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體循環與肺循環為何非要這樣連不可?--《科學月刊》

科學月刊_96
・2015/12/29 ・4238字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 516 ・六年級

陳妙嫻/畢業於臺大教育學程;任教於板橋高中;加入思辨教學團隊後,才發現竟然可以對著生物課本問出這麼多的問題,非常開心。

「左心室、主動脈、小動脈、微血管、小靜脈、右心房……」你或許曾為了應付考試背誦過這段文字,但可能從沒想過血管、心臟、所有器官為什麼非得這樣接。

「左心室、主動脈、小動脈、微血管、小靜脈、右心房⋯⋯」即使是將近二十年前的事情了,我還記得當初上生物課時,老師要全班一起朗誦三次、好加強記憶的情景。體循環、肺循環是中學生物課程的重點,也是學生最頭痛的地方之一。看看那張複雜的路線圖,還真不知道該從哪個構造認識起呢!本文要挑戰學生們老是抱怨「生物有好多要死背」的刻板印象,以理解和推理的方式,輕鬆地認識複雜的血管線路!

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人體循環系統。 Source: flickr

血管和器官為什麼這麼相連

你一定很熟悉這樣的考題:若護士從手臂靜脈注射藥物,循環至發炎處會經過哪些血管?然後賭氣地想,從手臂長一根血管通到發炎處不是很好嗎?為何要繞來繞去?這是一個非常好的反問──血管和器官之間為什麼要這樣相連?

循環是以心臟搏動為動力、血管為通路、血液為載體,將細胞所需的養分和氧氣送到器官。器官相連的直接想法,就是心臟將血液打出來後,先到第一個器官,再到第二個器官、第三個⋯⋯這樣不是很簡單嗎?

但是這個安排不太理想。第一,排在前面的器官比較幸運,可以獲得比較多的養分或氧氣;而後面的器官,甚至還會「吃到」前面排放的廢物!第二,這種線路有個致命的危險,只要一個地方斷掉,就全部完蛋了!第三,進入器官之後,血管會分支成更多的微血管,此時血壓下降、血流變慢。若血液要再流到下一個器官,恐怕會有血壓不足的問題。

器官一個接一個的相連方法,稱作「串聯」。若器官以「並聯」的方式相連,就可以解決上述問題。這就是為什麼從血液從心臟打出來之後,要經過「主動脈、小動脈、微血管、小靜脈、右心房⋯⋯」,這個過程稱作「體循環」。若考慮到人類體型的限制,並聯的方式會有一些變形。離開主動脈後,先分成四個分支;其中三個分支往上至頭、頸、上肢,最後一個分支往下到軀幹、下肢;而各個分支到該器官部位時,再分支成較小動脈進入器官內。

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如果單純把每個器官當作電阻的話,心臟是電池而血液是電流。若器官從「串聯」改成「並聯」的方式,則所有器官會獲得相同的血壓,且「等效電阻」將會變小,血液的流速將會加快,但這樣你的心臟所負擔的功率也會大增!圖為並聯電路。Source: wiki

引入特別的器官—肺

從全身器官回流的血液,應該缺少氧氣和富含二氧化碳。此時考慮引進肺這個器官,將氧氣加入血液中,且排出二氧化碳。肺臟也與其他器官並聯,這樣好嗎?

並聯會使得肺臟每次只能清除少部分的血液,而當充氧血從肺臟流出時,卻必須跟其他器官的少氧血混在一起。因此,若將肺臟放在大靜脈的位置,似乎能解決上述問題。也就是說,讓肺臟跟其他器官串聯,但如此一來,又有串聯產生的問題。然而在肺臟並不存在第一、二個問題,真正有困難的是血壓不足。那麼,就在肺臟前面再加一個幫浦,推動血液。

可是人並沒有兩個心臟啊?其實我們雖然只有一個心臟,卻可說具有兩個幫浦!這兩個幫浦就是人類心臟中的左心和右心。當心臟收縮時,充氧血從左心打出,流經體循環,少氧血再流回右心;而同時間,少氧血從右心打出,流經肺臟加氧、排除二氧化碳,充氧血流回左心,如此循環不已。

小腸和腎臟該怎麼與其他器官相連

除了肺臟是特殊的器官外,小腸和腎臟也與身體的代謝有關。前者負責將養分(如葡萄糖)加入血液中,後者負責將含氮廢物排出體外。那麼,小腸和腎臟該怎麼與器官相連呢?

