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2019-08-16抗菌物質的新選擇－生物多胺製成的抗菌材料 452 期

Author 作者林翰佑／臺灣大學獸醫學系副教授；林翰佳／海洋大學生物科技學系教授。

在人類所處的世界中，到處都有細菌的存在。其中，有些細菌對於人畜會造成很大的傷害，例如金黃色葡萄球菌、沙門氏桿菌等；輕則上吐下瀉、發冷畏寒、呼吸不順或皮膚潰爛，重則危害生命。在1928年弗萊明（Alexander Fleming）發現青黴素（Penicillin）前，醫生在面對細菌感染時能做的治療十分有限，因此患病後的存活率也不高。

自從抗生素陸續被發現後，對抗細菌的侵襲有了全新的醫療方法。抗生素主要是由微生物（包括細菌、真菌、放線菌屬等）代謝所產生，具有抑制其他細菌的生理現象，例如細胞壁合成、核酸複製或蛋白轉錄等，以達到抑制或殺死細菌的效果。由於具有效果明顯、副作用低且使用方便等優點，抗生素的使用快速地拓展到全球各地，人類的醫療也開始進入了一個嶄新的「抗生素時代」。在這個時代中，可以有效地控制或治療細菌性疾病，使得存活率以及生活品質大幅度的上升，而禽畜及水產動物也因為疾病控制而得以量產，且品質大幅提升。

當細菌對抗生素「免疫」時⋯⋯

然而，生命總是出人意料，在人類使用抗生素對付細菌的同時，細菌也開始演化出對抗細菌的方法，包括增加排出進入體內抗生素的主動運輸能力，以及產生分解抗生素的酵素以降低抗生素影響。這些細菌使得殺死或抑制它們生長需要更高的抗生素濃度，甚至沒有效果，因而產生出了抗藥性的細菌。

這些抗藥性細菌的出現，對人類目前的生活將產生很大的衝擊，影響包括農牧水產業的生產，以及人類的公共衛生，甚至生命安全。透過最近的新聞，可以知道這些影響已經慢慢地發生中。

人類要如何才能克服抗藥性細菌對我們的影響呢？當務之急是減少抗生素的濫用。在應用實務上，並不是一種抗生素就可以對抗所有的細菌。因此，如果使用不正確的抗生素，不但達不到殺滅細菌得效果，反而在環境中對環境細菌刺激，促進其產生抗藥性。因此，對於抗生素的使用必須有所限制，以確保其能在必要的狀況被正確的使用，減少抗生素對環境的衝擊，延緩抗藥性菌的產生。

滅菌的另一種可能性：多胺

目前，世界各地的農牧或醫療法規，對於抗生素的使用限制越來越嚴格，例如需要醫師或獸醫師處方後才能取得及使用、禁止為了促進動物成長在動物飼料中添加抗生素等措施，即是著眼於此。除科學家研發抗生素替代物以供人類醫療外，畜牧及農業使用，也是目前科技業努力的方向。

所謂抗生素替代物，即是運用異於傳統抗生素殺滅細菌的方式來抑制細菌的成長，殺滅細菌以降低人類對於抗生素的依靠。其實在自然界中，除了微生物所產生的抗生素外，也有其他的物質具有抗菌的能力（包括細菌的病毒—噬菌體），其會寄生於細菌中殺滅細菌、細菌間的群體感應分子可以抑制細菌的生長／益生菌來與病原菌競爭生物資源或是動植物／中草藥中的抑菌成分等，刺激動物非特異性免疫反應以增加對疾病的抵抗力，以及利用奈米銀等抗菌物質進行抗菌等。然而，目前這些方法有些需要在較高濃度下才能具有抗菌能力，有些則在使用上有許多限制，有些則對於物理化學（例如較高溫度）處理十分敏感，有些則對於活體生物毒性較高等等。目前尚未有單一物質可以取代抗生素，因此相關研究仍在持續進行中。

本文將介紹目前一個新穎抗菌材質研發成果，用生物性的多胺（polyamine）作為材料所製成的抗菌材料。多胺是一種具有兩個或多個主要胺基（-NH2）的有機化合物。在動植物及微生細胞中也有許多不同的多胺類分子存在，這些多胺可由細胞自行合成，參與包括調節基因表現、細胞生長、螯合劑及離子通道等多種生理反應。

面對抗藥性的終極反擊？

多胺類分子在過去的研究中被證明具有些微的抗菌作用，甚至與抗生素並用時，可以增強抗生素的抑菌效果。然而，透過新穎的加工過程，可加強生物多胺的抗菌效果。在對於不同的細菌，如格蘭氏陰性的大腸桿菌、綠膿桿菌以及格蘭氏陽性的金黃色葡萄球菌與枯草桿菌等，以其最小抑菌濃度（minimalinhi bitory concentrations, MIC）單獨使用生物多胺，有些微的抗菌作用，然而透過加工後，抑菌能力提高了2500倍（圖一）。同時，在對具抗藥性的耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）時，其抗菌能力也與其餘細菌無異。
此結果顯示，以生物多胺所製成的抗菌材質對抗細菌的能力，不會受到細菌是否具有抗藥性影響。進一步透過電子顯微鏡觀察，發現在與細菌作用後，細菌會發生破裂崩解的現象，意即生物多胺所製抗菌材質的主要殺菌機制為裂解細菌的外殼。

