始探索蛋白質的分解與回收,也注意到泛素與細胞自噬有所聯繫的問題。道理其實不難想像:兩套系統的運作都涉及很多蛋白質,而這些蛋白質零件本身,也會成為需要分解或回收的對象。

泛素與細胞自噬的正向調控者「TRABID」

細胞自噬可分為很多種,陳瑞華關注的是依賴泛素的細胞自噬。一開始的切入點,是尋找促進細胞自噬的酵素。

把泛素加到目標蛋白質上頭的酵素叫作「泛素連接酶」(ubiquitin ligase),反之則是「去泛素酶」(deubiquitinating enzyme,簡稱 DUB)。人體有非常多種去泛素酶,測試 92 種之後,TRABID 最符合預期。增加這個酵素的作用能促進細胞自噬,可謂正向調控者。

泛素接合蛋白質分子的各種複雜情況,陳瑞華關注的酵素之一是負責切除 K29 與 K48 分支的去泛素酶「TRABID」。圖/研之有物(資料來源│陳瑞華)

泛素是由 76 個氨基酸組成的小型蛋白質,可以直接結合目標,也能互相串聯形成泛素鏈。

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泛素的序列中,第 1 個氨基酸是甲硫氨酸(methionine,縮寫為 M),再來還有 7 個離胺酸(lysine,縮寫為 K),這些位點都能夠彼此修飾串聯,因此形成複雜的排列組合,這樣就賦予了泛素鏈多變的形式。

如果整串泛素鏈皆由同一種串聯組成,稱為同型鏈(homotypic chain)。根據泛素串聯的位置,可分為 M1、K6、K11、K27、K29、K33、K48、K63 共 8 種;而整串泛素鏈由不同種串聯組成的叫作異型鏈(heterotypic chain),又可以分為非支鏈型和支鏈型(branched)。

抑制泛素,促進細胞自噬

每種酵素都有專屬的催化對象。去泛素酶 TRABID 促進細胞自噬的專屬催化對象又是誰呢?

TRABID 可以去除 VPS34 上面的泛素分支(K29、K48),促進細胞自噬作用。圖/研之有物(資料來源│陳瑞華)

關鍵在於另一個酵素 VPS34,VPS34 是形成自噬小體的重要蛋白,全名為第三類磷脂肌醇 – 3 – 激酶複合體(class III PI3-kinase complex)。VPS34 會受到 K29、K48 泛素化修飾,令其遭到分解;而去泛素酶 TRABID 可以去除泛素,使 VPS34 不被分解。如此一來,激酶 VPS34 便可以促進細胞自噬的發生。

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但這裡可看到一處蹊蹺:VPS34 受到 K29、K48 抑制,可是 TRABID 只能切到 K29,K48 應該不是它的處理範圍呀?合理的推論是:K29 和 K48 以異型鏈的形式一起作用,所以去泛素酶 TRABID 直接切除 K29 的同時,也間接切掉並不直接接觸的 K48。

圖片為 TRABID 切除泛素分支的細節,原來是在切除 K29 的同時,也間接去掉 K48。圖/研之有物(資料來源│陳瑞華)

泛素與細胞自噬的負向調控者「UBE3C」

細胞為了維持平衡,調控可謂一環扣著一環。既然存在針對激酶 VPS34 的去泛素酶,更早以前又是誰替 VPS34 加上泛素呢?過往研究發現,標記 K29、K48 的泛素連接酶叫作 UBE3C,而且是以支鏈連結。

調控基因表現可分為多個層次。基因會先轉錄為 mRNA,再轉譯為蛋白質;而泛素的調控屬於後轉譯修飾,也就是鎖定完工的蛋白質,卻不影響 mRNA 的階段。實驗結果指出,泛素連接酶 UBE3C 的作用一旦增強,激酶 VPS34 的 mRNA 表現量並不改變,但是蛋白質量下降,符合泛素該有的後轉譯調控方式。

TRABID 與 UBE3C 共同調控 VPS34 的示意圖,TRABID 會促進細胞自噬作用;反之,UBE3C 則會抑制細胞自噬。圖/研之有物(資料來源│陳瑞華)

