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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
15 篇文章 ・ 23 位粉絲
「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

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人體吸收新突破:SEDDS 的魔力
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/05/03 ・1194字 ・閱讀時間約 2 分鐘

本文由 紐崔萊 委託,泛科學企劃執行。 

營養品的吸收率如何?

藥物和營養補充品,似乎每天都在我們的生活中扮演著越來越重要的角色。但你有沒有想過,這些關鍵分子,可能無法全部被人體吸收?那該怎麼辦呢?答案或許就在於吸收率!讓我們一起來揭開這個謎團吧!

你吃下去的營養品,可以有效地被吸收嗎?圖/envato

當我們吞下一顆膠囊時,這個小小的丸子就開始了一場奇妙的旅程。從口進入消化道,與胃液混合,然後被推送到小腸,最後透過腸道被吸收進入血液。這個過程看似簡單,但其實充滿了挑戰。

首先,我們要面對的挑戰是藥物的溶解度。有些成分很難在水中溶解,這意味著它們在進入人體後可能無法被有效吸收。特別是對於脂溶性成分,它們需要透過油脂的介入才能被吸收,而這個過程相對複雜,吸收率也較低。

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你有聽過「藥物遞送系統」嗎?

為了解決這個問題,科學家們開發了許多藥物遞送系統,其中最引人注目的就是自乳化藥物遞送系統(Self-Emulsifying Drug Delivery Systems,簡稱 SEDDS),也被稱作吸收提升科技。這項科技的核心概念是利用遞送系統中的油脂、界面活性劑和輔助界面活性劑,讓藥物與營養補充品一進到腸道,就形成微細的乳糜微粒,從而提高藥物的吸收率。

自乳化藥物遞送系統,也被稱作吸收提升科技。 圖/envato

還有一點,這些經過 SEDDS 科技處理過的脂溶性藥物,在腸道中形成乳糜微粒之後,會經由腸道的淋巴系統吸收,因此可以繞過肝臟的首渡效應,減少損耗,同時保留了更多的藥物活性。這使得原本難以吸收的藥物,如用於愛滋病或新冠病毒療程的抗反轉錄病毒藥利托那韋(Ritonavir),以及緩解心絞痛的硝苯地平(Nifedipine),能夠更有效地發揮作用。

除了在藥物治療中的應用,SEDDS 科技還廣泛運用於營養補充品領域。許多脂溶性營養素,如維生素 A、D、E、K 和魚油中的 EPA、DHA,都可以通過 SEDDS 科技提高其吸收效率,從而更好地滿足人體的營養需求。

隨著科技的進步,藥品能打破過往的限制,發揮更大的療效,也就相當於有更高的 CP 值。SEDDS 科技的出現,便是增加藥物和營養補充品吸收率的解決方案之一。未來,隨著科學科技的不斷進步,相信會有更多藥物遞送系統 DDS(Drug Delivery System)問世,為人類健康帶來更多的好處。

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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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參考資料

  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.
胡中行_96
169 篇文章 ・ 65 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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【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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文章難易度
諾貝爾化學獎譯文_96
15 篇文章 ・ 23 位粉絲
「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

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破解猴痘病毒感染機制及風險,天花疫苗也可以抵禦!
研之有物│中央研究院_96
・2023/04/11 ・5505字 ・閱讀時間約 11 分鐘

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本文轉載自中央研究院「研之有物」,為「中研院廣告」

  • 採訪撰文/林承勳
  • 責任編輯/簡克志
  • 美術設計/蔡宛潔

又一「國際關注公共衛生緊急事件」

2022 年的猴痘病毒大概是除了新型冠狀病毒以外,最被社會關注的病毒之一,在這波的全球感染趨勢下,臺灣疾病管制署 2022 年 10 月 9 日公布,國內出現第 4 例猴痘境外移入確定病例。我們該繼續擔心猴痘病毒嗎?中央研究院研之有物團隊專訪院內分子生物研究所張雯研究員,請她解析痘病毒進入宿主細胞的機制,以及猴痘病毒的感染風險。

