首次人體核磁共振攝影 │ 科學史上的今天：07/03

本文與 美商德州博藝社科技 HEART 合作，泛科學企劃執行。

提到台灣令人焦慮的交通，多數人會想到都市裡的壅塞車潮，但真正致命的「塞車」，其實正悄悄發生在我們體內的動脈之中。

這場無聲的危機，主角是被稱為「壞膽固醇」的低密度脂蛋白（ Low-Density Lipoprotein，簡稱 LDL ）。它原本是血液中運送膽固醇的貨車角色，但當 LDL 顆粒數量失控，卻會開始在血管壁上「違規堆積」，讓「生命幹道」的血管日益狹窄，進而引發心肌梗塞或腦中風等嚴重後果。

科學家們還發現一個令人困惑的現象：即使 LDL 數值「看起來很漂亮」，心血管疾病卻依然找上門來！這究竟是怎麼一回事？沿用數十年的健康標準是否早已不敷使用？

膽固醇的「好壞」之分：一場體內的攻防戰

膽固醇是否越少越好？答案是否定的。事實上，我們體內攜帶膽固醇的脂蛋白主要分為兩種：高密度脂蛋白（High-Density Lipoprotein，簡稱 HDL）和低密度脂蛋白（ LDL ）。

想像一下您的血管是一條高速公路。HDL 就像是「清潔車隊」，負責將壞膽固醇（ LDL ）運來的多餘油脂垃圾清走。而 LDL 則像是在血管裡亂丟垃圾的「破壞者」。如果您的 HDL 清潔車隊數量太少，清不過來，垃圾便會堆積如山，最終導致血管堵塞，甚至引發心臟病或中風。

因此，過去數十年來，醫生建議男性 HDL 數值至少應達到 40 mg/dL，女性則需更高，達到 50 mg/dL（ mg/dL 是健檢報告上的標準單位，代表每 100 毫升血液中膽固醇的毫克數）。女性的標準較嚴格，是因為更年期後]pacg心血管保護力會大幅下降，需要更多的「清道夫」來維持血管健康。

相對地，LDL 則建議控制在 130 mg/dL 以下，以減緩垃圾堆積的速度。總膽固醇的理想數值則應控制在 200 mg/dL 以內。這些看似枯燥的數字，實則反映了體內一場血管清潔隊與垃圾山之間的攻防戰。

那麼，為何同為脂蛋白，HDL 被稱為「好」的，而 LDL 卻是「壞」的呢？這並非簡單的貼標籤。我們吃下肚或肝臟製造的脂肪，會透過血液運送到全身，這些在血液中流動的脂肪即為「血脂」，主要成分包含三酸甘油酯和膽固醇。三酸甘油酯是身體儲存能量的重要形式，而膽固醇更是細胞膜、荷爾蒙、維生素D和膽汁不可或缺的原料。

這些血脂對身體運作至關重要，本身並非有害物質。然而，由於脂質是油溶性的，無法直接在血液裡自由流動。因此，在血管或淋巴管裡，脂質需要跟「載脂蛋白」這種特殊的蛋白質結合，變成可以親近水的「脂蛋白」，才能順利在全身循環運輸。

肝臟是生產這些「運輸用蛋白質」的主要工廠，製造出多種蛋白質來運載脂肪。其中，低密度脂蛋白載運大量膽固醇，將其精準送往各組織器官。這也是為什麼低密度脂蛋白膽固醇的縮寫是 LDL-C (全稱是 Low-Density Lipoprotein Cholesterol )。

當血液中 LDL-C 過高時，部分 LDL 可能會被「氧化」變質。這些變質或過量的 LDL 容易在血管壁上引發一連串發炎反應，最終形成粥狀硬化斑塊，導致血管阻塞。因此，LDL-C 被冠上「壞膽固醇」的稱號，因為它與心腦血管疾病的風險密切相關。

高密度脂蛋白（HDL） 則恰好相反。其組成近半為蛋白質，膽固醇比例較少，因此有許多「空位」可供載運。HDL-C 就像血管裡的「清道夫」，負責清除血管壁上多餘的膽固醇，並將其運回肝臟代謝處理。正因為如此，HDL-C 被視為「好膽固醇」。

