讓螃蟹幫你乎乎——幾丁質與其衍生物對傷口的影響

責任編輯/汪郁馨

核稿編輯/林翊庭

圖說美編/鄭楚穎


難度:★★★☆☆

應備知識:基礎化學知識、基礎生物知識

連結大學:免疫學、病理學


人體皮膚是抵禦外界的第一道防線,但當我們因為挫傷、割傷等因素產生了傷口,這道防線就失去了效果。此外,若傷口沒有悉心照料導致感染,除了影響傷口本身的癒合時間,更嚴重的話還會造成敗血症。因此,傷口敷料(wound dressing)便負起了保護傷口本身和替代皮膚防禦功能的責任。也因為敷料需要具備這些功能,理想的傷口敷料通常會有幾個特點:維持濕潤環境、吸收多餘滲出液、允許氣體交換等等。然而,一種傷口敷料要同時滿足所有條件有點困難。不過,有個耳熟能詳的物質不但符合了所有的要求,更難能可貴的是,它還具有抗菌和促進傷口癒合的作用,它就是——海鮮餐廳桌上那些蝦殼堆裡含量豐富的——幾丁質!以下的電子報將介紹:幾丁質與其衍生物為甚麼具備抗菌和促進癒合這兩大神奇的功能,以及這些外掛功能如何讓它成為一種理想的傷口敷料。

幾丁質的小檔案

  大家對幾丁質(chitin)應該不陌生,在國高中的課本裡都提過:幾丁質,又稱甲殼素,是一種多醣類聚合物。甲殼動物、節肢動物、軟體動物等生物的外骨骼,還有真菌類的細胞壁,都含有豐富的幾丁質。在天然的多醣類中,幾丁質的含量僅次於纖維素。而它是由許許多多的N-乙醯葡萄胺糖(N-acetylglucosamine,葡萄糖+胺基=胺醣)聚合而成的。因為幾丁質有許多取代基,所以可以產生五花八門的衍生物,例如幾丁質透過去乙醯基反應後得到的產物稱為幾丁聚醣(chitosan),無論是在研究或是實際應用中,都比幾丁質更頻繁被利用。

幾丁質是天然物質,具有許多生物活性,如生物相容性(不容易對人體產生毒性、致癌或過敏等不良反應,就是生物相容性)、生物可分解性、生物黏著性、無毒性等,使幾丁質和衍生物被廣泛地運用在各個領域中,從食品加工的香腸腸衣、農業的肥料,到保健食品的減肥神藥,真的是包羅萬象。但本篇電子報還是要聚焦在它應用於生醫產業的傷口敷料時,所擁有的神奇作用。以下主要會以幾丁聚醣為例,進一步的談談幾丁質作為傷口敷料時,那些神奇作用背後的機制。

幾丁聚醣的超能力1——抗菌機制

  幾丁質家族之所以能抗菌,普遍認為是帶正電的幾丁質分子與帶負電的細胞成分交互作用的結果。在酸性環境下,幾丁聚醣的胺基會獲得一個氫離子,使整個分子帶正電,因此能與細胞內帶負電的部分結合,阻礙正常功能。舉例來說,革蘭氏陽性菌的細胞壁含有帶負電的磷壁酸(teichoic acids),而革蘭氏陰性菌的細胞膜則有脂多醣(Lipopolysaccharide),也帶著負電。於是,大分子的幾丁聚醣會與細胞壁或細胞膜結合,改變細胞膜的通透性,使細胞內容物釋出。大分子幾丁聚醣進不去細胞內,所以在外面產生作用,幾丁寡糖則可以通過細胞膜進入核內,與帶負電的DNA、RNA結合,阻礙mRNA和蛋白質的轉錄、轉譯,因而造成細菌的死亡,這是幾丁聚醣抗菌的第一招。

