2017年10月28日 星期六

把血液放在顯微鏡下的前人們

顯微鏡下的血液是一個美麗的花花世界,五光十色,美不勝收,令人目不暇給。究竟是誰人最先用到顯微鏡去觀察這個色彩繽紛的世界呢?今次就讓史丹福介紹一段血液學與顯微鏡的簡史。

要知道誰是第一個在顯微鏡下觀察血液的人並不容易,但我們知道其中一個最早觀察而又記錄低了自己發現的人是雷文霍克(Antoni van Leeuwenhoek)。雷文霍克的大名,相信大家都已在生物課中聽過,他是世上第一個發現微生物的人。誰不知,雷文霍克的發現不只有微生物,他也是最早觀察到精子、肌肉纖維及紅血球的人。

雷文霍克是一個「顯微鏡痴」,他有一門獨特的磨玻璃手藝。憑著這門得天獨厚的絕技,他做到了當時世上最好的顯微鏡。雷文霍克是一個不折不扣的探險者,他對顯微鏡下的一切都有著無窮的好奇心,他終始一生都在樂此不疲地把不同的東西放在顯微鏡下觀察。雷文霍克從來沒有受過正統的科學教育,但他卻用顯微鏡做到了最偉大的科學發現。

他在1675年,一封寄給物理學家惠更斯(Christiaan Huygens)的信中記錄了自己的發現。他寫到:「這些正常人體內的『血小球』一定是非常易變形又易折的,這樣它們才可以穿過微血管。它們會在穿過時變成橢圓形,之後離開微血管才回復原本的形狀。」這些描述即使以今天的標準來看,也是頗為準確的。

但雷文霍克即使多次觀察紅血球,但他始終都相信紅血球是球狀的。這個概念最後被號稱「血液學之父」的休森(William Hewson)所推翻。

在今時今日的角度看來,外科與血液學是「大纜都扯唔埋」的兩門學問,但休森這位「血液學之父」卻偏偏是一位外科醫生。

休森觀察到紅血球嚴格來說其實並不是一個「球」,而是扁的,而且中間部分與周邊部分也不是平均分佈的。休森最初用的顯微鏡很粗糙,令他以為紅血球中間部分有一顆細胞核。經過較精確的觀察後,最終他發現到紅血球是「雙凹形」(biconcave)的,中間部分凹了入去。這個自然界的設計令到紅血球的表面積增加,加快氧氣在表面擴散的速度。因此紅血球非常適合用於它運輸氧氣的工作。

休森又觀察到一些透明的血細胞,但由於當年沒有使用染料為細胞上色的技術,休森並不能詳細地研究這些細胞,他認為這些細胞來自淋巴系統,然後會走到血液入面。這些細胞當然就是我們熟悉的白血球,我們現在知道白血球是來自骨髓的,但淋巴性白血球(lymphocytes)的確會走到淋巴系統中幫助免疫,所以休森的推論以當時的知識來說已經是非常不錯。

休森除了觀察到紅血球的雙凹形與白血球外,他也作了很多其他的血液學發現,例如他發現造成凝血的物質是血清中的纖維蛋白原(fibrinogen)而不是當時普遍相信的血細胞。他又研究過淋巴系統及脾臟的功用,增進了我們對它的認識,真不愧為「血液學之父」。

但休森多厲害也好,他的觀察是原始的,是單調的。在休森之後的百多年後的19世紀末,終於有一位「染料狂迷」把染色法帶到了血液學中,為顯微鏡下的世界帶來萬紫千紅的新色彩。這位「染料狂迷」名叫埃爾利希(Paul Erlich)。

埃爾利希還是醫學生的時候已經對染料很有興趣,特別是苯胺染料(alanine dye)。運用這些染料,他已經可以分辨得出大部分的白血球。他用的酸性染料、鹼性染料與中性染料分別幫他辨認到嗜酸性白血球(eosinophils)、嗜鹼性白血球(basophils)及嗜中性白血球(neutrophils)細胞質中的顆粒。他又準備地描述了這幾種白血球的特性,並且為他們命名。他使用的命名方式相當準確,在經過稍稍改量之後就一直沿用至今。