2022 年的猴痘疫情是繼 2020 年新冠肺炎疫情之後的「國際關注公共衛生緊急事件」。圖/iStock

根據世界衛生組織(World Health Organization, WHO)統計,自 2022 年 5 月英國出現首例猴痘(Monkeypox,或稱 Mpox)個案之後,迄 10 月為止,全球已通報超過 7 萬確診病例​​。[註1]

WHO 也在 7 月 23 日正式宣布,猴痘是繼 2020 年新冠肺炎疫情之後,又一「國際關注公共衛生緊急事件」(Public Health Emergency of International Concern,PHEIC),呼籲各國應該對此波病毒傳染加以重視。

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猴痘病毒是什麼?這類型的痘病毒如何感染人類?讓我們接著看下去吧!

  • 註1:為避免汙名化,2022 年 11 月 WHO 開始鼓勵使用「Mpox」作為「Monkeypox」的同義詞。

自 2022 年起,全球頻繁出現人傳人

猴痘病毒在分類學上,屬於痘病毒科 (Poxviridae),正痘病毒屬(Orthopoxvirus)。該病毒於 1958 年首次從實驗用猴的皮膚病灶中被分離,故命名為「猴痘」病毒。雖然它可以感染猴子,但是寄主範圍廣泛,尚包括齧齒動物如甘比亞袋鼠與其他靈長類動物。

猴痘病毒的真正野外宿主尚未有定論,可能為小型哺乳類。猴痘病毒透過這些中間宿主傳播給人類,屬於人畜共通傳染病。

病毒由野生動物傳播給人類的方式,通常透過直接接觸,像是碰觸到受病毒感染動物的血液、體液或黏膜;食用受感染動物也有感染風險。

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在過去,猴痘的傳播幾乎都侷限在非洲大陸,直到 2003 年美國爆出 40~50 例之感染案例。經追查後發現,感染源頭為走私進口之非洲寵物鼠,將病毒傳染給當地土撥鼠及人類。值得一提的是,此次感染人類之猴痘病毒株毒性較弱,無人死亡,整個疫情在半年內就平息了,而且鮮少出現人傳人的案例。

在非洲流行的猴痘病毒可分為中非和西非兩個分支,中非分支比西非分支病毒更容易傳播,且致死率更高,可達 10%。然而,因為疫情僅限於非洲,即使致死率高也鮮少受到國際關注。

自 2022 年 5 月以來,造成全球頻繁出現人傳人的猴痘病毒,經定序確認屬於西非分支,致死率約為 1%。此次疫情人與人之間的傳播多半是經由密切接觸,像是身體接觸時沾染到感染者分泌物、黏膜,或是皮膚水泡破裂流出的體液等等。另外也有機會經由口鼻噴出的飛沫,或是日常用品如衣物表面傳播病毒。

傳統上,感染猴痘後會出現發燒、畏寒、頭痛、淋巴腺腫大等典型症狀,並在發病後起疹子,自患部蔓延至身體其他部位,繼而發展成水泡、膿疱等。

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不過,美國疾病管制與預防中心指出,2022 年疫情的病患多半由於性接觸造成傳染,因此出現較不典型的症狀,像是疹子最早出現在生殖器或肛門周圍,且不一定會擴散至身體其他部位,發燒等症狀也比較不明顯,因此不易辨別、常常誤診成其他傳染病。目前臺灣衛生福利部疾病管制署,已把猴痘列為第二類法定傳染病,不敢輕忽大意。

感染猴痘的可能症狀。圖/研之有物(資料來源|iStock

天花疫苗也可以抵禦猴痘

說到猴痘病毒,便不得不提到同樣是正痘病毒屬,且惡名昭彰的近親:天花病毒(Variola Virus)。感染天花病毒產生的症狀跟猴痘類似,但更為嚴重。歷史上幾次天花大流行,至少帶走三億人的性命。不過在十八世紀,愛德華,金納(Edward Jenner)醫師倡導以牛痘病毒(Vaccinia Virus)製成的天花疫苗,已經於二十世紀成功的將天花病毒趕盡殺絕,目前僅有美、俄兩國的中央疾管機構仍保存些許天花病毒。

