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就是那個光:1903年第三屆諾貝爾生理學醫學獎得主Niels Ryberg Finsen的文章回顧

hemmings
・2013/04/22 ・2074字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 514 ・六年級

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文 / Hemmings Wu(比利時魯汶大學博士生,醫學背景,專攻功能神經外科/神經科學)

Niels Ryberg Finsen

第三屆諾貝爾生理學/醫學獎,於1903年頒給了丹麥醫師/醫學家Niels Ryberg Finsen。
他使用集中光治療疾病、特別是針對皮膚結核取得的重大突破,為醫學界開啓了光療(phototherapy or light therapy)這項嶄新的學科。

1901年出版的《Phototherapy》可說是Finsen生前發表的重要論文的英譯版集大成。其中又以第三章「The Treatment of Lupus Vulgaris by Concentrated Chemical Rays」(集中化學光線治療皮膚結核)影響最深遠。

注:chemical rays(化學光線)是紫外線的舊稱,而heat rays(熱光線)是紅外線的舊稱。為方便讀者理解,後文將以「紫外線」、「紅外線」稱呼。

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Finsen, Niels. Phototherapy. Edward Arnold, 1901.

Finsen首先在文章裡提到在他之前的科學家就已經發現光線具有殺菌作用,也開始使用集中光治療皮膚結核,效果卻都有限。在回顧了前人的研究以後,Finsen認為過去所使用的光線強度都不夠。然而,若要提高光線強度同時保持一定光療時間長度,首先必須要克服的障礙是紅外線及近紅光長期照射組織造成的燒傷。針對這個問題,Finsen使用了藍色的硫酸銅氨溶液(ammoniacal solution of sulphate of copper)或甲基藍溶液作為濾鏡,將紅外線及近紅光過濾。其次,雖然太陽光是最好的光源,但畢竟太陽光的利用時間有限,在條件限制下必須用人造光源取代太陽光。經過實驗,Finsen決定使用電弧燈(voltaic arc)作為人造光源,因為白熾燈(incandescent lamps)的紫外線量太低。

針對太陽光源,Dr. Finsen使用了如上圖這個裝置。圖中是一個空心平凸透鏡,其內裝有硫酸銅氨溶液。 Finsen, Niels. Phototherapy. Edward Arnold, 1901.
因為人造光源是發散光而非如太陽光的平行光,因此必須使用如上圖更為複雜的裝置。其中1號、2號透鏡接收到人造光源後可將發散光轉換為平行光,而3號、4號透鏡則起到聚光效果,最後再由充滿硫酸銅氨溶液的容器起到濾光效果。 Finsen, Niels. Phototherapy. Edward Arnold, 1901.

同時,Finsen還做了兩個小實驗。其一,先用上述方法得到的紫外線照射細菌培養皿,證明其確實具有殺菌效果,而且聚光越強,效果越明顯。其二,Finsen意外發現在缺血情況下,紫外線穿透局部組織的效果更好(因為血液會阻擋紫外線)。為此Finsen又發明了以下設備。

將纏有彈力帶的玻璃壓在患部皮膚上,可以起到引起局部組織缺血的效果。 Finsen, Niels. Phototherapy. Edward Arnold, 1901.

緊接著,Finsen開始了臨床實驗。

Finsen讓皮膚結核患者每天接受1-2小時的紫外線光療,光療集中在1-3釐米直徑的圓形範圍內,待該患部出現好轉後再將治療區域轉到其他患部如此逐點治療。

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Finsen一共治療了59名患者,其中58名患者臨床症狀都出現明顯緩解:23名患者痊愈,30名患者還在療程中,剩餘6名因為非醫療因素提前放棄接受治療。

Finsen也指出這個治療方案最大的缺點是十分耗時,有時候需要花3-4個月時間才能見到療效,但Finsen相信未來改良紫外線裝置後,可以縮短療程。

Screen Shot 2013-04-21 at 下午5.38.28
使用集中紫外線治療皮膚結核前(左)後(右)的對比照片。 Finsen, Niels. Phototherapy. Edward Arnold, 1901.