在思考小腸和腎臟的位置時,先回溯肺臟的情況。肺臟的功能為加氧氣和排除二氧化碳,前者與小腸的吸收養分功能相當,後者則與腎臟排除含氮廢物類似。我們以兩個理由排除了並聯的可能。第一,從肺臟出來的充氧血,流至靜脈時,會與少氧血混合;第二,每次只能排出身體部分的二氧化碳,效率較差。

我們將第一個理由套用到小腸中──從小腸出來的血液,充滿了各種養分,如葡萄糖;而流至靜脈時,會跟缺乏養分的血液混合,但這樣的混合到底有什麼問題?混合的結果是使該溶質的濃度下降,但是該物質的莫耳數(或顆粒數)並沒有減少。也就是說,使用並聯的方式來加氧或養分,都不會影響身體獲得氧或養分的「量」。所以說,小腸和其他器官是並聯就可以了,這樣還能避免血壓或其他串聯的問題。

不過,這麼反駁不是自己打自己的臉了嗎?文章前頭還振振有詞地說明肺臟必須串聯的理由。身體還因此多了一個幫浦(右心),為的就是要解決血壓的問題。看看小腸的例子,似乎也不需要嘛。

但仔細想想,氧氣和養分的情況其實並不相同。氧氣從肺泡至肺泡微血管、組織微血管和組織細胞間的交換,是以擴散的方式進行。而擴散的快慢與兩側氧分壓的差異有關,差異越大,擴散速率越快。因此,在並聯的情形下,充氧血與少氧血混合後又再循環至肺,會減少微血管和肺泡間的分壓差異,使氧氣擴散的速率下降。而全身器官也有相同情形。另外,由於氧氣對水的溶解度很低,人體以血紅素來運輸氧氣。然而血紅素與氧氣的結合率,與氧分壓的高低有關,當氧分壓上升時,血紅素與氧氣的結合率也會上升;因此,若充氧血和少氧血混合時,也可能造成氧合血紅素釋出氧氣,使氧氣的運輸量減少。

小腸上皮細胞是以主動運輸的方式吸收葡萄糖,因此吸收速率無關乎兩側的濃度差異。再者,身體中有嚴密控制血糖含量的機制。當血糖過低或過高時,可藉由肝醣的分解或合成來調控,因此「充養血」和「少養血」混合,造成的問題似乎沒有那麼嚴重。

在消化系統的循環中,另外有個有趣的部分。也就是「肝門循環」中,從小腸離開的靜脈,並沒有直接匯集到下大靜脈,而是由肝門靜脈進入肝臟。也就是說,小腸與肝臟串聯!

為什麼小腸要與肝臟串聯呢?方才提到血糖的調節與肝臟有關,因此由小腸吸收的葡萄糖,先送到肝臟儲存,以維持血糖的恆定;另外,肝臟有解毒和代謝的功能,由消化器官吸收的有害物質,會先送到肝臟去解毒;而胺基酸也會送至肝臟,作為製造血漿蛋白的原料。肝臟等於是消化系統的後端處理器官,在消化道分解後的養分,先送至肝臟做初步的處理,能藉此調節養分在血液中的含量。

那麼,有關串聯的困難又怎麼解決呢?肝臟就在小腸之後,自然沒有得不到養分的問題。肝臟有自己的肝動脈,可送來充足的氧氣;而血管內的平滑肌若接受神經或激素的影響,也可調節局部血壓,使血流推進至肝臟的微血管。

如果血管可藉由平滑肌收縮調整局部血壓,使得器官彼此之間可以串聯,那麼前面為什麼又說器官必須彼此並聯呢?可能的原因是,大規模的局部血壓調節可能較為複雜,雖然還是辦得到,卻不如並聯來得容易。而且串聯的其他問題──後面的器官無法獲得充足的養分和氧氣、後面的器官「吃到」前頭的廢物、一個地方斷掉就全數完蛋,依舊無法解決。若以體循環之並聯為架構,可以一次解決所有問題。而若有特殊的需求或功能,局部器官串聯也並非完全不可能。

