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冬眠的松鼠和阿茲海默症病人的大腦有點像?

活躍星系核_96
・2018/05/17 ・1809字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 559 ・八年級

文/洪浩恩 │ 中興大學獸醫學系

圖/海棉寶寶劇照

北美洲的金背地松鼠(Callospermophilus  lateralis)被作為研究冬眠的實驗動物。科學家發現松鼠在冬眠時,大腦中磷酸化 tau蛋白(tau protein)會大量的出現,就像程度嚴重的阿茲海默症(Alzheimer’s disease)患者一樣,而隨著環境慢慢恢復成適合牠們活動的條件,松鼠就像是沒事一般的甦醒過日子,讓人吃驚的是牠們原來瀰漫於大腦中的磷酸化 tau蛋白幾乎完全消失。

真實世界的珊迪(金背地松鼠)其實長這樣。 圖/Eborutta [CC BY-SA 3.0] via wikipedia

阿茲海默症與磷酸化 tau 蛋白

從失智症患者的大腦組織被觀察到類澱粉蛋白斑塊(amyloid plaques)至今,阿茲海默症持續被人們研究了 110 年,即使我們對於疾病的進程有更多的了解,卻始終無法找到一個好的方法能有效治療它。

以現在累積的證據來看,人們相信阿茲海默症的成因,最可能肇因於一種(可能)用來協助神經細胞維持和運輸功能的微管蛋白tau,這些原本就廣布於神經系統的蛋白因為某個不明原因,可能是受到遺傳或是環境因子影響而產生了過度磷酸化(hyperphosphorylation),而後這些磷酸化 tau蛋白就到處瀰漫,甚至與組織間的其他碎屑產生糾纏,於是讓身體不得不透過炎症反應來玉石俱焚的類澱粉蛋白斑塊就這麼誕生了。

崩解的維管蛋白。 圖/wikipedia

在神經退化性疾病的研究中,科學家致力於尋找活化神經可塑性(neuronal plasticity)的關鍵,因為如阿茲海默症的例子,即使我們清除了所有的斑塊,也得讓患者的神經系統恢復到原來的樣子,眾多關於神經可塑性的探索行動,有人開始注意到冬眠(hibernation)這種一直存在於我們身邊的神奇事情。

恆溫動物腦中的磷酸化 tau蛋白在冬眠時大幅增加,但在甦醒後又漸漸消失。如圖所示,自休眠開始(F、F’);剛甦醒(G、G’);到甦醒一段時間(H、H’),磷酸化 tau蛋白漸次從畫面中消失。 圖/原始論文

協助大腦冬眠「關機」的 tau 蛋白

冬眠是一種動物用來渡過惡劣環境以盡量減少能量消耗的行為策略,在冬眠期間的哺乳動物,其代謝速率、心跳和呼吸頻率都會大幅下降,在這個時候為了不必要的能量消耗,大腦幾乎停止活動,腦細胞會減少,那麼,tau蛋白在這時候大量出現又隨著甦醒消失,如此安排用意為何呢?

冬眠期間的海馬迴組織循環變化。在神經末端的神經傳導分子消失與再現的周期性變化與 tau蛋白的磷酸化和去磷酸化時間一致。(點圖可放大)圖/原始論文

科學家相信磷酸化 tau蛋白的出現,帶來一種協助大腦「關機」的訊號,在環境不利於生存時,腦中需要將暫時不需要的神經連結除去,以保住那些和生命直接相關的部分,這個現象也發現在倉鼠和黑熊腦中,特別是科學家還在壽命較長的黑熊腦中,發現了未被還原而留下來形成斑塊的 tau蛋白,根據目前在動物行為上的長期記憶實驗結果,這些甦醒的動物在社交上的記憶是不受冬眠影響的,而空間性的學習記憶則有程度不一的損傷,有一種鼠耳蝠(Myotis myotis)則能保留完整的空間記憶。

在漫長的演化歷程中,人類的基因始終帶著這樣的機制,阿茲海默症患者的腦中,tau蛋白說不定預知了危險,為了保護大腦而來,可惜喚醒它的可能是我們的衰老或其他因素,面對突如其來的變化,沒有走進冬眠程序的我們無法逆轉它。