過去數十年來，醫學界主流觀點認為 LDL-C 越低越好。許多降血脂藥物，如史他汀類（Statins）以及近年發展的 PCSK9 抑制劑，其主要目標皆是降低血液中的 LDL-C 濃度。

然而，科學家們在臨床上發現，儘管許多人的 LDL-C 數值控制得很好，甚至很低，卻仍舊發生中風或心肌梗塞！難道我們對膽固醇的認知，一開始就抓錯了重點？

傳統判讀失準？LDL-C 達標仍難逃心血管危機

早在 2009 年，美國心臟協會與加州大學洛杉磯分校（UCLA）進行了一項大型的回溯性研究。研究團隊分析了 2000 年至 2006 年間，全美超過 13 萬名心臟病住院患者的數據，並記錄了他們入院時的血脂數值。

結果發現，在那些沒有心血管疾病或糖尿病史的患者中，竟有高達 72.1% 的人，其入院時的 LDL-C 數值低於當時建議的 130 mg/dL「安全標準」！即使對於已有心臟病史的患者，也有半數人的 LDL-C 數值低於 100 mg/dL。

這項研究明確指出，依照當時的指引標準，絕大多數首次心臟病發作的患者，其 LDL-C 數值其實都在「可接受範圍」內。這意味著，單純依賴 LDL-C 數值，並無法有效預防心臟病發作。

科學家們為此感到相當棘手。傳統僅檢測 LDL-C 總量的方式，可能就像只計算路上有多少貨車，卻沒有注意到有些貨車的「駕駛行為」其實非常危險一樣，沒辦法完全揪出真正的問題根源！因此，科學家們決定進一步深入檢視這些「駕駛」，找出誰才是真正的麻煩製造者。

LDL 家族的「頭號戰犯」：L5 型低密度脂蛋白

為了精準揪出 LDL 裡，誰才是最危險的分子，科學家們投入大量心力。他們發現，LDL 這個「壞膽固醇」家族並非均質，其成員有大小、密度之分，甚至帶有不同的電荷，如同各式型號的貨車與脾性各異的「駕駛」。

早在 1979 年，已有科學家提出某些帶有較強「負電性」的 LDL 分子可能與動脈粥狀硬化有關。這些帶負電的 LDL 就像特別容易「黏」在血管壁上的頑固污漬。

台灣留美科學家陳珠璜教授、楊朝諭教授及其團隊在這方面取得突破性的貢獻。他們利用一種叫做「陰離子交換層析法」的精密技術，像是用一個特殊的「電荷篩子」，依照 LDL 粒子所帶負電荷的多寡，成功將 LDL 分離成 L1 到 L5 五個主要的亞群。其中 L1 帶負電荷最少，相對溫和；而 L5 則帶有最多負電荷，電負性最強，最容易在血管中暴衝的「路怒症駕駛」。

2003 年，陳教授團隊首次從心肌梗塞患者血液中，分離並確認了 L5 的存在。他們後續多年的研究進一步證實，在急性心肌梗塞或糖尿病等高風險族群的血液中，L5 的濃度會顯著升高。

L5 的蛋白質結構很不一樣，不僅天生帶有超強負電性，還可能與其他不同的蛋白質結合，或經過「醣基化」修飾，就像在自己外面額外裝上了一些醣類分子。這些特殊的結構和性質，使 L5 成為血管中的「頭號戰犯」。

當 L5 出現時，它並非僅僅路過，而是會直接「搞破壞」：首先，L5 會直接損傷內皮細胞，讓細胞凋亡，甚至讓血管壁的通透性增加，如同在血管壁上鑿洞。接著，L5 會刺激血管壁產生發炎反應。血管壁受傷、發炎後，血液中的免疫細胞便會前來「救災」。

然而，這些免疫細胞在吞噬過多包括 L5 在內的壞東西後，會堆積在血管壁上，逐漸形成硬化斑塊，使血管日益狹窄，這便是我們常聽到的「動脈粥狀硬化」。若這些不穩定的斑塊破裂，可能引發急性血栓，直接堵死血管！若發生在供應心臟血液的冠狀動脈，就會造成心肌梗塞；若發生在腦部血管，則會導致腦中風。

L5：心血管風險評估新指標

現在，我們已明確指出 L5 才是 LDL 家族中真正的「破壞之王」。因此，是時候調整我們對膽固醇數值的看法了。現在，除了關注 LDL-C 的「總量」，我們更應該留意血液中 L5 佔所有 LDL 的「百分比」，即 L5%。

