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《Science》盤點:2017年度十大科學突破!

Peggy Sha
・2018/01/01 ・6981字 ・閱讀時間約 14 分鐘 ・SR值 566 ・九年級

每到了一年的最後,我們總是要不免俗地來回顧一下這年經歷的所有事情,而最適合科青們的回顧方式,莫過於跟著《Science》在 2017 年 12 月所選出「年度科學突破」(Breakthrough of the Year)來看看今年科學界最令人印象深刻的發展吧!

source:science

年度最大突破:中子星合併產生重力波

在今年的 8 17 號,科學家觀察到了在 1 3 千萬光年之外,兩顆中子星合併並產生了重力波(編號GW170817)。這次的爆炸證實了幾項重要的天文學假設、揭開了重金屬形成的來源,也讓科學家得以用一種前所未有的方式來驗證了愛因斯坦的廣義相對論。

這是科學史上首次觀察到中子星的合併,而這次的合併為什麼會被發現呢?因為科學家偵測到了中子星合併前輻射出的微小波紋──重力波。

雙中子星合併模擬。磁力線用白色表示。(圖片來源

重力波被雷射干涉重力波天文台(Laser Interferometer Gravitational-Wave ObservatoryLIGO)和處女座干涉儀(Virgo interferometer)觀測到,而由於中子星碰撞所產生的重力波頻率更高、持續時間更長,使得其他望遠鏡也有幸一窺這場 1 3 千萬光年前的盛大科學奇景:兩顆分別約 1.11.6 個太陽質量的中子星互相旋繞、碰撞,最後融合,在過程中產生了許多重金屬,宇宙中的黃金很多便源於中子星的碰撞。

這次的觀察也支持了一項 25 年前提出的假說──「中子星合併會產生短伽瑪射線暴(short Gamma-ray burst)」,就在觀測到重力波之後約兩秒的時間,NASA 的費米伽瑪射線太空望遠鏡便偵測到了一陣短伽瑪射線暴。

這一次的事件,可以說是迄今為止被研究得最為透澈的天文事件,總共有 3674 位來自 953 個機構的研究者針對這次的中子星合併和相關後續事件進行了研究。除了這次探測到的事件之外,科學家更希望進一步觀測到其他新的現象,例如:中子星和黑洞的碰撞、銀河系中的超新星爆發、旋轉的中子星(脈衝星)……這種種現象都會產生重力波。

看見原子等級的生命細節:低溫電子顯微鏡(cryo-EM)技術

低溫電子顯微術(cryogenic scanning electron microscopycryo-EM)大概是「追求卓越」的代名詞。雖然這項技術已經在今年拿到了科學界的頭獎──諾貝爾化學獎,但它的影響力在拿獎後依舊不斷增加。

電子顯微鏡。圖/ PublicDomainPictures@pixabay。

這種技術的發展其實可以追溯至幾十年前,不過,由於近年來各種硬體軟體都有了提升,使得影像處理分析的速度也因此加快,另一方面,也大幅減少了誤差。

現今的低溫電子顯微術讓科學家能夠利用快速冷卻的方式,在生物分子相互作用時將其「凍結」,從而獲得反應過程中的一系列定格影像。它所擁有的這種近乎原子等級的超高解析度,讓科學家重新檢視了剪接體(Spliceosome)的運作過程,也對於修復 DNA 破損的酶有了更深入的觀察。

居家必備實驗良伴:攜帶型微中子探測器

想要做精密的觀察,一定要用超大的儀器?才不呢!科學家在今年只用了個跟微波爐差不多大的可攜式微中子探測器,就發現了微中子和原子核間相干散射(coherent scattering)信號。

物理學家在今年用一種新的方法撞擊原子核,並由此發現了最難以捉摸的亞原子粒子──微中子。微中子只會在特定的核反應過程中產生,與其他物質很少發生反應,也正因如此,即便有無數的微中子持續穿越地球,科學家卻一直很難偵測到。

1970年11月13日,首次利用氫氣泡室對於微中子進行的觀測。微中子撞擊了氫原子中的質子。這撞擊發生於照片右方,是三條由帶電粒子所形成軌跡的匯集之處。圖/National Laboratory@wikipedia

微中子偶爾會撞擊原子核中的中子,讓它變成質子,而自己則變成如電子般能被探測到的粒子;另一種可能是,微中子與質子或中子碰撞彈飛。這兩種情況都非常罕見,科學家需要非常大量的樣本才可能觀察到一點點。

不過,在 1974 年時,理論物理學家就曾預測:如果一個中微子的能量夠低,就可以被視為一種量子波,並能同時反射所有原子核中的質子和中子。這種相干散射應該可以大幅增加反應的可能性,但原子核的低能量反衝很難觀測。

如今,由 81 位成員所組成的 COHERENT 團隊就利用了一個不大的探測儀偵測到了這種相干散射,這項發現實現了學界 40 年以來的追求,或許有朝一日,這種體積小的微中子探測器可以幫忙監測核反應堆、確保它們在不擴散核的原則下運行,也或許能用來找尋更難探測的惰性微中子(sterile neutrinos)。誰知道呢?小兵也能立大功!