至此,Finsen證明集中紫外線有良好的殺菌效果,而且應用在治療皮膚病,比如皮膚結核上,有良好療效。「紫外線可以殺菌」是我們現在認為是再普通不過的常識,但在一百多年前,在Finsen完成他的「Finsen light裝置」之前,醫生面對皮膚結核患者始終束手無策。Finsen的重要發明、發現,不僅為皮膚結核和其他皮膚病患者帶來希望,同時也撬開了醫學界光療這扇重要學科的大門。

從Finsen的實驗過程可以發現,傑出的醫學家,不僅僅是「只懂看病的醫匠」;他們懂物理、化學原理,會自己動手設計治療裝置,踏著前人走過的路去思考未來實驗方向,想方設法去治療尚未找到根治方法的疾病。

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遺憾的是,在Finsen獲得諾貝爾獎後隔年(1904年)就因病逝世,年僅43歲。其實他年輕的時候身體狀況就一直不好,但他並沒有因此而放棄醫學研究。在他逝世之前,他還發表了一篇研究低鹽飲食和健康關係的論文。孜孜不倦、才華洋溢卻英年早逝,相當令人惋惜。

最後,想在此分享Finsen生前描述自己心路歷程的一段話:

“My disease has played a very great role for my whole development… The disease was responsible for my starting investigations on light: I suffered from anaemia and tiredness, and since I lived in a house facing the north, I began to believe that I might be helped if I received more sun. I therefore spent as much time as possible in its rays. As an enthusiastic medical man I was of course interested to know what benefit the sun really gave.”

住在靠近北極圈法羅群島(Faroe island)朝北的房子裡,體弱多病的Finsen相信太陽光可以改善自己的健康狀況,才因此開始了光療相關的醫學研究。

「就是那個光!」不知道讀者以後在沙灘上曬太陽、或者看到紫外線燈管時,是否會想起Finsen和他的研究,而在心中發出如此驚歎呢?

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對Finsen和他的光療研究有興趣的讀者,不妨到這裡去閱讀Finsen《Phototherapy》的原文英譯本。

此篇回顧原文刊載於此

備註:文中圖片作者不具有版權。如有侵犯版權/著作產權之行為,請即刻與作者聯繫。
I do not own the copyrights to the images in this article. If you believe any content appearing constitutes a copyright infringement of another party’s right, please contact me immediately to notify of this infringement.

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hemmings
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認為科學必須從基礎紮根,相信經典必有其價值和意義。 通過介紹諾貝爾大師們的研究工作和嚴謹態度,在大眾科學的汪洋中推廣經典科學理論以及科學精神的重要性,並冀望藉此能讓讀者以一個更寬廣的角度來欣賞現代社會之包羅萬象。

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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2021 年諾貝爾生理學或醫學獎,史上最「有感」的得獎研究!ft. 陳志成博士【科科聊聊EP61】
PanSci_96
・2021/10/15 ・2173字 ・閱讀時間約 4 分鐘

2021 年諾貝爾生醫獎得主 David Julius 和 Ardem Patapoutian。圖/Niklas Elmehed

眾所期待的 2021 諾貝爾生醫獎得獎人出爐!朱里雅斯(David Julius)找出辣椒素受體,揭曉熱痛感是怎麼來的;帕塔普蒂安(Ardem Patapoutian)則發現對機械力敏感的離子通道,並證明它無所不在的重要性。

泛泛泛科學邀請到中央研究院的陳志成老師。研究「酸覺」的他,與熱痛感、機械力受體可說是息息相關,他還主張「酸覺」和「痛覺」是不同的感覺!接下來就跟著他一起剖析本屆的諾貝爾生醫獎研究,探討奇妙的身體感覺。

本次專訪感謝 台灣科技媒體中心 的協助。

  • 01:44 Julius 與 Patapoutian 的研究

David Julius 的研究是找到辣椒素受體 1(TRPV1),它具有識別皮膚神經末梢中「熱」的功能;Ardem Patapoutian 是發現可以對皮膚和內部器官中的機械力刺激做出反應的機械力受體(Piezo1、Piezo2),公開了力學刺激也會連結到對應受體的神秘面紗。

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延伸閱讀:

The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2021

2021諾貝爾生醫獎記者會 會後新聞稿

【2021諾貝爾生理或醫學奬】為何會有「熱熱的、刺刺的」感覺?溫度與觸覺受體的發現

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  • 02:54 關於痛覺來源的三種理論:辣椒素受體、熱痛、酸

有三種刺激可以活化痛感的神經,而這三種會對本體感覺產生反應的分別是辣椒素受體(主要由英國人所支持)、熱痛感、酸感。

  • 08:39 David Julius 選擇辣椒素來了解痛覺

David Julius 過去曾經分析過辣椒素如何引發接觸辣椒時的灼燒感,因此開啟了他後續的研究,最後獲得這次諾貝爾獎榮譽。

其實有許多科學家都在尋找辣椒素受體,但可惜都未在 David Julius 發現前找到。

  • 13:52 志成老師曾和辣椒素受體擦肩而過

志成老師過去在英國唸書時,他的指導教授也在尋找辣椒素受體。但在研究過程中,因為研究方法的篩選,錯過了辣椒素受體,可能也和諾貝爾獎擦肩而過。但是也因為那份研究,才讓本來想研究細胞凋亡的志成老師轉換跑道,開始研究酸痛感覺的離子通道。

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  • 18:10「痛」不只一種,不同溫度就有不同痛!

