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立克次誕辰|科學史上的今天:2/9

張瑞棋_96
・2015/02/09 ・849字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 460 ・五年級

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1906 年春天,35 歲的美國病理學家立克次著妻兒到蒙大拿州的密蘇拉度假。四年前他才從微生物學的研究重鎮──法國的巴斯德研究所──進修歸國,回到芝加哥大學任教,並於今年出版了一本免疫學的書。他沒料到這次度假會成為他人生的轉捩點。

霍華德.泰勒.立克次。圖/wikimedia

他發現當地流行一種後來稱為「洛磯山斑疹熱」的不明疾病,因為似乎只出現在洛磯山脈地區的居民之中。初期的徵狀包括突然發燒、頭痛、肌肉痛,接著皮膚出現出血性斑點,死亡率高達三成;傳染的途徑與致病的原因卻眾說紛紜,莫衷一是。立克次決定展開調查。

立克次在顯微鏡下發現病患的血液中有一種短小、近乎球狀的桿菌,他雖然懷疑這就是病原菌,但無論他如何嘗試,就是無法在體外培養出這個細菌。他讓壁蝨吸食病患的血液後再去叮咬天竺鼠,天竺鼠也會出現相同症狀;而壁蝨後來所產的卵中又有大量的病原菌,可見這個細菌可以在宿主的體內寄生繁殖。立克次前後花了三年的時間,以嚴謹的實驗證明這個細菌就是洛磯山斑疹熱的病原體,而傳播的途徑就是透過壁蝨的叮咬。

因為立克次的研究成果,公共衛生才得以有效控制洛磯山斑疹熱的擴散。1909 年,墨西哥市爆發斑疹傷寒,因為症狀與洛磯山斑疹熱類似,立克次受邀前往抗疫。他很快發現斑疹傷寒的病原菌果然也是只能在宿主體內繁殖,而且傳播媒介也是體蝨。不幸地,隔年四月,立克次本人也感染了斑疹傷寒,五月初就不治身亡,年僅 39 歲。

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在立克次之前,人類從未曾料想過會有這種像病毒一樣只能透過宿主細胞繁殖的細菌,為了表彰他的發現並紀念他為科學而犧牲,遂將這種病原菌命名為「立克次體」;細菌學上也因此在「α-變形菌綱」底下多了「立克次體目」這個新類別。他雖然英年早逝,但他的貢獻與情操將隨著他的名字永遠不被遺忘。

 

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

 

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張瑞棋_96
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1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。

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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

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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從羅馬帝國的浴池,到中古歐洲的隨地大小便:「水」如何影響都市衛生和疾病?——《世界史是由化學寫成的》
圓神出版‧書是活的_96
・2023/05/16 ・2009字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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羅馬浴場:帝國先進的水利設施

水與都市衛生也有很大的關係。人類總是居住在河川、湖泊、湧泉等可以立刻取得乾淨水源的地方。但隨著文明的發展,人口集中的都市日漸發達,水源也因此逐漸短缺,於是發展出可大量供應乾淨水資源的設備——上水道

所謂的上水道,指的是透過建造溝渠等方式,將水從郊外的湖泊或河川上游引進城市。

最早大規模建設上水道的是古羅馬人。他們不但整頓了上下水道、做出用水沖刷排泄物的馬桶,更驚人的是,他們甚至建造了公共廁所——考古學家曾在一處遺址裡挖掘出一千六百座馬桶。

在奧斯提亞安提卡挖掘到的羅馬公共廁所。圖/wikipedia

從西元前三一二年至西元三世紀左右,古羅馬建設了許多上水道,從數十公里遠處將乾淨的水引進都市。當時以建造地下管線為主,不過也會用石材和磚塊建造拱型的水道橋;而且為了保持水質,還沿著主要管線設置蓄水池和過濾池。這些運送到市區的水,會分配至公共浴池、宅邸、公共設施,以及讓民眾汲水的噴泉。