天花疫情之所以能被完全清除於人類社會,一個很重要的原因是因為其沒有人類以外的其他宿主。

天花病毒只會在人類之間散佈;當疫苗逐漸普及,民眾逐漸獲得抵抗力之後,天花病毒就無法生存。至於近期快速散播的猴痘病毒則不同,由於寄主範圍較廣,可感染多種野生嚙齒及靈長類等動物,導致猴痘病毒較不易完全根除。

針對此一波猴痘疫情,張雯指出,雖然病毒基因組上已經出現多個鹼基的變異,但不必然產生功能性影響。此外,因為痘病毒表面有多種相似度高之抗原,接種天花疫苗產生之免疫細胞仍具有可辨認猴痘病毒之能力,產生具有中和活性之抗體來保護個體。目前的第三代天花疫苗對猴痘仍具有相當的防禦能力,民眾毋需過於恐慌。

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為什麼用牛痘病毒製作的天花疫苗可以抵禦猴痘病毒?

原因在於牛痘、猴痘與天花病毒親緣關係接近,不僅病毒表面有同源性高的蛋白質用以進入寄主細胞,三者入侵細胞的機制也類似。長期研究牛痘病毒進入細胞機制的張雯認為,目前的研究成果可以協助科學家了解猴痘病毒的生活史。

關鍵在於表面鞘膜蛋白

對於痘病毒進入細胞的機制,以牛痘病毒當作模式物種研究的張雯指出,有感染力的痘病毒具有兩種形式,成熟病毒(Mature Virus,MV)及細胞外病毒(Extracellular Virus,EV)。兩者均帶鞘膜,但 95% 以上細胞內產生的病毒為成熟病毒。

成熟病毒藉由鞘膜上的四種鞘膜蛋白質,分別是:H3、D8、A26 及 A27,以附著在細胞表面的醣胺聚醣(Glycosaminoglycans)。接著病毒會聚集於細胞表面脂質筏(Lipid rafts)與細胞受體蛋白質 Intergrin β1 以及 CD98 結合,誘導宿主細胞內的訊息活化,產生細胞肌動蛋白質的聚合作用(Actin polymerization),促成液飲作用 ( Fluid phase endocytosis ) 將病毒吞入細胞內。

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牛痘病毒有兩種感染顆粒,一種是成熟病毒(Mature Virus,MV),數量佔 95% 以上;另一種是細胞外病毒(Extracellular Virus,EV),數量只佔 5% 以下。圖/研之有物(資料來源|張雯)
牛痘病毒的成熟病毒顆粒進入宿主細胞的機制。
圖/研之有物(資料來源|張雯)

牛痘成熟病毒被液飲作用產生的囊泡所包裹進入細胞質,接下來囊泡內環境會逐漸酸化,而酸性會誘導病毒鞘膜蛋白質 A26 結構改變,使得病毒融合蛋白質活化,促使病毒鞘膜與囊泡膜融合,脫去鞘膜的病毒內核進入細胞質內,開始新一波的基因複製及病毒組裝。

大部分 DNA 病毒是進入到細胞核,因為合成 DNA 所需之核苷酸原料在宿主的細胞核裡面;但痘病毒卻不是,反而在細胞質裡進行它的生活史。

張雯指出,痘病毒具它自身專用之 RNA 及 DNA 聚合酶,連基因轉錄及基因複製的過程都不假手宿主細胞之聚合酶。

牛痘病毒的感染顆粒進入宿主細胞的動態影像,紅色為成熟病毒顆粒(MV)、綠色為細胞外病毒顆粒(EV)。註:可開啟「循環播放」功能方便觀看。資料來源/張雯

從單層到雙層膜

牛痘病毒進到宿主細胞後,早期反應基因(Early gene)會立刻開始表現,產生早期病毒蛋白質,包括中期轉錄因子和 DNA 聚合酶以 DNA 複製;病毒會接續產生其他中後期的蛋白質,並且修飾內質網,把遺傳物質與蛋白質組裝成新的成熟病毒顆粒,完成牛痘病毒的生活史。