在 David Julius 的研究中,發現到辣椒素受體 1(TRPV1),會在溫度大於攝氏 43 度時被活化。之後 Julius 的研究團隊還發現了會被低溫激發的 TRPM8 受體。透過這些研究,他們因此確認許多受體會因為溫度差,而在神經中產生不同的信號。

  • 24:03 為什麼其他學者找不到辣椒素受體?

早期研究人員所使用的研究方式雖然能夠量測很微弱的細胞電生理訊號,雖然可以知道離子通道存在,但像在大海撈針,難以準確地找到特定的離子通道。而 David Julius 的研究團隊,調整了研究方法,藉由鈣離子影像技術,雖然比較不敏感,但卻能更快的找到辣椒素受體。

  • 28:44 Ardem Patapoutian 發現對機械力敏感的離子通道

Patapoutian 是研究和機械性觸覺有關的機制。在我們的皮膚和內臟中,有類似壓電感測器的機械力受體(Piezo)。而研究團隊找到了 Piezo1 和 Piezo2 兩組離子通道,這兩組通道也被證明,是能調節人類部分的生理現象。

  • 39:08 志成老師用老鼠找出「酸感」的離子通道

志成老師團隊仿過去的德國研究研究,對有纖維肌痛(fibromyalgia)的老鼠注射不同劑量的高滲葡萄糖鎮痛劑、可以觸發「酸感」的生理食鹽水。最後發現,這樣的葡萄糖增生注射療法(Dextrose Prolotherapy)可以緩解纖維肌痛的症狀,且能對其他慢性疼痛病提出見解。

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延伸閱讀:

A role for substance P and acid-sensing ion channel 1a in prolotherapy with dextrose-mediated analgesia in a mouse model of chronic muscle pain

  • 45:43 志成老師提出:酸覺和痛覺是不同的感覺

所謂的「酸痛」是「酸」還是「痛」?酸與痛是同一種感覺還是分開的呢?志成老師發現「酸」可以止「痛」,因此他大膽提出「酸覺理論」,主張酸覺和痛覺是不同的感覺。

延伸閱讀:

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感覺的故事:痛覺與本體感覺| CASE報科學

酸痛是怎麼一回事? – 談痛覺分子生物學與酸的受體分子

  • 53:53 你說的酸(sng)是什麼感覺?

「Sng」是指非傷害性的酸痛,也是由台語「酸」所轉變而來的名詞。志成老師與他的研究團隊提出「sngception(sng-ception)」的概念,來描述體感神經系統對組織周圍酸中毒的反應,並將「sng」與傷害性的酸痛分開來。

延伸閱讀:Sensing acidosis: nociception or sngception?

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  • 59:08 史上最「有感」的諾貝爾生醫獎

看完本次諾貝爾生醫獎的內容,希望能有更多人才投入研究離子通道。當這些對應感覺的離子被一一區分開後,除了能促進我們將自己的感覺說明地更清楚,也能對消炎與止痛等治療方法,提供更多的研究解決方向。

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【2021諾貝爾生理或醫學奬】為何會有「熱熱的、刺刺的」感覺?溫度與觸覺受體的發現
PanSci_96
・2021/10/04 ・1977字 ・閱讀時間約 4 分鐘

  • 內容編譯自諾貝爾奬新聞稿,亦同時感謝台灣科技媒體中心的協助。

2021年諾貝爾生理或醫學獎(Physiology or Medicine)得主,於台灣時間4日下午5點30分正式揭曉!本次生醫獎由美國生理學家朱里雅斯(David Julius)及帕塔普蒂安(Ardem Patapoutian)共同獲獎,他們的研究首度發現了「人類神經系統的溫度和觸覺受體」。

人類感受冷熱及觸覺的能力是與生俱來、且對生存而言是至關重要的能力。但關於「溫度和機械性刺激如何在神經系統中轉化為電信號?」(外在刺激如何轉為生理感受的機制)一直是懸而未解的難題。

朱里雅斯利用辣椒素( capsaicin)來識別皮膚神經末梢中對「熱」有反應的受體;帕塔普蒂安則使用壓敏細胞(pressure-sensitive cells)發現了新型受體,可以對皮膚和內部器官中的機械力刺激(mechanical stimuli)做出反應,讓我們知道力學的刺激也會連結到對應的受體。

「辣椒素」如何產生灼熱感?