肺臟為何非串聯不可

既然一個器官的血壓問題可以由靠血管解決,那麼肺臟為什麼不行?之前提過,除了血壓不足外,肺臟並沒有其他因串聯引伸出來的問題。

或許可以從以下現象獲得啟示:在脊椎動物中,呼吸器官與其他器官的串聯關係,從魚類就存在了。而魚的心臟只有一個幫浦在鰓之前,從鰓流出的血液接下來會流向全身器官(體循環);但是在流向體循環前,並沒有流回心臟再度加壓,這樣的循環稱之為單環。不過在某些魚類中,體循環之前有由動脈特化而來的「輔助心臟」,以幫助血液流入身體的器官,但輔助心臟的收縮能力沒有心臟那麼強。由這個現象可知,鰓的循環對血壓的要求高於身體其他器官,後來脊椎動物登陸後才逐漸扭轉。至於為什麼鰓需要較高的血壓,有可能是因為呼吸器官為了增加氣體交換的速率,因此有廣大的表面積,因而具規模較其他器官大的微血管網,需要較大的推動力。另外,陸生脊椎動物要將來自全身器官的血液推送至肺,和僅來自小腸的血液推送至肝臟相比,兩者的血量應該有滿大的差距,所需的推動力也不一樣。

總而言之,肺臟之所以要串聯的原因,主要可能是交換和運輸氧氣的限制;而串聯又會造成血壓不足的問題,並且無法用動脈解決,則必須使用比動脈更強而有力的心臟推動。

腎臟也是體循環的一支

若腎臟與其他器官並聯,那麼每次循環都只能排除部份的含氮廢物,效率不彰。因此要以串聯才能解決。不過,就人體的構造來看,腎臟僅是體循環的一支,與其他器官並聯。

較有可能的原因是,在魚類中,排泄含氮廢物的器官主要是鰓,腎的功能則與水份和鹽類的恆定有關。若是考慮到滲透壓的恆定,其實沒有串聯的必要。因此,腎臟的並聯可能是演化的痕跡。再者,前面的討論發現串聯造成的問題較多,而肺臟從魚類開始就已經與其他器官串聯。可由此推測氧氣的取得造成的演化壓力較大,而丟棄含氮廢物的效率,對生存的影響沒有大到非串聯不可的程度。

不過脊椎動物登陸後,丟棄含氮廢物的壓力就增加了。因為環境中缺乏水分,廢物必須在體內暫存一段時間才能丟棄。也無法像魚類一樣,直接靠呼吸器官擴散。但此時腎臟已經與器官並聯,因為這個「歷史共業」,登陸後的脊椎動物將氨轉變成尿素或尿酸,讓毒性降低,彌補效率不彰造成的毒性問題。

學習科學的方法

本文示範了一種學習科學的方法,也就是──對現象問問題、提出可能的看法、反駁、再提出可能的理由、再反駁⋯⋯直到獲得到暫時的答案為止。學習科學時,重要的是要成為主動的思考者,而非被動的接受者;才能以理解代替死背,從諸多生物學細節中理出一種「看的方法」。而這個看的方法,其實是達爾文催生現代生物學的關鍵──演化。

備註: 本文依照人本創新教學專案小組教案〈血液循環之道〉施行。

2015-02-cover〈本文選自《科學月刊》2015年2月號〉

延伸閱讀:
體內的推理
中樞神經系統中的淋巴管

什麼?!你還不知道《科學月刊》,我們46歲囉!
入不惑之年還是可以
當個科青

文章難易度
科學月刊_96
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疲憊、骨頭疼痛,症狀無特異性,留意骨髓纖維化破壞造血功能
careonline_96
・2023/08/03 ・1978字 ・閱讀時間約 4 分鐘

「醫師,我最近體力變很差,食慾也不好,只要吃一點東西就覺得很飽。」60 多歲的王先生抱怨。

「還有其他不舒服嗎?」

「骨頭都會痛,不曉得是不是因為年紀大了。」王先生捶了捶大腿。

經醫師檢查後發現,王先生的脾臟腫大,有嚴重貧血,且白血球、血小板數量異常。透過骨髓切片,確定診斷為骨髓纖維化。

骨髓纖維化(myelofibrosis)是種血液惡性疾病,病友骨髓中的纖維組織異常增生,佔據原本容納正常造血細胞的空間,破壞造血功能。高雄醫學大學附設中和紀念醫院血液腫瘤內科高育青醫師指出,骨髓纖維化好發在中老年人,大多是 60 歲以上,若合併有先天基因異常,骨髓纖維化的發生機率又會增加。