泛素連接酶 UBE3C 作用下會減少細胞自噬,可謂細胞自噬的負向調控者。但是問題又來了,如何證明 UBE3C 催化激酶 VPS34 進行 K29、K48 支鏈型泛素化?之前的研究方法僅能提供間接證據。

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幸運的是,陳瑞華領導的這項研究還沒結束時,另一位專精泛素的學者發表一種新的分析方法,剛好可以回答上述問題。前面提過,泛素有很多種結合型式,理想的分析應該能區別支鏈型和非支鏈型泛素化,這就是「泛素剪裁法」(Ub-clipping)。

釐清泛素與泛素的連結──改造自口蹄疫病毒的分析工具

許多分子生物學的工具最初來自微生物,如限制酶(restriction enzyme)、PCR,以及當紅的 CRISPR 基因編輯,泛素剪裁法也不例外。

口蹄疫病毒(foot-and-mouth disease virus)感染細胞時,一如所有入侵者會受到抵抗;細胞利用 ISG15 蛋白質攻擊病毒,而病毒也會用蛋白酶(protease)反擊。有科學家注意到: ISG15 的形狀就像兩個泛素的合體,而口蹄疫病毒的蛋白酶專門針對這種結構。既然如此,這類蛋白酶是不是能用於切割連成一串的泛素呢?

上述構想後來成功,人為改造過的蛋白酶「Lbpro」,能精確地切割泛素與泛素之間的「RGG」氨基酸連結。被蛋白酶切完落單的泛素,上頭會連著兩個甘胺酸(glycine,縮寫為 G),假如本來是直鏈只會有 1 個 GG,原本為支鏈則會有 2 個 GG。

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1 或 2 個 GG,這就造成重量上的落差。分子間這般的重量差異儘管很小,仍然足以被質譜儀分辨出來,這就是泛素剪裁法的威力。

透過口蹄疫病毒的啟發,人工合成的蛋白酶 Lbpro 可以精準切割泛素之間的 R-GG 鏈結,讓研究人員得以透過質譜分析,輕易辨識出泛素的直鏈與支鏈結構及相對含量。圖/研之有物(資料來源│陳瑞華)

藉由新法助陣,陳瑞華團隊取得可靠的證據,看到泛素分支確實形成,證明泛素連接酶 UBE3C 確實將 K29 和 K48 以支鏈的形式標記到激酶 VPS34 之上。這也是泛素剪裁法,首度被用於細胞自噬的相關研究。

日常保持平衡,危局力挽狂瀾

在瞭解泛素、VPS34、TRABID 與 UBE3C 之後,我們來梳理一下資訊吧。所謂開關、開關,有開就要有關。一系列實驗指出,是否啟動細胞自噬受到 3 個酵素影響:一旦泛素連接酶 UBE3C 加上支鏈修飾,令激酶 VPS34 被拖去摧毀,細胞自噬將受到阻止;若是去泛素酶 TRABID 發揮作用,令 VPS34 保持穩定,細胞自噬就會發生。

細胞處於普通或匱乏(starvation)狀態時,加泛素與去泛素的酵素,以互相對抗的態勢保持平衡。細胞面對危局時,原本的平衡遭到打破,細胞自噬成為一種自我救贖的手段。

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陳瑞華團隊進一步實驗發現,內質網與蛋白質毒性壓力(ER and proteotoxic stresses)之下,泛素連接酶 UBE3C 會轉移位置到蛋白酶體;除掉拘束器(也就是UBE3C)之後,激酶 VPS34 便能促進細胞自噬發生,改善細胞狀態,提高生存機率。

上圖是細胞處於普通或匱乏狀態時,平衡的細胞自噬活動。下圖則是細胞在內質網與蛋白質毒性壓力之下,開始觸發增進細胞自噬的活動,確保內質網與蛋白質正常。圖/研之有物(資料來源│陳瑞華)