發現30萬年前的智人化石,改寫人類歷史

我們的祖先從哪裡來?石頭?猴子?猩猩?在今年以前,最接近正解的答案或許是「約 20 萬年前的東非」。

不過,科學家們在今年深入探索了北非摩洛哥的  Jebel Irhoud 遺址,並使用熱釋光定年法(thermoluminescence datingOSL)檢測出遺址中的石器是在 30 萬年以前經過加熱的,整整將人類的歷史又往前推進了 10 萬年。

Jebel Irhoud 遺址在北非摩洛哥的位置。圖/Eric Gaba@wikipedia

研究團隊認為 Jebel Irhoud 遺址的居民可能屬於早期智人族群的一部份,族群約在 33 萬到 30 萬年前遍佈非洲,而後演化成現代人類。這個發現改寫了我們目前已知的人類歷史,顯示出人類祖先在非洲扎下的根可能比我們原先的推測來得更深、更廣,這種可能性也為人類的尋親之路開啟新的篇章。

基因編輯大突破,鹼基編輯有助治療遺傳疾病

超過 6 萬個遺傳畸變與人類疾病有關,而其中有將近 3 5 千個變異是源於我們體內最微小的錯誤:只要 DNA 中一個小小的基因點突變,就可能讓人生苦不堪言。

今年,科學家宣布了一種新的技術,稱為「鹼基編輯器」(base editor),它可以修改 DNA RNA 中的單一鹼基,而且相對於當紅的 CRISPR 技術,這種方式更為精準,也更加安全,因為它不需切割 DNA ,即可將 A-T 鹼基對轉換成 G-C 鹼基對,如此細緻的基因編輯技術,讓劉如謙的團隊成功地將一個不正確的 G 替換成 A

劉如謙(David Liu)團隊研發的新基因編輯技術,將可能拯救許多生命。圖片來源:ServiceAT@wikipedia, by CC 4.0.

中國的研究團隊更在今年修復了人類胚胎中一個致病的基因點突變,藉此凸顯出這種技術的力量。雖然這種修復並非百分之百成功,然而,技術所蘊含的巨大潛力仍讓人興奮,而技術未來在醫學領域的應用亦令人期待。

期刊刊登之前先分享一波!生物學論文預印模式興起

論文預印指的是在研究經過同儕審查於期刊發佈前,可以先發佈在能進行建檔的平台上;物理學界常用的預印平台 ArXiv 早在 1991 年就出現了,那生物學家們怎麼辦呢?

等待多年,如今生物學家終於翻身啦!在 4 年前,冷泉港實驗室(The Cold Spring Harbor LaboratoryCSHL)發起了一項計畫,成立了免費的生物學預印服務器「bioRxiv」。這個平台囊括了計算生物學、細胞生物學、微生物學、神經科學等等領域的實驗研究。一些著名的生命科學家也開始說服自己的同事,讓他們了解到,預印將加快科學的進程,也能讓年輕的研究者留下研究紀錄。

冷泉港實驗室(The Cold Spring Harbor Laboratory,縮寫CSHL),位於美國紐約州長島上的冷泉港,此機構的研究對象包括癌症、神經生物學、植物遺傳學、基因組學以及生物資訊學,其主要成就為分子生物學領域。圖/AdmOxalate@wikimedia

而在今年,美國和英國的組織都推出了鼓勵預印分享的相關方針,使得這個模式獲得了極大進展。而在 4 月時,「陳祖克柏」基金會更對 bioRxiv 進行了不公開的投資,有助於鞏固其成為最受歡迎的生物學服務網。現今大部分的期刊都允許作者將投稿的論文以預印的方式張貼;另一方面,有些編輯也會上 bioRxiv 尋找可供出版的論文。

不過這種模式或許還有很長一段路要走,bioRxiv 目前每月的論文數量約只有 PubMed 1.5%;此外,也有部分生物學家對於未經審查就預先公開研究成果的方式不甚認同。但無論如何,這種預印模式都是一項重大的交流方式改變。

用新藥「一網打盡」所有癌細胞

一說到癌症,腦袋好像就會自動撥放偶像劇插曲(咦)就讓人想到其繁瑣的治療過程,究竟這種折磨人的疾病有沒有根治的方法呢?就在今年 5 月,美國食品藥品監督管理局(FDA)批准了一種癌症免疫新藥「pembrolizumab」。

Pembrolizumab的模型。圖/Dr. David S. Goodsell @wikipedia

在過去,這種藥物已經被證實可以治療黑色素瘤和一些其他類型的腫瘤,現在更可以用以治療成人和兒童體內的實體瘤。不過其治療是有前提的,那就是:癌細胞必須是基因錯配修復缺乏症(mismatch repair deficiencyMMR)。這表示,即便癌細胞出現的地方可能在胰臟、結腸、甲狀腺或是其他組織,它們仍會有共通點,那就是:在修復 DNA 的基因中發生突變。

具有這種缺陷的細胞會累積數百種突變,使得免疫系統更容易辨識出患病的細胞並將其殺死,因此,pembrolizumab 可以利用這項特性殺死腫瘤;反之,如果沒有基因錯配修復缺乏症,對這種治療也不會有反應。FDA 的批准為這種新的癌症治療方式打了一劑強心針,未來,可能會有更多相關研究朝這個方向發展。

