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使血液凝塊可見的新奈米粒子

peregrine
・2011/02/13 ・1906字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 556 ・八年級

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本文轉載自PEREGRINE科學點滴

這樣一來,醫生就能清楚判別血液凝塊的位置了。(圖片取自原文網站)

近20年來,心臟病學家們已搜尋了多種在引發心臟病發作前,發現可能造成傷害之血液凝塊的方法。

目前,美國密蘇里州聖路易斯市華盛頓大學醫學院(Washington University School of Medicine in St. Louis)的研究人員們報告,他們已設計出找尋血液凝塊,並使其在新型X-射線技術下可見的奈米粒子。

根據巴恩斯猶太醫院(Barnes-Jewish Hospital:美國華盛頓大學醫學院附設教學醫院)心臟病學家Gregory Lanza博士的說法,此些奈米粒子能免除,在認定因胸痛來到醫院之病患是否實際罹患心臟發作上的揣測。

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身為內科學教授的Lanza宣稱:「每年,有數百萬人因胸痛來到急診室。醫師們知道,其中一些病患不是因為他們的心臟。不過其中多數,醫師們並不確定。」當有任何疑惑時,病患必需住院並接受檢查,以排除或證實心臟病發作。而那些檢查既花錢且費時。

無需過夜來確保病患是穩定的,該項新技術能在數小時之內揭露血液凝塊的位置。

此些奈米粒子旨在與有能力發現金屬色彩的新型電腦斷層掃瞄儀(CT scanner)一起使用。該被稱為光譜電腦斷層掃瞄(spectral CT)的新技術,使用X-射線束的全光譜來區別,使用僅看見黑與白之普通電腦斷層掃瞄儀,難以分辨的物體。

Lanza表示,該種新掃瞄儀利用了,天文學家們用來探索出自恆星的光及辨別恆星含有什麼金屬的相同物理特性。

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Lanza宣稱:「他們正進行X-射線光譜(X-ray spectrum)的探索,而X-射線光譜能告知他們存在什麼金屬。那正是他們所想要的。」

在此情況下,正被討論的金屬是鉍(bismuth)。內科學的研究助理教授Dipanjan Pan博士設計了一種,含鉍量足以被光譜電腦斷層掃瞄儀發現的奈米粒子。

Lanza宣稱:「每一奈米粒子含有百萬個鉍原子。」由於電腦斷層掃瞄是種相對上不敏銳的造影技術,因而十足的金屬數量是此些粒子能被該種掃瞄儀發現所必需的。

不過Pan表示,鉍是種有毒的重金屬,不能單獨被注入人體中。因而,Pan使用了一種由鉍原子附著於脂肪酸鏈所形成,而在人體中不會分離的混合物。之後,將該種混合物封裝於磷脂膜(phospholipid membrane)中。

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於老鼠的模型體中,證實此些奈米粒子的設計,能於體內破裂開並以安全的方式釋出內部的鉍混合物。

一旦此些奈米粒子含鉍量足以被光譜電腦斷層掃瞄儀發現時,Pan於此些粒子表面添加了一種能找尋出被稱為血纖維(fibrin)之蛋白質的分子。血纖維是血液凝塊中常見的一種蛋白質,不過於脈管系統中的其他地方未被發現。

Lanza宣稱:「當心臟病發作時,冠狀動脈的襯裡已破裂,因而會形成凝塊來加以修補。不過這種凝塊開始縮窄血管,因而血液逐漸無法通過。目前,他們擁有了能發現那種凝塊的奈米粒子。」

藉由鎖定血纖維之鉍奈米粒子的光譜電腦斷層掃瞄影像,能提供傳統電腦斷層掃瞄之黑與白影像的相同資訊。不過,於任何血液凝塊中的血纖維,會以諸如黃或綠的色彩呈現出。這解決了,於傳統電腦斷層掃瞄儀中常見的鈣干擾問題。

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於該項研究中使用的光譜電腦斷層掃瞄儀,仍然是由位於德國漢堡市之飛利浦研究實驗室(Philips Research in Hamburg, Germany)所研發的原型儀器。此些奈米粒子僅在兔子及其他動物模型中試驗過,不過初期的結果證實,成功地從鈣干擾中區分出血液凝塊。

不只能輕易地確認心臟病發作,此些新型奈米粒子及光譜電腦斷層掃瞄儀也能呈現出血液凝塊的確切位置。

當今,即使醫師們診斷病人罹患心臟病發作,倘若病人未在心導管室(cardiac catheterization lab)注入染劑來找尋變窄的動脈,醫師們也無法指出血液凝塊的位置。不過Lanza表示,找到狹窄的動脈並未解決所有問題。