松鼠和其他動物,靠著冬眠捱過嚴冬,在遙遠的未來,如果人們想要實現太空旅行,除了交通載具的突破外,如何讓人進入冬眠又能毫髮無傷地悠然轉醒會是相當重要的,或許等到那時候,一直困擾著科學家的阿茲海默症也將得到了解答。

也難怪 NASA 會聘請松鼠了。 圖/海綿寶寶劇照

參考資料:

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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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阿茲海默風暴:通訊作者的辯駁與責任
胡中行_96
・2022/07/28 ・3231字 ・閱讀時間約 6 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

「關於《科學》…控訴我的前同事 Sylvain Lesné 博士可能篡改影像,我不予置評,畢竟後者正在接受明尼蘇達大學的正式調查。然而,文中的科學陳述我有意見,因為針對我的學理描述並不正確。」[1] 2022 年 7 月 21 日,知名期刊《科學》的新聞專題,指出影響深遠的 2006 年阿茲海默症論文造假,向全球醫療圈投下震撼彈。[2] 隔天當事人之一,明尼蘇達大學的 Karen Hsiao Ashe 教授親上火線,在阿茲海默症新聞論壇 Alzforum 上,發出嚴正聲明,同時引發學界熱烈討論。[1]

《自然》期刊 2022 年 7 月 14 日的(黃色底線)編按,提到正在調查遭質疑的圖像。
圖/參考資料 3(Screenshot used as fair dealing for news report.)

《科學》期刊報導,去年 8 月,二名希望 Cassava Sciences 製藥公司股票下跌,以從中獲利的投資人,[註] 透過律師聘雇時年 37 歲的范德比大學神經科學家 Matthew Schrag 。他們付了美金 1 萬 8 千元,要求調查該公司的阿茲海默症實驗藥物 Simufilam 。執行任務的過程中, Schrag 發現一篇 2006 年刊登於《自然》期刊的論文,十分可疑。[2] 該研究的第一作者是 Sylvain Lesné ,而 Karen Hsiao Ashe 則是通訊作者。[3]

明尼蘇達大學 Karen Hsiao Ashe 教授。圖/University of Minnesota(Image used as fair dealing for news report.)

Karen H. Ashe 教授是中國裔美國人,本姓蕭,但冠上第二任丈夫的姓氏 Ashe 。[4] 母親為生化學家袁昭穎(Joyce C.Y. Yuan),曾任諾貝爾得主 Alexander Todd 實驗室的訪問學者;[5] 父親則是明尼蘇達大學航太工程榮譽教授蕭之㑺(Chih Chun Hsiao),於兩次國共內戰之間移民美國,後來曾受邀赴共產中國教書,並致力於中美交流。[4, 6, 7] 不枉其家學淵源, Ashe 教授 3 歲立志當科學家, 17 歲跳級進入哈佛大學二年級就讀, 27 歲時不僅已經唸完哈佛大學醫學系,還取得麻省理工的博士學位。她曾追隨諾貝爾得主 Stanley Prusiner 教授進行腦部研究;後來在自己領導的團隊中,和法國科學家 Sylvain Lesné 合作阿茲海默症相關主題,[4] 還因此獲得重要獎項。[2] 2012 年明尼蘇達的世紀老報《明星論壇》,在專訪中更描述她多才多藝,且具有謙遜的中國傳統美德。[4]

明尼蘇達大學 Sylvain Lesné 副教授。
圖/University of Minnesota
(Image used as fair dealing for news report.)

在 2006 年《自然》期刊關鍵性的論文中, Lesné 和 Ashe 表示注射到腦袋裡的 Aβ*56 ,會令年輕小鼠失智,並認為此發現將有助未來的阿茲海默症研究。[2, 3] Aβ*56 唸作「 amyloid beta star 56 」,是一種 β 澱粉類蛋白(amyloid beta,縮寫成Aβ)。[2]如何減少 Aβ 的累積,至今仍是阿茲海默症研究的方向之一;[2, 8, 9] 而 Cassava Sciences 的 Simufilam ,則是以預防 Aβ 與特定受器結合,來達此效果[10, 11]

范德比大學神經科學家 Matthew Schrag 。
圖/Vanderbilt University Medical Center
(Image used as fair dealing for news report.)