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圖/《世界史是化學寫成的

古羅馬的公共浴池規模龐大,內部裝潢也十分豪華。一般來說,每座城市至少都有一座公共浴池,做為重要的社交場所。裡面設有專用的房間,由專人在身上抹油,並用木製或骨製刮板將身上的汙垢連同油脂一起刮除,以及不同水溫的浴池、蒸氣烤箱、健身房、圖書室等,民眾還可以在公共浴池內的講堂談論哲學和藝術。

高跟鞋、斗篷和香水 衛生觀念的倒退

然而,隨著羅馬帝國覆滅,大部分的上水道也遭到破壞。一直到中世紀晚期,不但上下水道長期不見天日,連公共廁所也消失了。當時的基督教教義認為,所有肉體欲望都要盡可能節制,裸體入浴是深重的罪孽。公共浴池就別提了,連自家也未設置洗浴設備,可說完全不具備衛生觀念。

這麼一來,城鎮會變成什麼樣子呢?

民眾在道路和廣場上隨意大小便。只能隨便處理的結果,使得排泄物滲入地下,導致病原菌汙染水源。

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貴婦們身穿下襬寬大的長裙,就是為了方便隨地排泄;十七世紀初問世的高跟鞋,則是為了避免街上的糞尿泥濘弄髒腳而設計出來的——所以當時的高跟鞋不只是鞋跟,連鞋尖也會墊高。據說,當時甚至有鞋底高達六十公分的超級高跟鞋⋯⋯

另外,民眾會從二樓或三樓的窗口,將尿壺裡的排泄物直接往路上傾倒,所以外出時需要穿上斗篷,以遮擋這些「天上掉下來的禮物」。由於危險有可能隨時從天而降,當時的紳士才會養成護衛淑女走在道路正中央的習慣。

英國版畫家霍加思(William Hogarth)筆下的倫敦街頭:當街傾倒糞便的場景。圖/wikipedia

當時的人不太洗衣服,也完全不泡澡或沖澡。為了掩蓋體臭,有錢人會噴上大量的香水,香水工業發達的背後,其實是這個緣故。

乖乖照規定,才叫有禮貌

當時的人一旦感覺到便意,根本不在乎時間、地點,直接公然在外排泄。就連十七世紀的法國代表性建築凡爾賽宮,在早期的建設工程中,根本不包含廁所用和浴室用的水道設備。

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宮殿裡,像是太陽王路易十四和著名的瑪麗.安東尼王后,他們所使用的都是坐式馬桶——臀部挖空的椅型便器,而排泄物就積放在下方用來承接的盆子內。當然,國王的馬桶不但鋪上了天鵝絨,還以金銀刺繡做為裝飾,是非常豪華的設計。

這個時代的凡爾賽宮,包含王公貴族、僕人在內,推測約有四千人住在裡頭,但宮中的坐式馬桶僅有不到兩百八十具,數量嚴重不足。因此,在宮中舉辦豪華絢麗的舞會時,愛乾淨的人還會帶著攜帶式便座,再由僕人負責將桶內的排泄物倒進庭園裡;當然,宮中的排泄物也一樣倒在這裡。至於未自備便器的人,則會直接在走廊、房間角落、庭園草叢裡大小便。結果,以美麗聞名的庭園處處充滿糞便,散發出嚴重的惡臭。

宮殿的庭園造景師見狀,非常憤怒,便在庭園裡插了一座「禁止進入」的牌子。一開始大家還不放在眼裡,直到路易十四下令要遵守立牌的指示,賓客才開始守法。

事實上,法語「禮儀」(uiquette)的原義就是「立牌」——最基本的禮貌,其實就是遵守既有的規定。而從這段軼事中,我們也可以預見,惡劣的衛生條件,必然為生命帶來重大威脅。

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——本文摘自《世界史是化學寫成的:從玻璃到手機,從肥料到炸藥,保證有趣的化學入門》,2022 年 2 月,究竟出版,未經同意請勿轉載。

圓神出版‧書是活的_96
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書是活的,他走來溫柔地貼近你,他不在意你在背後談論他,也不在意你劈腿好幾本。 這是一種愛吧。 圓神書活網 www.booklife.com.tw