未來有望應用到脂肪肝治療

細胞自噬是大部份細胞自我調整、保持平衡的重要手段,在某些特殊組織更扮演重要角色,例如肝細胞的代謝。過去研究發現,如果細胞自噬功能缺失,容易導致脂肪肝形成。

陳瑞華團隊使用小鼠作實驗動物,探討細胞自噬在非酒精性脂肪肝疾病(non-alcoholic fatty liver disease,簡稱 NAFLD)中的角色。在連續 12 週餵食高脂肪飲食後,享受高油脂大餐的快樂小鼠們體型明顯增大,對照組注入一般腺病毒,實驗組則注入帶有 TRABID 基因的腺病毒,繼續觀察 4 週。

細胞在受到高脂食物的刺激下,傾向降低細胞自噬活動,VPS34 經過泛素化之後降解。肝臟代謝功能受到影響,促進肝臟脂肪推積。圖/研之有物(資料來源│陳瑞華)
餵食高脂肪飼料之後,對照組與實驗組小鼠的肝臟示意圖。圖/研之有物(資料來源│陳瑞華)

兩種不同處理之下,高脂餵食且注入一般腺病毒的對照組,肝臟細胞皆充滿脂肪,而且去泛素酶 TRABID 和激酶 VPS34 的表現量,以及細胞自噬的活性都明顯降低。而注射了 TRABID 基因的實驗組,因為人為促進了去泛素酶 TRABID 的表現,引發細胞自噬作用防止肝臟脂肪形成。

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從實驗組的數據可以發現,小鼠多項脂肪相關的指標都有所降低,證實細胞自噬確實有阻止脂肪肝的作用,對肝臟代謝十分重要。這次的動物實驗是透過注射基因提升 TRABID 表現,如果未來能找到促進 TRABID 表現的藥物或關鍵小分子,則可望應用在非酒精性脂肪肝的治療或保健食品。

調控機制的平衡與不平衡

陳瑞華的研究成果讓我們對細胞自噬的調控又多一分認識。看起來好像很難,但是概念歸納起來並不複雜。調節細胞自噬的邏輯是一來一往的平衡(homeostasis),正向調控者作用,細胞自噬發生,反之亦然。

細胞自噬的基本機制,各種細胞多半是共通的;泛素在其中扮演阻止的角色,藉由控制泛素,便能有效影響細胞自噬。假如碰上逆境,需要促進細胞自噬時,抑制泛素即可達到目的。

在肝細胞中,細胞自噬有其特殊作用。假如細胞自噬的功能缺失,會影響脂肪代謝,長期下來可能導致脂肪肝病變;反之,若能在需要時能夠促進細胞自噬,未來脂肪肝治療就有新的契機。

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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

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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)。

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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。

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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」。

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當衰老成為一種可被治療的疾病:揭開長壽藥物的科學面紗【挺健康】
PanSci_96
・2026/03/03 ・5024字 ・閱讀時間約 10 分鐘

本文由 AI 協助生成

挺健康|長壽藥物的科學與現實|高齡醫學科 鄭丁靚醫師

我們從小就被教導,生老病死是自然界的鐵律。你有沒有想過,如果有一天,「變老」不再是生命的必然,而是一種可以被「治療」的疾病,那會是什麼樣的世界?想像一下,我們去醫院掛號,不是因為高血壓、糖尿病或關節炎,而是單純因為我們「正在變老」,而醫生能夠開出一張處方箋,讓你的細胞停止老化、甚至逆轉年齡。這聽起來像是科幻電影的情節,但現代醫學界正在做一件極度瘋狂的事:他們不再滿足於逐一擊破伴隨衰老而來的各種慢性病,而是想直接對「衰老」這個終極大魔王下手。那麼,現代醫學究竟打算如何把「衰老」當作一種疾病來醫治呢?

要回答這個問題,我們必須先打破一個迷思:這裡討論的抗老,不是塗塗抹抹的保養品,不是醫美診所的拉皮手術,也不是口服膠原蛋白讓皮膚看起來更緊緻。科學家正在研究的,是深入到「細胞層級」的抗老藥物。這些藥物的運作邏輯非常純粹,它們並不在乎你眼角的魚尾紋,而是試圖從分子層面干預細胞的運作機制,讓你的身體老得更慢、器官退化得更晚。既然科學家的目標不是單一疾病,學術界又是如何定義這些試圖對抗衰老本身的藥物呢?