除了血液之外,埃爾利希甚至直抵血細胞的出生地──骨髓。他不但認得出紅血球的「祖先」,甚至完整的描寫出紅血球成熟的過程。

不過雖然他研究過很多的白血球,他最愛的卻是一種他全身發現的細胞。這種細胞又很多粗大的嗜鹼性顆粒,就像是「墨屎」,把整粒細胞都遮掩著。他覺得這些細胞應該有足夠的營養,生長得又肥又大,所以就把它們命名為肥大細胞(mast cells)。當時埃爾利希對肥大細胞的作用並不清楚,只覺得它與嗜鹼性白血球很像。現時我們知道肥大細胞是敏感症的源頭,當IgE抗體與肥大細胞結合,肥大細胞就會釋放出顆粒中的組織胺(histamine),造成那討人厭的敏感症狀。

埃爾利希也曾向德國的細菌學巨頭,1905年諾貝爾生物學及醫學獎得主科赫(Robert Koch)展示了一個為結核桿菌上色的方法,幫助他研究結核病。

埃爾利希對染料的狂熱遠遠不只在於血液學或病理學,染料可以說是完全改變了他的人生價值觀。他想到「染料可以只漂染特定的組織,是因為它們有一個側鏈(side-chain),與被漂染的物質相對應。那麼細胞也應該有個『側鏈』,與抗體相對應,所以抗體只會與特定的組織結合。」這個「側鏈理論」是最早解釋抗體與免疫力關係的理論,當然我們現時知道這個理論並不是完全準確,但它也為埃爾利希贏得了1908年的諾貝爾生物學及醫學獎。

埃爾利希又覺得「既然染料可以只漂染特定的組織,那麼必然有一種染料可以只漂染細菌。如果這種只漂染細菌染料是有毒的話,它就只會毒死細菌,而不會傷害其他組織。」憑著這個信念,埃爾利希研發了對梅毒螺旋體有效的Salvarsan,成了世上第一種抗生素

既然介紹了埃爾利希,自然不得不介紹埃爾利希的死對頭,同樣獲得1908年諾貝爾生物學及醫學獎的俄國科學家梅奇尼科夫(Elie Metchnikoff)。

梅奇尼科夫生於一個微生物學風靡全球的時代,有鑑於巴斯德(Louis Pasteur)及科赫兩位微生物學巨人的成功,他也決心要做一個微生物學的探險者。

但命運往往不到自己選擇,令梅奇尼科夫揚名立萬的卻是一個關於海星的研究。海星的幼蟲像玻璃一樣透明,在顯微鏡下可以看清楚牠們體內的情況,他發現海星體內有一種細胞像變形蟲一般,可以自由在體內游走。當梅奇尼科夫把幾個紅色的小顆粒放在海星體內,他發現這些細胞竟然會自動走近顆粒,然後把它們吞掉。他又嘗試把玫瑰花的刺插在海星體內,結果發現玫瑰刺周圍滿布這種特別的細胞。他於是把這種會吞掉小顆粒的細胞命名為「呑噬細胞」(phagocytes)。

梅奇尼科夫也正確的推斷出呑噬細胞是免疫系統的一部分,用來對抗外來的入侵者,例如細菌。

現代的生物學知識讓我們知道,呑噬細胞分成幾種,在血液入面最豐富的是嚐中性白血球(neutrophils),其次是單核白血球(monocytes)。單核白血球可以走進不同的身體組織中,發展成為巨噬細胞(macrophages)。它們也可以在某些組織中發展成獨特的呑噬細胞,如肝臟的庫佛氏細胞(Kupffer cells)、神經系統中的微膠細胞(microglial cells)、骨骼的蝕骨細胞(osteoclasts)等。

梅奇尼科夫認為人體的免疫力來自呑噬細胞,不可能是來自血清中的抗體,而埃爾利希卻是抗體理論的先驅,於是兩人水火不容,互相攻擊,成為了一對敵人。但如果當年兩人可以放下成見的話,就會知道其實他們二人都是正確的,呑噬細胞是細胞性免疫(cellular immunity)的一部分,也是先天性免疫系統(innate immunity)的重要支柱;抗體是體液性免疫(humoral immunity)的一部分,屬於後天性免疫系統(adaptive immunity)。兩者相輔相成,互補不足,一起合作為身體抵抗外敵。

雖然埃爾利希及梅奇尼科夫分別為血液學作出了很重要的貢獻,但他們身處的年代只是血液學萌芽的階段。到了20世紀,血液學才有更多的重要發展,慢慢發展到今天的模樣。

正常偉大的科學家牛頓曾經說過:「如果說我看得比別人更遠,那是因為我站在巨人的肩上。」我們今天的知識都是靠各個「巨人」建立出來的,史丹福有空再跟大家分享一下其他「巨人」的小故事吧。


資料來源:

1. Hajdu SI. A Note from History: The Discovery of Blood Cells. Annals of Clinical & Laboratory Science 2003: 33(2); 237-238.