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一場意外,發現神奇的醣結合蛋白——半乳糖凝集素與劉扶東
研之有物│中央研究院_96
・2023/04/17 ・6037字 ・閱讀時間約 12 分鐘

本文轉載自中央研究院「研之有物」,為「中研院廣告」

  • 採訪撰文/陳其暐
  • 責任編輯/簡克志
  • 美術設計/蔡宛潔

神奇的醣結合蛋白

半乳糖凝集素(galectin)是什麼呢?它是一種醣結合蛋白(carbohydrate-binding protein),有許多不同的家族成員,例如半乳糖凝集素 -3、-8 及 -9 等等。研究發現,當人體細胞遇到外來有害物質,包括細菌或病毒時,除了促進吞噬作用等先天免疫反應之外,半乳糖凝集素會快速聚集到被這些物質破壞的胞器上,與裸露的醣分子結合。同時半乳糖凝集素還會結合與免疫相關的細胞內各種蛋白質,影響細胞反應,例如消除病菌。

中央研究院「研之有物」專訪院內的前任副院長,現為生物醫學科學研究所的通信研究員劉扶東院士,劉院士是研究半乳糖凝集素的專家,他將和我們分享半乳糖凝集素的故事。

劉扶東院士談論半乳糖凝集素。圖/研之有物

「最讓人挫折的地方,也是最令人興奮的地方。」劉扶東如此形容他的研究。

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劉扶東描述那些從研究半乳糖凝集素中所發生的故事,一一告訴我們許多半乳糖凝集素的發現過程,以及中途遇到的種種挑戰。即使他第一次發現半乳糖凝集素的時刻距今已有 30 多年,他依然可以細數研究過程中的各種轉折。特別的是,半乳糖凝集素的發現完全是一場意外,沒想到竟一路成為劉扶東最具標誌性的研究主題。

「半乳糖凝集素是什麼?」對於這個問題,科學家已有明確的定義:它是一種醣結合蛋白(carbohydrate-binding protein),顧名思義,這種蛋白質都具有至少一個醣類辨識區塊(carbohydrate recognition domain)可以結合在醣分子上的 β-半乳糖苷(β-galactose)。

可是若你接著問,「半乳糖凝集素有什麼功能?」劉扶東說,這個問題可能一整天都談不完,甚至他會說,半乳糖凝集素相當複雜,還有很多我們不知道的地方。

但這些未知的答案並沒有阻擋他繼續深入研究半乳糖凝集素,他還希望藉由分享更多半乳糖凝集素的研究成果,以此激發更多人投入這塊領域。一如他當年曲折的際遇。

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幸運的發現

中研院前任副院長、現為生醫所通信研究員的劉扶東,同時擁有多重身分——教授、科學家,及醫師。早在「跨領域」這個名詞蔚為風潮之前,劉扶東就在化學、生物學,接著到免疫學、醣科學、醫學研究等領域累積豐富的研究成果。劉扶東之所以能在多種領域自在轉換,或許從求學時期開始便可見端倪。

劉扶東回憶,由於當年他從成功高中畢業時成績很好,得以保送至臺大化學系。大三念了生物化學之後,開始對生物產生興趣。1970 年,劉扶東從化學系畢業,和許多同學一樣選擇出國念書。可能是因為芝加哥大學特別喜歡臺大化學系的畢業生,劉扶東順利進入該大學的研究所深造。

進入芝加哥大學後,他以化學為基礎,跟著指導教授涉略生物相關的題目,僅僅四年就取得博士學位,接著在伊利諾大學化學系擔任研究員,一步一步朝生物領域發展。後來在指導教授的引薦下,得以前往斯克里普斯研究院(The Scripps Research Institute),從事免疫相關的研究。

在 Scripps 研究院期間,劉扶東對過敏反應產生興趣,而過敏反應的重要媒介之一是免疫球蛋白 E(IgE),於是他便決定探索 IgE 的一個重要受體。當時恰好碰上基因重組技術(Recombinant DNA Technology)出現,科學家紛紛採用這種技術來表現特定基因片段,藉此製造出特定蛋白質。