Lanza宣稱:「具有極狹窄通路的動脈不是令人擔心的動脈。因為他們能撐開,於心導管室被發現的那些動脈。」

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令人擔心的是,當血液於此些動脈中自由流動時,於動脈壁上有不穩定的斑塊(plaque)。也就是Lanza所謂的中度級病變(moderate-grade disease)。

Lanza宣稱:「多數人的心臟病發作或中風是起因於,使動脈破裂或突然間阻塞的中度級病變。因而,人們需要某種,即使血管不是極狹窄時,也能告知可能有破裂凝塊的方法。」

由於這種奈米粒子找到並附著於血管中的血纖維上,因而能使醫師們得以發現先前難以或不可能察覺的問題。

利用該項造影技術,Lanza預言了諸多治療冠狀動脈疾病的新方法。並未阻礙大量血流的不穩定凝塊無需昂貴的支架來撐開血管。因而,Lanza預見諸多於血管壁中,可能起如同護創膠布(Band-Aids)將易破點加封起來之作用的技術。

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Lanza宣稱:「目前,人們不知道於何處黏上護創膠布。不過,藉由鉍奈米粒子的光譜電腦斷層掃瞄造影能顯現凝塊於血管中的確切位置,因而有可能防止造成危害之不穩定凝塊的破裂。」

該項研究是由來自美國心臟協會(the American Heart Association)、美國國家癌症研究所(National Cancer Institute)、生物工程研究合作聯盟(Bioengineering Research Partnership)及美國國家心、肺暨血液研究所(National Heart, Lung and Blood Institute)的補助金所資助。

原文網址:http://news.wustl.edu/news/Pages/21824.aspx

翻譯:peregrine

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不是不會髒,而是更難沾:耐污馬桶的表面科學
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/09/22 ・3364字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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本文與 Panasonic 合作,泛科學撰文 

●以下科學研究內容作為知識分享,不直接與Panasonic A La Uno全自動洗淨馬桶產品功能連結

在做家務的痛苦排行榜上,「刷馬桶」絕對名列前茅。明明天天都在沖水,但過不了幾天,馬桶內壁邊角總會浮現黃黃的水垢、角落發黑的霉斑,甚至是那些刷掉又長出來的粉紅色污垢(黏質沙雷氏菌)。

許多市售衛浴設備常標榜「神奇抗污」或「永久不沾」,讓人誤以為安裝後便能永保潔淨。然而從材料科學的角度來看,世上並無能使污垢憑空消失的魔法。所謂「耐污」的實質機制,並非打造完全不沾染髒污的材質,而是調整表面的物理與化學屬性,使水垢和微生物難以強力附著。一旦降低了污垢與內壁之間的附著力,透過日常水流沖刷,便能輕易地將髒污帶走。

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為什麼污垢「黏不住」? 

要搞懂為什麼某些特殊表面能做到「耐污」,我們得先像偵探一樣,拆解馬桶裡的髒污究竟是怎麼「抓緊」材料表面的。馬桶內壁的污垢主要有兩大難纏的元兇:

  1. 水垢與礦物沉積*1:我們日常使用的自來水中含有鈣、鎂等金屬離子。當水滴在表面經歷反覆的濕潤與蒸發乾燥循環時,這些離子會逐漸結晶析出,變成硬度極高、緊緊「卡」在微觀縫隙裡的礦物質水垢。
  2. 生物膜與有機物*2:包含尿液中的無機鹽、油脂殘留,以及細菌入侵後分泌出像超強膠水一般的聚合物,所組成的黏滑防禦大本營。
關鍵不是沖水,而是「這些污垢如何抓住表面」

這兩大類污垢想要在材料上「落腳」,前提是它們必須能在表面找到足夠的附著點與黏合力。那麼,材料科學家是如何讓這些髒污「站不穩」的呢?答案就藏在「表面能(Surface Energy)」與「濕潤性(Wettability)」這兩個核心概念中。

當我們把水滴在某個表面上時,水滴會聚成一顆圓滾滾的水珠,還是迅速攤平開來?這取決於表面的特性:

  • 疏水路線(Hydrophobic)*1:具備低表面能的疏水表面,能顯著減少水分子或污染物與表面之間的極性作用力與氫鍵。水滴在這種表面上會因為表面張力而收縮成水珠,當水珠滾動滑落時,就能順便把表面的灰塵與礦物質顆粒帶走,這就是著名的「自清潔效應」。
  • 親水路線(Hydrophilic / Superhydrophilic)*2:相反地,極度親水的超親水表面則會強烈地吸引水分子,在材料最外層形成一層薄薄的「水化層(Hydration Layer)」。這層水化層就像是實體的液體盾牌,讓油污、蛋白質或細菌無法直接接觸到材料基底,只能漂浮在水膜上方。