陳珠璜教授也將這項 L5 檢測觀念，從世界知名的德州心臟中心帶回台灣，並創辦了美商德州博藝社科技（HEART）。HEART 在台灣研發出嶄新科技，並在美國、歐盟、英國、加拿大、台灣取得專利許可，日本也正在申請中，希望能讓更多台灣民眾受惠於這項更精準的檢測服務。

一般來說，如果您的 L5% 數值小於 2%，通常代表心血管風險較低。但若 L5% 大於 5%，您就屬於高風險族群，建議進一步進行影像學檢查。特別是當 L5% 大於 8% 時，務必提高警覺，這可能預示著心血管疾病即將發作，或已在悄悄進展中。

對於已有心肌梗塞或中風病史的患者，定期監測 L5% 更是評估疾病復發風險的重要指標。此外，糖尿病、高血壓、高血脂、代謝症候群，以及長期吸菸者，L5% 檢測也能提供額外且有價值的風險評估參考。

隨著醫療科技逐步邁向「精準醫療」的時代，無論是癌症還是心血管疾病的防治，都不再只是單純依賴傳統的身高、體重等指標，而是進一步透過更精密的生物標記，例如特定的蛋白質或代謝物，來更準確地捕捉疾病發生前的徵兆。

您是否曾檢測過 L5% 數值，或是對這項新興的健康指標感到好奇呢？

在瑞士有個 61 歲的男子，4 天前還被看到好端端的，眼下卻沒來由地在家裡掛了。目擊證人、已知疾病、就診紀錄，或是感染相關的線索，例如：升高的肛溫、皮膚的瘀點、退燒藥、止痛劑等，要什麼沒什麼。驗屍團隊推估男子死亡超過 24 小時，其他所知無多。^[1]

驗屍

就外觀而言，男子的屍體沒有任何病灶。驗屍團隊本來想照慣例，先做電腦斷層掃描（computed tomography），觀察內部概況後再解剖。無奈這天儀器故障，所以改照核磁共振造影（magnetic resonance imaging）。不過，塞翁失馬，焉知非福。雖然核磁共振的成本較高，費時冗長，但是影像更為細緻：神經放射科醫師指出腦部額葉與顳葉的扣帶皮質、邊緣葉，以及島葉皮質的左側，都有損傷。換句話說，可能是單純疱疹病毒腦炎（herpes simplex virus encephalitis）。^[1]

照完醫療影像，把屍體剖開來，有肉眼和顯微鏡都可見的肺炎（pneumonia）病變。腦部切片的組織學分析，以蘇木紫（hematoxylin）和伊紅（eosin）染劑上色，顯現出少量發炎的腦幹細胞與病變的海馬體神經元；透過免疫組織化學染色，則發現腦幹內有某些類型的 T 細胞和巨噬細胞，以及活化的小神經膠質細胞等多種免疫細胞。更重要的是，在海馬體中找到單純疱疹病毒（herpes simplex virus）HSV-1 與 HSV-2，證明了根據核磁共振影像所做的推測。^[1]

單純疱疹病毒

單純疱疹病毒經由接觸傳播，從皮膚或黏膜進入人體，感染神經末梢，並在神經節中進行複製。^[1]該病毒分為兩型：90% 的人口都得過，會造成口腔疱疹／唇疱疹的 HSV-1，偶爾也因口交衍生出性器疱疹；不過較不普遍的 HSV-2，通常才是後者的元兇。^{[1, 2]}另外，有些極罕見的 HSV-1 和 HSV-2 案例，是母親於生產時，傳染給嬰兒。^[2]

首次感染也許會發燒、頭疼、喉嚨痛、身體痠痛，或淋巴結腫大。這些症狀若難以承受，可以透過藥物緩解；但是單純疱疹病毒一旦定居神經細胞，只會一下活躍，一下沉寂，終身無法根除。生病、發燒、月經、創傷、手術、陽光曝曬與心理壓力等，都可能引起復發。好在之後的發作通常為期較短，病況也不如第一次那麼嚴重。^[2]