家族再添新成員!發現第三種紅毛猩猩

讓我們掌聲歡迎猩猩家族中的新成員──塔班努利紅毛猩猩(Pongotapanuliensis)!距離上一次發現靈長類人科的物種已經過了漫長的 90 年,在今年 11 月,研究者們在印尼發現了新的猩猩物種「Pongotapanuliensis」。

直到今年以前,巨猿(the great apes)家族的成員只有倭黑猩猩(bonobo)、黑猩猩(chimpanzee)、兩種大猩猩(gorilla)和兩種紅毛猩猩(orangutan)以及我們人類。(嗚嗚嗚我們家人也太少……

現存三種紅毛猩猩大概在 1400 萬年前和所有其餘人科物種分家,而蘇猩猩大概在 340 萬年前步上分歧之路,最後,塔猩猩和最近緣的婆猩猩則大概在 67 萬年前分家。圖片編修自NewScientist (原圖有誤)

這種新發現的紅毛猩猩住在蘇門答臘島,而先前已知的紅毛猩猩則住在婆羅洲。藉由比對這三種紅毛猩猩的基因,科學家得到了一些猩猩演化的歷史足跡:現今紅毛猩猩的祖先大約是數百萬年前從馬來西亞來到印尼的,當時的海平面較低,兩地之間可以互通往來。

然而,讓人憂心的是,這個新發現的紅毛猩猩族群數目並不多,約只有 800 左右,而且牠們居住在一個備受盜伐威脅的林區,此外,當地還有一個水電大壩的興建計畫。環保團體希望這次的物種確認能夠有助於守護塔班努利紅毛猩猩的家。

270萬年前的地球大氣

今年 月,來自普林斯頓大學和緬因大學的研究團隊宣布:他們發現了 270 萬年前的南極冰芯,比先前最古老的冰芯樣本還早了 170 多萬年。

這次新發現的樣本來自南極洲的艾倫山(Allan Hills),冰芯之中有著細小的氣泡,這些氣泡來自 270 萬年前的大氣。當時,地球正進入冰河時期,而大氣中的二氧化碳濃度約在 300ppm 以下,遠低於現今的 400ppm

艾倫山是南極洲的山峰,位於埃爾斯沃思地,屬於埃爾斯沃思山脈中森蒂納爾嶺的一部分,處於克雷杜克山東南面5.2英里,海拔高度3,430米,美國地質調查局根據測量和該國海軍的空中照片繪入地圖。圖/Alexrk2@wikipedia

這項發現和先前一些間接測量所得到的數據不太一致,但仍然驗證了科學家們先前提出的氣候模型──較低濃度的二氧化碳是地球進入冰河期的必要元素。

科學團隊目前計畫在未來回到艾倫山以取得更多冰芯,希望可以找到 500 萬年以前的樣本,因為當時的溫室效應與今日人類製造出來的氣候相差無幾。

基因療法大成功,治療肌肉萎縮不是夢!

今年,一個小型的臨床試驗取得了巨大的成功,也推動了基因治療領域的發展。根據研究人員的報告,他們藉由在脊髓神經元中添加一個缺失的基因,拯救了一些原本可能死於遺傳性神經肌肉疾病的嬰兒。

脊髓性肌肉萎縮症(Spinal Muscular Atrophy,SMA)是一種體染色體隱性遺傳疾病,起因於脊髓前角運動神經元(Anterior horn cells of the spinal cord)的漸進性退化。患者的智力發展不受影響,但肌肉會逐漸無力、萎縮,疾病的發病年齡從出生到成年都有可能,而患病的嬰兒若未接受及時治療,將會在 2 歲左右面臨死亡。

受脊髓肌肉萎縮影響的脊髓神經元的位置。圖/Angelito7@wikipedia

這個基因治療利用無害的「腺相關病毒」(adeno-associated virusAAV)將基因轉運至目標細胞。研究團隊表示,利用靜脈注射 AAV9 的基因治療方式可以阻止 1 型脊髓性肌肉萎縮症。在過去,罹患此種疾病的嬰兒最終會因為肌肉無力、無法呼吸而死亡。

然而,今年 11 月研究團隊所提出的成果報告表示:在 12 位接受 AAV9 治療的嬰兒中,有 11 位可以說話、吃飯、短暫利用自己的力量坐起。其中有位女孩能夠快走,更有個男孩已經會跑步。

此療程已經通過美國食品藥品監督管理局(FDA)核准,在未來,團隊希望利用 AAV9 進一步治療遺傳性腦部疾病。

以上是 2017 年的科學突破,有沒有覺得這年真是生物界的豐收之年呢?不知道你心目中的十大突破跟這份榜單有多高的相似度?歡迎大家來分享你最重視的科學事件和心目中的遺珠,同時,也讓我們一起展望 2018 年,對這些議題接下來的發展拭目以待吧!

