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首次人體核磁共振攝影 │ 科學史上的今天:07/03

張瑞棋_96
・2015/07/03 ・899字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 542 ・八年級

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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。

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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。

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張瑞棋_96
423 篇文章 ・ 1038 位粉絲
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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從PD-L1到CD47:癌症免疫療法進入3.5代時代
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/25 ・4544字 ・閱讀時間約 9 分鐘

本文與 TRPMA 台灣研發型生技新藥發展協會合作,泛科學企劃執行

如果把癌細胞比喻成身體裡的頭號通緝犯,那誰來負責逮捕?

許多人第一時間想到的,可能是化療、放療這些外來的「賞金獵人」。但其實,我們體內早就駐紮著一支最強的警察部隊「免疫系統」。

既然「免疫系統」的警力這麼堅強,為什麼癌症還是屢屢得逞?關鍵就在於:癌細胞是偽裝高手。有的會偽造「良民證」,騙過免疫系統的菁英部隊;更厲害的,甚至能直接掛上「免查通行證」,讓負責巡邏的免疫細胞直接視而不見,大搖大擺地溜過。

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過去,免疫檢查點抑制劑的問世,為癌症治療帶來突破性的進展,成功撕下癌細胞的偽裝,也讓不少患者重燃希望。不過,目前在某些癌症中,反應率仍只有兩到三成,顯示這條路還有優化的空間。

今天,我們要來聊的,就是科學家如何另闢蹊徑,找出那些連「通緝令」都發不出去的癌細胞。這個全新的免疫策略,會是破解癌症偽裝的新關鍵嗎?

科學家如何另闢蹊徑,找出那些連「通緝令」都發不出去的癌細胞。這個全新的免疫策略,會是破解癌症偽裝的新關鍵嗎?/ 圖片來源:shutterstock

免疫療法登場:從殺敵一千到精準出擊

在回答問題之前,我們先從人類對抗癌症的「治療演變」說起。

最早的「傳統化療」,就像威力強大的「七傷拳」,殺傷力高,但不分敵我,往往是殺敵一千、自損八百,副作用極大。接著出現的「標靶藥物」,則像能精準出招的「一陽指」,能直接點中癌細胞的「穴位」,大幅減少對健康細胞的傷害,副作用也小多了。但麻煩的是,癌細胞很會突變,用藥一段時間就容易產生抗藥性,這套點穴功夫也就漸漸失靈。

直到這個世紀,人類才終於領悟到:最強的武功,是驅動體內的「原力」,也就是「重新喚醒免疫系統」來對付癌症。這場關鍵轉折,也開啟了「癌症免疫療法」的新時代。

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你可能不知道,就算在健康狀態下,平均每天還是會產生數千個癌細胞。而我們之所以安然無恙,全靠體內那套日夜巡邏的「免疫監測 (immunosurveillance)」機制,看到癌細胞就立刻清除。但,癌細胞之所以難纏,就在於它會發展出各種「免疫逃脫」策略。

免疫系統中,有一批受過嚴格訓練的菁英,叫做「T細胞」,他們是執行最終擊殺任務的霹靂小組。狡猾的癌細胞為了躲過追殺,會在自己身上掛出一張「偽良民證」,這個偽裝的學名,「程序性細胞死亡蛋白配體-1 (programmed death-ligand 1, PD-L1) 」,縮寫PD-L1。

當T細胞來盤查時,T細胞身上帶有一個具備煞車功能的「讀卡機」,叫做「程序性細胞死亡蛋白受體-1 (programmed cell death protein 1, PD-1) 」,簡稱 PD-1。當癌細胞的 PD-L1 跟 T細胞的 PD-1 對上時,就等於是在說:「嘿,自己人啦!別查我」,也就是腫瘤癌細胞會表現很多可抑制免疫 T 細胞活性的分子,這些分子能通過免疫 T 細胞的檢查哨,等於是通知免疫系統無需攻擊的訊號,因此 T 細胞就真的會被唬住,轉身離開且放棄攻擊。

這種免疫系統控制的樞紐機制就稱為「免疫檢查點 (immune checkpoints)」。而我們熟知的「免疫檢查點抑制劑」,作用就像是把那張「偽良民證」直接撕掉的藥物。良民證一失效,T細胞就能識破騙局、發現這是大壞蛋,重新發動攻擊!

