海葵、水母等海洋生物因为具有刺丝胞（nematocyst）构造，在分类上都属于刺丝胞动物门（Cnidaria）。这些生物的触手分布广泛的刺丝胞，当遇到攻击、防御、或者猎食作用时候，会启动高压弹出刺丝胞内的鱼叉状螺旋丝，并短时间内朝目标物发射神经毒素的机制。
近期美国 Stowers Institute for Medical Research 团队发布于 Nature Communications 一项研究，针对模式生物星状海葵（Nematostella vectensis），提出刺细胞得以利用渗透压、放电刺激快速释放神经毒素的生物力学原理，将来可能有应用于生物体内微量药物精准给药的潜力。
DNA 3D 打印技术，能带来合成 DNA 酵素的新机会？（基因线上国际版）堪称自然界中最强力细胞发射器
过去研究已经得知刺丝胞的运作，是透过细胞内累积渗透压驱动发生，使刺丝胞内的螺旋丝能像强力弹簧一样弹出攻击目标物。以细胞层次而言，刺丝胞发射毒素是自然界中最快的机械过程之一，已知水螅（hydra）刺丝胞发射毒液可在 3 毫秒内完成。
但是由于刺丝胞螺旋丝的结构相当复杂，且涉及极快的放电功能，因此发射机制详细的生物力学原理，在科学界一直是个谜题。
刺丝胞运作的生物力学原理
为了了解海葵刺丝胞运作过程，团队运用 3D 电子显微镜观察染色后的刺丝胞，结合基因剔除（gene knockout） 技术，探讨刺丝胞次结构中，参与储存渗透压能量进而启动瞄准、向目标物发射毒物的功能部位。
结果发现，海葵发射刺丝胞可以分成 3 个不同阶段。第一阶段是刺丝胞中灌入水分，累积渗透压能量。第二阶段是螺旋丝释放出细胞外，形成中间环绕神经毒素物质的鱼叉型三螺旋结构。最后的第三阶段，则是三螺旋结构向外翻转、使神经毒素向目标物发射。
这项研究详细分析了刺丝胞运作的生物力学原理，以及细胞内能量转换的过程。研究团队表示，将来刺丝胞在生物医药领域有应用于仿生设计的契机，例如微型药物传递物、或者植入式医材设备，都可以以单一细胞作为基本运作单位，更精准有效发挥功能。
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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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