  • 如果有興趣也可以看看《Science》精心製作的影片喔:

參考資料

文章難易度
Peggy Sha
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曾經是泛科的 S 編,來自可愛的教育系,是一位正努力成為科青的女子,永遠都想要知道更多新的事情,好奇心怎樣都不嫌多。

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對抗實體腫瘤癌症!新型免疫療法與 CAR-T 技術再升級
PanSci_96
・2023/03/12 ・3123字 ・閱讀時間約 6 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

治療血癌的醫療新科技 CAR-T,是一種把 T 細胞做成活的藥品,釋放到身體內治療癌症的新療法,能夠把血液和淋巴系統裡的癌細胞清理得乾乾淨淨。

2022 年 11 月出現了一種新的免疫療法,目前已通過人體臨床一期試驗。其能夠攻克肺癌、乳癌、大腸癌等會長出實體腫瘤的癌症,而這些實體癌就是目前 CAR-T 還難以突破的瓶頸。

究竟這是什麼樣的療法?有沒有副作用呢?又有哪些障礙等待突破?

可以治療哪些癌症

這次公開的新醫療技術還沒有全球一致的名稱,我們暫時先採用生醫領域對這類操控 T 細胞科技的俗稱:個人化 T 細胞受體 T 細胞療法(personalized TCR T-cell therapies;本文使用「TCR-T 療法」稱之),目前已通過人體臨床一期試驗,其結果發表於《Nature》期刊。

TCR 為 T 細胞受體(T cell receptor)的縮寫,是位在細胞表面的一種蛋白質。T 細胞則是人體白血球的一種,可以將其比喻成一批 24 小時在體內巡邏的軍隊,T 細胞會使用 TCR 來分辨正常細胞和外來異物,一旦偵測到病毒、細菌或癌細胞,就會馬上發動攻擊,把它們殺掉。

接著,我們進一步來看《Nature》上的 TCR-T 人體試驗報告。結果表明,一期臨床試驗總共治療 16 位病人,其中 5 個人腫瘤大小維持不變或縮小了一點,11 個人的腫瘤還是繼續長大。

看到這結果你可能會想:效果明明很差啊!

TCR-T 療法目前已通過人體臨床一期試驗,受試者均為實體癌症病人。圖/Envato Elements

是這樣的,TCR-T 療法對於專業人士來說,有三大看點:

  1. 這 16 名患者都是實體癌症的患者,實體腫瘤是目前各種細胞療法公認,最難攻克的敵人,而且佔了超過九成的所有癌症患者人數。
  2. 受試病人的癌症種類分散:11 人是大腸直腸癌、2 人是乳癌,肺癌、卵巢癌、皮膚惡性黑色素瘤各 1 人。
  3. 治療後的病理檢查證實,TCR-T 療法使用的改造 T 細胞有聚集在腫瘤組織,並且留下了發動攻擊的痕跡。也就是說,TCR-T 確實能向導向飛彈一樣,準確追蹤癌細胞,而且不只追得到,還能展開轟炸!

這次的人體臨床試驗是為了確定 TCR-T 療法的安全性,因此先使用較低的劑量來治療;試驗結果驗證了其可行性,副作用也在可接受範圍內。故接下來的目標為調整出最佳劑量和確認治療條件,且有機會成為泛用型的療法,可治療多種癌症,不侷限於只能針對單一癌種。

製作原理與方法

TCR-T 療法可謂「基因工程+數位科技」攜手合作的成果。

概略來說,TCR-T 是融合了兩股力量才能實現的:一為電腦的演算法,用來推測要怎樣修改 T 細胞裡的特定基因;另一個是基因剪刀 CRISPR-Cas9,按照計算出來的結果去編輯細胞基因。

CRISPR 是這幾年非常熱門的基因編輯技術,簡單來說,這項技術運用了一套特殊的蛋白質加上核酸標記,能夠準確的切下一小段 DNA 序列,然後嵌入人工設計的 DNA;在這裡,我們需要改寫的就是 TCR 的基因。

TCR-T 療法為基因工程與數位科技合作的成果。圖/Envato Elements

人體的細胞會把自己內部製造、或是外來入侵的蛋白質用酵素切碎成片段,接著把這些碎片搬運到細胞表面,放置在一種叫做「第一型主要組織相容性複合物」(Major Histocompatibility Complex class I;簡稱 MHC-I)的分子的頂端。T 細胞會用 TCR 去判讀 MHC-I,如果發現某個細胞表面出現異常的碎片,便會判斷這個細胞已經被病毒、細菌感染或發生病變,馬上出手清除。

TCR-T 療法便是用人工去改寫 T 細胞裡的 TCR 基因,使轉譯出來的 TCR 蛋白質分子結構發生變化,讓 T 細胞變得能夠認出癌細胞碎片,消滅掉腫瘤細胞。

製造 TCR-T 和進行治療的過程相當繁複,可拆解成 8 個步驟:

  1. 從患者身上抽血,並切下一小部分腫瘤組織,利用 DNA 定序,比對人體細胞和癌細胞的 DNA,找出腫瘤細胞的突變。
  2. 建一個 DNA 資料庫收錄這些腫瘤細胞突變,接著設計演算法,來預測哪些突變產生的蛋白質碎片最可能「挑釁」到 T 細胞,激起免疫反應。
  3. 從患者的血液樣本裡篩選 T 細胞,目標是找出 T 細胞帶有、能對這些蛋白質碎片產生反應的 TCR。
  4. 截錄這些 TCR 的基因片段,加以微調、複製。
  5. 用 CRISPR-Cas9 來改造沒有攻擊癌細胞能力的 T 細胞,插進新的 TCR 基因片段。
  6. 把這批改造後的 T 細胞放進培養槽,分裂繁殖成更大的數量,接著冷凍儲存。
    這時製備作業就已經完成,相當於養了一批腫瘤特種部隊,專門去獵殺癌細胞,接下來就是治療患者的階段了。
  7. 先讓患者接受化療,減少體內免疫細胞的數量。
  8. 把改造過的 T 細胞解凍注射進患者體內,觀察破壞腫瘤的療效,同時也要留意 T 細胞可能引發的副作用。
TCR-T 療法的製造過程。圖/參考資料 1

而 TCR-T 有可能導致的副作用有:「細胞激素症候群」或「神經毒性症候群」,例如受試病人中就有人因為細胞激素上升而發燒,也有 1 人發生腦炎,走路和寫字都困難。

新 CAR-T 療法持續進化

若將 CAR-T 和 TCR-T 比較,可以把 CAR-T 想像成是 T 細胞直接加裝追蹤系統的外掛,提升命中機會;而 TCR-T 則像是精準育種後的 T 細胞,挑選出有效的基因,用來修飾 T 細胞,強化原本就有的火力,讓它發揮得更好。

CAR-T 療法亦持續突破,不斷進化出新型態的技術。現在已經發展出一種新技術,把一批 CAR-T 細胞封裝在特製的水凝膠裡面,其內還摻著能提高細胞活性的細胞刺激因子,打進人體後會慢慢崩解融化,釋放出裡面的 CAR-T 細胞;該技術發表在 2022 年 4 月的《Science》。

CAR-T 療法原始的做法是:把 CAR-T 細胞用吊點滴的方式注射到靜脈血管裡,順著血液循環去攻擊癌細胞;但是這樣做,CAR-T 細胞可能在人體環境裡面不斷消耗掉活力,如果攻擊對象是實體腫瘤的話,很容易後繼無力,沒辦法消滅掉腫瘤。此外,實體腫瘤還有各種方法來武裝自己,例如:改變腫瘤微環境來抑制 CAR-T 細胞的活性。

有了水凝膠封裝的方式,就可以緩緩一直釋放出 CAR-T 細胞,把細胞濃度維持在一定的範圍內,並且不斷釋出刺激因子,提升細胞活性,等於和腫瘤打持久戰,一點一滴把實體腫瘤瓦解掉。

CAR-T 細胞封於含有細胞刺激因子的水凝膠中。圖/參考資料 2

還有一種對策:讓 CAR-T 細胞自帶興奮劑。

在腫瘤微環境之中,除缺乏氧氣外,腫瘤本身還會分泌出許多化學物質,抑制了 CAR-T 細胞的活性。

解決方法就是:在 CAR-T 細胞中再插進一段基因,讓細胞表面多長出另一種蛋白質,一旦碰觸到癌細胞,就會啟動 T 細胞裡的細胞激素分泌機制,這種細胞激素對於 T 細胞來說就如同興奮劑,能夠提升活性。

也就是說,CAR-T 一邊在奮力廝殺的時候,一邊還自己分泌能夠刺激自己興奮的物質,強化攻擊力和延長續航力,使 CAR-T 能夠破壞實體腫瘤;這項研究也於 2022 年底發表在《Science》。

隨著醫學科技進步,不論是 CAR-T 還是 TCR-T,是否能達成剷除實體腫瘤的終極目標、治好疾病,二者的發展令人期待。

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參考資料

  1. Foy, S.P., Jacoby, K., Bota, D.A. et al. Non-viral precision T cell receptor replacement for personalized cell therapy. Nature (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05531-1
  2. Grosskopf, A. K. et al. Delivery of CAR-T Cells in a Transient Injectable Stimulatory Hydrogel Niche Improves Treatment of Solid Tumors. Science Advances (2022), 8(14). https://doi.org/10.1126/sciadv.abn8264

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你該知道的事情:吸菸對身體有害,這句話是真的嗎?
科奇_96
・2023/03/07 ・2845字 ・閱讀時間約 5 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

1 月 12 日立法院三讀通過修正「菸害防制法」部分條文,你有曾想過,小時候而熟能詳的吸菸對身體有害,這句話的出處是哪裡嗎?還有吸菸如何對身體有害呢?

菸草什麼時候開始被認為對身體有害?

最早可以追溯到 1602 年的匿名投稿論文《煙囪清潔工的工作》[ 2 ],其中指出,煙灰經常造成煙囪清潔工出現一些疾病,而菸草可能也有類似的影響,這是已知最早將吸菸與對身體有不良影響掛勾。

但直到 1964 年,美國公共衛生部長路德·泰瑞 (Luther Terry) 發佈了一篇名為《吸煙與健康》[ 3 ]的報告,文章中直接寫到「香菸與人類肺癌有關」、「罹患肺癌的風險隨吸菸期間和每日吸菸數量而提高,並隨戒菸時間而降低」,並做出了一個結論「吸煙會導致癌症」。

吸菸與肺癌常被連結在一起。圖/envatoelements

這時候你可能會想,那所以他們有直接證據來證實嗎?但事實是在這篇論文發布的當下,其他他們手中握有的證據並不是非常足夠,但為何當時候美國公共衛生部長就直接結論吸菸是肺癌的成因呢?