單純疱疹病毒腦炎

儘管單純疱疹病毒只會給一般人帶來暫時的不適；遇上免疫力差的人，發作就更加嚴重且頻繁，甚至有致命的風險。^{[1, 2]}HSV-1 感染可能併發腦炎（encephalitis）和角膜炎（keratitis）；^[2]HSV-2 則會導致腦膜腦炎（meningoencephalitis）與擴散至多處的瀰漫性感染（disseminated infection）。^{[2, 3]}

單純疱疹病毒腦炎的成人發病率高，每年約有 1/250,000–1/500,000；而且就算即時診斷，並經靜脈施予抗病毒藥物 acyclovir，仍有 20% 到 30% 的死亡率。^[4]其診斷方式為執行腰椎穿刺（lumbar puncture），抽取腦脊髓液來檢驗有無病毒；以及做腦部核磁共振，主要看額葉與顳葉是否病變，僅有少數病例會擴及腦幹。病毒影響腦部，展現出來就成了頭疼、癲癇、發燒、失語、個性改變或精神錯亂。^[1]

問題是這名男子生前大概缺乏明顯症狀，所以未曾就診。難怪 2023 年在《國際鑑識科學：報告》（Forensic Science International: Reports）期刊介紹此案的論文作者，只差沒抱怨如此隱蔽的疾患，要叫人怎麼猜。他們最後表示男子死於肺炎，卻通篇討論他罹患的單純疱疹病毒腦炎，並且強調多數鑑識單位頂多幫屍體照電腦斷層掃描，不太容易發現這種腦部感染，所幸他們的電腦斷層掃描儀壞掉，仰賴核磁共振才做出正確診斷。^[1]

1. Genet P, Merkler D, Zerlauth JB, et al. (2023) ‘Incidental discovery of herpes simplex virus encephalitis by post-mortem MRI’. Forensic Science International: Reports, 7, 100310.
2. ‘Herpes simplex virus’. (05 APR 2023) World Health Organization.
3. Yetmar ZA, Khodadadi RB, Chesdachai S, et al. (2023) ‘Mortality After Nocardiosis: Risk Factors and Evaluation of Disseminated Infection’. Open Forum Infectious Diseases, 10(8):ofad409.
4. AK AK, Mendez MD. (31 JAN 2023) ‘Herpes Simplex Encephalitis’. In: StatPearls. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing.

本文轉載自諾貝爾化學獎專題系列，原文為《【2002諾貝爾化學獎】質譜與核磁共振》

• 譯者／蔡蘊明｜台大化學系名譽教授

今年的諾貝爾化學獎是由三位學者所共享，他們的研究涵蓋了兩個重要領域：質譜與核磁共振。這三位得獎者是美國 Virginia Commonwealth 大學的 John B. Fenn，日本島津（Shimadzu）公司年僅四十三歲的研發工程師田中耕一（Koichi Tanaka）以及瑞士理工學院的 Kurt Wuthrich，前二者所專精的是質譜方面的研究，而後者是由於在核磁共振方面的研究而得獎。他們最主要的貢獻，是利用這些工具來解決巨大的生化分子之結構問題，他們的成就代表了一個革命性的突破，使得＂化學生物＂（chemical biology）成為現今的＂大科學＂（big science）。化學家們現在已經可以快而準確的鑑定一個試樣中含有的蛋白質為何物，他們也能夠繪出蛋白質分子在溶液中的三度空間圖像，也就是說，化學家已有能力＂看到＂蛋白質並瞭解它們在細胞中如何的作用。

生化分子的革命性分析方法

為什麼要研究生化的高分子

所有的生物體 ─ 細菌，植物及動物 ─ 都含有相同型態的大分子或高分子，而這些分子與我們所謂的生命是息息相關的。在細胞中所發生的現象是由核酸（例如DNA）來控制的，我們可稱之為細胞的＂導演＂，而各種蛋白質則是細胞的＂主角＂。每一個蛋白質都具有一種功能，並可隨著環境而變化。例如血紅素將氧氣輸送到人體內的各個細胞。

個別蛋白質的研究並非一項新的研究領域，然而蛋白體學（proteomics），也就是研究不同的蛋白質如何相互的聯合以及合併與其它的物質在細胞中共同運作，卻是一個在過去數年間極速成長的新興領域。隨著一個個生物體的基因之定序完成，以及相關的尖端研究不斷向前挺進，新的問題亦隨之而產生：人類約三萬個左右的基因，其密碼是如何的對應到千百來種不同的蛋白質？如果一個基因損傷或缺少了，會發生什麼狀況？像阿茲海默症或狂牛症是如何發生的？上述的新化學領域是否可運用到更快速的診斷出以及醫治好這些威脅到人類的疾病？