如果要用攀岩來比喻:傳統粗糙的表面就像是有許多凹槽的攀岩牆,髒污就像攀岩者,需要找到落腳點並用力撐住才能攀附;而我們做的是抽掉把手點,或是在把手上塗上潤滑油,讓髒污找不到施力點,自然難以停留。

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材料科學的核心:想辦法讓污垢「抓不住」

不給細菌「握手」的機會

解決了水垢,下一個更棘手的對手是「細菌」。

馬桶內壁那些黑黑粉粉、摸起來滑滑的污垢,在微生物學中被稱為「生物膜(Biofilm)」。細菌並不是孤立生長的,當單顆細菌落在表面後,如果覺得環境舒適,它就會開始分泌胞外聚合物(EPS),這是一種天然的超強膠水。細菌們用這種膠水把自己與同伴緊緊黏在一起,並築起堅固的防禦堡壘,這時一般的沖水就很難把它們沖洗乾淨了。

根據《Nature Communications》與《Microsystems & Nanoengineering》的學術期刊研究指出,要阻止生物膜形成,除了化學上的抗菌,材料的「表面微幾何結構」扮演了至關重要的角色。

材料科學領域中有一個著名的「附著點理論(Attachment Point Theory)」:

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  1. 粗糙與微孔洞表面:如果材料表面存在許多微小的裂縫、氣孔或微米級凹洞,細菌(體積通常約 1 到 3 微米)就會興高采烈地鑽進這些小凹槽裡。這些凹槽不僅提供了極佳的機械咬合支點,還能幫細菌擋掉水流的沖刷。
  2. 極致平滑與微結構表面:相反地,如果材料表面做到極致平滑,完全沒有微米級的缺陷;或者反過來設計出尺寸遠小於細菌的奈米結構,細菌的足跡構造(如鞭毛或纖毛)就無法在表面找到穩固的「接觸附著點(Contact Points)」。

當細菌發現自己在這個表面上連「手都握不緊」、隨時會被水流吹走時,它就無法順利定殖並分泌膠水築巢。此外,現代衛浴結構在設計時,也越來越強調「一體成形」與「無接縫工藝」。消除接縫與死角,等於直接拔除了細菌與水垢最喜歡的避風港。

阻止細菌、生物膜找不到「落腳點」

當材料、結構與流體科技組隊聯防 

了解了材料化學與微觀幾何,我們就能勾勒出一座現代耐污馬桶的完整防禦體系:【材料層(低附著力)】+【結構層(無縫平滑)】+【動態流體層(泡沫與水流剪切力)】= 高效清潔!

以市面上備受矚目的 Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶為例,就是將材料科學、結構工程與流體力學發揮到極致的典型代表:

1. 材料層:有機玻璃系新素材

A La Uno 全自動洗淨馬桶採新開發的「有機玻璃系新素材」(以壓克力高分子為基礎研發的衛浴專用材料,這類高分子成形技術亦被廣泛運用於大型水族館高壓觀景窗與飛機機艙罩)。這種材料表面具備極佳的疏水性與耐水垢特性,水滴不易長時間攤平停留;材質堅固、不易破裂,耐刮、不易造成細小傷痕。通過實驗測試,這種素材配合泡沫洗淨,在沖洗後能有效沖刷掉高達 99.99% 的大腸桿菌,從源頭阻斷細菌定殖。

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2. 結構層:無接縫工藝與三重防濺防護

在宏觀結構上,A La Uno 全自動洗淨馬桶採用無水箱沖水與便器、溫水洗淨便座一體成型設計,減少傳統水箱與座體之間的結構層次及接縫,並搭配可動迴轉式排水系統完成沖洗。更貼心的是其「三重防護」設計:

  • 泡沫防護:在水面上製造一層充沛的泡沫緩衝層,有效抑制男性站立小便時的尿液與污水飛濺;
  • 外圍防護:馬桶邊界特別設計了高約 3mm 的水檔,防止液體延著外壁滴落至地板;
  • 測漏防護:便座與馬桶本體採用不外露的防護設計,避免液體從縫隙飛濺滲漏。
Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶

3. 動態流體層:雙效泡沫洗淨、漩渦水流與 nanoe™ X

當污垢降落在馬桶內壁時,A La Uno全自動洗淨馬桶 的動態流體科技便接手進行徹底打掃。其「雙效泡沫洗淨」會先釋放直徑約 5mm 的「毫米泡沫」包裹並帶走大塊髒污,再透過直徑約 60微米的「微米泡沫」深入微觀縫隙,徹底溶解殘餘的油脂與細微污垢。接著,配合高度清潔力的「漩渦型強力水流」,利用旋轉產生的流體剪切力,一口氣將附著力已被削弱的污垢剝離並沖走。此外,Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶還搭襯了 nanoe™ X 健康科技,釋放氫氧離子有效抑制異味與髒污,維持空氣與內壁的良好衛生狀態。

科技讓生活變輕鬆,但物理法則依然誠實

從材料化學的低表面能設計,到微觀幾何的附著點控制,再到流體力學的水流沖刷,一座現代抗污馬桶的演進,縮影了人類如何運用基礎科學來解決日常生活痛點的智慧。

我們習慣將衛生清潔想像成一場與細菌髒污的硬碰硬死鬥。然而,A La Uno全自動洗淨馬桶 等現代衛浴技術的突破,展示了材料科學的另一種聰明思維:不靠強酸強鹼硬打,而是透過物理與化學邏輯,將「污垢固著」的機率降到最低。

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當材料科學與現代衛浴技術結合,刷馬桶不再是一件令人頭痛的辛苦瑣事。透過這些前沿科技的加持,我們得以從繁重的家務勞動中解放,享受更加乾淨、舒適且有品質的日常生活。

*1 參考論文:A metallic anti-biofouling surface with a hierarchical topography containing nanostructures on curved micro-riblets

*2 參考論文:Brushing up functional materials

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心血管大手術後別慌!專科醫師傳授術後飲食與復健黃金指南
careonline_96
・2026/06/11 ・3683字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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心臟血管大手術後該怎麼吃?如何運動?專科醫師圖文解析

心臟手術後的復原,正確飲食與運動是關鍵!專科醫師傳授清淡低鹽飲食與優質蛋白的攝取要訣,並解析如何透過循序漸進的復健運動、呼吸訓練與安全須知,幫助患者安心調養,穩步找回健康。

許多心血管外科手術後的患者和家屬都會很關心,術後應該怎麼吃?什麼時候能開始運動?該作多少運動?該作什麼樣的運動有益心血管健康?有什麼禁忌?其實,正確的飲食與活動是復原的重要環節。請林口長庚醫院心臟血管外科主任陳紹緯教授解答常見疑問,幫助您安心調整生活步調,穩定邁向健康。

Q1、心血管外科手術術後該怎麼吃?

心臟手術後,整體飲食原則應以清淡、低鹽、低脂及低膽固醇為主,並採少量多餐的方式,減輕腸胃負擔。建議多選擇原型食物,補充足夠且優質的蛋白質,如魚類、去皮雞肉及豆製品,以促進傷口癒合與體力恢復,同時搭配高纖蔬菜與水果,幫助腸道蠕動,預防術後常見的便秘問題。

心血管外科手術 術後該怎麼吃?

烹調方式建議以蒸、煮、燙或涼拌為主,減少用油量,避免油炸及重口味調味品。為降低鹽分攝取,可利用蔥、薑、蒜等天然香料取代食鹽或醬油,讓低鹽飲食更容易被接受。

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此外,若有服用華法林等藥物,需穩定攝取含維他命K的食物,避免大量食用。由於低鈉鹽具有較高的鉀,請務必與醫師或營養師討論合適的攝取方式。

部分心血管手術後的病人,如重度心臟衰竭者,可能需要依醫囑限制每日飲水量,以減輕心臟負擔,並記錄尿量、每日測量體重,若2天內體重增加超過1.5至2公斤,應警覺是否為水腫確保恢復過程安全順利。

Q2、心血管外科手術術後該如何運動?