為何研究證據不足,還說吸菸會造成癌症呢?

首先,我們先介紹一下時空背景:

  1. 約 1960 年,美國的吸菸人數推測有大約 40 %,而且其中半數以上的人每天至少吸一包煙,也就是 20 支以上[ 4 ]
  2. 在 1900 年初期,其實肺癌是十分罕見的疾病。1898 年有一名博士生寫了一篇文章,檢視當時全世界所有的肺癌病例,總共只有 140 例[ 5 ]。但二十世紀時,肺癌案例激增,同時香菸的銷售量也增加。
  3. 1950 年代,越來越多期刊將吸菸認為可能是造成癌症的成因[ 7-11 ]

這時候你可能發現了,吸菸和癌症似乎真的有點關聯,那我們該怎麼證明呢?這時候我們可以透過隨機對照實驗來比較吸菸者與非吸菸者,兩者在於肺癌發生率的差別。

你可能會問,那隨機對照實驗是什麼?簡單來說就是找兩組人,並將其分為變因控制幾乎相同的兩組,並讓一組保持不吸菸的狀態,讓另一組保持著持續吸菸的狀態,然後每年檢查他們的身體狀況,這樣我們就可以有個最直觀的證據來檢測吸菸到底有沒有害。

這時候你一定很好奇,那結果呢?這邊我簡單介紹兩個結論:吸菸者死於肺癌的機率平均是不吸菸者的 11 倍,而吸菸量較多的人死亡的風險比不吸菸者高出 120 %[ 3 ],這時候你一定會說,明明都有這些統計數字了阿,那為什麼還會說證據不足呢?

因為當時並不知道吸菸是如何造成肺癌的,就像當時菸草業者說:「有任何人能夠證明香煙煙霧中發現的任何成分是造成肺癌的原因嗎?並沒有。[ 6 ]」,他們的說詞是:「很多都有關聯,但你們沒有明確證據的猜測,這件事就是『不一定』是對的。」

當時還沒有找出香菸煙霧中導致肺癌的明確證據。圖/envatoelements

那為什麼美國公共衛生部就直接說吸菸就會導致肺癌呢?其實他們並不知道,但他們藉由一下幾點原因才決定禁止:

  1. 肺癌人口比例激增發生在吸菸人口增加後。
  2. 絕大多數的肺癌患者有吸菸。
  3. 不同族群中都出現這關聯。
  4. 吸菸風險相當高,如果吸更多菸風險更高。
  5. 肺癌存活率低。

所以雖然沒有像現在一樣多的證據來支持吸菸是如何造成肺癌,但美國公共衛生部還是決定宣布吸菸會導致癌症。

越來越多的證據證明,吸菸是如何傷害身體

前面我們說到,科學家從統計上面找到吸菸與肺癌之間的關聯,現在我要從生物與化學的角度來探討,煙霧與肺癌之間的直接關聯。

這時候我們可以從香菸含有的成分下手,找出其中的致癌物,也就是引起癌症的分子,從實驗數據來看,香煙煙霧至少含有 3500 種化合物和 55 種致癌物質,其中以多環芳香烴(PAHs)和 4 -甲基亞硝胺基 – 1 – 3 – 吡啶基 – 1 -丁酮(NNK)作為致癌的主要分子[ 12 ]

這邊我以 NNK 為例,實驗人員利用給予老鼠不同劑量的 NNK ,來測試老鼠食用多少 NNK 才會罹癌,從數據上來看老鼠的半數致死量 (LD50) 為每公斤 1 克[ 13 ]。半數致死量換句話來說,也就是多少劑量可以造成一半的生物致死,拿上述的實驗為例,假設老鼠平均體重為 300 克,那我們投放含有 0.3 克 NNK 的物質就可以造成半數的老鼠死亡。

那究竟為什麼 NNK 會造成癌症呢?別急,我們先看看 NNK 進入身體內會發生什麼事?不難想像的是,大部分 NNK 就會順著身體的清理機制離開身體,但少部分的 NNK 會被 P450 細胞色素(身體裡的一種蛋白質,主要作用是催化氧化有機化合物)代謝成具活性的 NNK ,而這個活性物質就會與身體裡的 DNA 結合,結合後就會造成致癌基因和腫瘤抑制基因的有害突變,這可以被認為是腫瘤造成的起始[ 14 ]

最後你可能會問,到底是什麼基因突變才會造成肺癌?答案就是 KRAS 和 TP53 這兩個基因,同時它們也被認為是肺癌的預測指標[ 15 ]

菸草中的 NNK 導致 KRAS 和 TP53 兩種基因突變,因此導致肺癌。圖/envatoelements

結論

我們可以簡單來說,吸菸為何會造成癌症,因為吸菸中的有害物質 NNK ,會進入人體中,然後被 P450 細胞色素激活並與 DNA 結合,然後碰巧與 KRAS 和 TP53 其中一個基因結合,就會讓人有很高機率會的癌症。