2. Doyle D. William Hewson (1739-74): the father of haematology. British Journal of Haematology 2006: 133(4); 375-381.

3. Kay AB. Paul Ehrlich and the Early History of Granulocytes. Microbiology Spectrum 2006: 4(4).


4. The Hematologist. http://www.hematology.org/Thehematologist/Profiles/4513.aspx

2017年10月16日 星期一

作用與副作用

藥物從來都是一把雙刃劍,有作用的藥物就一定有副作用,沒有副作用的藥物就沒有作用。但只要動動腦,轉轉彎,副作用有時候也可以變成作用。

其中一種最成功地把副作用成為作用,之後風靡全球的藥物,自然是sildenafilSildenafil是一種血管擴張藥物,它可以抑制一種名為PDE5phosphodiesterase type 5)的酶,減慢cGMP的降解。cGMP是一種令血管平滑肌舒張的物質,當它的含量增多,血管就會擴張。

Sildenafil
在剛研發時是希望用作降血壓藥及冠心病藥物,研究人員的想法是當全身的血管擴張,那麼血壓自然會下降;而當通往心臟的血管擴張,心臟的血液供應增加,就可以舒緩冠心病。但奈何事與願違,初期研究得出的結果卻不太理想,藥物似乎對降血壓及舒緩冠心病並沒有幫助,研究人員打算收回藥物。但奇怪的是,不少接受藥物測試的男士卻不肯交還藥物。研究人員大感好奇,在進一步了解後,他們發現sildenafil竟然有一個奇怪的副作用,它可以令到陰莖勃起。原來PDE5在陰莖海綿體的含量比身體其他部位高,所以sildenafil對舒張陰莖海綿體血管平滑肌特別有效,海綿體的血液流量增加而充血,陰莖便會勃起。

藥廠於是重新研究把sildenafil的副作用變成作用,用作改善勃起功能障礙的藥物,成為了今天的「偉哥」。藥物風靡全球,極其成功。

另一個例子就是醫治青光眼的PGF2α類似物(PGF2α analogue),包括latanoprosttravoprost、,bimatoprost,它可以舒張眼內的睫狀肌(ciliary muscle),令到房水(aqueous humour)可以更易排走,降低眼內壓。

但藥物推出市面後,陸續有報告顯示它可以令到病人眼睫毛變長及周圍皮膚變得深色。研究學者又再嘗試化腐朽為神奇,有學者做了更大型的研究(Coronal-Perez et al. 2010),44位睫毛班禿的病人接受了傳統類固醇治療再加上latanoprost(一種PGF2A類似物)的治療,經過兩年後,17.5%的病人睫毛完全重新生長,27.5%有一定的生長,30%有少量生長,比起只接受傳統類固醇治療的病人成果較好。為PGF2α類似物治療睫毛班禿成效提供了證據。

雖然沒有大型的研究直接證實過PGF2α類似物對白蝕(vitiligo)的療效,但也有一些成功的案例,顯示PGF2α類似物也許可以增加受影響皮膚的黑色素,改善症狀。

利用藥物的「副作用」其實也不是甚麼新奇事,在醫生日常的工作中,也時不時會利用到。

最為人所知的當然就是抗組織胺(antihistamine)類藥物。抗組織胺可以抗敏感及收鼻水,但副作用是會令人昏昏欲睡。醫生有時候處方抗組織胺類藥物就是特意令到病人昏昏欲睡,令他們可以有更好的休息。醫生有時候甚至會為失眠的病人處方抗組織胺類藥物,把它們用作溫和的「安眠藥」。