在學術上,這類藥物有一個相對生硬卻非常精準的名字:Geroprotectors(衰老保護劑)。Geroprotectors 的核心理念在於,高血壓、糖尿病、阿茲海默症等疾病,其實都有一個更底層的共同敵人,那就是衰老本身。與其等疾病發生了才去吃降血壓藥或打胰島素,不如直接減緩衰老過程,從源頭阻斷這些疾病的發生。更重要的是,它的目標不僅僅是延長人類的「絕對壽命」,而是延長「健康餘命」(Healthspan)——讓你活到七、八十歲時,依然能健步如飛地去旅行、能自己上下樓梯、保有清晰的思考能力,而不是渾身插滿管子,雖然活著卻病痛纏身。既然目標如此宏大,這難道只是科學家關在象牙塔裡的科幻大夢嗎?

科學家在現代實驗室使用顯微鏡進行研究
現代抗老藥物研究仰賴精密的實驗室分析(示意圖 / AI 生成)

今天這件事之所以值得我們花時間深入了解,原因只有一個:它早就不只是實驗室裡的理論了,它的發展潛力甚至已經讓全球最會計算風險的金融機構感到緊張。著名的「瑞士再保險公司」(Swiss Re)在近期的評估報告中,史無前例地把「長壽醫學」和「抗老藥物」寫進了他們的精算與風險評估框架裡。保險公司意識到,如果人類的健康壽命大幅延長,整個社會的退休金系統、醫療保險結構都將面臨天翻地覆的改變。在他們的報告中,甚至點名了一系列極具潛力的抗老候選藥物:二甲雙胍、雷帕黴素、NAD+前驅物,以及清除衰老細胞的藥物等。既然連最懂精算的商人都開始備戰,這份備受矚目的抗老候選人名單上,打頭陣的究竟是誰?

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老藥新用的奇蹟:二甲雙胍的省電哲學

名單上的第一位候選人,你可能並不陌生。如果你的家族中有人罹患第二型糖尿病,十之八九都聽過、甚至吃過這顆藥:二甲雙胍(Metformin)。它是一顆歷史悠久、價格低廉、在藥局極為常見的「老藥」。但就是這顆看似平凡無奇的降血糖藥,現在卻搖身一變,站上了全球抗老研究舞台的 C 位。一顆用來控制血糖的藥物,究竟是如何跨界成為抗老明星的呢?

科學家發現,二甲雙胍的抗老秘密藏在細胞的發電廠——粒線體之中。在分子層面上,Metformin 進入細胞後,會對粒線體的發電效率「稍微踩一下煞車」。這個輕微的抑制作用,會導致細胞內的能量貨幣(ATP)濃度出現微幅下降。這時候,細胞內有一個極度敏感的「電量警報器」,稱為 AMPK 蛋白質激酶,它一旦偵測到能量下降,就會立刻響起紅燈。AMPK 一被啟動,細胞就會進入一種非常務實的「求生狀態」——這就像是你的手機電量剩下 15% 時,會自動進入低耗電模式一樣。細胞會關閉那些消耗大量能量的合成脂肪、促進細胞生長的路徑,轉而把寶貴的資源挪去進行「生存修復」與防禦。既然這套「低耗電修復模式」在理論上說得通,那麼在真實的生物體上,真的能看到效果嗎?

答案令人振奮。在 2024 年,頂尖科學期刊《Cell》發表了一項重量級研究。研究團隊讓一群雄性食蟹猴連續服用二甲雙胍長達 40 個月,並仔細追蹤牠們的生理變化。結果科學家驚訝地發現,這些猴子的大腦衰老速度顯著變慢了。透過精密的生物年齡測量,服用藥物的猴子其大腦的生物年齡竟然年輕了約 6 歲——換算成人類的壽命比例,這大約等同於大腦年輕了 18 歲!不僅如此,這些猴子的認知功能表現得更好,肝臟等器官的衰老指標也出現了逆轉。既然猴子吃了有效,那人類什麼時候才能名正言順地把它當作抗老藥來吃?