細胞產生之 MV 是非常穩定的病毒狀態,製造出來後會留在細胞質內,待細胞死亡破裂才會釋出。然而,少部分的 MV 會被運輸到寄主細胞的高基氏體進行「加工」,多包兩層高基氏體的膜,形成三層膜的病毒顆粒(Wrapped Virus,WV),並藉著細胞的微管移動到細胞邊緣。

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接著,三層膜的 WV 病毒會透過「內向外」的細胞膜融合,脫去最外層的膜,剩下兩層膜之 EV 便裸露在寄主細胞膜的「外面」,伺機尋找下一個細胞。EV 與 MV 不同,在環境中極不穩定,也因其鞘膜特性的不同,兩層膜的 EV 較脆弱,一旦附著在細胞表面後,其第一層外膜產生撕裂,露出第二層膜,不需經由胞飲過程及酸性環境的催化,此時 EV 可以直接與細胞表面之細胞膜進行膜融合,完成感染過程。

A26 蛋白質影響感染途徑

「成熟病毒 MV 藉胞飲作用後的酸性環境觸發病毒膜與囊泡膜融合,跟 EV 病毒在中性條件下直接與細胞膜融合,這兩種模式最大的差異,就取決於病毒表面是否有 A26 鞘膜蛋白質。」

張雯指出,A26 的作用就是抑制病毒膜融合的進行,而 A26 鞘膜蛋白質只存在 MV 表面,卻不在 EV 表面。A26 蛋白質組裝在病毒顆粒上,抑制膜融合,以維持 MV 病毒的穩定。 直到病毒感染細胞後,它的抑制功能會在囊泡形成的酸性環境下被解除,膜融合才得以順利進行,將病毒內核送入細胞質中。

不只是牛痘,天花跟 2022 年流行的猴痘病毒表面都有 A26 鞘膜蛋白,藉由解開鞘膜蛋白質如何調控病毒入侵細胞的機制,或許可以在未來變成圍堵猴痘病毒的籌碼。

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表面抗原蛋白多,不必擔心免疫逃脫

目前已報導的猴痘病毒有多達 50 處基因突變,而突變帶來的效果還有待進一步研究,但張雯卻不那麼擔心會有免疫逃脫的狀況出現。張雯指出,已經有實驗證明天花疫苗可以預防猴痘病毒,不論是先前提到一層膜或兩層膜的痘病毒狀態,被疫苗激活的人體免疫細胞都有能力辨認。

「新冠肺炎只有一個棘蛋白當作抗原,要是一出現突變就很麻煩;但猴痘病毒不一樣。」張雯解釋說,猴痘病毒表面的鞘膜蛋白例如 H3、D8、A27、L1 及 B5 都具有多樣的抗原區域,可刺激強大的免疫反應,產生各式各樣中和抗體。當中和抗體辨認的病毒抗原目標大且多時,病毒就很容易被發現、殲滅,即使少許突變也無法讓病毒逃脫其餘中和抗體的辨識。

因此,張雯表示,對付猴痘病毒用現有的第三代天花疫苗就夠了!「其實不論哪一代天花疫苗,刺激免疫力的能力都夠好,差別主要在於疫苗本身的安全性。」張雯強調,因為天花在 1980 以後就已經滅絕,沒有必要實施接種。各國現有的天花疫苗庫存是為了少數高危險群工作者之防護,或是防範天花病毒作為生化武器之用途,存量不夠多,短時間內無法供應大量民眾施打,所以猴痘疫情才會在爆發初期就引起恐慌。

