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就是那個光:1903年第三屆諾貝爾生理學醫學獎得主Niels Ryberg Finsen的文章回顧

hemmings
・2013/04/22 ・2074字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 514 ・六年級

文 / Hemmings Wu(比利時魯汶大學博士生,醫學背景,專攻功能神經外科/神經科學)

Niels Ryberg Finsen

第三屆諾貝爾生理學/醫學獎,於1903年頒給了丹麥醫師/醫學家Niels Ryberg Finsen。
他使用集中光治療疾病、特別是針對皮膚結核取得的重大突破,為醫學界開啓了光療(phototherapy or light therapy)這項嶄新的學科。

1901年出版的《Phototherapy》可說是Finsen生前發表的重要論文的英譯版集大成。其中又以第三章「The Treatment of Lupus Vulgaris by Concentrated Chemical Rays」(集中化學光線治療皮膚結核)影響最深遠。

注:chemical rays(化學光線)是紫外線的舊稱,而heat rays(熱光線)是紅外線的舊稱。為方便讀者理解,後文將以「紫外線」、「紅外線」稱呼。

Finsen, Niels. Phototherapy. Edward Arnold, 1901.

Finsen首先在文章裡提到在他之前的科學家就已經發現光線具有殺菌作用,也開始使用集中光治療皮膚結核,效果卻都有限。在回顧了前人的研究以後,Finsen認為過去所使用的光線強度都不夠。然而,若要提高光線強度同時保持一定光療時間長度,首先必須要克服的障礙是紅外線及近紅光長期照射組織造成的燒傷。針對這個問題,Finsen使用了藍色的硫酸銅氨溶液(ammoniacal solution of sulphate of copper)或甲基藍溶液作為濾鏡,將紅外線及近紅光過濾。其次,雖然太陽光是最好的光源,但畢竟太陽光的利用時間有限,在條件限制下必須用人造光源取代太陽光。經過實驗,Finsen決定使用電弧燈(voltaic arc)作為人造光源,因為白熾燈(incandescent lamps)的紫外線量太低。

針對太陽光源,Dr. Finsen使用了如上圖這個裝置。圖中是一個空心平凸透鏡,其內裝有硫酸銅氨溶液。 Finsen, Niels. Phototherapy. Edward Arnold, 1901.
因為人造光源是發散光而非如太陽光的平行光,因此必須使用如上圖更為複雜的裝置。其中1號、2號透鏡接收到人造光源後可將發散光轉換為平行光,而3號、4號透鏡則起到聚光效果,最後再由充滿硫酸銅氨溶液的容器起到濾光效果。 Finsen, Niels. Phototherapy. Edward Arnold, 1901.

同時,Finsen還做了兩個小實驗。其一,先用上述方法得到的紫外線照射細菌培養皿,證明其確實具有殺菌效果,而且聚光越強,效果越明顯。其二,Finsen意外發現在缺血情況下,紫外線穿透局部組織的效果更好(因為血液會阻擋紫外線)。為此Finsen又發明了以下設備。

將纏有彈力帶的玻璃壓在患部皮膚上,可以起到引起局部組織缺血的效果。 Finsen, Niels. Phototherapy. Edward Arnold, 1901.

緊接著,Finsen開始了臨床實驗。

Finsen讓皮膚結核患者每天接受1-2小時的紫外線光療,光療集中在1-3釐米直徑的圓形範圍內,待該患部出現好轉後再將治療區域轉到其他患部如此逐點治療。

Finsen一共治療了59名患者,其中58名患者臨床症狀都出現明顯緩解:23名患者痊愈,30名患者還在療程中,剩餘6名因為非醫療因素提前放棄接受治療。

Finsen也指出這個治療方案最大的缺點是十分耗時,有時候需要花3-4個月時間才能見到療效,但Finsen相信未來改良紫外線裝置後,可以縮短療程。

Screen Shot 2013-04-21 at 下午5.38.28
使用集中紫外線治療皮膚結核前(左)後(右)的對比照片。 Finsen, Niels. Phototherapy. Edward Arnold, 1901.

至此,Finsen證明集中紫外線有良好的殺菌效果,而且應用在治療皮膚病,比如皮膚結核上,有良好療效。「紫外線可以殺菌」是我們現在認為是再普通不過的常識,但在一百多年前,在Finsen完成他的「Finsen light裝置」之前,醫生面對皮膚結核患者始終束手無策。Finsen的重要發明、發現,不僅為皮膚結核和其他皮膚病患者帶來希望,同時也撬開了醫學界光療這扇重要學科的大門。

從Finsen的實驗過程可以發現,傑出的醫學家,不僅僅是「只懂看病的醫匠」;他們懂物理、化學原理,會自己動手設計治療裝置,踏著前人走過的路去思考未來實驗方向,想方設法去治療尚未找到根治方法的疾病。

遺憾的是,在Finsen獲得諾貝爾獎後隔年(1904年)就因病逝世,年僅43歲。其實他年輕的時候身體狀況就一直不好,但他並沒有因此而放棄醫學研究。在他逝世之前,他還發表了一篇研究低鹽飲食和健康關係的論文。孜孜不倦、才華洋溢卻英年早逝,相當令人惋惜。

最後,想在此分享Finsen生前描述自己心路歷程的一段話:

“My disease has played a very great role for my whole development… The disease was responsible for my starting investigations on light: I suffered from anaemia and tiredness, and since I lived in a house facing the north, I began to believe that I might be helped if I received more sun. I therefore spent as much time as possible in its rays. As an enthusiastic medical man I was of course interested to know what benefit the sun really gave.”

住在靠近北極圈法羅群島(Faroe island)朝北的房子裡,體弱多病的Finsen相信太陽光可以改善自己的健康狀況,才因此開始了光療相關的醫學研究。

「就是那個光!」不知道讀者以後在沙灘上曬太陽、或者看到紫外線燈管時,是否會想起Finsen和他的研究,而在心中發出如此驚歎呢?

對Finsen和他的光療研究有興趣的讀者,不妨到這裡去閱讀Finsen《Phototherapy》的原文英譯本。

此篇回顧原文刊載於此

備註:文中圖片作者不具有版權。如有侵犯版權/著作產權之行為,請即刻與作者聯繫。
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hemmings
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認為科學必須從基礎紮根,相信經典必有其價值和意義。 通過介紹諾貝爾大師們的研究工作和嚴謹態度,在大眾科學的汪洋中推廣經典科學理論以及科學精神的重要性,並冀望藉此能讓讀者以一個更寬廣的角度來欣賞現代社會之包羅萬象。


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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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《科技魅癮》的前身為1973年初登場的《科學發展》月刊,每期都精選1個國際關注的科技議題,邀請1位國內資深學者擔任客座編輯,並訪談多位來自相關領域的科研菁英,探討該領域在臺灣及全球的研發現況及未來發展,盼可藉此增進國內研發能量。 擋不住的魅力,戒不了的讀癮,盡在《科技魅癮》