如果作用環境的pH值較高,不足以讓胺基質子化,幾丁聚醣還有第二種招式來對付病菌,就是「螯合(Chelate)」。剛剛提到,革蘭氏陽性菌和陰性菌的細胞壁和細胞膜都有帶負電的成分,因此會吸引帶正電的金屬離子,尤其是二價陽離子。如果幾丁聚醣的胺基沒有被質子化,就能吸引金屬離子與之結合,這個抓住金屬離子的動作稱作「螯合」。如此一來,不但細胞壁或細胞膜因缺少金屬離子而結構不穩,許多酵素作用過程中,也缺少了金屬離子作為輔因子而影響細胞的代謝。

以上就是幾丁質和幾丁聚醣的抗菌機制。目前仍有其他的論點正在被研究中,但其實,僅僅只靠正負電荷的交互作用,還是達成了顯著的殺菌、抗菌效果,也是幾丁質在生醫產業界開始風行的原因之一。

人體傷口的修復過程[3]

  上一段我們介紹完幾丁聚醣的抗菌機制,但幾丁質在傷口敷料的產業中這麼受到重視,其實是因為它能主動促進傷口的癒合,而非像其他材料只能被動的確保周圍環境適合傷口復原。有些人可能會想:「就只是一個小擦傷而已,能不能主動促進癒合真的這麼重要嗎?」然而,組織修復遠比我們想像的複雜許多。想了解幾丁質怎麼促進癒合,就先來一窺傷口破洞內那個忙碌小宇宙吧!(人體器官組織種類眾多,傷口也有很多種,以下著重於表皮外傷的修復過程,如擦傷、割傷、燒燙傷等等。)

止血(Hemostasis)是傷口修復的第一步,而且大家第一個念頭也許都會想到血小板塞住血管破損處的畫面。但在血小板發威之前,血管收縮才是第一個步驟,雖然很快速又有效,但持續時間並不久,因此血小板(platelet)和血纖維蛋白(fibrin)緊接著沉積,後者形成的網狀結構還能將路過的血球和各式細胞激素(cytokine)留下,引發接下來的發炎反應。

發炎(Inflammation)的目的是為了去除外來病原體或體內有害物質。整個發炎過程還可以再分成兩階段:早期以嗜中性白血球(Neutrophil)為主,晚期則以巨噬細胞為主。嗜中性白血球為所有白血球種類中最多的,因此在抵抗微生物上非常重要。吞噬作用和釋放蛋白酶是嗜中性球殺死病菌最主要的兩個手段。除此之外,它們還會釋出趨化因子,吸引更多血球來參與發炎反應,以加速清除病菌的速度。

在傷口發生後大約3天,巨噬細胞會取代嗜中性白血球成為傷口處主要的細胞。吞噬病原體或細胞碎片是巨噬細胞最廣為人知的功能,但除了免疫的功能,巨噬細胞還能合成生長因子,如TGF-β、TGF-α、FGF、PDGF、EGF、VEGF[註1]……將組織修復推進到下一個階段——增生。

受到眾多生長因子的刺激,增生(Proliferation)在受傷3天後如火如荼地展開。像是EGF(上皮生長因子)會刺激皮膚的上皮細胞分裂、VEGF(血管內皮生長因子)刺激血管的重建。除了細胞數量的增生,他們的排列順序、穩固與否也是很重要的,因此TGF-β或FGF這類生長因子就會刺激胞外基質(extracellular matrix)的產生,讓細胞能夠依循著胞外基質生長,並加強細胞與細胞間的連結。從增生期到傷口完全癒合之間,還有許多的步驟,像是重塑(Remodeling)、成疤(Scarring),但到增生期為止,傷口組織修復的過程算是告了一段落。

幾丁質的超能力2——幫助傷口癒合的方法[1][4]

  雖然詳細機制還沒被研究透徹,但幾丁質家族介入了組織修復的每個步驟,從每個細節幫助傷口的癒合。舉例來說,幾丁聚醣對止血的影響,就是以它的正電荷吸住負電的血球,除了提高血液的黏滯性,也能加速凝血形成血栓的過程。

