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發現出血性登革熱的治療黃金期!

葉綠舒
・2016/03/30 ・2419字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 498 ・六年級

2014 與 2015年台灣南部都爆發嚴重的登革熱(Dengue fever)疫情,其實不只台灣,全世界每年有超過五億人感染登革熱!其中 80% 是無症狀或輕症,只有 5% 的病患會出現較嚴重的症狀。

圖/deviant art @ real-k
圖/real-k @ deviant art

登革熱以數種黑斑蚊屬(Aedes)為病媒散播,原本只出現在東南亞,在二次世界大戰後變成遍佈全球的疾病。如今全世界有 110 個國家都有登革熱,每年造成一萬至兩萬人死亡。

一般來說,登革熱的死亡率低於 1%,但如果是第二次感染或是嬰兒第一次感染,但媽媽曾感染登革熱,便有機會發展成出血性登革熱(Dengue Haemorrhagic Fever,簡稱DHF)。出血性登革熱患者會出現皮膚紅斑、臟器出血、伴隨著血小板低下等症狀。一旦發展成出血性登革熱,即使有治療,死亡率也會達到 2-5%,若沒有治療則可高達 50%,實在是非常危險。

近年來,由於全球暖化與人口移動頻繁,使得登革熱漸漸成為一種全球性的傳染病;雖然一般的登革熱症狀不嚴重、死亡率也低,但是出血性登革熱的威脅卻不可忽視。特別是登革熱輕症常被誤會成流感,若患者身體健康良好,很可能就自己去購買成藥服用,因此疫區內的人們,誰也不敢保證一旦罹患登革熱,究竟會不會就發展成出血性登革熱呢?

過去的研究知道,出血性登革熱是因為登革病毒感染會引發自體抗體(autoantibodies)的產生;這些抗體在體外的(in vitro)研究中發現,在登革病毒存在時,它們與病毒形成複合體,大量感染白血球,可能因此造成血管內皮細胞與血小板被大量的攻擊,造成血管損傷、血小板數目低下,最後造成皮下出血、臟器出血等病徵而死亡。

但是後續有許多研究發現,許多病毒在有抗體存在的狀況下都會有此現象。因此,究竟出血性登革熱是否真的是因為上述的現象而發生的呢?

慈濟大學生命科學院院長張新侯老師的研究團隊,花了好幾年的時間精益求精,建立了出血性登革熱的小鼠模型。為什麼要建立這個模型呢?由於出血性登革熱發生時,病人會因為血小板太少造成的內出血使得血壓急速降低而休克,產生所謂的登革熱休克症候群(Dengue Shock Syndrome,簡稱 DSS)。DSS 非常危險,若能提供動物模型作為治療的測試、從而建立有效治療的方法,便足以挽救上萬條生命!

不過,要發展一個理想的小鼠模型,實在不是一件容易的事。張老師的研究團隊,一開始嘗試著以靜脈注射的方式,分別將登革病毒與登革病毒所誘發的自體抗體各自打入小鼠。小鼠不但沒死,而且解剖時也發現,小鼠的臟器只有紅腫,沒有出血。

這令人有點傷心,雖然小鼠不是人,或許因此症狀有不同;但沒能夠呈現與人一樣的症狀,的確是不夠完美。究竟要怎麼改善,才能夠建立一個十全十美的小鼠模型呢?

張老師苦苦地思索著,卻想不出改善的空間在哪裡?直到有一天無意中看到了施瓦茨曼反應(Shwartzman)的文獻。

圖/Joost Rooijmans@flickr
圖/Joost Rooijmans@flickr

1920 年代,在紐約西奈山醫院工作的喬治.施瓦茨曼醫師(Dr. George Shwartzman)在研究某些毒素如何在組織中產生血栓時,發現了這個現象。簡單來說,施瓦茨曼醫師發現,當我們的組織再次接觸到同一個毒素時,便會有這樣的現象發生。而要產生施瓦茨曼反應,病患要跟相同的毒素接觸兩次。但是,在施瓦茨曼反應裡,毒素是以皮下注射,而不是以靜脈注射的方式。

皮下注射?張老師忽然想到,或許皮下注射才是對的!

於是,張老師便趕緊將病毒改為皮下注射方式打入小鼠。結果真是令人喜出望外!果然出現了臟器出血的病徵!完美的出血性登革熱的模式有了!

