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抗凝血藥物的新捷徑

東海 科學新報會
・2011/11/09 ・281字 ・閱讀時間少於 1 分鐘 ・SR值 544 ・八年級

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肝素為一種天然抗凝血藥物,常見來源為豬腸與牛肺。利用化學製程,可避免肝素在萃取過程中被汙染。2008年,美國就有超過80人死於肝素汙染。
根據北卡羅來納大學Chapel Hill分校Jian Liu和壬色列理工學院Robert Linhardt的研究指出。利用一系列的酵素來合成此種藥物只需10或12個反應步驟,遠少於現行的商業化學合成步驟所需的50多個反應步驟。另外這兩種新製程的產率,依序為45%和37%。對目前的合成方法來說是相當大的進步。
作者說:「他們的方法,對肝素合成的產業規模有巨大影響。」

資料來源: Nature: Fast track to blood thinner [ 02 November 2011]

譯者:蘇映慈

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東海 科學新報會
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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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看完電影「失落謎城」,我們來談談「水蛭」吧?
YTLai_96
・2022/07/02 ・3275字 ・閱讀時間約 6 分鐘

話說,珊卓布拉克和查寧坦圖主演的失落謎城(The Lost City)近日在二輪片戲院上映了,電影本身頗具娛樂效果也讓我相當享受,但裡頭出乎意料的居然出現了水蛭吸血的橋段。

本著龜毛水蛭宅的認真心態,我當然仔仔細細地檢視了這個橋段,除了確定查寧坦圖沒有露出半根不該露出的東西(例如毛髮,請別想歪),也確定這個橋段裡面的水蛭有好些不盡正確的特徵,在此想要跟各位讀者分享,希望哪一天有人要在電影裡面用上水蛭的時候,特效或模型可以做得更精準一點。

這是Youtube上可以找到最完整的水蛭和屁股的畫面了,各位讀者請享用

先講優點,電影裡的水蛭模型做的還算有模有樣,體表的質感雖然乾皺了點但還算可以接受,值得一提的是水蛭正吸血時口吸盤會有的「垂直壓向皮膚」的姿態也做出來了。光是這一點,就值得為模型組的工作人員拍拍手。

這是一隻正在吸血的菲擬醫蛭,左邊是牠的頭部,請注意吸血中的頭部那個「垂直壓向皮膚」的姿態。 圖/作者提供

好話說完了,接下來要開始挑剔了。

水蛭的附著和去除方式不正確,攻擊位置不盡合理

首先,吸血的水蛭不算是長時間游泳的高手,而且很依賴水波震動來找尋下水移動的倒楣宿主,所以通常是棲息在靜止或頂多是緩流的水域,電影裡面那樣不算開闊又有明顯水流的小溪是不太可能遇到吸血水蛭的。不過這一點相對不那麼有問題,我們就假設兩位主角涉水的溪流曾經經過一段緩流的溼地,只是畫面沒有拍到好了。

比較明顯的問題是水蛭吸血時的特徵行為和應對方式。

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根據幕後花絮的說法,劇組是用膠水把水蛭黏在查寧坦圖的下背跟屁股上,也因此珊卓布拉克將水蛭拔掉的時候就像撕掉膠布一樣,甚至還可以看到膠水在水蛭跟皮膚之間拉開的黏絲

但可惜的是,水蛭是靠著口尾兩個吸盤附著的,其他部位的體表毫無黏附的能力,所以要是你我被水蛭咬上吸血,從皮膚上把水蛭拔下來的時候,切記得要用指甲貼住皮膚把水蛭的兩個吸盤推掉,這才是最快也最安全的方法。至於為什麼這個方法最好,其他坊間流傳的火燒灑鹽法又有什麼不好,還請讀者參考先前的拙文「被水蛭咬了怎麼辦」,就不在這裡再多費唇舌了。

失落謎城的幕後花絮:水蛭篇

再說,水蛭身體本來就佈滿黏液,吸血的時候絕對是又黏又滑根本抓不住,要把吸血中的水蛭從皮膚上取下來,絕對不可能像珊卓布拉克那樣輕鬆,用手指直接捏住水蛭身體如撕膠布一樣的把水蛭拿下來,這樣做只會一直把水蛭身體捏扁,把牠吸到肚子裡的血液混著體內共生菌又擠回傷口裡面增加感染風險而已,各位讀者千萬不要學啊。