復健運動在心肺功能恢復的過程中扮演非常重要的角色,不僅能幫助病情穩定,還能為日後順利出院及回到日常生活做好準備。陳紹緯教授表示,透過循序漸進、適當安排的運動訓練,可以提升心肺耐力、改善活動能力,並降低長期臥床或活動不足所帶來的風險。手術後會由專業復健師指導,於專屬場地提供循序漸進的復健運動訓練,全程守護您的術後康復安全。

運動中都應配合量測心跳、血壓及血氧濃度,以確保身體狀況在安全範圍內。

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一般來說,運動前的心跳不宜過快或過慢,建議維持在每分鐘50至120下之間。運動過程中,若心跳比休息時增加太多(初期建議不要比休息心跳增加超過20下/分鐘),或反而比休息時減少超過10下/分鐘,都可能代表心臟暫時無法負荷目前的運動強度,此時應降低運動強度或暫停休息。如果有服用β-阻斷劑的病人,因心跳本身較低,建議改以「自覺用力程度」來評估運動是否合適。

此外,運動前務必先進食,避免運動時發生低血糖,建議在飯後約1至2小時進行運動最為適合。運動過程中若出現噁心、嘔吐、呼吸困難、胸口不適、胸悶、冒冷汗、頭暈、眼前發黑、過度疲倦或其他不舒服的感覺,請立即停止運動並告知醫護人員,這些都可能是心臟暫時無法承受目前運動量的警訊,需要立即休息與進一步評估。

呼吸復健是心血管外科手術後相當重要的一環,因為麻醉、疼痛、臥床,皆容易造成肺部擴張不足或痰液堆積,可能導致肺炎。術後進行呼吸復健可以幫助肺部恢復正常功能並減少併發症。請務必依照指示使用呼吸訓練器材(例如誘發性肺量計),清醒時每小時練習10至20次,幫助肺部擴張。

Q3、心血管手術患者在做運動時該注意什麼?

主動脈疾病患者由於血管結構較脆弱,不適合進行重量訓練或需要用力憋氣的運動。接受正中開胸手術的病人,術後三個月內可在無痛範圍內將雙手保持在中線活動,以防肩關節沾黏,請避免負重2至3公斤,以確保胸骨與手術傷口能夠順利癒合。如果傷口出現紅、腫、熱、痛或異常滲液,請盡快回診。

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在運動環境方面,應避免在過熱或過冷的氣溫下進行戶外活動,因為極端溫度可能增加心臟與血管的負擔,影響身體調節能力。選擇安全、舒適的場地,並使用合適的防護裝備與運動器材,有助於降低運動傷害的風險。

「任何形式的身體活動都比完全不活動來得好。」陳紹緯教授強調,「如果目前的體力狀況無法達到建議的運動量,也不必因此放棄,只要在能力範圍內活動,即使只有短短5分鐘,也能對健康帶來實質益處。」

對於久未活動的人,應遵循「從低開始、慢慢增加」的原則,先從低強度、短時間的活動開始,再逐步提升頻率與持續時間,讓身體有足夠時間適應。

最重要的是,在開始或調整運動計畫前,請與醫療團隊充分討論,依照個人病情與身體狀況,擬定合適且安全的運動處方,才能在確保安全的前提下,發揮運動最大的健康效益。

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Q4、心血管手術後長期該如何運動?

研究顯示規律運動長期對心血管健康有很大的幫助,接受過心血管外科手術的患者,在手術回復期後,經醫師評估病況適合,要養成規律運動的習慣。

根據心臟學會建議,只要具備活動能力,建議每週應達到一定程度的運動量,以維持心肺功能、肌力與整體身體機能。運動前後至少5至10分鐘的暖身與緩和運動。

在有氧運動方面,每週可依個人狀況選擇以下其中一種方式進行:

  • 每週累積150至300分鐘中等強度有氧活動,或
  • 每週75至150分鐘高強度有氧活動,或
  • 也可以將中等與高強度活動交互搭配,只要達到等量的運動效果即可。
  • 為了讓身體更容易適應並降低受傷風險,建議將有氧運動分散安排於一週內進行,而非集中在少數幾天完成。
心血管手術後長期該如何運動?

陳紹緯教授進一步說明,「中等強度有氧運動」指的是在進行時心跳會比平常快、呼吸會變得比較急促,但仍然可以說話。例如:快走(每小時約4至6.4公里)、跳舞(如社交舞或交際舞)、園藝活動、騎腳踏車(時速低於16公里)。

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「高強度有氧運動」指的是在進行時通常會感到身體發熱、開始流汗,而且幾乎無法連續說話,說幾個字就必須停下來喘氣。例如:跑步、游泳(持續來回)、高強度有氧舞蹈、騎腳踏車(時速16公里以上或上坡)、跳繩。

除了有氧運動之外,也要進行肌力訓練。建議每週至少安排2天以上進行中等或更高強度的肌力訓練,盡量涵蓋所有主要肌群,包括上肢、下肢、核心與背部。對於初學者或希望以較安全方式進行訓練者,可從「靠牆深蹲」或「坐姿抬腿」等動作開始,這些動作安全性高,且能有效訓練多個主要肌群。

理想的運動型態應採取多元組合的方式,將有氧運動、肌力訓練與平衡訓練一併納入。這樣不僅能提升體能,也能改善身體穩定度、降低跌倒風險。

良好的飲食習慣是維護心血管健康的重要基礎。透過適當的飲食調整,不僅能減輕心臟負擔,也能降低慢性疾病風險,提升整體健康狀態。

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Q5、心血管手術後長期該怎麼吃維持心血管健康?