為了解答這個問題,美國醫學界目前正在推動一個極具野心的計畫,名為 TAME(Targeting Aging with Metformin)的大型雙盲臨床試驗。這個試驗的獨特之處在於,它是有史以來第一個試圖讓美國食品藥物管理局(FDA)承認「衰老本身」可以作為藥物適應症的試驗。過去 FDA 只核准藥物用來治療「特定疾病」,如果 TAME 試驗成功,這將徹底顛覆現代醫學的法規與常識,成為醫學史上的重大里程碑。不過,如果二甲雙胍是屬於溫和防守派,醫學界是否還有更具攻擊性的王牌?

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激進的延壽冠軍:雷帕黴素與細胞清潔隊

接下來要介紹的這位選手,風格與二甲雙胍完全相反,它的效果更強大,但也伴隨著更高的危險性:雷帕黴素(Rapamycin)。在目前的動物實驗數據中,它是當之無愧的「延壽冠軍」。美國國家老化研究所(NIA)曾進行過一項長期且嚴謹的干預測試計畫(ITP),結果發現,Rapamycin 能夠讓小鼠的壽命延長高達 28%。更驚人的是,就算科學家等到小鼠步入晚年(大約換算成人類的 65 歲以上)才開始讓牠們服用,依然能夠顯著延長壽命。這位延壽冠軍究竟在細胞裡施展了什麼魔法?

它的原理與細胞內一種被稱為 mTOR 的蛋白質複合物密切相關。我們可以把 mTOR 想像成細胞內的一位「建築工頭」。當你吃飽喝足、營養充足的時候,這位工頭就會非常亢奮,一直對著細胞大喊:「開工啦!用力蓋房子!細胞分裂!快速長大!」對於正在發育的年輕生物來說,這是好事。但對於老年的細胞來說,如果這位工頭還是一直亢奮、一直逼迫細胞硬蓋房子,細胞就會因為過勞而開始偷工減料。更糟的是,細胞內原本應該被清理掉的代謝垃圾和損壞的胞器會越堆越多,就像一個只顧著蓋新樓卻從不收垃圾的工地,最後越蓋越亂、越蓋越髒。如果我們硬生生叫這位工頭閉嘴,細胞又會發生什麼事呢?

細胞自噬(Autophagy)機制示意圖,來源:PLoS Biology / Wikimedia Commons
細胞自噬(macroautophagy)完整流程:從隔離膜形成、自噬體包裹,到與溶酶體融合後完成降解與回收。圖片來源:Wikimedia Commons,Klionsky et al., PLoS Biology, 2008(CC BY 2.5)

這正是 Rapamycin 的作用機制。Rapamycin 進入細胞後,會直接對這位 mTOR 工頭下令:「閉嘴,立刻停工。」當 mTOR 的訊號被強烈抑制時,細胞就會意識到現在不是生長的時候,必須開始大掃除。於是,細胞會啟動一種名為「自噬作用」(Autophagy)的機制——細胞的身份從建築工人變成了清潔隊,把內部堆積多年的蛋白質垃圾、已經壞掉的粒線體全部打包,送到溶酶體中分解並回收再利用。透過這種深度的自我清潔,細胞煥然一新。既然雷帕黴素清垃圾的效果這麼好,為什麼醫生不立刻把它開給所有想抗老的人吃?

原因在於它的副作用。Rapamycin 原本在醫學上的用途,是作為器官移植患者的免疫抑制劑,用來防止身體排斥新器官。如果一個健康的人為了抗老而長期服用它,可能會導致免疫系統變得過度虛弱,增加感染風險;此外,它還可能讓傷口癒合變慢,甚至帶來高血糖的問題。雖然據傳矽谷有許多科技大亨已經在私下偷偷服用低劑量的 Rapamycin,但對於一般健康人類長期服用它的安全性,科學界目前仍然打著一個巨大的問號。既然這條路充滿風險,科學家有沒有其他相對安全,甚至能直接「拔除」衰老源頭的策略?