骨髓纖維化的症狀沒有特異性,常會被病友忽略或誤認為老化的現象。高育青醫師說,常見症狀包括虛弱、疲憊、發燒、盜汗、搔癢、容易喘、骨頭疼痛、體重減輕、活動力變差、無法集中精神等。此外,骨髓纖維化會導致髓外造血進而使肝臟、脾臟腫大,病友也因此感到腹脹、食慾變差、吃東西容易飽。

如果輕忽症狀,沒有及早介入治療,可能導致一些嚴重併發症例如貧血持續惡化可能造成心臟衰竭、血小板異常可能導致出血或增加血栓的風險。另外,部分病友可能進展為急性白血病,危及性命。

骨髓纖維化診斷治療重點提醒

透過全血球檢查,能夠及早發現是否有貧血或血球異常的狀況。此時若腹部超音波檢查,發現脾臟腫大,應至血液科進一步釐清是否罹患骨髓纖維化。

高育青醫師說,除了詢問病史、進行理學檢查外,確定診斷的部分主要靠骨髓切片,可以從髂骨抽出少量骨髓作抹片檢查。另外,基因檢測也能夠輔助診斷骨髓纖維化。

臨床上會依據病友的風險等級來給予適當的治療,如果是低風險的病人,基本上採取支持性療法,利用輸血或是紅血球增生劑、白血球增生劑等藥物治療,幫助緩解症狀,改善生活品質,這些治療亦有助於降低併發症發生的機會,例如出血、血栓、心臟衰竭等,並建議病友應持續回診追蹤。

如果是中高風險的病人,有較高的機會進展為急性白血病,醫師會綜合評估選擇合適的治療方案。雖然骨髓移植有機會治癒骨髓纖維化,但也有相關風險。高育青醫師說,醫師會綜合考量病友的年紀、共病、體力狀況,並與病友詳細討論,若能找到合適的捐贈者,才會考慮安排進行骨髓移植。

但大多數病友不宜進行骨髓移植,此時則有機會使用口服標靶藥物,除了症狀緩解外,亦助於改善脾臟腫大的狀況。高育青醫師提到,上述王先生再經過口服藥物治療後,症狀明顯改善,生活品質大幅提升,目前持續定期回診治療,狀況相當穩定。

針對骨髓纖維化症狀嚴重度,可使用 MPN-10 量表來自我評估,病友可以就各項症狀給一個分數,每個項目都是 0 至 10 分,0 分代表沒有症狀,10 分代表最糟的狀況,將各項目之分數加總得到 MPN-10 的總分。高育青醫師提醒,定期填寫 MPN 10 症狀評估表能夠幫助醫師了解治療成效,並能適時調整藥物。

貼心小提醒

骨髓纖維化常見症狀包括虛弱、疲憊、發燒、盜汗、搔癢、腹脹、容易喘、骨頭疼痛、體重減輕、活動力變差、無法集中精神、食慾變差、吃東西容易飽等。若有相關症狀,請盡快至血液科就診。

骨髓纖維化病友一定要定期回診!高育青醫師提醒,定期回診能夠預防一些血球低下導致的併發症發生,也可以減少感染事件。接受口服藥物治療有助於改善生活品質,也能降低進展為急性白血病的風險。即使症狀不明顯,也要持續追蹤治療,不能輕忽喔!

  • 本衛教資訊由台灣諾華提供(TW2307115490)

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腎臟長水泡!最常見的腎臟遺傳疾病——多囊腎,及早治療延緩惡化
careonline_96
・2023/04/06 ・2102字 ・閱讀時間約 4 分鐘

「醫師,我想檢查腎功能。」王先生說。

「有不舒服嗎?」醫師問。

「因為我們家族有幾位成員罹患腎臟病,蠻年輕就開始洗腎,聽說是多囊腎。」

「噢,的確要注意這個問題喔。」

多囊腎是最常見的腎臟遺傳疾病,可分為體顯性以及體隱性遺傳,其中以體顯性多囊性腎臟病(Autosomal Dominant Polycystic Kidney Disease,ADPKD)為多數,體顯性遺傳的意思是若父母其中之一為患者,則子女會有 50% 機會會發病。