要想解決類似這樣的問題，化學家不斷的追求有關蛋白質的更多知識，以及瞭解它們如何相互聯合或與其它的分子聯合而在細胞中運作，這是因為它們的結合將會影響其結構，而在蛋白質結構上一點點的變化，就會對其功能有決定性的影響，因此下一步就是要掌握其活動狀況：當蛋白質相互作用的那一瞬間，蛋白質分子是何長相？尤其是在那決定性的一刻又如何？若想要瞭解，那我們就必須擁有“目睹”的能力。

質譜 ─ 一個鑑定分子的方法

質譜現在能讓我們利用分子的質量快速的鑑定出一個試樣中的化合物結構，這項技術早就被化學家運用在小型與中型的分子鑑定工作上，這項工具靈敏到能探察非常少量的分子。例如在吸毒以及藥物濫用的檢查，食品的控管以及環境的檢測等方面，質譜的運用在現今已是如例行公事般的尋常。

其實早在十九世紀末頁，質譜就已奠下了基礎，在 1912 年，湯木森（Joseph J. Thompson）就報告了第一例的小分子結構分析。好幾個二十世紀的諾貝爾獎工作就是直接倚賴質譜分析，例如 Harold Urey 發現氘（1934年諾貝爾獎），以及＂碳足球＂富勒烯（fullerenes 又稱碳六十）的發現，導致 Robert Curl、Harold Kroto 與 Richard Smalley 得到 1996 年的諾貝爾獎。

當然將質譜運用在高分子上的目標早就吸引了許多的科學家，在 1970 年代已經能成功的將高分子轉化成氣相的離子，稱為脫附技術（desorption technology），這成為過去二十年間在此領域中革命性進展之基礎。

雖然與其它的小分子比較，高分子的確很大，但實際上一個單一的高分子仍然是極為渺小的，例如血紅素的一個分子的質量只不過是10^-19克左右，那麼要如何量度這麼小的質量呢？關鍵就在於如何讓蛋白質分子相互分開，並形成一片可自由飛翔，並且攜帶電荷的蛋白質離子雲霧，緊接著量度這些離子質量（因之而能鑑定蛋白質）的常用方法，就是在一個真空室中將它們加速，然後量度其飛行時間（Time Of Flight, TOF），它們達到目的地的先後與其質量以及電荷有關，越輕而且電荷越高者，越快抵達。

現今有兩種做法能使得蛋白質轉變為氣態離子而不會改變其結構與形體，這兩種方法背後的發明者就是今年共享一半諾貝爾獎的兩位學者。其中由 John B. Fenn 所發展的方法是運用一個很強的電場將試樣噴灑出去（稱為電灑法，見圖一），而產生一個個帶電荷並能自由飛翔的離子。另一種方式是運用一個強烈的雷射脈衝，在適當的條件下（視能量，與試樣的結構和化學環境而定）運作，試樣可接受雷射脈衝的能量而被釋放成為自由的離子（見圖二），頭一個展示這種＂輕雷射脫附＂（soft laser desorption）現象可運用在蛋白質這種大分子的人就是田中耕一（Koichi Tanaka）。

Fenn 的貢獻 ─ 透過噴灑的飛翔

在 1988 年 John B. Fenn 發表了兩篇後來被視為突破性的質譜論文，那是有關電灑高分子的研究。在第一篇論文中，他研究具有未知質量的聚乙二醇（polyethylene glycol）的質譜，發現可以運用他的方法處理具有高分子質量及高電荷的大分子。他的第二篇論文顯示這個方法亦可運用在中等大小的蛋白質上。離子的釋出是藉由一個電場將試樣噴灑出去，形成許多帶電荷的水滴，當水滴中的水蒸發之後就剩下了帶電而且可自由翱翔的赤裸裸蛋白質分子，這個方法被稱為電灑游離法（electrospray ionization , ESI）。