這個看起來很簡單的結論,其實也是每個科學家花很多時間,與實驗動物們的貢獻,才讓他們說明了燃燒後的菸草產生化學物質是如何對我們的健康產生威脅,使得我們制訂嚴苛的法案,去警告大家香菸的危害,讓我們可以活得更健康。

後記-有趣的小故事 

從歷史我們能夠了解,要釐清真相並非一件容易的事,其實在 1920 年代就有一名化學家 Angel Honorio Roffo 通過實驗證明,燃燒煙草產生的焦油會誘發癌症,可惜不幸的是因為二戰的緣故,德語的醫學期刊就被世人給遺忘,不然就不會有找不到菸草致癌的實驗證據[ 16 ]

參考資料

  1. 菸害防制法三讀祭重罰 禁電子煙 (https://reurl.cc/rZWmYb) (1.14.23)
  2. A brief history of smoking (https://reurl.cc/jR0L71) (1.14.23)
  3. Terry, Luther, and S. Woodruff. “Smoking and health: report of the Advisory Committee to the Surgeon General of the United States.” U-23 Department of Health, Education and Welfare. Washington DC: Public Health Service Publication 1103 (1964).
  4. Fewer Heavy Users Among Shrinking US Smoking Population (https://reurl.cc/GX3LEv) (1.17.23)
  5. Zaidan, George. Ingredients: The Strange Chemistry of What We Put in Us and on Us. 1st ed., Dutton, 2020.
  6. K. Michael Cummings, Anthony Brown, Richard O’Connor; The Cigarette Controversy. Cancer Epidemiol Biomarkers Prev 1 June 2007; 16 (6): 1070–1076. https://doi.org/10.1158/1055-9965.EPI-06-0912.
  7. Schrek R, Baker LA, Ballard GP, Dolgoff S. Tobacco smoking as an etiologic factor in disease. I. Cancer. Cancer Res 1950;10:49–58.
  8. Wynder EL, Graham EA. Tobacco smoking as a possible etiologic factor in bronchogenic carcinoma. JAMA 1950;143:329–336.
  9. Levin ML, Goldstein H, Gerhardt PR. Cancer and tobacco smoking. JAMA 1950;143:336–8.
  10. Wynder EL, Grahmam EA, Croninger AB. Experimental product of carcinoma with cigarette tar. Cancer Res 1953;13:855–4.
  11. Hammond EC, Horn D. The relationship between human smoking habits and death rates: a follow-up study of 187,766 men. JAMA 1954;155:1316–28.
  12. Stephen S. Hecht, Tobacco Smoke Carcinogens and Lung Cancer, JNCI: Journal of the National Cancer Institute, Volume 91, Issue 14, 21 July 1999, Pages 1194–1210, https://doi.org/10.1093/jnci/91.14.1194.
  13. Lewis, R.J. Sr. (ed) Sax’s Dangerous Properties of Industrial Materials. 11th Edition. Wiley-Interscience, Wiley & Sons, Inc. Hoboken, NJ. 2004., p. 2486.
  14. Xue J, Yang S, Seng S. Mechanisms of Cancer Induction by Tobacco-Specific NNK and NNN. Cancers (Basel). 2014 May 14;6(2):1138-56. doi: 10.3390/cancers6021138. PMID: 24830349; PMCID: PMC4074821.
  15. Gao W, Jin J, Yin J, Land S, Gaither-Davis A, Christie N, Luketich JD, Siegfried JM, Keohavong P. KRAS and TP53 mutations in bronchoscopy samples from former lung cancer patients. Mol Carcinog. 2017 Feb;56(2):381-388. doi: 10.1002/mc.22501. Epub 2016 Jun 6. PMID: 27182622.
  16. Proctor RN. Angel H Roffo: the forgotten father of experimental tobacco carcinogenesis. Bull World Health Organ. 2006 Jun;84(6):494-6. doi: 10.2471/blt.06.031682. Epub 2006 Jun 21. PMID: 16799735; PMCID: PMC2627373.
科奇_96
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一名營養系大學狼~ 本狼的興趣是閱讀與寫作,喜歡科學、文哲等書籍,歡迎大家來認識我,嗷嗚~

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用迷幻藥治憂鬱?基因編輯療法將通過批准?——2023 最值得關注十大科學事件(上)
PanSci_96
・2023/01/30 ・2348字 ・閱讀時間約 4 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

在 2022 年裡,我們見證了低軌通訊衛星在戰爭中的作用、Omicron 肆虐與次世代疫苗、韋伯太空望遠鏡捕捉系外生命印記、銀河中心黑洞初次現身、人類精準回擊小行星、台灣 CAR-T 首例、特斯拉的平價人形機器人、與超強的 LaMDA 跟 ChatGPT AI 語言模型!

2023 年能更刺激嗎?有哪些值得我們關注的科學大事呢?

我們綜合整理了 Nature、Science、Scientific American、NewScientist、富比世雜誌、經濟學人雜誌,結合泛科學的觀察與期待程度,提出這份「2023 最值得關注十大科學事件」;今年的科學界將會熱鬧非凡,令人目不暇給!