體顯性遺傳最為熟知的基因缺陷以 PKD1 及 PKD2 為主,85% 的多囊腎患者以 PKD1 基因缺陷為主。多囊腎會使腎臟慢慢出現囊腫,囊腫裡面會充滿組織液,為了方便理解,解釋的時候會把囊腫稱為「水泡」。張立建醫師表示,隨著時間水泡會越來越多、越來越大,並佔據腎臟的體積,取代正常的腎臟組織,使腎功能漸漸變差。

多囊腎患者的腎臟會有非常多、大小不一的水泡。張立建醫師說明 PKD1 基因缺陷的患者大概在 40 至 50 歲的時候就會進入慢性腎臟病,平均約在 54 歲時開始洗腎。因此要提早發現、好好控制,才能延緩洗腎的時間。

張立建醫師解釋,多囊腎的症狀表現可以分成腎臟內的症狀和腎臟外的症狀,腎臟內的症狀主要是腎臟的水泡會越長越大,可能會壓迫腹內器官,故隨之而來會有腹痛、腹脹、腰痛及背痛等症狀。若對集尿系統造成壓迫,更可能出現泌尿道感染,除了泌尿道感染,水泡太大更可能有破裂、出血,而導致血尿之情形。

腎臟外的症狀是因為多囊腎患者的其他器官也可能產生水泡,例如肝臟出現很多水泡,而影響肝臟功能。張立建醫師說,還可能會有腦動脈瘤,或在心臟出現心律不整、瓣膜疾病。而高血壓是多囊腎病人造成腎臟惡化、發生心血管事件與死亡的重要因素。研究發現,高血壓常於腎功能衰退前便已發生,而腎功能衰退亦會加重高血壓的狀況。

「診斷出多囊腎時,部分患者會認為只是水泡而已,就沒放在心上。」張立建醫師說,「我們都會苦口婆心地勸說,讓他們理解多囊腎會造成許多問題,不只是進展到需要洗腎的地步,還有其他腎臟外的症狀,所以一定要定期追蹤、積極治療。」

及早治療幫助保存腎功能

過去沒有治療多囊腎的藥物,大概只能請患者多喝水,減少鹽分攝取量、注意蛋白質攝取量,並定期追蹤腎功能。張立建醫師表示,但是只靠飲食調整的成效有限,患者幾乎都會在 40、50 歲就開始洗腎。

目前已經有多囊腎口服藥物可用,能夠延緩腎臟功能的惡化。張立建醫師解釋,研究發現,腎臟會形成囊泡主要與細胞的水通道表現有關,使用抑制水通道的藥物,就會使腎臟囊泡不再持續變大,也會減少囊泡的生成,避免壓迫正常腎臟組織,所以有機會讓多囊腎病程延緩,盡量保存功能。

及早使用多囊腎口服治療藥物,能幫患者保存更多腎臟功能。研究顯示如果從慢性腎臟病第 2 期開始治療,約可將洗腎時間延緩 7 年;如果從慢性腎臟病第 3 期開始治療,約可將洗腎時間延緩 4 年。越早使用藥物則延長洗腎效果越好。

使用多囊腎口服治療藥物後,會減少水分從腎臟重新吸收的作用,尿量會增加,而必須補充水分,張立建醫師說,另外也要注意電解質、肝功能及尿酸,所以會請病人每個月回診追蹤。

由於多囊腎常伴隨多種併發症,患者會需要各專科的協助。張立建醫師表示,為了提供更完善的照顧,並提升大家對於多囊腎的認識,國軍台中總醫院腎臟內科有成立多囊腎特別門診,整合腎臟科、心臟科、泌尿科、腸胃科、神經外科、放射科等,並與國衛院黃道揚醫師醫師合作進行基因檢測,幫助患者及早確定診斷,並接受合適的治療,在門診亦可提供病患遺傳及優生諮詢。

