海葵、水母等海洋生物因為具有刺絲胞（nematocyst）構造，在分類上都屬於刺絲胞動物門（Cnidaria）。這些生物的觸手分佈廣泛的刺絲胞，當遇到攻擊、防禦、或者獵食作用時候，會啟動高壓彈出刺絲胞內的魚叉狀螺旋絲，並短時間內朝目標物發射神經毒素的機制。
近期美國 Stowers Institute for Medical Research 團隊發佈於 Nature Communications 一項研究，針對模式生物星狀海葵（Nematostella vectensis），提出刺細胞得以利用滲透壓、放電刺激快速釋放神經毒素的生物力學原理，將來可能有應用於生物體內微量藥物精準給藥的潛力。
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過去研究已經得知刺絲胞的運作，是透過細胞內累積滲透壓驅動發生，使刺絲胞內的螺旋絲能像強力彈簧一樣彈出攻擊目標物。以細胞層次而言，刺絲胞發射毒素是自然界中最快的機械過程之一，已知水螅（hydra）刺絲胞發射毒液可在 3 毫秒內完成。
但是由於刺絲胞螺旋絲的結構相當複雜，且涉及極快的放電功能，因此發射機制詳細的生物力學原理，在科學界一直是個謎題。
刺絲胞運作的生物力學原理
為了瞭解海葵刺絲胞運作過程，團隊運用 3D 電子顯微鏡觀察染色後的刺絲胞，結合基因剔除（gene knockout） 技術，探討刺絲胞次結構中，參與儲存滲透壓能量進而啟動瞄準、向目標物發射毒物的功能部位。
結果發現，海葵發射刺絲胞可以分成 3 個不同階段。第一階段是刺絲胞中灌入水分，累積滲透壓能量。第二階段是螺旋絲釋放出細胞外，形成中間環繞神經毒素物質的魚叉型三螺旋結構。最後的第三階段，則是三螺旋結構向外翻轉、使神經毒素向目標物發射。
這項研究詳細分析了刺絲胞運作的生物力學原理，以及細胞內能量轉換的過程。研究團隊表示，將來刺絲胞在生物醫藥領域有應用於仿生設計的契機，例如微型藥物傳遞物、或者植入式醫材設備，都可以以單一細胞作為基本運作單位，更精準有效發揮功能。
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1. Nature Communications, 2022; https://www.nature.com/articles/s41467-022-31090-0
2. https://www.eurekalert.org/news-releases/956829
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