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為什麼燒燙傷容易被細菌感染?或許是腸內細菌的背叛

miss9_96
・2015/07/15 ・1588字 ・閱讀時間約 3 分鐘

細菌感染是燒燙傷患者的噩夢。傳統的理論認為,人體失去了皮膚的屏障,使得環境和醫療器械上的細菌大舉入侵,再隨著血液感染全身,最終惡化成敗血症。

你也有份嗎?腸道菌

今年7月,美國喬治亞健康科學大學(Georgia Regents University)的Zachary M. Earley學者團隊,提出了嶄新的觀點,認為肆虐在傷者們體內的細菌並非是外界的入侵者,而是體內平常與我們和平共存的腸道菌,趁著宿主虛弱大舉反叛,全面襲擊的後果 [1]。

口腔是人體裡少數能接觸到外界的開口,而吃飯時都會順便把細菌吃進肚子裡,如果細菌穿越腸壁進入人體,那可就糟了,那人體是怎麼預防的呢?細菌跟人類一樣,有著許多的族群,其中有致病的害菌,也有抑制害菌的益生菌,而腸道像是運作良好的城市,害菌和益生菌維持一定的比例。而對細菌來說,腸壁是個難以穿越的圍牆,有著良好的屏蔽性,許多的蛋白質(如:tight junction)填補了任何可能讓細菌突破的縫隙,避免細菌穿越腸壁進入人體。

而嚴重的燒傷會損害全身所有的器官,即便遠離皮膚的腸道。嚴重的燒燙傷會引起劇烈的發炎反應,風暴般的白血球和發炎物質奔襲全身,所到之處無不摧枯拉朽。暴增的發炎物質刺激腸道血管,血管猛然地收縮,接續的反應如骨牌效應似地引發,小腸細胞紛紛死亡,平時無堅不催的腸壁,也隨著細胞失去生命後跟著倒下。更糟的是,小腸細胞的屍體成了滋養細菌的食物,遍地的細胞殘屍和劇變的環境,也牽動了害菌和益生菌族群間的變化 [2, 3]。

broken wall
Source from Jim Barton

為了證明上述的故事,Zachary M. Earley等人和芝加哥洛約拉大學醫學中心(Loyola University Medical Center)合作,分別取得燒燙傷者的糞便樣本,並萃取樣品內細菌的DNA和RNA,藉此分析傷患的腸道菌落。而燒燙傷者分為二組,嚴重燒燙傷組的4名患者,其燒傷面積為25%;32%;44%;57%,分別在傷後5-17天進行多次採樣。控制組的8名患者燒傷的面積,皆小於10%。

結果猶如研究員們當初的假設,有三種細菌的比例在兩組燒燙傷者體內有明顯的差異。其中腸道菌科,嚴重燒燙傷組的31.9%,遠高於控制組的0.5%。而腸道菌科是普遍導致院內感染的兇手(如志賀菌/Shigella及克雷白氏桿菌/Klebsiella),研究員也因此證明,在嚴重燒燙傷患者的腸道中,有致命的細菌在傷後迅速的崛起。

控制組嚴重燒燙傷組
腸道菌科(Enterobacteriaceae0.5%31.9%
類桿狀菌科(Bacteroidaceae40.3%19.3%
瘤胃菌科(Ruminococcaceae17.5%1.8%

除了人體的結果,研究員也設計了動物實驗。研究員餵食帶有綠色螢光的微粒,居然在實驗組的動物血液裡偵測到隱隱的綠光,而原本應該無菌的小腸淋巴結(mesenteric lymph nodes),在經歷嚴重燒燙傷後,卻培養出了細菌。長滿菌落的培養皿顯示了經歷了重大浩劫的小腸,昔日保護身體的銅牆鐵壁,如今就只剩下殘垣斷瓦了(結果顯示屏蔽性降低了約30%)。

ager plate
菌落示意圖. Source from Nathan Reading

在該研究的文末,研究員認為若能確定腸道細菌才是導致敗血症的主要兇嫌,或許可使用細菌界的「自然生態工法」,引入益生菌改變腸道的菌落組成,以益生菌的數量優勢來壓制有害菌。

筆者的感慨:燒燙傷真的是非常難以應付,上文提及的4名嚴重燒燙傷的傷者,最終只有燒傷面積最小的傷者存活,其餘皆在研究期間因敗血症而離世,令人感到五味雜陳。願台灣的醫者、傷者及家屬朋友們,一日比一日更有勇氣面對未來。

註:嚴重燒傷的患者若死亡,約75%的死因是因為細菌感染而致命的 [4]。

參考文獻

  1. Zachary M. Earley, Suhail Akhtar, Stefan J. Green, Ankur Naqib, Omair Khan, Abigail R. Cannon, Adam M. Hammer, Niya L. Morris, Xiaoling Li, Joshua M. Eberhardt, Richard L Gamelli, Richard H. Kennedy, Mashkoor A. Choudhry (2015) Burn Injury Alters the Intestinal Microbiome and Increases Gut Permeability and Bacterial Translocation. PLoS ONE, DOI: 10.1371/journal.pone.0129996
  2. Mingzhang Guo, Sarah Y. Yuan, Chongxiu Sun, Bert J. Frederich, Qiang Shen, Danielle L. McLean, and Mack H. Wu (2013) Role of Non-muscle Myosin Light Chain Kinase in Neutrophil-mediated Intestinal Barrier Dysfunction During Thermal Injury. Shock. 38(4), 436-443
  3. Magnotti LJ, Deitch EA. (2005) Burns, bacterial translocation, gut barrier function, and failure. Journal of Burn Care & Research 26, 383–391. DOI: 10.1097/01.bcr.0000176878.79267.e8
  4. Church D, Elsayed S, Reid O, Winston B, Lindsay R. (2006) Burn wound infections. Clinical Microbiology Reviews 19, 403–434. DOI: 10.1128/cmr.19.2.403-434.2006