多囊腎日常保養這樣做

張立建醫師呼籲,多囊腎患者容易出現高血壓的狀況,因此得注意血壓的控制,養成每天量血壓的習慣。在飲食習關上,建議減少鹽分的攝取並適當的增加水分攝取。慢性腎臟病患者的蛋白質攝取量要按照腎臟功能調整,當腎功能較差時,建議減少蛋白質攝取量至每天每公斤體重 0.6 至 0.8 公克,除了這些飲食建議外,也要盡量避免服用非類固醇類消炎止痛藥,以避免腎功能進一步的受傷害。

careonline_96
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活體犧牲不再?讓蚊子吸食水凝膠去吧!
胡中行_96
・2023/03/02 ・2680字 ・閱讀時間約 5 分鐘

以往病媒蚊研究中,人類志願者及受試動物,得犧牲小我以造福蒼生。活生生地,讓蚊子叮咬並吸食他們的血液。現在,美國科學家用充滿動物血液的水凝膠餵蚊子;將來或許還能改為填充蛋白質營養液。[1]從此以後,科學家便能像主持以酒代血的天主教感恩祭,慷慨地對蚊子說:「你們大家拿去喝,這一杯就是我的血,新而永久的盟約之血,將為你們和眾人傾流,以赦免罪惡。」[2]

圖/Australian Department of Foreign Affairs and Trade on Flickr(CC BY 2.0)

餵食蚊子的水凝膠

1944 年科學家 Samuel Gertler 合成的化合物 DEET(中譯「待乙妥」或「敵避」),在二戰期間被美軍用來驅蚊。[3]之後各種防蚊成份的研究過程,仍免不了仰賴人類和動物的活體貢獻。隨著近年 3D 列印與生物相容水凝膠的技術發展,開發替代品的時機逐漸成熟。理想上,餵食蚊子的水凝膠製品,要具備高解析度的 3D 列印血管、擴散於組織中的血液、對多種蚊子的吸引力、低廉的成本,以及較少的動物實驗倫理問題。此外,最好還能搭配一組攝影器材,與相應的數據運算模型。[1]

2023 年 2 月,美國研究團隊於《前沿生物工程與生物科技》(Frontiers Bioengineering and Biotechnology)期刊上,介紹他們一體成形的嘗試成果。[1]

水凝膠的「食譜」

類似於做捲心酥,要先調配麵糊,烘烤定型,才能在裡面填充內餡。此實驗的第一個步驟,是製作稍後能注入血液,或者其他液體的水凝膠。研究團隊先把適當比例的聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)、明膠甲基丙烯(GelMA)、甘油(glycerol)、LAP 光敏劑檸檬黃食用色素(tartrazine),混合在一起。[1]透過數位光源處理(digital light processing),使原料遇光固化,將內有曲折空管的水凝膠薄片,3D 列印出來。[1, 4]每批產出3份水凝膠,費時約 23 分鐘。[1]

接著,成形的水凝膠,被丟進磷酸鹽緩衝生理食鹽水(phosphate buffered saline),浸泡至少 2 天。這段期間內,多餘的色素會不斷流出,所以要勤換水,直到水質清淨。上述從頭到尾的程序,一旦商業量產,成本即可降低。如果在無菌環境中製造,還能冷藏儲存數月。[1]

注入液體

再來,就要幫捲心酥灌多元口味的內餡了。科學家購買了,已經去除凝血功能的研究級脫纖血(defibrinated blood)。[1, 5]依照要進行的實驗,將這些血液或是其他液體,裝進針筒。接著,用注射泵浦(syringe pump)和管路,將針筒裡的內容物以 100 μL/min的速率,推進水凝膠裡。此實驗過程中,一支針筒透過管路,最多連接 6 份水凝膠。[1]

蚊子實驗

美國科學家將多塊水凝膠,分別放置於幾個玻璃罩內。每個罩子裡,引進 20 至 30 隻母蚊子,當作主要的觀察對象。[1]由於母蚊子吸血是為了產卵,所以裏頭還加上幾隻公蚊子作陪,來促進其食慾。[1, 6]攝影機全程對準水凝膠,記錄蚊子的活動,時間總長約 30 至 45 分鐘。[1]基於個別實驗的目的,方法設計上稍有差別:

  1. 餵食觀察:使用充滿血液的水凝膠餵食蚊子,調整溫度與設備,替換蚊子的品種,並優化攝影機的紀錄。簡單講,就是做不同的嘗試,為後面的實驗打好基礎。[1]
  2. 食物選擇:為蚊子奉上動物血液、紅墨水和磷酸鹽緩衝生理食鹽水,三種「口味」的水凝膠,並貼心熱菜到37°C。後二者沒什麼營養價值,單純想看牠們好不好騙。[1]
  3. 防蚊成份:3個玻璃罩裡,血液飽滿的水凝膠,都溫熱至37°C,但分別為沒塗料、塗抹DEET,以及敷上一層檸檬尤加利油(lemon-eucalyptus oil)萃取物。測試蚊子會不會因為外層的化合物,放棄吸食水凝膠裡的血液。實驗重複5次,受試的蚊子也每次更換。[1]
A. 充滿血液的水凝膠;B. 配有攝影機的玻璃罩;C. 建立辨識蚊子的運算模型;D. 不同的蚊子品種、液體和防蚊成份。圖/參考資料1,Figure 1(CC BY 4.0)

結果與展望

餵食觀察的錄像,歷經截圖、挑選、標註和校正等程序,成果被拿來訓練電腦找蚊子。於嘗試及調整後,此運算模型不僅能辨識影片中的蚊子,還會分別「未進食」與「進食中或吸飽血」的腹部形狀,平均準確率高達 92.5%。這個模型,馬上被運用在後面的實驗裡。[1]

在選擇食物時,紅墨水和磷酸鹽緩衝生理食鹽水,顯然騙不過受試的蚊子;牠們唯獨吸食有動物血液的水凝膠。未來研發蛋白質營養液時,也可以用雷同的方式,評估蚊子的接受程度。為了引誘牠們,以後也能加碼在水凝膠上,塗抹真實皮膚會有的化學物質,並且在附近散佈二氧化碳。若是成功了,成品就能在其他病媒蚊實驗中,替代動物血液。如此便減少血液傳播疾病的風險,[1]以及使用動物血液的倫理問題。

另一個實驗的 DEET 和檸檬尤加利油萃取物,一如預期地令蚊子完全不想靠近。倒是沒塗料的對照組,卻意外只有 13.8% 的低餵食率。科學家覺得應該歸咎於水凝膠太小,有些蚊子擠不進去。將來製作時,得加大表面積。[1]

A. 截圖、標註、校正、訓練運算模型,並評估成果;B. 未進食(正紅色)與吸血(桃紅色)。圖/改作自參考資料1,Figure 2局部(CC BY 4.0)

整體而言,論文的第一作者 Kevin Janson 博士,很滿意這個自動分析功能,迅速又穩定的運算模型。在研究驅蚊效果方面,身為論文作者之一的 Omid Veiseh 教授,則認為他們的設計,未來也可以用於測試其他化合物。至於病媒蚊的品種,此實驗主要採用的,是會傳播黃熱病(yellow fever)、登革熱(dengue fever)和茲卡熱(Zika fever)的埃及斑蚊(Aedes aegypti)。另一位作者 Dawn Wesson 教授表示,假使想套用此模型跟設備,在習性迥異的野生品種上,就得再花時間研究。[7]

  

參考資料

  1. Janson KD, Carter BH, Jameson SB, et al. (2023) ‘Development of an automated biomaterial platform to study mosquito feeding behavior’. Frontiers Bioengineering and Biotechnology, 11:1103748.
  2. 教學方案」天主教台北總教區教理推廣中心(Accessed on 23 FEB 2023)
  3. American Chemical Society. (20 JUN 2020) ‘N,N-Diethyl-m-toluamide (DEET)’. Chemistry for Life.
  4. A Dowon, Stevens LM, Zhou K, et al. (2020) ‘Rapid High-Resolution Visible Light 3D Printing’. ACS Central Science, 6 (9), 1555-1563.
  5. Technical Support – FAQs’. Thermo Fisher Scientific. (Accessed on 23 FEB 2023)
  6. Harrison RE, Brown MR, Strand MR. (2021) ‘Whole blood and blood components from vertebrates differentially affect egg formation in three species of anautogenous mosquitoes’. Parasites Vectors 14, 119.
  7. Gillham AB. (09 FEB 2023) ‘Human test subjects may no longer be needed for mosquito bite trials thanks to invention of new biomaterial’. Frontiers Science Communications.
胡中行_96
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曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。邀稿請洽臉書「荒誕遊牧」,謝謝。