當這些分子具有很高的電荷時，質量／電荷的比值就會小到可用普通的質譜儀來分析。另一個好處就是相同的分子可能攜帶不同的電荷，因此會得到一系列的訊號，雖然這個現象使得圖譜變得複雜，甚至對早先的研究者造成困擾，但這也產生了更多的資訊，使得鑑定的工作變得較容易。

田中耕一的貢獻 ─ 透過轟擊的翱翔

在同時，於世界的另一端也正進行著另一份精采的工作，在日本東京的島津儀器公司，有一位年輕的日本工程師田中耕一，發表了另一種截然不同的技術來解決那最重要的第一步。在 1987 年的一項學術會議中（並於一年後發表論文），田中耕一展示蛋白質分子可藉由輕雷射脫附（soft laser desorption , SLD）的技術而游離。有別於電灑法，一個處於固相或粘稠的液相狀態的試樣以一束雷射脈衝撞擊，試樣接受能量之後被炸成許多小塊塊，然後分子相互分離，釋出自由翱翔的完整離子，其電荷不高，然後藉由一個電場加速，並透過其飛行時間的長短探測之。田中耕一是展示可運用雷射的技術於生化高分子上的第一人，其原理是現今許多極為有用的雷射脫附技術的基礎，特別是簡稱為 MALDI（Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization，基質輔助雷射脫附游離），SELDI（Surface Enhanced Laser Desorption Ionization，表面強化雷射脫附游離），以及 DIOS（Direct Ionization On Silicon）等三種方法。

質譜的應用

電灑游離法（ESI）與輕雷射脫附法（SLD）可運用在許多領域。這個在現在生化分析中已經成熟的方法，在數年前還不過是個夢想。研究蛋白質之間的作用對瞭解生命體中的訊號系統是非常重要的，這些以非共價鍵結合的生化分子錯合體，可以運用 ESI 來研究，這種方法優於其它方法的原因，在於具有快速，靈敏以及能發現作用機制的多項好處。質譜分析的方法相對而言算是便宜的，這也使得此項技術迅速的擴散到世界上各各角落的實驗室中。現在輕雷射脫附法（MALDI 的形式）與電灑游離法已成為分析胜肽，蛋白質與碳水化合物的標準方法，它們可以迅速的分析出一個完整的細胞或活組織中的蛋白質成分。從下面所列現今的一些研究領域之例子，就可看出今年的諾貝爾獎工作所衍生的運用之廣泛：

• 製藥的發展：先期的藥物研發已進行了型態的改變。搭配分離的技術，ESI－MS 可以做到每天分析好幾百個化合物。
• 瘧疾：科學家最近發現了新的方法來研究瘧疾的擴散。借助輕雷射脫附法，現在已可進行早期診斷，人類血紅素上攜帶氧的部份在此處用來吸收雷射脈衝的能量。
• 卵巢癌，乳癌與攝護腺癌：過去這一年中對於各種不同的癌症之早期診斷方法，以更快的速度被發表出來。只要能取得癌細胞所附著的表面，然後以輕雷射脫附法分析，化學家能比醫生更迅速的發現癌症。
• 食物的品管：ESI 技術也在小分子的分析上有所進展。在過去這幾個月，我們發現某些製備食物的方法會產生一些有害人體健康的分子，例如可導致癌症的丙烯醯胺（acrylamide），藉著質譜，食物可以在不同的階段接受迅速的分析，藉著溫度以及材料的改變，有害物質的產生可以避免或減少。

生化高分子的核磁共振

質譜可針對譬如說蛋白質所提出的＂哪一種？＂與＂有多少？＂的問題給予答案。簡言之，核磁共振則可回答＂長相如何？＂。即使是最大的蛋白質在任何顯微鏡底下的解析度仍然很低，因為它仍然太小了，為了要能得到一張蛋白質真正長相的圖片，就必須用其它的方法，核磁共振（NMR，nuclear magnetic resonance）的技術就是其中之一。透過核磁共振光譜訊號的解釋，我們就可以對所研究的分子繪出一張三度空間的圖像。其巧妙之處在於試樣可以是一種溶液態，如果是蛋白質的話，那正是細胞中的自然情況。