No.10 病原體通緝名單

2022 年 11 月,法國科學家在 bioRxiv 上發表了從西伯利亞永凍土中復活的多種病毒;這些「殭屍病毒」中最古老的已經有 48500 歲,在溫度升高後,這些病毒都復甦了過來……。雖然這批古老病毒只能感染變形蟲,但也暗示著,冰層之下存在更多正在休眠、極可能對哺乳動物或人類造成危險的病毒。

隨著氣溫與海溫升高,這些不定時病毒炸彈正在醞釀著。

世界衛生組織將在今年發布修訂後的「重點病原體清單」,至少 300 位科學家嚴謹審查超過 25 個病毒與細菌家族的各種證據,針對目前還未知、但可能造成全球疫情的未知疾病 Disease X 做出預測,擬出一份優先名單。被列入名單的病原體通緝犯將會被重點研究調查,以利未來開發疫苗、治療與診斷技術。

被列入優先名單的病原體將會被重點研究調查。圖/Envato Elements

No.9 新一代 mRNA 疫苗

乘著在 COVID-19 大流行間快速成熟的 mRNA 疫苗研發平台,許多疫苗正蓄勢待發。

BNT 在 2023 年初針對瘧疾、肺結核和生殖器皰疹的 mRNA 疫苗開始了首次人體實驗;也與輝瑞合作,研發能降低帶狀皰疹發病率的疫苗。另一家 mRNA 大廠莫德納,也在研發能預防生殖器皰疹和帶狀皰疹病毒疫苗。

除此之外,莫德納開發的黑色素瘤 mRNA 疫苗與默克的藥物合併療法,在去年底公布中期臨床試驗結果,顯示能降低 44% 的死亡率及復發風險,臨床試驗也將在 2023 年進入最後階段。

這些將在 2023 年揭曉的成果,將拓展人類使用 mRNA 疫苗對抗疾病的手段。

新一代 mRNA 疫苗正蓄勢待發。圖/Envato Elements

No.8 CRISPR 療法獲批准

由於之前的臨床試驗結果很不錯,CRISPR 基因編輯療法極有可能會在今年首次正式通過批准!

這種 exagamlogene autotemcel(exa-cel)療法,是由美國波士頓的 Vertex Pharmaceuticals 和英國劍橋的 CRISPR Therapeutics 公司共同開發。用超簡化的方式來説,治療方法就是先收集一個人自己的幹細胞,接著用 CRISPR-Cas9 編輯修正幹細胞中有缺陷的基因,最後再把這些細胞輸回人體。

Vertex 公司預計會在 3 月向美國 FDA 申請批准,讓 exa-cel 療法可以用於治療 β-地中海貧血或鐮狀細胞病的患者。

然而,隨著療法上市,相關的討論預期也將甚囂塵上……。

CRISPR 基因編輯療法極有可能在今年正式通過批准。圖/Envato Elements

No.7 阿茲海默有藥醫

美國 FDA 將在年初宣布,Eisai 製藥公司和 Biogen 生技公司開發的 lecanemab,是否可以用來治療阿茲海默患者。

該藥物就像一台大腦專用的掃地機器人,為單克隆抗體,可以清除大腦中積累的 β 澱粉樣蛋白;在包含了 1785 名早期阿茲海默患者的臨床試驗中顯示,比起安慰劑,能減緩認知能力下降的速度約 27%。不過,有些科學家認為這效果只能說是還好,也有些擔心藥物不夠安全。

無獨有偶,另一款由美國的 Anavex Life Sciences 開發的阿茲海默藥物 blarcamesine,目前也正在臨床試驗階段;它能啟動一種可提高神經元穩定性及相互連接能力的蛋白質,就像是幫神經元升級了連線速度與品質,估計在今年會持續帶來新消息。

blarcamesine 能幫神經元升級連線速度與品質。圖/Envato Elements

No.6 迷幻療法

2023 年,也極可能立下迷幻藥被用於醫療用途的里程碑。

多個相關臨床研究都進展到第三期,例如為 PTSD 創傷後症候群設計的新療法,結合了心理治療與 MDMA 亞甲二氧甲基苯丙胺,也就是所謂的搖頭丸,在臨床三期中,67% 的患者不再被診斷有 PTSD。

而來自迷幻蘑菇的裸蓋菇素,則被用來治療難治型憂鬱症,其臨床二期結果令人鼓舞。233 名難治型憂鬱症患者分成三組,在服用不同劑量裸蓋菇素後,每一組的憂鬱症量表分數都降低;而劑量最重的那組,其降幅最顯著。

最後是 K 他命,竟然成為對抗酒精使用障礙的療法!酒精使用障礙包括酗酒、酒精依賴、成癮等,86% 的臨床試驗病人,在接受新療法後六個月,持續戒除酒精。

然而,也有科學家警告這些樂觀訊息中有炒作成份,就讓我們持續關注吧!

迷幻藥能有效治療病情!?圖/Envato Elements

看到這你可能會想,第六到十名怎麼都是跟醫療健康有關的大事件呢?別急!在下一篇中,我們接著介紹更精采的第五到第一名!

也歡迎大家跟我們分享,你知道的、即將在 2023 年發生的科學大事件!

期待在 2023 年即將發生的科學大事件!圖/GIPHY

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