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狡猾的癌細胞為了躲過追殺,會在自己身上掛出一張「偽良民證」,也就是「程序性細胞死亡蛋白配體-1 (programmed death-ligand 1, 縮寫PD-L1) 」/ 圖片來源:shutterstock

目前免疫療法已成為晚期癌症患者心目中最後一根救命稻草,理由是他們的體能可能無法負荷化療帶來的副作用;標靶藥物雖然有效,不過在用藥一段期間後,終究會出現抗藥性;而「免疫檢查點抑制劑」卻有機會讓癌症獲得長期的控制。

由於免疫檢查點抑制劑是借著免疫系統的刀來殺死腫瘤,所以有著毒性較低並且治療耐受性較佳的優勢。對免疫檢查點抑制劑有治療反應的患者,也能獲得比起化療更長的存活期,以及較好的生活品質。

不過,儘管免疫檢查點抑制劑改寫了治癌戰局,這些年下來,卻仍有些問題。

CD47來救?揭開癌細胞的「免死金牌」機制

「免疫檢查點抑制劑」雖然帶來治療突破,但還是有不少挑戰。

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首先,是藥費昂貴。 雖然在台灣,健保於 2019 年後已有條件給付,但對多數人仍是沉重負擔。 第二,也是最關鍵的,單獨使用時,它的治療反應率並不高。在許多情況下,大約只有 2成到3成的患者有效。

換句話說,仍有七到八成的患者可能看不到預期的效果,而且治療反應又比較慢,必須等 2 至 3 個月才能看出端倪。對患者來說,這種「沒把握、又得等」的療程,心理壓力自然不小。

為什麼會這樣?很簡單,因為這個方法的前提是,癌細胞得用「偽良民證」這一招才有效。但如果癌細胞根本不屑玩這一套呢?

想像一下,整套免疫系統抓壞人的流程,其實是這樣運作的:當癌細胞自然死亡,或被初步攻擊後,會留下些許「屍塊渣渣」——也就是抗原。這時,體內負責巡邏兼清理的「巨噬細胞」就會出動,把這些渣渣撿起來、分析特徵。比方說,它發現犯人都戴著一頂「大草帽」。

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接著,巨噬細胞會把這個特徵,發布成「通緝令」,交給其他免疫細胞,並進一步訓練剛剛提到的菁英霹靂小組─T細胞。T細胞學會辨認「大草帽」,就能出發去精準獵殺所有戴著草帽的癌細胞。

當癌細胞死亡後,會留下「抗原」。體內的「巨噬細胞」會採集並分析這些特徵,並發布「通緝令」給其它免疫細胞,T細胞一旦學會辨識特徵,就能精準出擊,獵殺所有癌細胞。/ 圖片來源:shutterstock

而PD-1/PD-L1 的偽裝術,是發生在最後一步:T 細胞正準備動手時,癌細胞突然高喊:「我是好人啊!」,來騙過 T 細胞。

但問題若出在第一步呢?如果第一關,巡邏的警察「巨噬細胞」就完全沒有察覺這些屍塊有問題,根本沒發通緝令呢?

這正是更高竿的癌細胞採用的策略:它們在細胞表面大量表現一種叫做「 CD47 」的蛋白質。這個 CD47 分子,就像一張寫著「自己人,別吃我!」的免死金牌,它會跟巨噬細胞上的接收器─訊號調節蛋白α (Signal regulatory protein α,SIRPα) 結合。當巨噬細胞一看到這訊號,大腦就會自動判斷:「喔,這是正常細胞,跳過。」

結果會怎樣?巨噬細胞從頭到尾毫無動作,癌細胞就大搖大擺地走過警察面前,連罪犯「戴草帽」的通緝令都沒被發布,T 細胞自然也就毫無頭緒要出動!

這就是為什麼只阻斷 PD-L1 的藥物反應率有限。因為在許多案例中,癌細胞連進到「被追殺」的階段都沒有!

為了解決這個問題,科學家把目標轉向了這面「免死金牌」,開始開發能阻斷 CD47 的生物藥。但開發 CD47 藥物的這條路,可說是一波三折。

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不只精準殺敵,更不能誤傷友軍

研發抗癌新藥,就像打造一把神兵利器,太強、太弱都不行!

第一代 CD47 藥物,就是威力太強的例子。第一代藥物是強效的「單株抗體」,你可以想像是超強力膠帶,直接把癌細胞表面的「免死金牌」CD47 封死。同時,這個膠帶尾端還有一段蛋白質IgG-Fc,這段蛋白質可以和免疫細胞上的Fc受體結合。就像插上一面「快來吃我」的小旗子,吸引巨噬細胞前來吞噬。

問題來了!CD47 不只存在於癌細胞,全身上下的正常細胞,尤其是紅血球,也有 CD47 作為自我保護的訊號。結果,第一代藥物這種「見 CD47 就封」的策略,完全不分敵我,導致巨噬細胞連紅血球也一起攻擊,造成嚴重的貧血問題。

這問題影響可不小,導致一些備受矚目的藥物,例如美國製藥公司吉立亞醫藥(Gilead)的明星藥物 magrolimab,在2024年2月宣布停止開發。它原本是預期用來治療急性骨髓性白血病(AML)的單株抗體藥物。

太猛不行,那第二代藥物就改弱一點。科學家不再用強效抗體,而是改用「融合蛋白」,也就是巨噬細胞身上接收器 SIRPα 的一部分。它一樣會去佔住 CD47 的位置,但結合力比較弱,特別是跟紅血球的 CD47 結合力,只有 1% 左右,安全性明顯提升。

像是輝瑞在 2021 年就砸下 22.6 億美元,收購生技公司 Trillium Therapeutics 來開發這類藥物。Trillium 使用的是名為 TTI-621 和 TTI-622 的兩種融合蛋白,可以阻斷 CD47 的反應位置。但在輝瑞2025年4月29號公布最新的研發進度報告上,TTI-621 已經悄悄消失。已經進到二期研究的TTI-622,則是在6月29號,研究狀態被改為「已終止」。原因是「無法招募到計畫數量的受試者」。

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但第二代也有個弱點:為了安全,它對癌細胞 CD47 的結合力,也跟著變弱了,導致藥效不如預期。

於是,第三代藥物的目標誕生了:能不能打造一個只對癌細胞有超強結合力,但對紅血球幾乎沒反應的「完美武器」?