在核磁共振發展之前，以晶體的 X 光繞射光譜來決定蛋白質分子的三度空間結構是唯一的方法，在 1957 年發表了第一個真正的蛋白質（肌紅蛋白）之三維結構，這使得 Max Perutz 因此於 1962 年得到諾貝爾化學獎。這種結晶學是基於 X 光在蛋白質晶體中的繞射現象，導致了更進一步的一些諾貝爾獎工作之發展。化學家一直在尋求另一種與 X 光結晶學互補的方法，能夠決定分子在溶液相中之結構，因為這較能模擬生化分子在自然界中存在的狀態。

物理學家 Felix Bloch 與 Edward Purcell 早在 1945 年就發現，將某些原子核置於一個強大的磁場中時，透過所謂的核轉量（nuclear spin），會吸收無線電波的頻率，這個發現導致他們得到了 1952 年的諾貝爾物理獎。在這之前幾年也已發現核磁共振的頻率不但與磁場的強度以及核種有關，同時也與這個原子週遭的化學環境有關，更進一步的，不同的核之核轉量會相互影響而在光譜中產生一些細部結構，換言之會因此在核磁共振光譜中產生更多的訊號。

早期 NMR 的運用受限於其低靈敏度：它需要非常濃的溶液，不過在 1966 年，瑞士的化學家 Richard Ernst（1991年諾貝爾化學獎）的研究顯示，若改變過去慢慢改變掃描頻率的做法，而以一個短而強的無線電波脈衝施於樣品，則可以大幅提昇其靈敏度。他的貢獻也包括了在 1970 年代所發展的方法，能決定在一個分子中每一個核的相鄰關係，因此透過 NMR 光譜的判讀就可以推導出該分子的長相，也就是它的結構。這種方法對於相當小的分子是很成功的，然而對於大的分子就很難分辨不同的核之訊號，這種分子的光譜就好像一塊草皮一般（每一根草代表一根訊號），含有上千根的訊號，造成無法區辨哪一個訊號是屬於哪一個核的。最後解決了這個問題的科學家就是瑞士的化學家 Kurt Wuthrich。

Kurt Wuthrich ─ 顯示NMR可運用在蛋白質上

在 1980 年代初期，Kurt Wuthrich 發展了一個如何將 NMR 運用到像蛋白質這樣的生化分子的想法，他發明了一種系統化的方法將訊號與正確的氫核配對，此法稱為循序指認法（sequential assignment），堪稱為現今所有 NMR 結構分析的基石。他又展示接著如何找出許多對氫核之間的距離，然後運用一個基於距離與幾何結構的數學方法，搭配以上的資訊，計算出該分子的三維結構。

在 1985 年 Wuthrich 的方法第一次成功的解出了一個蛋白質的完整三維結構，到目前為止，在所有上千已知的蛋白質結構中約有 15-20% 是透過 NMR 決定的，其它的則主要是利用 X 光結晶學而定的，加上少數幾個是運用電子繞射或中子繞射的方法。

NMR運用於生化分子的領域

在許多方面，NMR 與 X 光結晶學的方法在結構的決定上是互補的，如果一個蛋白質用這兩種方法都分析一遍，前者在溶液中後者則是晶體的形式，通常會得到一致的結果，例外常是發生在一些表面較易受到環境影響的區域 ─ 在晶體中緊密堆積的蛋白質分子相互的影響，在溶液中包圍著分子的溶劑分子的影響。雖然 X 光結晶學的方法強在能非常準確的決定非常大的三維結構，NMR 的方法也有其獨到之處，因為它可以決定在溶液中的結構，代表我們可以模擬真正的生理條件。它最強的地方在於顯示出分子中沒有結構性或動態最高的區域，它可探知其游動性與活動狀況，以及瞭解在蛋白質的鏈上這些運作如何變化。利用同位素的標籤，亦有助我們對結構的鑑定。

一個利用 NMR 決定蛋白質結構的例子是有關一種稱為 prion 的蛋白質，這個蛋白質攸關好幾種危險的疾病，例如狂牛症（1997年 Stanley Prusiner 所得的諾貝爾醫學獎）的發生。Wuthrich 與其工作夥伴運用 NMR 的技術顯示一個正常的 prion 蛋白質具有兩個部份：此一蛋白質約有一半在水溶液中具有一個整齊而且相當堅固的三維結構，而另一半則不具結構性而且游動性很高。