模式有了,接著就有得忙了!再接再厲地以這個模式進行研究時也發現了,出血性登革熱需要在登革熱病毒與自體抗體同時存在的狀況下才會出現,缺一不可。但是,病毒與抗體究竟誰要先出現,並沒有絕對的關係。

怎麼說呢?以嬰兒出血性登革熱為例,小寶寶是先由媽媽得到登革熱的自體抗體後,再接觸到病毒。而成人在第二次感染時所發展出來的出血性登革熱,則是先有病毒再有抗體。

張老師的研究團隊也進一步在小鼠中證明,當以出血性登革熱病人血中登革病毒效價與非致病濃度之自體抗體同時存在於宿主體內時的確會造成血管損傷與臟器出血!這是第一次在活體中(in vivo)明顯到觀察到這樣的現象。過去其他研究團隊都只能以高量的病毒來重現出血性登革熱的症狀,但是在活體內要有這樣高濃度的病毒很難啊!可是這次張老師的研究團隊卻是以較低濃度就達成了!

張老師的研究團隊,除了建立小鼠的出血性登革熱模型之外,他們同時也以數種目前已經有在使用的藥物,如:腫瘤壞死因子α(TNFα)的拮抗劑 Etanercept 等,針對這個模型進行試驗,發現這些藥物如果在適當的時機下使用,對於出血性登革熱是有治療效果的;同時也對於出血性登革熱的致病機轉有更多的了解。

TEM 顯微鏡下看到的登革熱病毒,在圖中黑黑圓圓聚集成一群。圖/wikipedia
TEM 顯微鏡下看到的登革熱病毒,在圖中黑黑圓圓聚集成一群。圖/wikipedia

張老師的團隊在建立小鼠模型的過程中,也發現出血性登革熱存在著一個「治療黃金期」。如上圖所示,當病毒進入宿主體內後,病毒的濃度大約在發病(發燒)前一天開始上昇(viral load,藍色三角形);而自體抗體則在發燒後兩天開始出現(DENV-elicited autoantibodies,綠色三角形)。在這段期間,病毒的濃度持續升高,直到自體抗體出現後,病毒濃度開始下降。下降後大約 24-36 小時,出血性登革熱(DHF,紅色)的症狀就出現了。

圖/Thrombosis and Haemostasis
圖/Thrombosis and Haemostasis

治療黃金期在哪裡呢?就是當病毒濃度在體內達到高峰並開始下降、體內的自體抗體卻逐漸上昇的時候。研究團隊利用這個小鼠模型,測試了幾種藥物(如 Etanercept、IVIg)都有不錯的療效,但因為它們都屬於免疫抑制劑,若使用於發病初期,只怕會對病人有不好的影響;但如能用在病毒濃度開始下降、自體抗體濃度上昇,但出血的症狀尚未出現的時候,對於出血性登革熱的治療應該會有相當好的效果。

參考文獻

Te-Sheng Lien et. al. 2015. Dengue virus and antiplatelet autoantibodies synergistically induce
haemorrhage through Nlrp3-inflammasome and FcγIII. Thrombosis and Haemostasis. http://dx.doi.org/10.1160/TH14-07-0637. 113: 1060–1070


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就是想知道十萬個植物的為什麼!解開植物生長之謎的駭客兼翻譯——蔡宜芳專訪

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/04/06 ・3848字 ・閱讀時間約 8 分鐘

本文由 台灣萊雅L’Oréal Taiwan 為慶祝「台灣傑出女科學家獎」15周年而規劃,泛科學企劃執行。

2018 年「台灣傑出女科學家獎」傑出獎第十一屆傑出獎得主

  • 中研院分子生物研究所特聘研究員蔡宜芳,畢業自台灣大學植物系,在美國卡內基美隆大學(Carnegie Mellon University, CMU)取得博士,後於加州大學聖地牙哥分校(University of California, San Diego, UCSD)進行博士後研究,研究專長為植物分子生物學。主要從事細胞膜蛋白的功能研究,在硝酸鹽轉運蛋白研究領域有卓越貢獻。2021 年蔡宜芳特聘研究員榮獲美國國家科學院(National Academy of Sciences, NAS)外籍院士(international members)。

如果妳撿到蔡宜芳掉的手機,可能很難立即知道失主是誰,甚至有點摸不著頭緒:因為她手機裡超過 80% 的照片,都是植物。為何會選擇植物作為研究領域?身為中研院分子生物研究所特聘研究員,在植物分子生物學領域貢獻卓著的她卻說,這個決定其實「不太科學」,因為起心動念是自己「真的很喜歡植物」。