另一個問題是水蛭咬上身體的部位。一般而言,水蛭游到在水裡走動的宿主身上,基本上是找尋皮膚裸露處吸血,不太會鑽進衣服覆蓋的身體部位,尤其是那麼大隻的水蛭更是如此。

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所以,既然水蛭沒有那麼會鑽,吸到查寧坦圖的上衣下擺跟褲頭之間還有可能,畢竟他的上衣看起來沒有紮進褲頭可能會在水中擺動,讓上身的水蛭有機可乘;但吸到包在褲子裡面的屁股就不太合理了,大概只是為了讓觀眾大飽眼福而已。

話說回來,查寧坦圖的台詞倒是說得沒錯,像珊卓布拉克在戲裡那樣的連身緊身衣,基本上對吸血水蛭而言就是絕佳防護,所以她的身上沒有水蛭也是合情合理。

珊卓布拉克的連身緊身衣,除了胸口那一大塊裸露區域,在水中可稱得上水蛭的絕佳防護裝。 圖/yahoo!sports

衣物包緊緊,水蛭不上身:美軍的水蛭避忌實驗在台灣

各位讀者想必有所不知,二戰時期歐美軍方在太平洋戰場體驗到吸血蛭類的擾人之後,蛭類避忌藥劑與效果研究才開始蓬勃的發展。由於水棲與陸棲吸血蛭類在東亞、東南亞與南亞地區種類繁多又常見,吸血蛭類的避忌研究也因此多以亞洲的種類為實驗物種。

例如越戰時期,美國軍方曾苦於前線官兵在越南叢林受到蛭類侵擾,便與 1955 年於台北重新設立的美國海軍第二醫學研究所(US Naval Medical Research Unit No. 2, NAMRU-2)以及瘧疾研究所合作,在屏東潮州進行一系列蛭類毒殺與避忌的實驗。

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同樣是吸血蛭類,水棲種類與陸棲種類的擾人程度其實有相當的差異。吸血的水蛭生活在水中,只要不涉水就不會造成任何困擾;而且一般而言吸血水蛭的體型較大,不容易鑽過衣物間的縫隙,更不可能穿過疏鬆的衣物纖維直達皮膚。

因此,要防止吸血水蛭上身其實很簡單,只要士兵不要下水、萬一不得已下水時務必穿著衣褲襪子並且紮好紮滿,尤其是褲管必定要紮入襪子裡,確保沒入水中的身體都被衣物緊密覆蓋,吸血水蛭也就只能黏附在衣物上遊走,幾乎無法接觸皮膚吸食血液。這樣一來,就算長褲襪子沒有施用任何避忌藥物,也已經足以防止吸血水蛭的攻擊,而且避忌效果就和驅蟲劑處理過的長褲一樣好。也因此,針對吸血水蛭的避忌研究就相對少了許多。

在雨鞋上不得其門而入的日本醫蛭,牠們只會在水面下頂多高出水面一點的範圍試探,不會像吸血螞蟥那樣四處遊走找尋縫隙。 圖/作者提供

話雖如此,美軍還是針對吸血水蛭測試了好些避忌配方,經過一番試驗,藉著混合綿羊油、礦物脂和矽氧樹脂這些成份,終於把塗抹皮膚用的驅蟲藥劑從入水後五分鐘就會失效,延長到避忌效果可達 70 分鐘左右或更久。也有研究發現有 15 種單方與複方組合,能夠在超過 200 次入水洗手後依然保持避忌效果。

不過,這些以塗抹皮膚的避忌藥物在戰場上頂多只能做為輔助配備,以軍方的角度而言,如果能在制服上施加藥物,讓避忌各種昆蟲與蛭類的效果如同軍事裝備將戰士「武裝」起來並提供持久效果,當然更是理想。

因此,為了戰場所需,當時的諸多研究便著眼於以浸泡的方式讓衣物吸附各種避忌藥劑並評估持久程度,尤其在陸棲吸血蛭類的避忌研究中更是蔚為主流。

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畢竟,俗稱螞蟥的陸生吸血蛭類跟吸血水蛭的擾人程度可不是同一個等級的,這些飢腸轆轆又敏捷的小傢伙沾上身體以後,即使是附著在衣物鞋襪上也會四處遊走,無所不用其極地找到衣褲鞋襪的交界、甚至是布料纖維間的縫隙,然後死命擠過去以抵達皮膚大快朵頤。