首先,應落實低鹽限鈉飲食,盡量避免醃漬食品、罐頭、香腸、火腿等高鈉加工食品。過多的鈉攝取容易造成體內水分滯留,進而增加水腫與心臟負擔。

心血管手術後長期該怎麼吃維持心血管健康?

在脂肪攝取方面,建議採取低脂、低膽固醇飲食,盡量挑選優質脂肪。

蛋白質來源可優先選擇魚類、去皮雞肉及豆製品,並減少攝取肥肉、雞皮、動物內臟、奶油及油炸食品,以降低血脂與膽固醇負擔。

優質蛋白質的補充,建議多攝取豆類、魚類及瘦肉,並盡量以植物性蛋白質為優先選擇,有助於減少飽和脂肪攝取並保護心血管。

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此外,應增加膳食纖維攝取。全穀類如糙米與燕麥,以及充足的蔬菜與水果,不僅能幫助腸道健康、預防便秘,也能減少因排便用力而增加的心臟負荷。

在用油方面,建議以玄米油、芥子油、橄欖油等富含不飽和脂肪酸的植物油取代動物性脂肪,避免使用「飽和脂肪」與「反式脂肪」(如奶精、酥油製品),幫助維持良好血脂狀態。

心血管手術患者應限制刺激性物質的攝取,減少咖啡因飲料與酒精,避免對心血管造成額外負擔。

陳紹緯教授提醒,若正在服用抗凝血藥物(如華法林),需特別注意維生素K的攝取穩定性。含維生素K的食物(如深綠色蔬菜)並非完全禁止,但應維持固定攝取量,避免突然大量食用。由於補品、藥材可能出現交互作用,建議與醫師或營養師討論適合的飲食方式!

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DNA-PAINT:轉瞬標記 奈米解析
顯微觀點_96
・2024/10/03 ・3586字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文轉載自顯微觀點

圖/顯微觀點

DNA-PAINT:易脫落的奈米「漆」

DNA-PAINT 屬於單分子定位顯微術(SMLM)大家族一員,它突破繞射極限的途徑類似 PALM 與 STORM:以閃爍(blinking)的螢光讓多個目標分子的位置輪番呈現,最後將多次定位影像以電腦疊合重建成完整的超解析分子地圖。結合電腦運算輔助和光學成像的統計原理,DNA-PAINT 可以達成極端細緻的 RESI 定位術,清楚區別兩個距離不到 1 奈米的螢光來源。

單看字面,DNA-PAINT 給人「以 DNA 作為油漆」的印象。事實稍有不同,這種技術以 DNA 作為「點累積奈米成像術」(PAINT , Point Accumulation for Imaging in Nanoscale Topography)的探針。接上螢光染劑的短小 DNA 片段,可以靈敏標記蛋白質、染色體以及許多細胞內構造。

DNA-PAINT 的特別之處,在於利用「不牢固」的螢光標記製造閃爍效果。不同於 PALM, STORM 以光調控「固著在目標上」的螢光來源,DNA-PAINT 使用與目標連結力量薄弱的螢光探針,結合目標之後會快速分離。只有在探針與目標結合的瞬間,同時被激發光照射,探針上的螢光團才能發出螢光。目標分子與螢光探針分離後,依然保有和下一個探針結合的能力,因此不必擔心螢光團的放光能力衰退。

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Dna Barcoded Labeling Probes For Highly Multiplexed Exchange Paint Imaging
DNA-PAINT 原理:Docking strand(嵌合序列)附著在人造 DNA 構造上,溶液中漂浮著成像序列(Imager strand),成像序列上的螢光團不容易被激發(膚色)。成像序列與嵌合序列結合時,螢光團才會被激發(橘紅色) 圖片來源:Agasti, Sarit S., et al. Chemical science 8.4 (2017): 3080-3091.