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補充能源與清除殭屍:NAD+ 與 Senolytics

在抗老領域中,還有兩個近年來紅透半邊天的概念:NAD+ 以及 Senolytics。首先來看 NAD+(菸鹼醯胺腺嘌呤二核苷酸)。我們前面提到粒線體是細胞的發電廠,而 NAD+ 就是這座發電廠運作時絕對不可或缺的「必要耗材」。科學家發現,隨著人體年齡的增長,體內的 NAD+ 濃度會呈現斷崖式的下跌,導致細胞發電效率越來越差,人也跟著出現各種老化疲態。目前市面上非常熱門的 NMN、NR 等保健食品,其實就是 NAD+ 的前驅物,吃下它們的目的就是希望幫細胞的發電廠重新加滿油。然而,補充油料聽起來很合理,但如果細胞本身已經徹底壞掉,甚至變成了在體內作亂的「活死人」,單靠補充能量還救得回來嗎?

這就引出了另一個更激進、也更具革命性的概念:Senolytics(衰老細胞清除劑)。我們的身體裡每天都有細胞在分裂,當有些細胞受損嚴重,卻因為某些原因逃過了自然凋亡的機制時,它們就會變成所謂的「衰老細胞」,或者更直白地說——「殭屍細胞」。這些殭屍細胞極度討厭:它們既不肯乖乖死掉,也不再執行正常的生理功能,還會不斷向周遭分泌一種被稱為 SASP(衰老相關分泌表型)的發炎物質,感染周圍原本健康的細胞,讓健康的細胞也跟著發炎、加速老化。那麼,醫學界該如何對付這些體內的害群之馬?

Senolytics 類藥物的誕生,就是專門設計來獵殺這些殭屍細胞的。目前科學家找到的一個著名組合是「達沙替尼(Dasatinib)」搭配「槲皮素(Quercetin)」。這兩者結合在一起,能夠精準地辨識出殭屍細胞,並強迫它們啟動自我毀滅程式,從而在不傷害健康細胞的情況下,把體內的發炎源頭連根拔起。面對衰老這個牽涉數萬種基因和蛋白質的複雜問題,除了這些已經在實驗室裡反覆測試的藥物,我們還有其他潛在的盟友嗎?

從代謝總管到 AI 演算:未來的長壽藍圖

未來的抗老潛力股名單中,還有兩位不可忽視的超級巨星:GLP-1 類藥物與人工智慧(AI)。GLP-1 類藥物就是近年來爆紅的「瘦瘦針」。但科學家越來越確信,它絕對不只是一支能讓你變瘦的減肥藥而已——它更像是人體代謝系統的「總指揮」,能連帶改善血壓、逆轉脂肪肝、大幅降低體內的系統性發炎指標。在多項大型臨床研究中,甚至證明了它能顯著降低重大心血管事件的發生風險。這些改善代謝的連鎖反應,恰好精準打擊了衰老過程中的多個痛點。

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AI 人工智慧藥物開發概念圖
AI 透過演算法在數百萬分子中快速篩選候選藥物(概念示意圖 / AI 生成)

而 AI 的加入,更是徹底改變了抗老藥物的研發遊戲規則。過去找藥就像是「大海撈針」,科學家必須把成千上萬種化合物一種一種拿來測試,耗時數十年。現在,AI 正在把藥物開發變成一門「精準計算」的科學——強大的演算法可以在短時間內篩選數百萬種分子的 3D 結構,預測它們與人體抗老標靶結合的機率,直接在伺服器裡把長壽藥「算」出來。科學正在以我們難以想像的速度,把「長壽」從一種中彩券般的基因運氣,變成一種可以被精準管理的人體工程。然而,當科學的突破即將實現,我們是不是又將面臨一個嶄新的社會問題?