圖一：生物多胺所製成抗菌材質的抗菌效果。在對於不同的細菌，如格蘭氏陰性的大腸桿菌、綠膿桿菌及格蘭氏陽性的金黃色葡萄球菌、枯草桿菌，其最小抑菌濃度示意圖。

而不同溫度與酸鹼度下的反應結果則顯示，在200°C、pH3~10的環境下並不會影響抗菌效能（圖二），這種對於環境具有高耐受性的抗菌特性，有利於材料後續的加工處理，具有很高的應用潛力。

圖二：生物多胺所製成抗菌材質的抗菌效果，材料在不同的物理條件下，皆可維持其良好的殺菌能力。圖左為試驗組、圖右為對照組，顯示使用抗菌材料的培養基沒有任何菌落生長於其上。（作者提供）

加工抗菌材質的效能實測

為證明此種抗菌材質在生醫與農牧業的應用潛力，研發團隊在不同領域的應用中進行研究。

在應用於生物敷料時，團隊添加生物多胺所製成的抗菌材質於實驗動物的傷口上。結果發現，傷口上的細菌數目明顯降低，而傷口癒合的速度較快；就組織學的觀察來看，傷口的癒合程度也比較好。在另一個生物多胺所製成的抗菌材質、抗生素以及奈米銀的比較研究中顯示，健康眼角膜中使用生物多胺所製成的抗菌材質以及抗生素並不會造成發炎或其他不良的組織反應，而奈米銀則會對眼角膜造成刺激性的影響。在實驗動物中，眼角膜感染病原菌後分別用三種物質治療，結果生物多胺所製成的抗菌材質僅需抗生素的1／10劑量即可阻止細菌侵襲，而奈米銀則無法滲入組織中治療感染。這些結果顯示應用生物多胺所製成的抗菌材質在控制傷口感染及外用上，可替代抗生素的使用，對於組織接觸沒有刺激或其他不良的反應且效果十分良好。

水產品及農牧方面的應用潛力研究，則在不同的動物上進行試驗。在白蝦試驗中，先將生物多胺所製成的抗菌材質添加在蝦飼料中，餵食7日後開始以浸泡方法感染病原弧菌，結果發現食用抗菌材料的蝦子可以多出30~40%的存活率。在另一個試驗中發現，生物多胺所製成的抗菌材質除了有對抗細菌性病原外，對於蝦子的病毒性病原白點病毒，也有一定程度的抑制能力。而在魚類的試驗中，以石斑魚作為實驗動物的試驗中也顯示，以添加在飼料的方式給予生物多胺所製成的抗菌材質，再以病原性弧菌攻擊，發現實驗組可以增加約30~40%的存活率，類似的試驗結果也出現在吳郭魚的病原性鏈球菌攻擊試驗。在肉鴨的試驗中，則是在抗生素停藥期中添加於飲水中作為抗生素的替代物。結果可以在停藥期中增加約30%的鴨隻存活率。這些結果都顯示在水產及蓄牧業中使用生物多胺所製成的抗菌材質，將可以有效增加動物的存活力，以減少疾病所帶來的損失。

抗生素替代物質研究，一路前行

然而，在食物中使用生物多胺所製成的抗菌材質，是否會對生物體本身，或是人體造成不良的影響？首先，抗菌材料所使用的生物多胺，本身即是細胞中的物質，對人畜無害。不過為了進一步證明，研究團隊委託第三方實驗室對於生物多胺所製成的抗菌材質進行急性毒性、慢性毒性以及基因毒等多項生物安全檢查，這些檢驗皆一一通過，證明材料的安全性沒有問題。

鑑於生物多胺所製成的抗菌材質有效與安全的特性，為目前所知具有潛力的抗生素替代物質，因此研究團隊開始對於此一新穎材料進行應用上的準備，其中包括量產製程的研發、製造成本的優化以及在不同農漁牧物種間的實際田間試驗，包括重要的經濟魚種吳郭魚、午仔魚、石斑魚、白蝦以及其他禽畜動物，盼能在農漁牧業開始推廣，以實際減少目前在產業中使用抗生素的現況，進一步改善目前食安上所面臨的困境。

展望未來，這項產品除了應用在禽畜產業上，同時將有可能應用於生物醫材、化工塗料、紡織、健康食品、藥物及其他對抗菌有高度需求的使用上。對於解決抗生素抗藥性的問題，提供另一個抗菌物質的新選擇。

〔誌謝〕感謝科技部價創計畫的支持，使得此產品化得以開始進行。