DNA-PAINT 使用的 DNA 探針片段長度不超過 10 個鹼基,又稱寡核苷酸(oligonucleotides 或oligomers)。這些短小 DNA 片段可以附加上螢光染劑的螢光團分子,成為螢光探針。

DNA 探針的結合對象是另一段互補的 DNA 片段,此互補序列會預先透過抗體與定位目標連結,等待 DNA 探針前來結合。DNA 探針因為具有螢光團,被稱為「成像片段(imager strand)」,而牢固於目標的互補序列則稱為「嵌合片段(docking strand)」。對生物細胞進行 DNA-PAINT 時,嵌合片段與目標分子之間常有抗體或配體做為銜接,需要類似免疫螢光染色的前置作業,目標表面的抗原也可以因應實驗需求進行設計。

因為兩個短小 DNA 片段之間的結合力有限,成像片段與嵌合片段結合後會快速分離。而螢光團只有在結合目標時才容易放光,因此可以形成閃爍的螢光定位標記。經由電腦疊合閃爍的定位影像,DNA-PAINT 可以達成 10 奈米左右的超解析定位,若沒有序列成像的幫助,依然無法突破奈米以下解析度的光學障礙。

Direct Visualization Of Single Nuclear Pore Complex Proteins Using Genetically‐encoded Probes For Dna‐paint
以 DNA-PAINT 對細胞核膜上的 Nup96 核孔蛋白進行 3D 定位。在圖 a. 中,不同的螢光色彩象徵不同的空間深度。圖 b. 箭頭所指處,則是成對出現的 Nup96 蛋白。比例尺:圖 a. 2000nm, 圖 b. 50 nm. 圖片來源:Schlichthaerle, Thomas, et al. Angewandte Chemie 131.37 (2019): 13138-13142.

核孔複合體(Nuclear Pore Complex)上的 Nup96 蛋白是科學家經常探索的重要目標,即使是超解析顯微術也未能在自然狀態下呈現其構造。隆曼團隊以 RESI 對 Nup96 進行定位,不但清楚定位出符合電子顯微鏡拍攝的 8 對 Nup96 蛋白沿著核孔形成環狀結構,還能清楚呈現每對蛋白之間的 11 奈米的間距。

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結合序列成像(Sequential Imaging)與 DNA-PAINT 兩種技術,RESI 讓科學家得以運用一般門檻的顯微儀器、耗材,就能達到超乎以往想像的定位解析度。而 DNA-PAINT 這種巧妙的定位方法並非一蹴而就,而是數種有趣的技術累積而成。

PAINT 起源:不穩定又不專一的尼羅紅

PAINT(Point Accumulation for Imaging in Nanoscale Topography, 點累積奈米成像術)系列定位法的螢光探針由一個螢光染劑分子與一個分子探針(probe)構成。親和性抗體、寡核苷酸(短小 DNA 片段)都可作為分子探針的材料,再由此探針結合目標分子或其上的抗體。除了 DNA-PAINT, PAINT 家譜上還有 FRET-PAINT, Exchange-PAINT, u-PAINT 等不同特質的成員。

在 2006 年由沙羅諾夫(A. Sharonov)和霍克崔瑟(R. M. Hochstraser)發表的第一代 PAINT 中,僅僅使用螢光染料尼羅紅(Nile Red)為標記。這種染劑在含水溶劑中無法發光,必須進入磷脂層等非極性環境才能展現其螢光活性。

因此尼羅紅無須結合探針,只要以低濃度加入樣本溶液中,就能觀察到其進入細胞膜脂雙層、大型磷脂囊泡(large unilamella vesicles)表層等疏水性環境中,受到激發放出螢光。尼羅紅與磷脂層的親和性不強,很快就會再次脫離,也容易遭到光漂白(photobleaching)而失去螢光,因此可作為一種閃爍的螢光定位標記。

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尼羅紅可以結合所有疏水性(hydrophobic)的構造,無法真的標記特定分子,缺乏分子生物學重視的專一性。但它開啟了 PAINT 以「不牢固螢光染劑」增進解析度的先河。與多數螢光顯微術追求螢光團穩定性與強度的定位技巧背道而馳。

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圖 a. 以尼羅紅標記磷脂層的直接成像;圖 b. 以 PAINT 技術進行上千次成像重建後的磷脂層定位。兩者定位解析度形成強烈對比。圖 c. 為 uPAINT 概念:接受激發光(綠色)照耀的螢光探針才會發光(紅色),漂浮在激發光範圍外的螢光探針保持黯淡(粉紅),即使未結合目標的探針也能發光,且僅能標記細胞膜表面的目標。圖片來源:Nieves, Daniel J., et al. Genes 9.12 (2018): 621.