這帶來了一個極其嚴肅的倫理考驗。如果這些抗老藥物真的在人類身上發揮了強大的延壽效果,這會不會最後變成專屬於「富人的長壽套餐」?當壽命可以被明碼標價,活得更久、更健康,會不會成為階級社會中新的貧富差距指標?這些問題,科學無法單獨解答,需要整個社會的法規、保險體系與道德共識來共同面對。

但可以確定的是,抗老醫學的列車已經離站。在未來的某一天,醫生真正能在診所裡開出完美無缺的「抗老處方籤」之前,身為普通人的我們,其實早已經掌握了最無副作用的抗老秘方——那就是那句聽起來老套,卻依然是科學鐵律的話:維持均衡的飲食、保持規律而適度的運動,以及,永遠對這個世界保持一顆年輕且充滿好奇的心。

參考文獻

  1. López-Otín C et al., “The Hallmarks of Aging,” Cell, 2013.
  2. Swiss Re Institute, “Longevity and life sciences,” 2024.
  3. Yu Z et al., “Metformin reduces aging-related leaky gut and improves cognitive function by decreasing the LPS level in cynomolgus monkeys,” Cell, 2024.
  4. Barzilai N et al., “Metformin as a Tool to Target Aging,” Cell Metabolism, 2016.
  5. Harrison DE et al., “Rapamycin fed late in life extends lifespan in genetically heterogeneous mice,” Nature, 2009.
  6. Saxton RA & Sabatini DM, “mTOR Signaling in Growth, Metabolism, and Disease,” Cell, 2017.
  7. Yoshino J et al., “NAD+ Intermediates: The Biology and Therapeutic Potential of NMN and NR,” Cell Metabolism, 2018.
  8. Zhu Y et al., “New agents that target senescent cells,” Aging (Albany NY), 2017.
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肥胖問題多,減重顧健康!胃鏡無痕胃拉提步驟與成效詳解,專科醫師圖文懶人包
careonline_96
・2025/01/22 ・2686字 ・閱讀時間約 5 分鐘

圖 / 照護線上

「醫師,我最近做健檢,發現肝指數很高。」體態肥胖的年輕人拿出一疊報告,報告顯示有嚴重脂肪肝。

「根據各種檢查,你的肝指數超標應該與體重過重、脂肪肝有關。」醫師說。

「脂肪肝會怎樣嗎?」年輕人問。

「千萬別小看肥胖對健康的危害!脂肪肝也會造成肝炎,甚至肝癌喔。」

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會考慮減重手術的患者大多是考量到健康問題,馬偕紀念醫院減重暨代謝手術管理中心主任何恭誠醫師指出,因為肥胖會造成許多併發症,包括高血壓、高血脂、糖尿病、脂肪肝、高尿酸、心血管疾病、睡眠呼吸中止症、性功能障礙等,也會增加罹患多種癌症的風險。

根據衛生福利部公布之體位定義,18 歲以上成人的 BMI(身體質量指數)達 24 kg/m2 以上為「過重」,BMI 達 27 kg/m2 以上為「輕度肥胖」,BMI 達 30 kg/m2 以上為「中度肥胖」,BMI 達 35 kg/m2 以上為「重度肥胖」。

肥胖危害健康,增加罹癌症風險
圖 / 照護線上

而醫師會根據患者的狀況進行評估,擬定個人化的減重計畫,包括飲食控制、藥物治療,或減重手術,例如:無痕胃拉提、胃內水球植入、胃繞道手術、胃袖狀切除術等。何恭誠醫師說,如果因為過度肥胖,手術風險較高時,建議採採用階段性進行治療,先採用無痕胃拉提,或胃內水球,幫助降低部分體重,後續再進行傳統減重手術。

根據健保的規定,如果 BMI 達 37.5kg/m2 以上,或 BMI 達 32.5 kg/m2 以上且合併有高危險併發症,例如高血壓、睡眠呼吸中止症、第二型糖尿病(糖化血色素經內科治療後仍大於 7.5%)等,皆是建議考慮接受減重手術的族群。

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無痕胃拉提Step by step

「無痕胃拉提」即「內視鏡袖狀胃成形術(ESG)」,俗稱「胃鏡縫胃術」,是一種幫助減重的胃鏡技術。馬偕紀念醫院消化科系賴建翰醫師解釋,在患者麻醉的狀態下,醫師利用胃鏡把特殊器械從嘴巴帶入胃裡面,然後用縫線進行縫合,類似縫束口袋,把線拉緊後,就能大幅縮小胃的容量。