這次新聞事件的吹哨者 Matthew Schrag ,此前就曾公開批評美國食品藥管理局,不該核准另一款抗 Aβ 藥物;而他自己的研究也與 Cassava Sciences 的主張相悖,認定 Simufilam 對受試者有弊無利。當 Schrag 開始懷疑 Lesné 不只是在 2006 年《自然》刊載的影像上動手腳,《科學》期刊請來 George Perry 和 John Forsayeth 等頂尖專家協助鑑定。他們均認同 Schrag 的看法,也就是對 Lesné 發表於超過 70 篇論文中的上百張影像存疑。[2]

這把燒毀阿茲海默症重要研究根基的熊熊烈火,一發不可收拾,向四面八方蔓延開來。美國國家衛生研究院、《自然》、《神經科學期刊》、《PLOS ONE》,以及與《科學》同屬美國科學促進會的《科學信號》等單位,通通重新審視 Lesné 參與的論文,而且其中部份已遭撤回。 Schrag 批評這些錯誤資訊,不單浪費國家衛生研究院為數可觀的贊助經費,還被引用數千次,「因此誤導了整個學界。」另外,他也揪出 34 篇由其他作者撰寫,跟 Cassava Sciences 直接相關的問題論文,並上報國家衛生研究院。[2] 因此,那斯達克股票交易所警告投資人, Cassava Sciences (股票代號: SAVA )的情況岌岌可危。如果未來美國食品藥物管理局不批准 Simufilam ,其股價或許會慘跌至個位數字。[12]

儘管事件主要聚焦在 Lesné 上,就學術倫理來說,身為 2006 年那篇論文的通訊作者, Ashe 教授也得為研究品質負責。[13-15]面對「誤導整個學界」的指控,她在 Alzforum 上以自己過去發表的研究,說明 Aβ 分為第一型與第二型。當年害小鼠失智的 Aβ*56 ,屬於第一型;而第二型則是在類澱粉蛋白斑塊(amyloid plaques)中找到的。「後者是藥物研發者屢戰屢敗的目標。」Ashe 教授寫道:「從來就沒有臨床試驗針對第一型,但那才是我在研究中點出的失智關聯。」[1]

阿茲海默新聞論壇 Alzforum 上,Karen H. Ashe 教授和其他學者,對此事件公開表態。
圖/參考資料1(Screenshot used as fair dealing for news report.)

在 Ashe 教授的辯駁下方,有幾名學者留言強調學界不該以偏概全,為了一則新聞報導,抹滅相關研究的重要性。[1] 此外,目前仍在進行中的 Simufilam 臨床試驗,也與 Aβ*56 無關。他們當初挑選受試者的條件,包含某種蛋白質跟 Aβ42 的比例(CSF tau/Aβ42 ratio ≥ 0.28);[16] 所發表的論文,也是在分析是否能抑制 Aβ42 的負面影響。[10]

這是本文未提及,但也是針對 Aβ 的研究。由左至右: Aβ 逐漸累積成塊,右上為接受免疫療法的(灰色)神經元,右下則缺乏治療。
圖/Esang M and Gupta M. (2021) ’Aducanumab as a Novel Treatment for Alzheimer’s Disease: A Decade of Hope, Controversies, and the Future.’ Cureus, 13, 8, e17591. (CC BY 4.0)

然而,就因為阿茲海默症的藥物臨床試驗,都不是和 Aβ*56 直接相關,[11, 16] Ashe 教授便責無旁貸了嗎?美國軍醫學校的 David Brody 博士在 Alzforum 的討論串中提到,他的團隊以前試圖重複 Aβ *56 的研究,花了約一整年的時間,卻徒勞無功。[11] 《科學》也提及不少實驗室,遇到一樣的情形。[2] 這些想要以經典為基石向前邁進的人,都被謊言所羈絆,而使得醫學的進展停滯不前。失敗的研究當然不太有論文發表,[2] 更甭論人體臨床試驗。害大家耗費精力走冤枉路,難道不是對阿茲海默症研究的嚴重傷害?