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劉扶東也使用了基因重組技術來嘗試選殖出(clone)IgE 受體,結果沒有成功,卻發現另一種蛋白質,會結合 IgE 上的半乳糖。後來,這蛋白質就被命名為半乳糖凝集素-3。

半乳糖凝集素的示意圖,大致可以分為三大類,原型、嵌合型和串聯重複型,三者都具有至少一個醣類辨識區塊。其中半乳糖凝集素-3 是屬於嵌合型,保留了一個可以結合更多分子的空位(N-Terminal)。圖/研之有物、林威翰、陳宏霖

猶如一場賭注

過往,科學家就發現過凝集素,劉扶東舉例,植物體內就含有凝集素,例如植物血凝素(phytohaemagglutinin);從流行性感冒病毒(influenza)表面則可找到血球凝集素(hemagglutinin),讓病毒得以附著於動物細胞上。

而會與醣類結合且來自動物的蛋白質,其實也有先例可循,例如在 1980 年代發現的選擇素(selectin)家族屬於一種細胞黏附分子,會參與發炎反應,促進白血球與血管內皮細胞的交互作用。還有一類稱為唾液酸結合蛋白(siglec)的家族,會調控免疫細胞的活化或抑制。

至於半乳糖凝集素,科學家陸續找到一種、兩種、三種……至今已發現有 15 種半乳糖凝集素,分布於人體的各種細胞之中,是一個大的家族。

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不同半乳糖凝集素之間,大約僅有 40% 的相似度,之所以隸屬同個家族,是因為它們都具有某段特定序列,而且都會結合半乳糖。

可是對於 30 年前的劉扶東而言,一切都是未知,尤其當時他在免疫領域已有成果,此刻要轉而花費心力在一個全新的領域,猶如一場賭注。

為了找出半乳糖凝集素在生物體的角色,他們便將半乳糖凝集素加到生物樣本中,看見細胞會因此凝集,便認定這就是半乳糖凝集素的功能。然而,不久後劉扶東就發現,這件事可能沒有想像中那麼簡單。

他舉例,「把植物裡的凝集素,加到紅血球之中,紅血球就會被凝集起來,可是這是不是它的功能?不是,因為植物裡面沒有紅血球。」他接著說,半乳糖凝集素沒有跨膜結構域(transmembranedomain),不會鑲嵌在細胞膜上;而且不帶有訊息序列(signal sequence),無法透過高基氏體運送到細胞外。

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絕大部分的半乳糖凝集素都會存在於細胞質或細胞核中。

因此劉扶東認為,關鍵的問題應該是:「內源性半乳糖凝集素的功用是什麼?是不是有在細胞裡面的功用?」

絕大部分的半乳糖凝集素都會存在於細胞質或細胞核中。上圖為動物細胞結構示意圖,最外層是細胞膜,中間橘紅色核心是細胞核,兩者之間的膠狀質地就是細胞質。細胞核外面淡黃色網狀結構是內質網,深藍色層狀結構是高基氏體,中間一顆一顆小小的橢圓膠囊是粒線體。圖/iStock

首次發現內源性功能

劉扶東認為,半乳糖凝集素的成員眾多,在細胞裡必定有相當的重要性。但唯一證明的方法,就是透過不斷的實驗。在探求解答的過程中,他沒有駐足,「我一直在思考,怎麼樣能做得更好?」

他不斷尋找讓自己成長的機會。在 Scripps 研究院內,有許多研究者從事醫學研究,加上對於過敏、免疫反應的興趣,激發了他念醫學院的動力。因此當他得知邁阿密大學提供了一個兩年即可取得醫學學位的方案,便毅然地前往就讀。他描述,要在極短的時間內讀完所有基礎及臨床醫學學科,壓力相當大。

但他依然保持熱誠,唸完學科後,他又花了四年做實習醫師及到皮膚科做住院醫師。同時,他並沒有放棄原本的研究項目,在念醫學院時他定期從邁阿密到聖地牙哥兩地奔波。而做住院醫師時也在 Scripps 研究院繼續經營實驗室。最後,他成功取得皮膚科的專科醫師執照,之後前往加州大學戴維斯分校醫學院皮膚系擔任教授兼主任。