因為喜歡所以好奇,因為好奇而想要知道更多:許多 love story 都是這樣開始的,而研究領域的開展又何嘗不是一場超浪漫故事呢?也因為一般人都不夠認識植物,聽不懂植物的細語呢喃,更需要蔡宜芳這般熱愛植物的科學家,擔任植物駭客兼翻譯,讓不辨菽麥者也能偷聽花開的聲音。

故事,從一株異變的阿拉伯芥開始說起。

植物對於氮肥的攝取機制與調控方法正是蔡宜芳的研究主題。圖/劉志恒攝影

分子生物學突破:發現植物吸收硝酸鹽的關鍵蛋白 CHL1

上世紀 50 年代起的「綠色革命」,大幅提升了糧食生產量,餵飽了激增的地球人口,「氮肥」在其中功不可沒。它對植物開花結果至關重要,然而植物透過什麼機制攝取氮肥?如何調控才能更有效地吸收?蔡宜芳研究的正是其中的分子機制。

氮,是生物存活的重要元素;從推動光合作用的葉綠素、各種代謝反應的酵素,到與遺傳相關的核酸中,都有氮的存在。但對植物來說,要取得氮元素卻出乎意料地困難;大氣的組成中近五分之四為氮氣,但是除了藉由少數有固氮能力的微生物以外,植物只能使用在土壤中非常少量的氮源,吸收的型態有「氨鹽」與「硝酸鹽」,其中又以硝酸鹽為主。

但是,硝酸鹽是帶電離子,無法自行通過脂質構成的細胞膜,那到底植物如何利用硝酸鹽呢?為了解開這個長年來的謎題,蔡宜芳將目光投向一棵無法正常吸收硝酸鹽的阿拉伯芥突變株,並利用當時最新發展出來的分子生物技術,試圖找到出關鍵基因。蔡宜芳表示,這個無法正常吸收硝酸鹽的突變株,在她約 10 歲時就被荷蘭研究者發現,這麼多年來在傳統技術底下被研究得相當透徹;卻直到她開始進行博士後研究,伴隨植物分子生物相關技術發展,才有方法找到關鍵的轉運蛋白。

這樣的研究自然充滿了挑戰,因為新技術還不穩固,就連實驗室老闆都曾勸她放棄。不願投降的她,決定一邊持續研究氮代謝,一邊到其他研究室學細胞膜研究的新技術,1994 年,蔡宜芳從美國回到台灣,持續研究進一步發現, 位在植物細胞膜上的 CHL1 硝酸鹽轉運蛋白,除了作為硝酸鹽的「搬運工」,還有其他異想不到的功能。在你我的印象當中,植物是被動的吸收養分:但其實當土壤中的的硝酸鹽變化時,植物會主動改變硝酸鹽的運作模式,這就是蔡宜芳團隊在 2003 年的重大發現。運作模式的改變正來自於 CHL1 蛋白的磷酸化轉換,因此 CHL1 蛋白也具備作為「傳令兵」的功能。透過 CHL1,植物便能感應周圍的硝酸鹽濃度,幫助植物調控基因表現,以便能更有效率地利用硝酸鹽。

掌握硝酸鹽吸收的調控,在農業領域十分有發展潛力,蔡宜芳的研究進一步轉向,對接實際應用,期盼為農業的永續未來提供新解方。除了 CHL1硝酸鹽轉運蛋白的機制外,她也針對阿拉伯芥如何吸收與輸送硝酸鹽到不同組織的分子機制展開探索。近期更研究探討是否能以育種或基因調控的方式,增進植物吸收硝酸鹽的效率。由於硝酸鹽非常容易在環境中流失,因此多數的氮肥施放到田間後,植物也往往吸收不了;如果可以改善植物的吸收效率,就能減少施肥的浪費,連帶減少製造氮肥耗用的能源,也讓農作物長得更好。

好消息是,透過基因調控,蔡宜芳團隊已經在阿拉伯芥、菸草及水稻上實驗成功,並取得相關專利,期待未來將授權給生物科技公司進行下一步。

培養科學研究必備品:好奇心、科學思辯與毅力

蔡宜芳從事研究的初衷是因為對植物的喜愛與好奇心,對她來說和植物有關的十萬個為什麼,猶如始終永遠拼不完的大型拼圖,從小時候就在蔡宜芳的心中佔據了重要位子,於是她「追根究柢」(如字面上意義),想靠自己解開植物現象背後的秘密。