「你可以靠作弊發表論文,獲取學位,贏得補助」, Schrag 對《科學》的記者說:「但你不能用欺騙來治癒疾病」。[2] 諷刺的是,十年前《明星論壇》也記錄了 Ashe 教授類似的談話。她當時鼓勵人們要勇於挑戰她,因為錯誤的理論「不會迎來解藥」。[4]

  

備註

根據美國第一證券的解釋,「賣空」(short selling)的投資人會將非己有的股票售出,計劃未來以較低的股價買回。[17] (筆者完全沒聽懂為何這樣能獲利,還請會玩股票的讀者不吝指教,謝謝。)

參考資料

  1. Sylvain Lesné, Who Found Aβ*56, Accused of Image Manipulation (Alzforum, 2022)
  2. Charles Piller. (2022) ‘Blots On A Field?’ Science, 377, 6604.
  3. Lesné, S., Koh, M., Kotilinek, L. et al. (2006) ‘A specific amyloid-β protein assembly in the brain impairs memory’. Nature, 440, pp. 352–357.
  4. Dr. Karen Ashe: Stalking Alzheimer’s (Star Tribune, 2012)
  5. MCFGS ADVISORS (明州中国友好花园协会,accessed on 26 JUL 2022)
  6. CC Hsiao Memorial (The University of Minnesota Digital Conservancy, 2009)
  7. Changsha Garden History (明州中国友好花园协会,accessed on 26 JUL 2022)
  8. Multiple Dose Study of Aducanumab (BIIB037) (Recombinant, Fully Human Anti-Aβ IgG1 mAb) in Participants With Prodromal or Mild Alzheimer’s Disease (PRIME) (ClinicalTrials.gov, 2020)
  9. An Extension Study of V203-AD Study to Evaluate the Safety, Tolerability, Immunogenicity, and Efficacy of UB-311 (ClinicalTrials.gov, 2021)
  10. Wang HY, Bakshi K, Frankfurt M, et al. (2012) ‘Reducing Amyloid-Related Alzheimer’s Disease Pathogenesis by a Small Molecule Targeting Filamin A’. Journal of Neuroscience, 32, 29, pp. 9773-9784.
  11. Simufilam (Alzforum, 2022)
  12. 7 Meme Stocks Trading at a Massive Discount Right Now (Nasdaq, 2022)
  13. 想一想:共同作者是誰(臺灣學術倫理教育資源中心,accessed on 26 JUL 2022)
  14. 科技部對研究人員學術倫理規範(科技部,2017)
  15. Corresponding author defined (Springer, 2020)
  16. Simufilam (PTI-125), 100 mg, for Mild-to-moderate Alzheimer’s Disease Patients (ClinicalTrials.gov, 2021)
  17. 投資辭彙(FirstTrade,accessed on 28 JUL 2022)
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胡中行_96
81 篇文章 ・ 29 位粉絲
曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。邀稿請洽臉書「荒誕遊牧」,謝謝。

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威而鋼不只能幫你重振雄風,還能避免阿茲海默症?
Aaron H._96
・2022/01/07 ・2166字 ・閱讀時間約 4 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

藍色小藥丸威而鋼(Viagra)於1998 年 3 月 27 日獲得美國食品暨藥物管理局 (FDA) 審核上市後,一直都是美國輝瑞大藥廠(Pfizer)的主力藥物,上市至今全球已經開出將近 7000 萬份處方簽。

藍色鑽石形狀的輝瑞威而鋼片劑。圖/WIKIPEDIA

在過去,談論勃起障礙是相當禁忌的話題,這也使得相關的性學研究相當困難。威而鋼雖然是第一款用來幫助男性勃起的藥物,但這完全是意料之外的發展。在 1990 年代,輝瑞大藥廠的研究人員在英國的研發中心研究 PDE5 抑制劑,這類藥物原先設計的目的是希望能夠抑制血管平滑肌細胞中 cGMP 的分解,使蛋白激酶 G (Protein Kinase G) 被活化的量增加,使血管擴張,進而降低血壓,治療心血管疾病和肺高壓。

不過,研究不如預期,第一個 PDE5 抑制劑藥物西地那非(Sildenafil, 也就是威而鋼的主成分)舒張心血管的效果並不夠好,反倒意外發現這些相對年紀較長的受試者,吃了藥後,明顯改善勃起的現象。

研究發現,Sildenafil 能夠選擇性的抑制陰莖海綿體內的 PDE5,增加一氧化氮,使血管舒張,海綿體持續充血,進而恢復陰莖勃起的功能。目前常見用於治療勃起功能障礙的 PDE5 抑制劑有 Sildenafil, Tadalafil, Vardenafil 等。除了治療勃起功能障礙之外,由於能夠舒張血管,研究人員也持續關注 PDE5 抑制劑對其他器官的影響。

人類 PDE5 與 Sildenafil 結合的晶體結構。圖/WIKIPEDIA

威而鋼也許可以治療阿茲海默氏症?