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同一時期,劉扶東的實驗室在半乳糖凝集素的研究上也取得突破。1996 年,他們成為第一個找到半乳糖凝集素內源性功能的團隊,他們發現半乳糖凝集素-3 會抑制 T 細胞的凋亡。其他科學家的研究也發現,「心衰竭的病人,血液循環裡的半乳糖凝集素-3 會增加。」這種現象或許就可以做為臨床檢測的因子,來判斷受試者是否可能患有心衰竭。

另外,劉扶東也利用基因剔除鼠(knockout mice,意指小鼠的特定基因被破壞而無法表現)來觀察缺少特定種類的半乳糖凝集素會有什麼反應,進而驗證半乳糖凝集素的重要性與疾病模式。

他發現,剔除半乳糖凝集素-12 基因的雌鼠會變瘦,而半乳糖凝集素-12 主要便是在脂肪細胞中表現,具有抑制脂肪細胞的脂肪分解功能。他說,「做這塊領域,要一直學習新的東西。」原本做免疫的他,對脂肪細胞非常陌生,幸好團隊中的研究人員有興趣持續鑽研,同時與加州大學戴維斯分校的其他專家合作,才能夠找出隱藏其中的故事。

在加州大學戴維斯分校待了近十年後,劉扶東決定回臺貢獻所學,接任中央研究院生物醫學科學研究所所長,開始在院內推動免疫、醣科學等領域,也持續研究半乳糖凝集素。

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劉扶東與團隊找出了半乳糖凝集素-7 與乾癬之間的關聯。乾癬是一種由免疫失調所導致的慢性皮膚發炎,身上會反覆長出紅色斑塊,約有 2% 人口患有這種病症。他們發現,半乳糖凝集素-7 在乾癬患者的皮膚中表現較少。而半乳糖凝集素-7 具有抑制角質形成細胞(keratinocyte)增生的功能。

半乳糖凝集素-7 的蛋白質結構。劉扶東院士發現半乳糖凝集素-7 具有抑制「角質形成細胞」增生的功能。圖/Wikipedia

持續探索未知

劉扶東不斷透過研究探索半乳糖凝集素的作用機制,雖然每一步都得花費不少時間,但發表成果後,「這些研究成果得到認可,就覺得很有意義。」分享故事的過程中,也為他帶來許多樂趣。

他解釋,雖然半乳糖凝集素是一種醣結合蛋白,但它不必與醣結合,也能夠參與細胞內的各種生化反應,像是與細胞內的調控因子作用,促進激素的製造。甚至也可能與疾病機制有關,例如,半乳糖凝集素-1 在許多癌症中會大量表現,讓癌細胞可以規避免疫反應;半乳糖凝集素-3 在淋巴瘤、肝癌細胞中的表現量會升高,讓癌細胞存活更久。

另外,在患有中風、神經退化疾病或多發性硬化症的病患大腦中也發現高濃度的半乳糖凝集素-3,若是抑制其表現,就可以減緩發炎反應,進而改善病程。

那麼,半乳糖凝集素會在細胞內與醣結合產生功能嗎?劉扶東解釋,醣蛋白一般只會出現在胞器內或細胞膜表面上,因此半乳糖凝集素「通常」沒有機會與醣結合。

然而,有學者發現,胞器或胞內體在某些情況下會破裂,此時胞器內部的醣就會裸露,讓半乳糖凝集素得以結合上去,誘發細胞的自噬作用(autophagy),讓受損胞器交由溶酶體降解。

甚至,有些細胞機制會受到這些裸露的醣與半乳糖凝集素的結合所調控,產生細胞凋亡、發炎反應,因而形成疾病。劉扶東團隊也持續發現半乳糖凝集素-3 與 -8 在上述機制中的功能。最近更進一步發現,半乳糖凝集素在細胞内可與侵入細胞的病原體上的醣結合,進一步影響細胞對抗病原體的反應。