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miss9_96
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蔣維倫。很喜歡貓貓。曾意外地收集到台、清、交三間學校的畢業證書。泛科學作家、科學月刊作家、故事作家、udn鳴人堂作家、前國衛院衛生福利政策研究學者。 商業邀稿:miss9ch@gmail.com 文章作品:http://pansci.asia/archives/author/miss9

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殭屍真菌的心智操控術!被附身的螞蟻變成「孢子釋放機」——《真菌微宇宙》

azothbooks_96
・2021/09/25 ・1691字 ・閱讀時間約 3 分鐘
  • 作者 / 梅林.謝德瑞克
  • 譯者 / 周沛郁

最多產、最能有創意地操控動物行為的,是一群住在昆蟲體內的真菌。這些「殭屍真菌」改變寄主行為的方式,得到明確的好處──真菌綁架一隻昆蟲,就能散播孢子,完成自己的生命週期。

研究最透徹的殭屍真菌是偏側蛇蟲草菌(Ophiocordyceps unilateralis),這種真菌的一生都繞著巨山蟻(carpenter ant)打轉。巨山蟻受真菌感染之後,會失去自己怕高的本能,拋下相對安全的巢,爬上最近的植物──這症狀稱為「登頂症」(summit disease)。在適當的時候,真菌會迫使巨山蟻用大顎鉗住那株植物、「死命一咬」,菌絲體從巨山蟻腳上長出來,把巨山蟻固定在植物表面。真菌接著消化巨山蟻的身體,從巨山蟻頭上發出菇柄,孢子撒向經過下方的巨山蟻身上。如果孢子錯失了目標,就會產生次生的黏性孢子,在作為引線的細絲上向外延伸。

受到蛇形蟲草(zombie fungus)感染的巨山蟻。圖/AntWiki by João P. M. Araújo

殭屍真菌極為精準地控制它們寄主昆蟲的行為。蛇形蟲草(Ophiocordyceps)會強迫螞蟻去溫度、溼度剛好的區域死命一咬,讓真菌結實──就在森林離地二十五公分高的地方。真菌利用太陽的方向來引導螞蟻,在中午時分同步感染螞蟻。螞蟻不會咬進葉背的任何老位置。百分之九十八的情況下,螞蟻會咬住主脈。

殭屍真菌如何控制寄主昆蟲的心智,一直令研究者大惑不解。二○一七年,真菌操控行為的一位頂尖專家大衛.休斯(David Hughes)帶領的一支團隊,在實驗室裡用蛇形蟲草感染了螞蟻。研究者在螞蟻死命一咬的那一刻,把螞蟻的身體保存起來,切成薄片,重建真菌住在螞蟻組織中的三維圖像。他們發現真菌變成螞蟻體內的一個假體器官,占據螞蟻身體的程度令人不安。受感染的螞蟻生物量之中,高達百分之四十是真菌。菌絲從頭到腳蜿蜒鑽過螞蟻的體腔,纏住螞蟻的肌纖維,透過互連的菌絲體網絡來協調螞蟻活動。然而,螞蟻的腦中居然沒有菌絲。休斯和他的團隊完全沒料到這情況。他們預期螞蟻的腦部會有真菌,才能那麼精細地控制螞蟻的行為。

結果真菌似乎是採用藥理學的方式。研究者懷疑,真菌雖然沒有實際存在於螞蟻腦部,但還是靠分泌化學物質,影響螞蟻的肌肉和中央神經系統,進而操控螞蟻的行動。但究竟是哪些化學物質,還不清楚。也不知道真菌能不能切斷螞蟻腦部和身體的連結,直接協調螞蟻的肌肉收縮。不過,蛇形蟲草和麥角菌是近親,瑞士化學家艾伯特.赫夫曼(Albert Hofmann)最初正是從麥角菌分離出用於製造 LSD 的化學物質,繼而做出一類化學物質,LSD 正是衍生物──這類化學物質稱為「麥角鹼」。在感染的螞蟻體內,負責產生這些生物鹼的蛇形蟲草基因組啟動了,表示這些基因組在操控螞蟻行為的過程中,可能扮演了某種角色。

雀麥上的麥角菌。圖/WIKIPEDIA by Claude De Brauer

不論這些真菌是怎麼辦到的,它們的干預以人類的任何標準來看,都十分驚人。經過幾十年的研究,投入數十億美元的經費,用藥物調控人類行為的能力還完全無法微調。比方說,抗精神疾病藥物無法針對特定的行為,其實只有鎮定效果。相較之下,蛇形蟲草百分之九十八的成功率,不只是讓螞蟻向上爬或是死命一咬(這百分之百會發生),而是咬到葉片特定的部位,並且是對真菌最理想的環境。不過公平起見,蛇形蟲草和許多殭屍真菌一樣,其實有很長的時間可以微調它們的做法。受感染的螞蟻行為有跡可循。螞蟻的死命一咬在葉脈上留下明顯的疤痕,依據化石化的疤痕,這種行為的起源可以追溯到距今四千八百萬年前的始新世(Eocene)。真菌很大部分的時間都在操控動物心智,可能自己也有心智。

——本文摘自《真菌微宇宙:看生態煉金師如何驅動世界、推展生命,連結地球萬物》,2021 年 8 月,果力文化

azothbooks_96
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