一直到現在阿茲海默氏症都是相當棘手的疾病,致病機轉可能有多重原因,所以要找到適合的治療藥物也非常困難。尋找藥物一直都是全球阿茲海默氏症研究者的聖杯。

2021 年 Nature Aging 期刊上,克里夫蘭醫學中心基因醫學研究中心發表了一篇相當特殊的研究。這篇研究認為西地那非(Sildenafil ) 很有可能可以有效降低罹患阿茲海默氏症的風險。

這篇研究規模相當少見,運用了許多現代化的研究方式、巨量資料演算法與神經網路。研究人員首先建立了一種分析阿茲海默氏症內在表現型(Endophenotype)的電腦模型,辨識出與類澱粉蛋白班塊和 Tau 蛋白相關的基因。從這些基因之中,再與他們事先找出的 1600 種經 FDA 核准的藥物進行比對,看看這些藥物與這些基因型的交互關係。

團隊找出了其中 66 種藥物與阿茲海默氏症相關的基因有較近的關係。排除掉已經經過證實的研究、已經進入試驗的分子等等考量,團隊最終認為 Sildenafil 是目前很有希望,但仍未經過徹底研究的分子。

持有實驗室瓶的人
克里夫蘭醫學中心基因醫學研究中心程博士 (Feixiong Cheng) 所領導的團隊認為,服用 Sildenafil 可能有助於降低罹患阿茲海默氏症風險。圖/Pexels

服用 Sildenafil,可能降低 69% 罹患阿茲海默氏症的風險

為了驗證這項發現是否具有臨床意義,研究團隊檢視了 723 萬筆美國醫療保險的資料,想要看看是否真有其事。在修正性別、年齡以及其他疾病與症狀後,發現服用 Sildenafil 的患者,相較於沒有服用此藥物的患者,六年內罹患阿茲海默氏症的風險降低了 69% 。

研究團隊甚至從阿茲海默氏症的患者身上取得神經幹細胞,培養出神經元之後,發現給予 Sildenafil 的神經細胞,似乎會刺激神經突的生長,並減少 Tau 蛋白的磷酸化。綜合以上的這些結果,都讓研究人員非常興奮。

Sildenafil 相較其他候選藥物,效果顯著

研究團隊也比對 Diltiazem[註1], Glimepiride[註2], Losartan[註3] 和 Metformin[註4],發現 Sildenafil 在降低罹患阿茲海默氏症風險上的表現也明顯的好。Losartan 和 Metformin 目前已經進入阿茲海默氏症的臨床試驗,而 Diltiazem 和 Glimepiride 則是在這次研究才發現的候選藥物。

比起 Losartan,Sildenafil 能夠相對降低 55% 的罹病風險;比起 Metformin 能夠降低 63%;比起 Diltiazem 和 Glimepiride 則分別是 65% 與 64%。使用 Sildenafil 即便是在那些具有高血壓、心血管疾病、糖尿病等慢性病、傳統上認為會增加阿茲海默氏症罹病風險的患者身上,就數據上看來也一樣有顯著的改善。

與健康人腦(左)相比,阿茲海默氏症患者的腦部明顯萎縮;服用威而鋼可能降低 69% 罹患阿茲海默氏症的風險。圖/WIKIPEDIA

不過現在還沒有任何直接證據,證實 Sildenafil 有可能逆轉或避免阿茲海默氏症的發生,現在僅僅是利用演算法大幅縮小搜尋候選藥物的過程,同樣的研究過程也可能可以為帕金森氏症或是 ALS 等其他神經退化性疾病尋找解藥。