又例如胰島素(insulin),大家都知道它可以降低血糖,用作治療糖尿病。但它同時會刺激細胞的鉀離子通道,令血液中的鉀走到細胞內,引起低血鉀(hypokalaemia)。但醫生也用了這個「副作用」去治療高血鉀(hyperkalaemia)。高血鉀其中一個最重要的療法就是靜脈注射胰島素與葡萄糖的混合液,這樣胰島素可以降低血鉀,葡萄糖則可以防止胰島素引起的低血糖。

同樣道理,salbutamol是一種β2受體激活劑(β2 receptor agonist),用來治療哮喘及慢性阻塞性肺病(chronic obstructive pulmonary disease)。它也會刺激細胞的鉀離子通道,令血液中的鉀走到細胞內,所以salbutamol也是處理嚴重高血鉀的其中一個選擇。

至於利尿藥amiloride,它會抑制遠端腎小管(distal tubule)的鈉離子通道,從而達到利尿的作用,也可以用來降血壓,但它卻會令到腎小管多吸收鉀,引起高血鉀。醫生卻會利用這特性,為使用抗真菌藥物amphotericin B的病人處方amiloride。因為amphotericin B對腎的毒性很強,會令腎小管大量排出鉀,引起低血鉀,而使用amiloride正好可以增加血鉀,扭轉這問題。

抗真菌藥amphotericin B的腎的毒性大,可以引起低血鉀,醫生有時候會為病人處方利尿藥amiloride去減少鉀質流失

在一個近期的醫學會議上,史丹福曾經聽過更創新的想法。Ibrutinib是一種抑制Bruton酪氨酸激酶(Bruton tyrosine kinase)的新藥物,用來治療17p染色體有變異的慢性淋巴性白血病(chronic lymphocytic leukaemiaCLL),或者難治或反覆的CLL、被套細胞淋巴瘤(mantle cell lymphoma)及其他的一些低等B細胞淋巴癌(low grade B cell lymphoma)。副作用是令病人的B淋巴細胞大幅減少,影響免疫力。但有醫生用它來治療異體骨髓移植後出現的移植物對抗宿主疾病(Graft verses host disease),一種由捐贈者骨髓中的免疫細胞攻打受捐者身體而引起的疾病。這個做法真是完全超出史丹福的想像,令人目不睱給。


慢性淋巴性白血病(CLL)病人的周邊血液抹片(peripheral blood smear)
新藥ibrutinib被用於治療17p染色體變異、難治或反覆的CLL

史丹福又曾經聽聞過一個前輩,用藥如神。一般醫生最害怕藥物交互作用(drug interaction),即一種藥物影響了另一種藥物的含量或者藥效。前輩卻透過藥物交互作用增加藥物在身體的含量,令窮困病人可以不需用到正常人使用的劑量就已經可以有相應的藥效,減輕病人的財政負擔,真的令人拍案叫絕。

當然,把藥物的副作用變成作用是一門很高深的學問,必須要對藥物有非常深厚的認識及經驗才可以做到。大家如非專業醫護人員,切勿嘗試。

資料來源:

1.      Osterloh IH. The discovery and development of Viagra (sildenafil citrate). Sildenafil 2004:1-13.

2.      Choi YM, Diehl J, Levins PC. Promising alternative clinical uses of prostaglandin F2α analogs: Beyond the eyelashes. Journal of the American Academy of Dermatology 2015;72(4):712-716.


3.      Coronel-Pérez I, Rodríguez-Rey E, Camacho-Martínez F. Latanoprost in the treatment of eyelash alopecia in alopecia areata universalis. Journal of the European Academy of Dermatology and Venereology 2010;24(4):481-485.

2017年10月2日 星期一

諾貝爾獎特寫:「日出而作,日入而息」的生理時鐘



本年度諾貝爾生物學及醫學獎剛剛公佈了,由Jeffrey HallMichael RosbashMichael Young三位研究生物晝夜規律的遺傳學家奪得。

日出而作,日入而息。我們的身體很聰明,在早上會夠精神起床,在晚上自然有睡意。大家搭完長途機之後,都一定試過受到時差的困擾,但過了一段時間之後,身體又會重新適應,返回「日出而作,日入而息」的正常規律。大家有沒有想過,為什麼我們的身體可以這樣聰明,就像有一個內在的時鐘呢?