NMR 亦可以運用在其它的生化高分子的結構與動力研究上，例如 DNA 或 RNA。

NMR 也運用在製藥工業中，解決一些蛋白質以及其它可能可以作為新藥目標的高分子的結構，以及瞭解進一步的性質問題。藥物分子的設計就是要能與蛋白質結合 ─ 就像鑰匙與鎖的關係。NMR 或許在工業上面最重要的運用就是在尋找具有潛力，能與特定生化高分子作用的藥物分子，如果一個小分子與一個大的分子結合時，那個大分子的 NMR 光譜通常會有所改變，因而此法可用在發展新藥時，迅速的在早期篩選大量的可能候選者。

結語

在過去這五年，我們看到了在生命科學領域中所出現的＂全像＂概念，例如基因體學，蛋白質體學以及代謝體學的興起，這種思維主要的觀念是採取一種整體而大規模的研究策略，而非如早期的研究般，採取簡化策略，以解決問題為出發點。現在我們已經可以描述一個生命體中的整個基因體，同樣的，現在也已經可以開始考慮，在一個活的細胞中某一階段所參與的整組蛋白質的運作，只不過尚未能達到定量的階段。這個概念也同樣的運用在整個代謝物流上。這些新的可能性，有一部份是源自於新方法的發展，其中質譜與 NMR 在生物高分子上的運用應為重要的例子。不過隨伴著以企業化方式大幅度的繪製生命體中分子性質的圖譜之時，我們仍有更殷切的需求，深入的瞭解在分子的層次，生化過程是如何發生的。在這個由基本的生化科學所構成的世界裡，質譜及 NMR 在生物高分子上的運用，已成為增進對生命的瞭解之過程中，重要的基石。

參考資料

蔡蘊明譯自諾貝爾化獎委員會公佈給大眾的新聞稿：

http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2002/popular.html

若需要進一步的資訊，請至以下網頁點選：

http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2002/advanced-chemistryprize2002.pdf

侖琴於 1895 年發現 X射線，發布其夫人的左手骨骼相片，震驚世人。隔年，愛迪生即推出商用 X光機，供醫療診斷之用。然而核磁共振現象雖然早在 1938 年就由美國物理學家拉比（Isidor Rabi）發現，卻等了將近四十年，才首度用於掃描人體。

拉比當初是讓原子束或分子束通過變化的磁場，而發現原子核的磁距、角動量會跟著改變，與磁場共振，因此稱之為核磁共振（NMR）。1946 年，瑞士物理學家布洛赫（Felix Bloch）與美國物理學家伯塞爾（Edward Mills Purcell）各自獨立發現在液體與固體上也能產生核磁共振的方法，兩人因而共同獲得 1952 年的諾貝爾物理獎。不過當時都只用來分析化學元素，直到 1969 年，美國醫師達瑪狄恩（Raymond Damadian）才率先主張腫瘤組織與健康組織在核磁共振下的反應有所不同。

七○年代初，美國化學家羅特堡（Paul C. Lauterbur）因為學校的核磁共振儀老是無法產生均勻一致的磁場，而嘗試再外加一個可改變強度的磁場作為補償，結果反而可以藉由磁場梯度的變化測出樣品的空間位置，而得到三度空間的影像，成為實現核磁共振攝影（Magnetic Resonance Imaging, MRI）的關鍵。但羅特堡只拿來拍蛤蠣與老鼠，尚未用人體試驗，不過他成功區分出一般水與重水就極具意義，因為人體有 70% 都是水。

有了羅特堡的技術，達瑪狄恩著手打造專門診斷腫瘤的核磁共振儀。1977 年的今天，他的病人成為史上第一位接受核磁共振掃描的人。然而他的機器並不實用，花了將近五個小時才拍出只有 160 個三維像素的胸部照片。

這個問題有待英國物理學家曼斯菲爾德（Peter Mansfield）解決。他於 1977 年開發出「回波平面造影術」，利用數學演算法將磁場梯度變化產生的資料快速轉換為影像，不但可得到解析度更高的人體器官影像，還能應用於偵測血液流量與血氧濃度。

MRI 是非侵入性的掃描方式，而且不像 X光或電腦斷層那樣會產生游離輻射，沒有輻射傷害的疑慮，既快速又安全，如今已是現代醫學不可或缺的診斷工具。而這都得感謝羅特堡與曼斯菲爾德的貢獻，他們兩人也因此共同獲頒 2003 年諾貝爾生理或醫學獎的肯定。

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。