目前研究團隊希望能延續此研究結果,啟動下一階段的臨床試驗,看看是否真的對患者有預期效果,值得期待。

註解

  1. Diltiazem中譯為「地爾硫䓬」,屬於鈣離子通道阻滯劑。用於治療和預防心絞痛,控制異常的心律(例如心房顫動)和治療高血壓。
  2. Glimepiride中譯為「格列美脲」,屬於磺胺尿素劑,可以刺激身體釋放胰島素,並使胰島素更易在你的身體起效。因此用作於治療二型糖尿病。
  3. Losartan中譯為「氯沙坦」,屬於血管張力素 II 型受體拮抗劑,作用為阻止一些物質收縮血管,從而增加心臟血流量。它可用於治療高血壓、因糖尿病而引致的腎臟問題、心臟衰竭。
  4. Metformin中譯為「二甲雙胍」,是治療二型糖尿病的一線藥物。它也可以治療多囊卵巢綜合症。

參考文獻:

  • 1. Endophenotype-based in silico network medicine discovery combined with insurance record data mining identifies sildenafil as a candidate drug for Alzheimer’s disease(link is external). Fang, J., Zhang, P., Zhou, Y. et al. Nat. Aging 2021 Dec 6. doi: 10.1038/s43587-021-00138-z. 
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2021 年《Science》年度十大科學突破
PanSci_96
・2021/12/29 ・5289字 ・閱讀時間約 11 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

轉眼就來到 2021 年的尾聲。今年,《Science》雜誌評選的「年度十大科學突破」橫跨眾多領域,包括 AI、天文、物理、生物、醫學,以及備受矚目的能源議題,趕快來看看究竟是哪十項突破吧!

十大突破之首——利用 AI 預測蛋白質結構

AI 預測兩種蛋白質如何在酵母菌中形成參與修復 DNA 的複合物。圖/SCIENCE

蛋白質是組成生物體不可或缺的分子。在 1950 年代,科學家透過分析 X 射線繪製蛋白質結構。然而,既有的方法在繪製成本上過於高昂,往往得耗費數年時間,因此在 1970 年代,科學家開始運用計算機建模,預測蛋白質的折疊方式。直到 2018 年,Google 旗下的 DeepMind 團隊開發了 AI 軟體「阿爾法摺疊」(AlphaFold),使得該領域研究取得突破性進展。

多虧這項 AI 技術,科學家得以精準、快速、大量繪製蛋白質結構。今年 7 月,DeepMind 團隊宣布他們成功分析了 350,000 種人體蛋白質,佔所有已知人體蛋白質的 44%,更預計在明年發布所有已知物種的蛋白質結構,約莫 1 億個。團隊也正在進行更進一步的研究,預測這些蛋白質如何在生物體內相互作用,用來製作新型抗病毒藥物。

在這 COVID-19 肆虐的大疫之年,科學家更利用阿爾法摺疊模擬 Omicron 變種病毒,研究棘蛋白突變帶來的影響,試圖找出中和抗體失效的原因。AI 預測蛋白質結構的技術不僅徹底革新分子生物學領域,也勢必在醫學領域大放異彩!

探勘古代洞穴,解鎖 DNA 寶庫

在墨西哥 Chiquihuite 洞穴記錄沉積物樣本的研究員。圖/SCIENCE

誰說沒有化石就不能研究古生物?科學家今年踏足古代洞穴,採集土壤裡的人類細胞核 DNA,藉此重建古代生態系,釐清世界各地穴居人的身份。在美國,Satsurblia 洞穴存有尼安德塔人未知譜系的女性 DNA;在西班牙,Estatuas 洞穴中的土壤 DNA 揭露 8 萬至 11.3 萬年前人類的遺傳特徵,證實在 10 萬年前的冰河時期結束後,某個尼安德塔人譜系取代了其他眾多人類譜系。

除了人類以外,這種研究方法還可以運用在其他生物上,比如在墨西哥 Chiquihuite 洞穴中,有研究員採集到 1.2 萬年前的黑熊 DNA。與現代熊 DNA 比對後,科學家發現黑熊在上個冰河時期結束後,向北遷徙到阿拉斯加。

「核融合反應」的歷史性突破

192 道雷射光聚在微小的燃料芯塊周圍,準備進行融合反應。圖/SCIENCE

太陽之所以能發光發熱,供給地球能量,都要歸功於太陽內部不斷進行著的核融合反應。長期以來,科學家為了解決地球能源不足的問題,不斷嘗試人工進行核融合反應,可是要達到足夠產生融合反應的壓力和溫度非常困難(請參考:融合能量增益因子/維基百科)。今年,美國國家點火設施(NIF)運用 1.9 兆焦耳的雷射脈衝,壓縮胡椒粒大小的氘(氫的同位素),產出 1.35 兆焦耳的能量,遠高於先前實驗獲得的 17 萬焦耳。

目前,NIF 仍持續進行實驗,試圖藉由更換燃料或調整雷射脈衝數值來提高能量產出,找出能夠最大化能量轉換比例的組合。未來,或許融合反應能夠成為供給地球能源的主流方法!