在 1990 年代後期,加利福尼亞大學舊金山分校的朱里雅斯,通過分析辣椒素如何引發接觸辣椒時的灼燒感,這項研究開啟了後續「溫度差對特定感覺受體之間的關聯性」的研究。

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眾所皆知,辣椒素能激發神經細胞並引起疼痛感與灼熱感,但詳細的原理機制在當時是一個未解之謎。朱里雅斯和他的同事,建構了包含數百萬個 DNA 片段的資料庫,並找到片段中對應於特定神經元來表達感覺的受體,這些受體可以對疼痛、熱和觸碰做出反應。他們透過比對細胞對辣椒素的反應,分析其 DNA 差異,經研究後,朱利亞斯研究團隊確定了一組會讓細胞對辣椒素敏感的受體。

這個新發現的辣椒素受體,後來被命名為 TRPV1。當朱里雅斯研究 TRPV1 對熱的反應時,發現 TRPV1 會在大於攝氏 43 度時被激發,他意識到他發現了一種熱敏受體,這種受體在特定的溫度下會激發疼痛感(圖 1)。

圖 1:朱里雅斯使用辣椒中的辣椒素來鑑定 TRPV1,這是一種由熱痛激發的離子通道。確定了其他相關的離子通道,我們現在了解不同的溫度如何在神經系統中誘導電信號。圖/THE NOBEL PRIZE

TRPV1 的熱敏特性是一項重大發現,並為揭開其他溫度感應受體開闢了新道路。之後,朱里雅斯和帕塔普蒂安,分別獨立使用薄荷醇做研究,並發現會被寒冷激發的 TRPM8 受體。

之後,與 TRPV1 和 TRPM8 相關的其他受體,都陸續確認會對不同的溫度產生反應。許多實驗室開展了新的研究,通過使用缺乏這些受體的小鼠,來研究這些通道在熱感覺中的作用。

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朱里雅斯發現的 TRPV1,使我們能夠更了解溫度差如何在神經系統中誘發電信號。

「機械力」刺激如何轉化為觸覺?

溫度的受體正在被逐漸解密,但對於「機械力」的刺激為何可以轉化為觸覺和壓力?曾有科學家在細菌上發現相關受體,但關於脊椎動物的觸覺機制仍然未知。Ardem Patapoutian(Scripps Research in La Jolla, California, USA),希望可以找到這個難以捉摸的受體到底是什麼?

帕塔普蒂安和他的夥伴首先找到了一種細胞株,當它被微量吸管(micropipette)戳戳、受到力刺激的時候,會發出可測量的電信號。接著,他們試圖編碼了各種可能會被機械力激活的離子通道的受體的基因(共72組),並且找尋到底是哪一組基因在其中佔有重要關鍵。經過搜索,他們確定了一組基因,當它不表現的時後,細胞對微量吸管的刺激完全沒有反應。

因此,一種全新、之前完全未知,對機械力敏感的離子通道被發現,他被命名為「Piezo1」,從希臘語中表示壓力的詞「í; píesi」而來。藉由與 Piezo1 的相似性,研究團隊找到了第二組基因,並將其命名為「Piezo2」,它對感覺神經元的表達水平很高。近一步證實 Piezo1 和 Piezo2 是透過對細胞膜施加壓力而被活化的離子通道。

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帕塔普蒂安發明了一系列的研究,證明 Piezo2 離子通道對觸覺至關重要,它也被證明在重要的身體位置和本體感覺中扮演重要的角色。Piezo1 和 Piezo2 通道也被證明能調節一些重要的生理過程,包含血壓、呼吸及膀胱控制等等。

圖 2:帕塔普蒂安發明了一系列的研究,證明 Piezo2 離子通道對觸覺至關重要。圖/THE NOBEL PRIZE

這一切都說得「通」了!

今年諾貝爾獎得獎者對 TRPV1、TRPM8 和 Piezo 通道的突破性發現,讓我們能夠了解溫度(冷、熱)和機械力如何刺激神經產生衝動,使得我們可以感知和適應周圍的世界。TRP 通道的發現是我們感知溫度的重要發現,也是對於受體研究很重要的基石。Piezo2 通道則是賦予我們觸覺和感知身體各種部位的位置和運動的能力。

這些開創性的發現,不只讓我們知道離子通道對於許多生理表現和疾病都至關重要,而相關的知識也能在後續被應用於各種疾病的治療方式。

參考資料

THE NOBEl PRIZE,〈Press release: The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2021〉

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