如今猴痘病毒在特定群體中傳播只是暫時的表象,張雯指出,猴痘病毒傳播主要是靠接觸傳染,而且無關性別、性傾向或是否有發生性關係,只要有近距離的「肢體接觸」或污染物接觸都有可能沾到病毒而感染。各國有關當局應盡快鎖定確診個案的接觸者,以及接觸者的親朋好友們,讓他們優先施打疫苗,並追蹤成效。動作越快就越能有效圍堵疫情。

張雯解釋,新冠病毒僅有一個棘蛋白當作抗原,而猴痘病毒表面鞘膜蛋白有 H3、D8、A27、L1 及 B5 等多個蛋白質,可以提供中和抗體諸多可以辨認的抗原區域。圖/研之有物

阻斷病毒進入本土生態鏈是當務之急

過去各國科學家花費許多心思研究天花病毒,讓 WHO 存有足夠的天花相關資料,一舉成功用疫苗滅絕天花病毒。這也是至今人類醫療史上唯一成功滅絕病毒的案例。以此為基礎,想要防治相近的猴痘病毒並非難事。張雯也不認為短期內猴痘疫情會一發不可收拾。

回顧 2022 年,有很多個案是因從事性行為產生的密切接觸而被傳染,「當然固定性伴侶是可以減少病毒傳播的機會」張雯說。然而,過度簡化個案特徵與傳染途徑,再加上現任 WHO 秘書長譚德賽的發言,以及媒體大肆渲染下,容易誤導民眾以為猴痘是只會在男同性戀間傳播的性病。

「就跟當初 1980 年代的愛滋病一樣,一開始社會大眾以為只有同性戀社群才會被感染;猴痘也要多注意,不然也會污名化少數社群,帶給他們很大的傷害。」張雯再次強調,猴痘病毒會在人類全身流竄,不只侷限於性器官。

想要知道猴痘病毒在全球感染趨勢,張雯建議臺灣民眾可以追蹤有公信力的媒體跟網站,如 WHO 網站;由於美國猴痘病例約佔全球病例之半,美國疾病管制與預防中心也時常更新相關資訊。而臺灣目前只有 4 例境外移入,且都被快速攔截,應該還沒機會讓病毒散佈到其他人或動物身上造成本土感染,故暫時不用恐慌。

不過,由於猴痘病毒還會感染人以外的動物,為了預防未來出現本土感染,當前之務即是要注意並阻斷外來病毒進入當地寄主生物之生態鏈中。

延伸閱讀

  1. Ahmed, S. F., Sohail, M. S., Quadeer, A. A., & McKay, M. R. (2022). Vaccinia-virus-based vaccines are expected to elicit highly cross-reactive immunity to the 2022 Monkeypox virusViruses, 14(9), 1960. 
  2. Alakunle, E. F., & Okeke, M. I. (2022). Monkeypox virus: A neglected zoonotic pathogen spreads globallyNature Reviews Microbiology, 20(9), 507–508.
  3. Isidro, J., Borges, V., Pinto, M., Sobral, D., Santos, J. D., Nunes, A., . . . Gomes, J. P. (2022). Phylogenomic characterization and signs of microevolution in the 2022 multi-country outbreak of Monkeypox virusNature Medicine, 28(8), 1569-1572.
  4. Tomori, O., & Ogoina, D. (2022). Monkeypox: The consequences of neglecting a disease, anywhereScience, 377(6612), 1261–1263. 
  5. World Health Organization. (n.d.). Monkeypox. World Health Organization. Retrieved December 28, 2022, from https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/monkeypox
  6. Fenner, F. (1993). Smallpox: Emergence, Global Spread, and Eradication.History and Philosophy of the Life Sciences, 15(3), 397–420. 
  7. Foster, S. O., Brink, E. W., Hutchins, D. L., Pifer, J. M., Lourie, B., Moser, C. R., . . . Foege, W. H. (1972). Human monkeypoxBulletin of the World Health Organization, 46(5), 569–576.
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