COVID-19 口服藥「莫納皮拉韋」問世

默克藥廠研發的 COVID-19 口服藥「莫納皮拉韋」。圖/SCIENCE

COVID-19 口服藥終於問世啦!今年秋季,美國默克(Merck)藥廠發布數據,證明其研發的 COVID-19 口服藥「莫納皮拉韋」(Molnupiravir)可將未接種疫苗者的重症和死亡率降低 30%;如果在出現症狀的 3 日內服用輝瑞開發的口服藥 PF-07321332,則可降低 89% 住院率。

雖然口服藥無法取代疫苗接種,卻扮演非常關鍵的角色。若是 Omicron 變異株造成大量突破性感染,或許口服藥就能接棒,防堵病毒擴散。

創傷後壓力症候群的新興療法——搖頭丸

正在進行 MDMA 治療的創傷後壓力症候群患者。圖/SCIENCE

什麼?搖頭丸還能治病?沒錯!這份發表在《Nature Medicine》的研究證實搖頭丸的主要成分「3,4-亞甲基二氧基甲基苯丙胺」(MDMA)可以減輕創傷後壓力症候群(PTSD)患者的症狀,而且效果十分顯著。該研究將 76 名受試者分成 MDMA 組和安慰劑組,接受 3 次療程,發現 MDMA 組有 67% 的病患試後不再符合 PTSD 的診斷標準,而安慰劑組僅有 32%。

可是這項結果也引起了對於雙盲實驗的質疑,因為試後有高達 90% 的受試者表示他們其實知道自己的組別,這可能大幅影響症狀改善的機率。目前正在進行更大型的實驗,若實驗結果確定 MDMA 能治療 PTSD,預計將在 2023 年提交美國食品藥物管理局(FDA)批准上市。

開發單株抗體,對抗各類傳染性疾病

單株抗體(紅色和藍色)對抗 COVID-19 病毒(紫色球狀物)假想圖。圖/SCIENCE

單株抗體(mAb,簡稱單抗)是融合腫瘤細胞與免疫細胞製造而成的人工抗體,不但有腫瘤細胞不斷分裂的能力,也有免疫細胞產生抗體的能力——簡單來說,單抗可以大量製造相同的抗體,更有效地打擊病毒。除了往年的伊波拉病毒、炭疽病、狂犬病單抗以外,今年也順利合成了瘧疾、愛滋病和呼吸道合胞病毒(RSV)的單抗。目前,科學家正在積極開發更多種類的單抗,首要目標是打擊流感、茲卡病毒和巨細胞病毒(CMV),使得這項新技術有望成為打擊傳染病的「標配」。

「洞察號」揭密火星內部結構

地震波顯示火星有一層薄薄的地殼、地函和液態核心。圖/SCIENCE

自 2018 年「洞察號」(InSight)登陸火星至今,科學家蒐集 35 筆地震數據,藉以估計火星的地殼厚度、地函結構和地核大小。今年的數據分析結果出爐後,發現這顆紅色行星的平均地殼厚度不到 40 公里,地函非常淺,而且只有一層(不像地球有上、下兩層地函),地核特別巨大,佔了火星體積一半,主要組成元素是低密度的液態鐵和液態鎳,以及硫、氧、碳和氫等較輕元素。這是人類首次使用地震數據探測其他行星的內部結構,也是探索神秘火星的一大步。

改寫粒子物理學模型的繆子實驗

繆子在美國費米實驗室的磁場中旋轉。圖/SCIENCE

在 1960 年代,粒子物理學家提出理論解釋強核力、弱核力和電磁力,這三種理論被稱為標準模型。然而,科學家今年發現「繆子」(Muon)——一種比電子更重、更不穩定的粒子——其實際測得的 g 值(自旋角動量與磁性大小之間的關係)比標準模型所預測的還要大,且兩者的誤差範圍沒有交集。

目前,眾多科學家正在美國費米實驗室(FNAL)進一步分析實驗數據。假如繆子實驗沒有任何閃失,這樣的結果將撼動物理學界,徹底改寫擁有 50 年歷史的標準模型。

CRISPR 基因編輯——確實能在體內發揮療效!