所以,美軍測試了許多配方,就是為了找到讓吸血螞蟥厭惡至極而拒絕靠近的辦法,但到底找到了什麼配方並不是這篇文章的重點,我們還是回來討論電影裡的水蛭吧。

拔掉那麼大的水蛭,傷口沒有持續流血幾小時是不可能的

最後,關於傷口沒有流血這件事,實在是非提不可的大問題。自古以來,吸血水蛭的抗凝血能力就舉世皆知,甚至因此被拿來當成放血治療的醫療工具,在十九世紀末歐洲的吸血水蛭還因為採集過度搞到瀕臨絕種。像電影裡面那麼大的吸血水蛭,咬出來的傷口絕對不小,拔掉以後應該會一直流血,就算是剛吸血十幾分鐘的傷口大概也要流個半小時的血,如果已經吸血超過半小時,傷口沒流血個幾小時都是上天保佑。所以,珊卓布拉克拿掉水蛭以後那些傷口應該會持續不斷的滲血出來,查寧坦圖的下背和屁股應該會漸漸染血成片,才不可能毫不狼狽地繼續帥氣行動呢。

是的,遠比電影裡還小的水蛭,吸血以後就會變成這種景象,千萬不要小看自然界最強的抗凝血能力啊。圖/作者提供

哪裡有蛭,哪裡就有我的事。今天挑剔「失落謎城」電影裡的水蛭橋段就到這裡,下次再看到電影裡面出現水蛭的時候,就是我們再會的時候啦。

YTLai_96
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也許永遠無法自稱學者,但總是一直努力學著

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蛭類的醫療用途(四):探究人類的「抗凝血好朋友」——麻醉成分只是都市傳說?
ntucase_96
・2021/09/03 ・3007字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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編按:此系列文章前三篇分別介紹了水蛭「活體外用」與「藥材內服」的醫療用途,此篇將接續介紹蛭類抗凝血的原因。

蛭類抗凝血成份萃取

無論是活體外用或是藥材內服,重點還是蛭類體內的功能性因子進入人體後產生作用。若是能夠將蛭類體內的有效成份純化萃取甚至大量製造,以注射或口服方式直接進入血液或患處發揮效果,似乎都能更加迅速而有效。

因此,過去一百多年來,東西方的學者都耗費不少心血,努力從水蛭身上萃取出各式各樣的有效成份,而這一切的濫觴當然非「蛭素(Hirudin)」莫屬。

蛭素的分子結構示意圖。圖/維基百科

十九世紀末,雖然蛭類放血療法在西方醫學中不再受歡迎,科學界對蛭類的抗凝血能力卻依然興味盎然。

1809 年,俄羅斯教授「迪亞科諾夫(Diakonov)」在著作中提及「歐洲醫蛭腸道內的血液並不會凝固」,因此推測其中必有溶解血液的因子;1884 年,英國學者「海克拉夫特(John Berry Haycraft)」則是發現歐洲醫蛭「唾液中有一種抗凝血因子」,之後德國學者「雅各比(Jacobj)」便在 1904 年,將此抗凝血因子濃縮並命名為「蛭素(Hirudin)」。

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但一直到半世紀後的 1955 年,德國學者「馬克沃德特(Markwardt)」才將蛭素從歐洲醫蛭唾腺中萃取純化出來,並展現其抗凝血活性,於是開啟了蛭類抗凝血物質的現代研究。

歐洲醫蛭。圖/Karl Ragnar Gjertsen, CC2.5

1986 年,「哈維(Harvey)」解開蛭素的 cDNA 序列,利用基因工程技術,將此序列轉殖大腸桿菌,首次量產人工重組蛭素;不過,由於重組蛭素在第 63 位的酪氨酸殘基並未硫酸化,因此抗凝血活性比起天然蛭素有所下降。

即使如此,重組蛭素也早已商品化為 Lepirudin 和 Desirudin 兩種抗凝血劑上市,1998 年,蛭素通過美國 FDA 認可,可做為「肝素誘發血小板減少症」和骨科手術後預防血栓的治療藥物,同時也是唯一一個 FDA 通過臨床使用認可且提取自吸血動物的抗凝血因子。

蛭素與其他抗凝血因子

蛭素身為至今以來最強效的天然凝血酶抑制劑,其抗凝血能力來自於蛭素與凝血酶能夠直接結合,使血液的凝血機制無法運作。

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蛭素(帶狀結構)與凝血酶(枝狀結構)結合後的複合體示意圖。圖/維基百科

同樣具有抗凝血功能的常見藥物「肝素」,其抗凝血機制則是結合並活化「抗凝血酶 III」,活化後的抗凝血酶 III 再進一步影響抑制凝血酶和凝血因子 Xa 及其他蛋白酶。

相較之下,蛭素的抗凝血功能優勢在於不依賴凝血酶 III、特異性強大、不和內皮細胞結合、用量與抗凝血效果的相關性較好、不會誘發血小板減少症、也不增加血管通透性。

除了抗凝血功能外,蛭素也有抗血栓功能。蛭素直接針對凝血酶結合,不僅阻斷了血液凝固,也抑制了血液凝固後觸發的「纖維蛋白凝固」和「血小板聚集」,因此具有防止血管血栓生成的能力。又因為蛭素不僅能夠跟游離凝血酶結合、也能夠和血塊上的凝血酶結合,因此防止血栓形成和延伸的能力又比肝素更強大。