接受無痕胃拉提後,患者就會吃得比較少,也不會很快就感到飢餓,平均可以減少體重達15%,如果合併使用減重藥物,可以達到更好的效果。

無痕胃拉提Step by step
圖 / 照護線上

因內視鏡袖狀胃縫合術不會在肚皮上留下傷口,所以被稱為「無痕」。賴建翰醫師說,無痕胃拉提主要是針對 BMI 介於 27 到 32.5 kg/m2 之間的患者,尤其是還不需要接受外科減重手術但又想有效控制體重的人。不過如果本身有自體免疫或胃部疾病,可能就不適合採用這種方式,需要和醫師評估與討論。」

傳統減重手術(例如胃繞道手術或袖狀胃切除手術)的減重效果較好,但是在面對外科手術時,有不少人會猶豫不決。賴建翰醫師說,相較於傳統減重手術,無痕胃拉提具有幾項優勢。無痕胃拉提不需要切除任何胃部組織,不會改變腸胃的結構,手術風險相對比較低。因為是使用胃鏡操作,體表沒有傷口,恢復期較短,可迅速恢復生活與工作。無痕胃拉提術後也較少出現胃食道逆流、營養不良的狀況。

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無痕胃拉提有效幫助減少食量
圖 / 照護線上

「跟所有的減重手術一樣,無痕胃拉提術後的照顧相當重要。」賴建翰醫師提醒,「做完無痕胃拉提後的前幾天,可能會有腹痛、噁心,絕大多數在服用藥物後就能改善,僅少數較嚴重的狀況才需要住院治療。另外,術後必須搭配運動及飲食習慣的調整,請依照減重中心團隊的建議進行,才能達到更好的效果。」

積極減重對健康有許多好處,能夠幫助控制糖尿病、高血脂、脂肪肝、高血壓等慢性病,在醫師的指示下,有機會減少藥物的使用。賴建翰醫師說,體重減少後,膝蓋的壓力減輕,活動能力提升,爬樓梯、散步或跑步這些過去覺得困難的活動都會變得輕鬆許多,有助於建立規律運動的習慣。隨著活力與體態的改善,很多患者的自信心明顯提升,還會發現自己更願意參加社交活動或聚會,這些都是心理上的正面改變。

接受無痕胃拉提後,患者會發現吃東西的習慣改變,食量減少也不會很快就感到餓。何恭誠醫師說,只要能與醫師密切配合,大約半年的時間便有機會達到目標體重,也可感覺到整體健康狀況顯著改善!

筆記重點整理

  • 肥胖會造成許多併發症,包括高血壓、高血脂、糖尿病、脂肪肝、高尿酸、心血管疾病、睡眠呼吸中止症、性功能障礙等,也會增加罹患多種癌症的風險。
  • 醫師會根據患者的狀況進行評估,擬定個人化的減重計畫,包括飲食控制、藥物治療、無痕胃拉提、胃內水球植入、胃繞道手術、胃袖狀切除術等。
  • 「無痕胃拉提」即「內視鏡袖狀胃縫合術(ESG)」,俗稱「胃鏡縫胃術」,是一種幫助減重的胃鏡技術。在患者麻醉的狀態下,醫師利用胃鏡把特殊器械從嘴巴帶入胃裡面,用縫線進行縫合,類似縫束口袋,把線拉緊後,就能大幅縮小胃的容量。
  • 相較於傳統減重手術,無痕胃拉提具有的優勢為無痕胃拉提不需要切除任何胃部組織,不會改變腸胃的結構,手術風險相對比較低。因為是使用胃鏡操作,體表沒有傷口,恢復期較短,可迅速恢復生活與工作。無痕胃拉提術後也較少出現胃食道逆流、營養不良的狀況。
  • 接受無痕胃拉提後,患者就食量減少,也不會很快就感到飢餓,平均可以減少體重達 15%,如果併用減重藥物,可以達到更好的效果。
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