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这种细菌几天就能让人毙命,科学家却想用它来止痛

时间: 2021年12月27日 | 作者: 《ob欧宝娱乐app网址-娱乐入口☞ Welcome☜》 | 来源: ob欧宝娱乐app网址-娱乐入口☞ Welcome☜(huanqiukexue.com)
由于致死性,炭疽芽孢杆菌身上一直弥漫着一股恐怖色彩。一些科学家发现,在这种致命细菌杀伤人和动物的背后,或许隐藏着一个解决重要医学问题的方法。


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炭疽芽孢杆菌,它的形态与其他芽孢杆菌相似,但只有它具有如此强的致死性。(图片来源:CDC)


撰文 | clefable

审校 | 二七



最强“休眠体”


一些生物在“变身”后,会变得极其强大。比如芽孢杆菌、梭菌等细菌在遇到严酷的环境时,会产生休眠体——芽孢,这有点类似于一些动物在冬天会进入冬眠状态。而这些细菌的芽孢,在不利环境中生存的能力远高于其他微生物,是抗逆性最强的生物休眠体


芽孢能有多强呢?它凭一己之力限定了生物医学中的灭菌方法。也就是说,如果一种物理或化学方法能将芽孢全部杀死的话,那它也就能杀死所有微生物。芽孢不怕高温、辐射和有毒化学物,一些芽孢可以从诞生的那一刻开始,默默潜伏数十年的时间,直到碰到合适的生活环境后再长成正常的细菌。


1995年,在一篇发表于《科学》的文章中,科学家从一块琥珀内保存的蜜蜂的肠道中分离出了一个芽孢,距今有2500万年~4000万的历史。他们尝试着培养了一下这个芽孢,没想到它居然还活着。这个“芽孢坚强”是由一种名为Bacillus sphaericus的芽孢杆菌产生的。


除了存活能力强之外,芽孢还会带来很大的健康威胁,特别是当这种细菌对人和动物有害时,最知名的莫过于炭疽芽孢杆菌Bacillus anthracis)。炭疽芽孢杆菌能感染人的皮肤、肠道和呼吸道,导致炭疽病,其症状包括皮肤溃烂、腹泻、感冒、胸痛和呼吸急促等。



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炭疽芽孢杆菌感染者的皮肤上出现了黑色、无痛的溃疡。(图片来源:CDC

即使在感染后接受治疗,肠道和呼吸道炭疽芽孢杆菌感染的死亡率也很高最高可达80%。目前最有效的应对方法就是接种炭疽芽孢杆菌疫苗。在一战和二战时期,少数国家将炭疽芽孢杆菌的芽孢制成粉末和喷雾用于战争,给无数平民带来了巨大的伤害。1975年3月,《禁止生物武器公约》正式生效,公约要求缔约国在公约生效后9个月内销毁一切这类制剂、毒素及其武器等。这个公约对于禁止、销毁生物武器和防止生物武器扩散发挥了不可替代的重要作用。


目前,在全球生物安全等级高的实验室中,科学家还会对这些致命病菌进行一些基础生物学和医学研究。近期,在一项发表于《自然·神经科学》的研究中,美国哈佛大学、麻省理工学院和德国科隆大学等机构的研究人员发现,炭疽芽孢杆菌产生的致命毒素,或许能解决一个重要的医学问题:控制疼痛。



缓解疼痛


痛觉是一种很不爽的体验,我们无法忽视它们,通常只能忍受和等待。但这种感觉至关重要,在人的皮肤、肌肉、关节和内脏器官中遍布着一些游离神经末梢,也称为伤害性感受器,它们能帮助我们随时感知热、冷和压力刺激,及时躲避各种危险。


痛觉是可以被操纵的。目前有多种的药物能缓解疼痛,例如阿司匹林、布洛能缓解牙疼、肌肉疼、关节疼和头痛。除此之外,阿片类药物能缓解由癌症和手术导致的强烈疼痛,因此它对于一些患者来说是必不可少的药物。但阿片类药物在抑制疼痛的时候,会使神经系统产生快感,长期使用会有上瘾风险。


由于阿片类药物滥用,很多有轻中度疼痛和慢性疼痛的患者成为了被药物控制的“瘾君子”。据世界卫生组织统计,2015年有超过15万人因为滥用阿片类药物而死亡。在面对这个严重的药物滥用问题时,哈佛大学医学院的科学家尝试从另一个方向找突破口:细菌也能操纵人体的疼痛感知,或许能从中找到镇痛的药物。