幾丁質家族會對參與在發炎反應中的所有物質產生影響,包括細胞激素、免疫細胞、趨化因子等等。有研究顯示幾丁聚醣會刺激NLRP3發炎小體(inflammasome)的活化,啟動下游的訊息傳導,而使一些會促進發炎反應的細胞激素被釋放出來。更多研究則利用實驗組與對照組的方法,發現幾丁聚醣可以加強巨噬細胞、白血球的活性。簡而言之,幾丁聚醣可以透過增加發炎因子、活化發炎細胞等方法來加速發炎反應的進行,讓傷口可以更快的進入增生期。

而幾丁聚醣對細胞增生的加強效果更不在話下。幾丁質和幾丁聚醣會促使血小板釋出PDGF和TGF-β,並且促進纖維母細胞的增生。纖維母細胞的功用就是合成纖維蛋白,形成大部分的胞外基質。纖維蛋白組成的胞外基質和幾丁聚醣本身的構造,都能化身成為一個骨架,讓新生的表皮細胞、肌肉細胞、血管內皮細胞等可以依序生長,讓傷口長得既快速又整齊。

傷口癒合是人體會自然而然發生的反應,在正常人身上沒有甚麼問題。但在特定的族群例如糖尿病患者身上,傷口癒合的過程變得很漫長,甚至永遠好不了,傳統的傷口敷料能幫上的忙就很有限。幾丁質、幾丁聚醣或其他衍生物,具備良好的生物活性不會跟人體細胞產生反應,讓它們成為傷口敷料的新種類,而它不需要藥物等外在物質,本身就具有抗菌功能,加上能夠做到其他敷料做不到的事,也就是促進傷口癒合,使得幾丁質成為生醫產業界的關注對象。隨著研究增多,更多機制被完善確立,其在傷口敷料上的應用也可以更完整,讓糖尿病患者的傷口,還有常常無緣無故跌倒、很倒楣的你的傷口,都能被良好的照顧。

看完文章後,你應該會知道:

  1. 幾丁聚醣透過與細胞壁/膜結合改變通透性、與DNA、RNA結合干擾蛋白質合成、與金屬離子螯合影響酵素作用等方式,達到抗菌的效果。

  2. 人體表皮出現傷口時,大致的修復過程為:止血、發炎、增生,每個過程涉及多種細胞和激素參與其中。而幾丁質或幾丁聚醣透過與這些細胞和激素的刺激或強化來加速每個過程,使傷口更快速癒合

  3. 幾丁質為天然物質具有生物活性,適合作為傷口敷料,而抗菌和促進傷口癒合的功能,讓它更適合應用於癒合狀況不良的傷口,為外傷病患的一大福音。

[註1] 參考來源:Robbins & Cotran Pathologic Basis of Disease, Tenth Edition

參考資料:

[1] Matica, M. A., Aachmann, F. L., Tøndervik, A., Sletta, H., & Ostafe, V. (2019). Chitosan as a wound dressing starting material: Antimicrobial properties and mode of action. International journal of molecular sciences, 20(23), 5889.

[2] Dai, T., Tanaka, M., Huang, Y. Y., & Hamblin, M. R. (2011). Chitosan preparations for wounds and burns: antimicrobial and wound-healing effects. Expert review of anti-infective therapy, 9(7), 857-879.

[3] Reinke, J. M., & Sorg, H. (2012). Wound repair and regeneration. European surgical research. Europaische chirurgische Forschung. Recherches chirurgicales europeennes, 49(1), 35–43.

[4] Liu, H., Wang, C., Li, C., Qin, Y., Wang, Z., Yang, F., ... & Wang, J. (2018). A functional chitosan-based hydrogel as a wound dressing and drug delivery system in the treatment of wound healing. RSC advances, 8(14), 7533-7549.


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