人們對自己不了解又無法回嘴的植物充滿了誤解,往往覺得植物跟動物一點也不同,然而在蔡宜芳看來絕非如此,她表示,已經有研究發現,當我們這些動物咬下蔬菜的瞬間,植物裡頭負責傳導的的鈣離子就會產生變化。「大家都覺得植物不會動不會叫,但其實植物是有感知的。」蔡宜芳表示,植物其實都知道,只是用我們不懂的方式在表達,要靠研究才能一句一句地破解植物的密語。

圖/劉志恒攝影

當然研究也不能自己埋頭苦幹,交流非常重要。蔡宜芳擔任植物學期刊 《Plant Physiology》 編輯多年,但回憶起剛建立獨立實驗室的階段,面對那麼多來自審稿人的刁鑽問題,當時的自己也難免生氣。一旦轉換身份成為審稿人,被審的經驗也讓她更明白審查論文時該注意的重點,一來一往的思辨與答辯,反而讓她覺得很好玩。

「我自己有個突破,是因為被質疑的時候很生氣,可是不能光氣,也要想辦法解決。就在生氣的時候,想出來的方法,最後變成我們實驗室很新的工具。」而她也認為自己在替《Nature》等重要期刊審稿時,認真地給出言之有物的評論,幫她累積了領域內的信譽,才讓期刊編輯的位置找到了她。

蔡宜芳曾擔任植物學期刊《Plant Physiology》編輯。圖/《Plant Physiology》網頁截圖

像投稿審稿這般來回思辨的訓練,對科學家的養成非常重要,然而蔡宜芳觀察,科學思辨在台灣教育裡比較缺乏。她舉例,在美國課堂上,老師會要學生先讀一篇論文,接下來整堂課則要學生批評論文有什麼問題。「我們在台灣被訓練的人,都會把 paper 當作傳世經書在讀,讀懂它就覺得很開心了——要去批評它,我們真的沒有習慣。」蔡宜芳坦言那過程對她來說曾經非常痛苦,但會痛就代表該變。

她就此改變了思路:面對知識,蔡宜芳要求自己不僅要讀懂,還要有餘力批評它,說出對、錯在哪裡。蔡宜芳認為,科學就是得永遠抱持著質疑的態度,在不疑處有疑,才能找到真正的答案。「在我自己的實驗室裡面,我也一直在逼學生要去思考」。

蔡宜芳在實驗室中,會不斷要求學生思考、批判。圖/劉志恒攝影

而除了好奇心及思辨能力之外,蔡宜芳認為「毅力」也是科學家在科學界持續前進的重要特質。經驗告訴她,在科學研究中遇見失敗比遇見成功的次數多太多了,革命十次稀鬆平常,如何二十次甚至三十次之後還能繼續往前走?那絕對需要強大的毅力來抗壓才行。

說到壓力,身為科學界的女性,蔡宜芳認為,自己的成長環境中,性別造成的影響並不大,以她所在的中研院分生所為例,研究人員性別比例很平均。但若深入細究,「無意識偏見」(unconscious bias)仍難以避免。她以自己帶過的學生為例,生科領域在大學時期男女比例大約是各半,但隨著碩士、博士一路往上,男性的比例逐漸多於女性。因為許多女學生在面臨職涯選擇的時候,往往會被迫以家庭或是男性伴侶的事業為優先,這種狀況回過頭來又讓部分老師覺得「教育女生有時會是浪費」,成為惡性循環。

榮獲過許多科學成就獎項的她,時常是唯一獲獎的女性,而就在接受採訪不久前,她又獲頒一個獎項,直到頒獎當天的照片寄回到所上,「一片黑西裝裡面,就我穿黃色!」她笑道。所上第五屆台灣女科學家傑出獎得主鍾邦柱老師看到照片時,也對她苦笑說:「哎,革命尚未成功,同志仍需努力。」

「先不要去想會有這個東西,做該做的事情。真正不平的時候,不要安靜不講。」儘管環境仍待改變,蔡宜芳建議女科學人自己先跨出一步,就如同她自己一路走來的態度。

一株莫名異變的阿拉伯芥,遇上一位不放棄的科學家兼植物迷,造就了改變農業、甚至是整體生態未來的契機。如果妳的手機也跟蔡宜芳一樣,裝的幾乎全是自己感興趣、想研究的東西的照片,請別質疑自己是不是怪怪的,或許妳也將靠著研究,改變世界,這是我能想到最浪漫的事了。

台灣傑出女科學家獎邁入第 15 年,台灣萊雅鼓勵女性追求科學夢想,讓科學領域能兩性均衡參與和貢獻。想成為科學家嗎?妳絕對可以!傑出學姊們在這裡跟妳說:YES!:https://towis.loreal.com.tw/Video.php

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