4 年後,吉安諾內(G. Giannone)和荷西(E. Hosy)以具目標專一性的配體,例如抗體蛋白,連接螢光團形成螢光探針,達成具有專一性的 PAINT 超解析定位。透過進步的生化技術製作配體,這種技術幾乎可以定位所有類型的目標,因此被命名 universal-PAINT, 簡稱 uPAINT。

uPAINT 可以提升多種目標的定位解析度,但其螢光探針即使游離在溶液中,也能接受激發、放出螢光,形成背景雜訊。且結合螢光染劑的抗體無法穿透細胞膜,因此只能定位細胞膜上的目標。

因此 uPAINT 必須限縮激發光照射的範圍,對準目標、減少雜訊,例如微調全內反射顯微鏡(TIRF)的角度,形成「高傾斜層光照明」(Highly Inclined and Laminated Optical sheet, HILO)以限定激發範圍。

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同在 2010 年,隆曼與史坦豪爾(C. Steinhauer)嘗試以寡核苷酸為探針,定位 DNA 摺紙構造(DNA origami structure)上的目標,達到了奈米等級的解析度。DNA-based Point Accumulation for Imaging in Nanoscale Topography 正式誕生,善用「不牢固的螢光探針」與電腦運算的輔助,以一般螢光顯微鏡就能突破繞射極限。

無限調色的虛擬油漆:Exchange-PAINT

2014 年,隆曼與同事阿凡達尼歐(M. S. Avendaño)、沃爾斯坦(J. B. Woehrstein)發表 DNA-PAINT 的巧妙變化,除了同時以不同探針標記不同構造,達成精準的多重定位(multiplexed localization),更實現以一種螢光超解析定位多種目標,讓多重標記的潛力加速實現。

這種多重標記被隆曼與同事稱為 Exchange-PAINT,同樣使用 DNA 片段作為探針。在同一個樣本的 10 種不同目標上,連結了 10 種不同的嵌合片段(docking strands),隆曼等人再以 10 種互不干涉的短小 DNA 序列(orthogonal sequences)作為成像片段(imager strands)。

他們每次只加入一種成像片段,針對一種目標進行閃爍(blinking)定位,並由電腦套上特定顏色,接著洗去既有成像片段,再加入下一種成像片段。最後將所有目標的獨立定位圖疊合起來,便能得到完整的奈米級定位。

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Multiplexed 3d Cellular Super Resolution Imaging With Dna Paint And Exchange Paint 2
圖 a.為 Exchange-PAINT 概念,每一輪定位針對一種目標,完成後洗去探針,再加入下一種探針進行定位,最後將每一輪的定位影像疊合起來。圖 c., 圖 d. 表現 Exchange-PAINT 的多工能力, 1 個 DNA 摺紙樣本上的 10 種不同目標可以依序定位,賦予顏色(實際上使用相同螢光染劑,不同成像片段),再以電腦重建疊合。每一種目標的定位都進行了 7500 次拍攝。圖 d., 圖 e. 中的比例尺為 25nm. 圖片來源:Jungmann, Ralf, et al.  Nature methods 11.3 (2014): 313-318.

只需要一種螢光染劑接上多種成像片段,Exchange-PAINT 便能以基本的實驗設備達到多重目標的超解析定位,不像多重標記的 DNA-PAINT 受限於染劑顏色數目,Exchange-PAINT 的門檻在於互不相干寡核甘酸片段的數目,在實驗中幾乎不可能窮盡。而可以使用一般螢光顯微鏡與螢光染劑達到埃(ångström)解析度的 RESI 技術,就是將 Exchange-PAINT 的多種目標定位應用於單種目標定位,透過不同探針標記同種目標製造發光順序落差,大幅提升解析度。

在「眼見為真」的生物學影像趨勢中,「增加偵測光子數量」是螢光顯微技術提升解析度的基礎光學原理,也是最主流的技術改良方向。而 DNA-PAINT 系列技術跳脫了對光子數量的追求,不受螢光染劑的光漂白及螢光壽命限制,以快速脫落的探針另闢蹊徑,使低成本的超解析影像得以實現,更展現生物物理學蘊藏的廣泛技術可能性。

參考資料:

  • DNA-PAINT 的最新應用:RESI序列成像解析度增強術
  • Jungmann, Ralf, et al.  Nature methods 11.3 (2014): 313-318.
  • Agasti, Sarit S., et al.  Chemical science 8.4 (2017): 3080-3091.
  • Nieves, Daniel J., Katharina Gaus, and Matthew AB Baker. Genes 9.12 (2018): 621.
  • Schlichthaerle, Thomas, et al.  Angewandte Chemie 131.37 (2019): 13138-13142.
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顯微觀點_96
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