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图片来源:Pixabay


2003年,一项发表于《自然》上的研究发现,金黄色葡萄球菌入侵人体时,会通过引发疼痛,来抑制免疫系统的攻击。且细菌数量越多时,人的痛感会越强烈。而炭疽芽孢杆菌却与之相反,它们在感染人体时会释放能阻断疼痛信号的物质,使得感染者的皮肤上出现大面积黑色、无痛的溃疡,有点像是将“麻醉”了。研究人员认为,这两种细菌可能采取了不同的方式躲避免疫系统。


炭疽杆菌能产生3种蛋白质,分别是保护抗原(protective antigen,PA)、水肿因子(edema factor,EF)和致死因子(lethal factor,LF)。PA会与神经元上的受体结合,形成一个孔道,帮助EF和LF进入细胞,造成杀伤性。在新研究中,科学家发现,PA和EF的结合形成的水肿毒素,能与伤害性感受器上的一种受体(ANTXR2,也称为炭疽热毒素受体2)结合,并起到镇痛的作用。


他们对人体多个区域的神经元进行了单细胞测序,发现在人和小鼠的一种特殊的躯体神经元中有很多ANTXR2蛋白。这些神经元位于背根神经节(dorsal root ganglia)——这个区域处于脊髓附近,负责将收集来自身体感受器的全部神经冲动,再将它们传递给脊髓,也就是说这个区域是身体感觉的始发站。


但奇怪的是,在脊髓和大脑中,这种蛋白质却很少见。这也意味着,水肿毒素很有可能在疼痛传递的开始阶段,就能阻断痛觉的传播。如果可以加以利用,无疑是一种很好的缓解疼痛的办法。



小鼠实验


在小鼠实验中,他们将这种毒素注射到小鼠的脊椎尾部,发现在2小时内,无论是高温还是针扎,小鼠都不会产生痛觉。除此之外,这种毒素具有很高的靶向性,不会影响小鼠其他的神经元活动,小鼠的心率、体温和运动协调性都保持着正常水平。


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在人和小鼠的背根神经节存在大量的ANTXR2受体,能和由炭疽芽孢杆菌产生的2种毒性蛋白组合成的水肿毒素结合,缓解疼痛。(图片来源于研究论文)


但如果将水肿毒素注射到其他地方,比如注射小鼠的脚板上,那小鼠就惨了。它会出现长达8个小时的痛觉超敏,一些轻微的刺激就能引发剧烈疼痛。进一步研究证实,水肿毒素也能作用于人背根神经节中的神经元,主要能减轻两类疼痛:炎症性疼痛和神经损伤性疼痛包括创伤、病毒感染、糖尿病和癌症治疗引发的并发症带来的疼痛


但与目前常见的镇痛药物相比,水肿毒素不会有明显的副作用,除非把它注射到了错误的地方。而且水肿毒素影响的神经元依旧是完整的,不会出现神经损伤。研究人员推测,它可能改变了细胞内基因的表达以及一些和疼痛相关的信号通路。但这部分机制还有待深入研究。


最后,研究小组还将水肿毒素设计成了一种载体,利用它来将其他镇痛物质输送到背根神经节区域。其中一种物质是肉毒杆菌毒素,这是一种神经毒素,以能改变神经信号的能力而闻名。两者结合后,也抑制老鼠感知疼痛的能力。研究人员认为,这可能是一种针对疼痛的新型传递系统。


但研究者也警告说,随着研究的推进,必须仔细监测这种毒素治疗的安全性。之所以这么说,是因为除了炭疽毒素本身的毒性外,科学家此前还发现人在遭受炭疽毒素感染时,血脑屏障会被炭疽毒素破坏。而血脑屏障一旦被破坏,那么很多有毒的分子、蛋白和药物都能危害大脑,此时对人体造成的损害恐怕是无法估计的。


轻可止痛,重则殒命。良药能成为剧毒,剧毒也可变成良药。


参考链接:


https://www.eurekalert.org/news-releases/938221 
https://www.nature.com/articles/s41593-021-00973-8
https://en.wikipedia.org/wiki/Dorsal_root_ganglion
https://en.wikipedia.org/wiki/Opiate


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