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磁鐵也可以拿來吸血液中的病原體嗎?

脾臟是相當脆弱的器官,新聞報載可能有過車禍或者運動傷害造成脾臟破裂,無法修補,整個脾臟去除的案例。人可以活著不需要脾臟,但是脾臟確實有它的功能。脾臟儲存血液,當身體失血的時候,裡面的血液會釋放以補充血容量。另外,它還製造抗體,同時可以移除老舊的血液細胞和有抗體附著的病原體,來保持血液的乾淨。但是脾臟不見得能夠有效率清除所有病原。例如說敗血症的狀況,細菌擴散到血液,大量繁殖產生毒素,造成器官受損。抗生素如果不能對抗病原,這時候該怎麼辦?有沒有辦法把血液輸出到體外,清除裡面的病原,再把血液輸回體內呢?

體外人工脾臟,功用是什麼?

Harvard’s Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering 的科學家,研發了一種體外人工脾臟。之所以這樣稱呼它,是因為它和脾臟相同,可以移除血液中的細菌和病毒。這項裝置可以應用在很多狀況。例如,免疫系統受損的患者和被頑強病原感染(例如:依波拉病毒)的患者或者是敗血症的治療。敗血症常發生在感染嚴重,免疫系統無法抵抗的狀況,目前仍是重大死亡原因之一。

磁鐵藉由磁性奈米顆粒吸附病原體

這個裝置怎麼運作呢?如果要去除血液中的病原,那就得找出可以和病原結合的東西。在大部分的動物體內,病原的外表面都有一層所謂的”甘露糖”,稱作mannose。這層物質可以在細菌、真菌和病毒外表面找到,甚至一些細菌產生的毒素上找到。這些毒素常是造成生病的原因。而有一種蛋白質,mannose-binging lectin(MBL),可以和這個mannose結合。科學家就利用這點特性,將MBL稍做修改,然後將MBL披覆到帶有磁性的奈米微粒表面。這些奈米微粒本來就可以被磁鐵吸引,外表面又附著MBL。當血液輸出體外,將這些奈米微粒釋放到血液裡,血液中的病原就會和奈米微粒上的MBL結合,之後,再利用磁鐵將這些奈米微粒吸附,和其他血液分離。分離後乾淨的血液,再輸回人體。

微流體仿生脾臟,去除血液中的病原體

Wyss Institute 設計的微流體仿生脾臟。Credit: Wyss Institute, SingularityHub

初始實驗的時候,科學家將這個發明實驗在老鼠身上。這些老鼠體內有兩種常見的細菌,大腸桿菌(Escherichia coli)和金黃色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)。將這些老鼠分成兩組,一組接受人工脾臟清除血液中的細菌,另外一組不做任何治療。結果顯示,89%經過人工脾臟清除病原的老鼠,可以存回下來。而沒有人工脾臟治療的,只有14%可以存活。

應用到人體的挑戰

接下來,研究團隊也將這個人工脾臟應用在清除人體血液內的病原。成人體內平均約有五公升的血液。實驗將人體感染有細菌和真菌的血液,通過人工脾臟,以每小時一公升的速度來清除血液中的病原。結果顯示,人工脾臟可以清除大部分的感染病原。每小時清理一公升血液的速度,對住院病患來說,可能不是太煎熬,但是對沒有住院,在外接受治療的患者而言,五小時的時間就有點長。然而,有很多方法可以增快這個速度,因為清理血液的有效速度和幾個因素有關,像是血液中的病原體量、患者血液的體積和磁性奈米顆粒的數量等。

目前,科學家計畫將這個裝置,在大型動物上實驗。

這項發明如果應用到臨床上,可以在有需要的時候,利用這個裝置,將血液中的病原減低到一定的數量,再進行藥物治療。這對免疫缺陷的的患者,是很大的幫助。如此也減少抗生素的使用。當然,如果應用到對付伊波拉這種目前人體的免疫系統還很難對抗的病原,會更讓人驚奇。

不過,也不是100%的病原的外表面都有mannose。如果沒有mannose的話,這種外表面有MBL的磁性奈米顆粒就沒辦法吸附病原。所以,找尋其它可以和病原結合的蛋白,是下一步研究的課題。

文章參考:Singularity Hub
影片來源:Wyss Institute
圖片來源:fotografierenderpunk CC BY-ND 2.0
原文刊載:Nature Medicine

 

 

 

 

 


作者簡介

BioMeder

生醫人網摘的編輯。熱愛創新和用腦袋的事物,堅持文章一定要有邏輯性,藉由追蹤報導生醫領域的創新和應用來傳播知識。