除了抗凝血功能外,蛭素也有抗血栓功能。圖/維基, CC0

此外,蛭素也具有抗發炎功效,而且在心腦血管疾病、急性瀰漫性血管內凝血、腎臟疾病的臨床應用與基礎研究,甚至是皮膚疤痕和醫材塗布研究上,都持續展現影響力。

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除了蛭素之外,數十年來科學家陸續又在蛭類中找到許多抗凝血因子以及各種功能性因子。值得一提的是,由於蛭類的祖先以血液為食,因此即使不是吸血維生的種類,許多蛭類體內依然會分泌少量或較原始的抗凝血因子,這也是為什麼捕食性的「寬體金線蛭」和「尖細金線蛭」體內也可以測到抗凝血活性的原因。

以下整理出在吸血與非吸血蛭類上,找到較知名的抗凝血因子和其他功能性因子。

一、抑制凝血酶:

  • 萃取自歐洲醫蛭與菲擬醫蛭的 Hirudin(蛭素)
  • 萃取自菲擬醫蛭的 Bufrudin
  • 萃取自日本醫蛭的 Grabulin
  • 萃取自森林山蛭(Haemadipsa sylvestris)的 Haemadin
  • 萃取自整嵌晶蛭(Theromyzon tessulatum)的 Theromin(Cytin 可能也有類似功能)。

二、作用於凝血因子 Xa 阻止凝血,經常也能對抗腫瘤轉移或抗發炎:

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  • 萃取自歐洲醫蛭和 Haemanteria officinalis 的 Antistasin
  • 萃取自 Haemanteria ghillianii 的 Ghilanten
  • 萃取自 Haemanteria depressa 的 Lefaxin
  • 萃取自整嵌晶蛭的 Therostasin、Tessulin 和 Therin
  • 萃取自歐洲醫蛭的 Bdellastasin 和 Hirustasin
  • 萃取自日本醫蛭的 Piguamerin 和未知金線蛭的 Guamerin
  • 萃取自菲擬醫蛭的 Gelin
圖/GIPHY

三、抑制血小板聚集:

  • 萃取自 Macrobdella decora 的 Decorsin
  • 萃取自 Placobdella ornata 的 Ornatin
  • 萃取自歐洲醫蛭的 Calin 和亦可抗發炎的 Bdellin
  • 萃取自 Haementeria officinalis 的 Saratin
  • 萃取自 Haemanteria officinalis 的 Leech Anti-Platelet Protein(LAPP)
  • 萃取自 Haemanteria ghillianii 的 Tridegin
  • 萃取自未知種醫蛭,對人體為過敏原亦可抗發炎的 Eglin

四、其他功能:

吸血蛭類的唾腺能分泌「類組織胺」,能夠促進局部血管與組織通透性,這也是蛭類吸血後的傷口,會持續數十分鐘甚至數小時不斷滲血、且傷口周圍在癒合過程中經常輕微腫脹的主要原因。

  • 萃取自 Haemanteria ghillianii 的 Hementin,能抑制纖維蛋白原被切割而阻止凝血,也能溶解血栓;
  • 萃取自歐洲醫蛭的 Destabilase,能切斷纖維蛋白的交互連結,也能溶解血栓;
  • 萃取自 Haementeria lutzi的Hementerin,能活化人體血漿中的纖維蛋白溶解系統;
  • 萃取自歐洲醫蛭的 LDTI,具有類胰蛋白酶的功能;
  • 萃取自歐洲醫蛭的 Hyaluronidase,可降解細胞間聯繫讓組織通透性增加,亦有抗菌功能,據稱可治療青光眼,且已經商品化為 Orgelase 上市。

值得注意的是,雖然蛭類唾腺會分泌麻醉物質,所以「咬人不痛」的說法歷久不衰,且好些研究也指出蛭類療法在某種程度上有助止痛,但目前在各種蛭類的唾腺分泌物中,依然從未找到具麻醉作用的成份。

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雖然常有水蛭「咬人不痛」的說法,但實際上目前尚未在蛭類唾腺中找到麻醉成分。圖/envato elements

參考文獻

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CASE的全名是 Center for the Advancement of Science Education,也就是台灣大學科學教育發展中心。創立於2008年10月,成立的宗旨是透過台大的自然科學學術資源,奠立全國基礎科學教育的優質文化與環境。