RNA(藍色)將 DNA 切割酶(白色)引導至目標(橙色)。圖/SCIENCE

去年,科學家運用 CRISPR 基因編輯技術,在實驗室修改造血幹細胞,治癒鐮刀型貧血和乙型(β 型)地中海貧血。今年,科學家更大膽了,直接在人體內部署 CRISPR!研究結果顯示,這種基因編輯技術可以有效減少一種有毒的肝臟蛋白質數量,甚至改善遺傳性失明患者的視力,讓兩名幾乎完全失明的患者能夠感覺到光線,並且在昏暗的光線下避開障礙物。

體外胚胎培養——研究生命體早期發育歷程

在罐中成長的小鼠胚胎可以幫助科學家更了解人類發育的早期階段。圖/SCIENCE

透過研究胚胎,科學家得以找出先天性缺陷和流產的原因,但礙於倫理學和法律規範,目前對於體外胚胎培養的了解並不多。今年,有團隊利用誘導性多能幹細胞(Induced pluripotent stem cell,簡稱 iPS 細胞)成功複製人類的囊胚(受精後準備孵化及著床的胚胎),另外有團隊發現皮膚細胞經 iPS 細胞誘導、轉化後,也可以產生類似囊胚的結構,作為體外胚胎實驗的替代品。

除了十大科學突破以外……

《SCIENCE》今年也特別列出三項影響科學發展的重大阻礙,包括難解的氣候議題、備受爭議的癌症新藥,以及在疫情之下遭受猛烈砲火抨擊的科學家。

越來越熱!減碳目標恐難以達成

這座位於德國博克斯貝格(Boxberg)的燃煤電廠預計 2038 年才會關閉。圖/SCIENCE

自從工業革命以來,全球氣溫升幅達到了 1.2°C,近年極端氣候事件更是層出不窮。對此,今年的聯合國氣候變遷大會(COP26)達成多項協議,包括將全球氣溫升幅限制在 1.5°C 以內、確立碳交易市場架構,以及減少碳排放量。然而,全球經濟現在依然大幅仰賴化石燃料,況且聯合國協議不具約束力,是否能達成減碳目標,必須取決於各國政策制訂。

充滿爭議的阿茲海默症新藥「Aduhelm」

正子斷層掃描(PET)顯示 Aduhelm 能有效清除 β 類澱粉蛋白斑塊。圖/SCIENCE

美國食品藥物管理局(FDA)近 20 年來首次核准阿茲海默症藥物,即百健(Biogen)藥廠開發的 Aduhelm。經臨床實驗證實,這種藥物能清除異常堆積在患者腦內的「β 類澱粉蛋白斑塊」,也就是失智症發病和惡化的原因。照理說,這是患者和家屬期盼以久的好消息,卻被不少大型醫院和醫學中心拒絕採用,因為在兩項大型臨床實驗中,只有一項實驗證明其改善認知功能的療效勝過安慰劑,卻沒有證據顯示 Aduhelm 有顯著的改善效果。

當疫情碰上政治形態——夾縫中求生存的科學家

比利時病毒學家範蘭斯特(Marc Van Ranst)收到來自極右派狙擊手柯寧斯(Jürgen Conings)的死亡威脅後躲避自保。圖/SCIENCE

長期以來,科學家遭受攻擊的事件層出不窮,但在今年,對於 COVID-19 的政治分歧引發大眾對科學家前所未有的敵意,包括各種形式的恐嚇、抗議和死亡威脅。遭受威脅的有美國首席防疫專家佛奇(Anthony Fauci)、英國首席醫療官惠提(Chris Whitty),以及世界各地的學者和防疫工作者。

《Nature》訪問 321 名研究人員,發現有超過 50% 的人信譽受到攻擊,15% 的人收到死亡威脅,甚至有許多人從此辭去他們熱愛的研究工作。

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PanSci_96
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