上圖為半乳糖凝集素在細胞內機制的示意圖。左邊是細胞表面醣化修飾的形成過程,右邊則是半乳糖凝集素對應外來有害物質的機制,當核內體的膜破裂時,裡面的醣分子得以裸露,半乳糖凝集素快速聚集,並與這些醣分子結合,同時也會結合更多蛋白質幫手,一起設法解決外來有害物質。圖/研之有物、林威翰、陳宏霖
上圖為李斯特菌進入細胞後,半乳糖凝集素-3 快速聚集反應,並由免疫系統排除的過程。半乳糖凝集素-3 為綠色,李斯特菌為紅色,溶酶體為藍色,其中的第 64 分鐘到第 79 分鐘,半乳糖凝集素-3 快速聚集。圖/Glycobiology

至於半乳糖凝集素在細胞「外」的功能?對於這個問題,劉扶東坦承,「雖然知道半乳糖凝集素這麼久了,半乳糖凝集素在人體細胞外面有什麼功能,我們真的不知道,不過已有無數的文章有敍述在試管内(in vitro)看到的功能。」半乳糖凝集素在少數情況下會離開細胞,並可能與細胞膜或其他蛋白質上的醣類結合,然而細胞外的半乳糖凝集素在活體內實際去了哪裡,產生了什麼作用,還有待科學進一步探究。

如果可以在細胞外專一追蹤半乳糖凝集素家族,對於生醫藥物發展會相當有用,但是目前的科學技術還無法做到。

創造更多突破

劉扶東強調,半乳糖凝集素的內源性功能已有許多研究成果證實。時至今日,若在期刊網站搜尋,可以在全世界找到近萬篇與半乳糖凝集素有關的科學文獻,每年的相關研究多到劉扶東難以一一追蹤。

如此豐富的研究成果,已成為臨床醫藥的新發展方向。目前已有生技公司著手研發半乳糖凝集素抑制劑(inhibitor),來抑制細胞不正常的發炎反應,例如瑞典公司 Galecto 即以抑制半乳糖凝集素-3 為目標,已研發出小分子藥物(galectin-3 inhibitor, GB0139, formerly TD139)來對抗特發性肺纖維化(idiopathic pulmonary fibrosis)並已得到歐洲藥品管理區(EMA)及美國食品藥物管理局(FDA)核准。

除了半乳糖凝集素-3,劉扶東認為,半乳糖凝集素-7、半乳糖凝集素-8、半乳糖凝集素-12 都有可能進一步發展藥物。若能組成專業團隊,加上跨領域合作,結合不同領域的知識與技術,就能彼此加成,找到更多突破機會。

許多科學創新,不單單只靠一個人就能達成,「我很幸運,實驗室裡有很多優秀的人才一起研究,也和許多團隊合作。」劉扶東期待能夠在臺灣促成更多的合作機會,讓不同實驗室之間結盟,就能凝聚成更大的力量。

延伸閱讀

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  2. Cummings, R. D., Liu, F.-T., Rabinovich, G. A., Stowell, S. R., & Vasta, G. R.(2022). Chapter 36 Galectins. In Essentials of Glycobiology (4th ed.). Cold Spring Harbor Laboratory Press. 
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  8. 中央研究院(2023)。腸細胞內辨識細菌表面聚糖的分子為控制腸道感染的重要關鍵,中研院生物醫學科學研究所。
  9. 慈濟大學醫學院(2022)。《大師傳習系列之十》劉扶東院士講座,YouTube。
  10. 興大通識中心(2020)。疾病治療新展望:聚焦醣科學-劉扶東院士,YouTube。
  11. 黃彥維、黃耿祥、楊智惠、劉潔(2020)。醣分子科學新知(二):半乳糖凝集素與腫瘤治療,科技大觀園。 
  12. 中央研究院(2017)。免疫療法抗癌新曙光|生物醫學科學研究所 劉扶東院士,YouTube。
  13. 中央研究院(2017)。發炎反應與疾病―亦敵亦友的微妙關係|生物醫學科學研究所 劉扶東院士,YouTube。
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