為了找出這種神兵利器,科學家們搬出了超炫的篩選工具:噬菌體(Phage),一種專門感染細菌的病毒。別緊張,不是要把病毒打進體內!而是把它當成一個龐大的「鑰匙資料庫」。

科學家可以透過基因改造,再加上AI的協助,就可以快速製造出數億、數十億種表面蛋白質結構都略有不同的噬菌體模型。然後,就開始配對流程:

  1. 先把這些長像各異的「鑰匙」全部拿去試開「紅血球」這把鎖,能打開的通通淘汰!
  2. 剩下的再去試開「癌細胞」的鎖,從中挑出結合最強、最精準的那一把「神鑰」!

接著,就是把這把「神鑰」的結構複製下來,大量生產。可能會從噬菌體上切下來,或是定序入選噬菌體的基因,找出最佳序列。再將這段序列,放入其他表達載體中,例如細菌或是哺乳動物細胞中來生產蛋白質。最後再接上一段能號召免疫系統來攻擊的「標籤蛋白 IgG-Fc」,就大功告成了!

目前這領域的領頭羊之一,是美國的 ALX Oncology,他們的產品 Evorpacept 已完成二期臨床試驗。但他們的標籤蛋白使用的是 IgG1,對巨噬細胞的吸引力較弱,需要搭配其他藥物聯合使用。

而另一個值得關注的,是總部在台北的漢康生技。他們利用噬菌體平台,從上億個可能性中,篩選出了理想的融合蛋白 HCB101。同時,他們選擇的標籤蛋白 IgG4,是巨噬細胞比較「感興趣」的類型,理論上能更有效地觸發吞噬作用。在臨床一期試驗中,就展現了單獨用藥也能讓腫瘤顯著縮小的效果以及高劑量對腫瘤產生腫瘤顯著部分縮小效果。因為它結合了前幾代藥物的優點,有人稱之為「第 3.5 代」藥物。

除此之外,還有漢康生技的FBDB平台技術,這項技術可以將多個融合蛋白「串」在一起。例如,把能攻擊 CD47、PD-L1、甚至能調整腫瘤微環境、活化巨噬細胞與T細胞的融合蛋白接在一起。讓這些武器達成 1+1+1 遠大於 3 的超倍攻擊效果,多管齊下攻擊腫瘤細胞。

結語

從撕掉「偽良民證」的 PD-L1 抑制劑,到破解「免死金牌」的 CD47 藥物,再到利用 AI 和噬菌體平台,設計出越來越精準的千里追魂香。 

對我們來說,最棒的好消息,莫過於這些免疫療法,從沒有停下改進的腳步。科學家們正一步步克服反應率不足、副作用等等的缺點。這些努力,都為癌症的「長期控制」甚至「治癒」,帶來了更多的希望。

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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鑑識故事系列:MRI 才看得到單純疱疹腦炎?
胡中行_96
・2023/09/25 ・2010字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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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]

非本案使用的核磁共振掃描儀。圖/Jan Ainali on Wikimedia Commons(CC BY 3.0)

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]

男子的 T1 核磁共振影像。圖/參考資料 1,Figure 3(CC BY 4.0)
男子的 T2 核磁共振影像。圖/參考資料 1,Figure 4(CC BY 4.0)

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]

腦幹(米色)與海馬體(紅色)的位置。圖/Life Science Databases on Wikimedia Commons(CC-BY-SA-2.1-jp)
腦幹發炎的細胞。圖/參考資料 1,Figure 1(CC BY 4.0)
海馬體病變的神經元。圖/參考資料 1,Figure 2(CC BY 4.0)

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]

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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]

腰椎穿刺示意圖:側臥或坐姿。圖/BruceBlaus on Wikimedia Commons(CC BY 3.0)

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]

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  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.
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胡中行_96
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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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【2002 諾貝爾化學獎】質譜與核磁共振
諾貝爾化學獎譯文_96
・2022/06/01 ・5803字 ・閱讀時間約 12 分鐘

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。

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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。

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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)。

(圖一)電灑法
(圖二)雷射脫附法

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。

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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。

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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。

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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。

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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

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諾貝爾化學獎譯文_96
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「諾貝爾化學獎專題」系列文章,為臺大化學系名譽教授蔡蘊明等譯者,依諾貝爾化學獎委員會的新聞稿編譯而成。泛科學獲得蔡蘊明老師授權,將多年來的編譯文章收錄於此。 原文請參見:諾貝爾化學獎專題系列