它的名字你可能都不會讀,但也許是你的救命恩人!
2018年06月18日09:09

  來源:科學大院微信公眾號

  鱟(Limulidae),讀音hòu,亦稱馬蹄蟹,出現在3億年前的泥盆紀 ,這個時期經曆了多個冰川時期、物種大滅絕、板塊漂移、小行星撞地球等地球大事件,但至今,它仍保留其原始而古老的樣貌,是閱盡地球歷史長河的生物之一,被稱為現代活化石。

鱟(圖片來源:Wikipedia)
鱟(圖片來源:Wikipedia)

  但是在最近的幾十年里,它們卻成了人類的救命藥。鱟的血液可以製成專用於細菌內毒素檢測的試劑LAL,目前這已發展為龐大的產業,由美國食品藥品監督管理局(FDA)授權生產的每種藥物,都必須經過LAL測試。

  捕獲它,獲得的是藍色血液

  其實,捕獲鱟並不是那麼難。在得到美國自然資源部授權後,漁民在美國卡羅萊納州的淺灘將其拾起,放入漁船中即完成了捕獲。

圖片來源: Andrew Tingle
圖片來源: Andrew Tingle

  漁民在捕獲鱟之後並不會馬上殺死它們,而是將其擦洗乾淨,把身上的藤壺、沙子清除掉,然後把甲殼剝離開。

圖片來源:Andrew Tingl
圖片來源:Andrew Tingl

  最後將其固定在工作台上,用不鏽鋼針刺入鱟的心包(心包是一個圓錐形雙層纖維漿膜囊)以提取鱟的血液。

  和其他動物不同,鱟的血液是藍色的,這是因為在它們的血液中含有銅離子。這種藍色血液並不是澄澈的藍,而是像混了牛奶的藍莓汁。

圖片來源:Andrew Tingle
圖片來源:Andrew Tingle

  人類為什麼需要這種藍色血液?

  其實,上文提到的救命藥主要都在這種藍色血液里了。在鱟血液的循環阿米巴樣細胞中,有一種裂解物叫作鱟阿米巴樣細胞裂解物( Limulus Amebocyte Lysate,下文簡寫為LAL ),它可以被用於檢測革蘭氏陰性細菌細胞壁的成分脂多糖(內毒素)。

  使用 LAL 進行內毒素檢測來源於 Frederik Bang的發現。

Frederick B。 Bang(圖片來源:by unidentified photographerblack and white photograph)
Frederick B。 Bang(圖片來源:by unidentified photographerblack and white photograph)

  在Bang發現之前,檢測細菌毒素的標準方法是將樣品注射到兔子體內。這要求有人每隔30分鍾檢查一次兔子的體溫,在3小時內是否有發熱跡象,如果有則表明有細菌毒素。在顯微鏡下,兔子的血細胞也傾向於聚集在毒素周圍。

  在1956年發表這項研究後的十五年半的時間里,Bang 觀察發現, Limulus polyphemus 革蘭氏陰性感染後導致致命性的血管內凝聚。後來Bang與一位名叫傑克萊文(Jack Levin)的年輕病理學家共同發現,這種凝結現像是內毒素與鱟血中的循環阿米巴樣細胞中的一種可凝結蛋白相互作用的結果。因此,Levin 和 Bang 從洗滌後的阿米巴樣細胞中製備了一種裂解物,該裂解物是內毒素的一種非常敏感的指示劑。

  不過,直到1977年,美國食品和藥物管理局(FDA)才允許製藥公司用LAL試劑盒替換低效的兔子毒素測試試驗。

圖片來源:https://kepleybiosystems.com/hcrbi/
圖片來源:https://kepleybiosystems.com/hcrbi/

  如今,你只需要將LAL添加到測試材料中,然後將小瓶翻過來,查看它是否變成固體,就可以知道其是否含有毒素。

圖片來源:http://www.lalendotoxin.com/lal-reagent/gel-clot-lal/limulus-amebocyte-lysate-assay-lal-reagent.html
圖片來源:http://www.lalendotoxin.com/lal-reagent/gel-clot-lal/limulus-amebocyte-lysate-assay-lal-reagent.html

  瀕臨滅絕的鱟,用它的血液製成的LAL都有什麼作用?

  LAL可以準確、快速地檢測人體內部組織是否因細菌感染而致病;在製藥和食品工業中,可用它對毒素汙染進行監測血液中的變形細胞(少量,離心得到沉澱白色物)甚至被帶上外太空,偵測有機體及保護太空人免於疾病傷害。鱟的血液在現代生物產業也有舉足輕重的作用,其功能價值在較長一段時間內都具有不可替代性。

  因此鱟如果一旦消失,對現代生物醫學將會有巨大的衝擊。很不幸的是,現有的鱟的生存情況並不好,特別是生活在亞洲地區的鱟:海堤的建設,導致其產卵的海灘面積逐步縮減;海洋的汙染、過度捕撈都成了鱟數量不斷減少的原因,我國廣東 、廣西 、福建等省已將其列入二級保護動物。

  在美國,雖然用於生物醫學用途的鱟最後會被運回海洋,但送回去之後還是會面臨死亡,據估計,每年有5萬隻鱟在被運回沙灘後死去。

被放回海洋的鱟(圖片來源:Andrew Tingle)
被放回海洋的鱟(圖片來源:Andrew Tingle)

  現在,LAL已經成為一個價值數百萬美元的行業。據報導,1夸脫(1夸脫約為0.946升)馬蹄蟹血液價值高達15,000美元,而一套試劑的價格高達1000美元。昂貴的試劑價格以及瀕危的數量都成為了科學家尋找替代LAL的動力。

圖片來源:Timothy Fadek / Corbis / Getty
圖片來源:Timothy Fadek / Corbis / Getty

  替代LAL,科學家想出了這個方法

  現在我們已經知道,C因子導致了鱟的血液有凝結性,只需要找到其相關的基因片段即可。科學家想通過轉基因的技術,將鱟可以與毒素相結合的基因剪切出來,轉移到在實驗室容易生長的酵母細胞中。

  這個思路聽起來很簡單,但試驗的難度是非常大的。因為鱟對細菌毒素極其敏感,在實驗室環境下鱟血動不動就會在試管凝結,因為在正常環境下毒素無處不在,所以製造一個徹底的無菌實驗室就極其必要了。

圖片來源:pixabay
圖片來源:pixabay

  而有一位科學家克服了這些困難。丁玲是新加坡國立大學的分子生物學家,從上個世紀80年代開始,通過十餘年的努力,基於轉基因技術終於開發出了LAL的替代品,第一個非鱟血指試劑測試盒在2003年問世。

  但即使這樣,最初製藥公司對此也沒有多大興趣,究其原因,是這項技術是基於丁玲的個人專利,並且只允許了一家瑞士化學公司Lonza供應這種合成試劑。將來如果Lonza這家供應商倒了怎麼辦?其他製藥企業不是跟著倒大黴了嗎?

在南卡羅來納州查爾斯頓的查爾斯河實驗室,馬蹄蟹被運送出血 (圖片來源:Timothy Fadek / Corbis / Getty)
在南卡羅來納州查爾斯頓的查爾斯河實驗室,馬蹄蟹被運送出血 (圖片來源:Timothy Fadek / Corbis / Getty)

  然而最近一些事情正在發生改變。首先,Lonza不再是唯一的供應商。在2013年,Hyglos成為第二家生產合成因子C的公司。其次,在監管方面,歐洲藥典於2016年增加了因子C作為公認的細菌-毒素測試,這也為藍血試劑的變革鋪平了道路。現在,越來越多的製藥企業加入合成毒素指示劑的製造中。

  也許你會想,鱟這一存活了數億年的古老物種終於可趴在沙灘上,曬著太陽安詳地生活了。但即使製藥企業不再需要鱟,漁民又會將它們用作捕捉蛾螺的誘餌,它們的悲慘命運似乎沒有盡頭。

圖片來源:pixabay
圖片來源:pixabay

  本文由科普中國融合創作出品,蘇振宇製作,中國科學院計算機網絡信息中心監製,“科普中國”是中國科協攜同社會各方利用信息化手段開展科學傳播的科學權威品牌

  參考文獻:

  1。 NUS Enterprise - Industry Liaison Office

  2.The hemolymph coagulation system in invertebrate animals

  3.http://www.horseshoecrab.org/med/timeline.html

  4.https://web.archive.org/web/20130331064211/http://hermes.mbl.edu/marine_org/images/animals/Limulus/Bang/index.html

  5.http://www.appledaily.com.tw/realtimenews/article/new/20141220/527585/

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