這個現象雖然與我們息息相關,但人類對它的認識一直不多。直到著名的分子生物學家Seymour Benzer及他學生Ron Konopka的發現,才為科學家開了一道門。Seymour Benzer的專長是研究基因與行為的關係,他與學生發現了幾種特別的果蠅,牠們都有異於正常的晝夜規律,有一種果蠅完全沒有晝夜規律,有一種的晝夜周期規律較正常長,又有一種的晝夜周期規律較正常短。經過持續的研究,他們終於發現了這些果蠅都是因為同一條位於X染色體的基因異常而引起的。Ron Konopka把這條基因命名為period,因為它控制了生理時鐘的周期規律。之後Jeffrey HallMichael Rosbash團隊,及Michael Young分別複製了period基因。

到了1990年,Jeffrey HallMichael RosbashPaul Hardin三位學者繼續對period基因與果蠅生理時鐘進行研究,他們知道period基因負責製造一種叫PER的蛋白質。但PER是如何控制晝夜規律呢?他們發現PER蛋白的含量有一個24小時的周期性變化。當果蠅「覺得」到夜晚的時候,PERmRNA會到達高峰,然後PER蛋白在約6小時後也會到達高峰。Period基因若產生變異,就會改變PER mRNA與蛋白質的波動。根據這些發現,他們提出period基因的蛋白產物有24小時的週期循環,而且利用負回饋(negative feedback)機制去抑制mRNA的製造。

Michael YoungAmita Sehgal團隊之後又發現了另一個叫timeless的基因,它的mRNA與蛋白也有24小時的周期性變化,而且timeless基因製造的TIM蛋白可以與PER蛋白結合,一起影響晝夜生理時鐘。在夜晚開始時,PERTIM蛋白開始增多,它們結合並且累積,到了夜深它們就走進細胞核入面,抑制mRNA的製造。到了1996年,Michael YoungAmita Sehgal團隊又發現光可以分解TIM蛋白,從而減少PER蛋白。這就解釋了為什麼光可以改變我們的生理時鐘。

我們知道了甚麼機制會抑制PERTIM,卻還未知道甚麼因素可以驅使他們的製造。幸好之後cycleclock基因的發現令這些問題慢慢變得清晰。Cycle基因由Joan Rutila聯同Jeffrey HallMichael Rosbash在果蠅中發現。Joseph Takahashi在老鼠中則發現了另一個重要的clock基因。Cycleclock基因的產物可以與E-box蛋白結合,激化periodtimeless基因,刺激PERTIM蛋白的製造。這些研究雖然最初在果蠅上發現,但科學家慢慢在哺乳類動物而至人類體內都找到類似的基因。

簡化的果蠅生理時鐘機制(來源:Riken Research)
這些研究令到時間生物學(chronobiology)這門新學問大鳴大效,到了今時今日,科學家已經發現了更多的基因及其機制去控制生理時鐘。這些基礎研究已經被應用到內分泌學、癌症科學、腦神經科學中;而生理時鐘的擾亂也會增加患上心血管疾病、神經退化疾病及癌症的風險。生理時鐘這個基礎研究得到諾貝爾生理學及醫學獎,充分地顯示了它在科學界的重要性。

史丹福剛聽到有朋友說facebook有人留言指「買唔起樓的科目是垃圾科」,史丹福實在感到痛心,所以我打算借一小段去談談基礎科學的重要。記得小弟一位很尊敬的教授曾經說過:”No knowledge is useless.” 世界上並沒有無用的知識,只有認識得不夠深入,不知道怎樣去用的人。基礎科學往往需要很多年的發展才可以發展到應用的階段,但這並不等如它沒有用。相反,它是非常的重要,如果沒有基礎科學的研究,我們又怎能夠發展出今天的藥物、手機、電腦、電池及各式各樣的機器呢?大家怎能夠偽善地一邊享受著基礎科學為我們帶來的便利,一邊貶低基礎科學的價值呢?在香港,做基礎科學研究是很難的,很多科學家都是非常聰明的人,但卻得到遠低於他們應得的經濟得益。既然香港給不到他們豐厚的經濟得益,我們是不是應該至少給予他們一份應得的尊敬呢?

資料來源:

1. Rosato E. Tauber E, Kyriacou CP. Molecular genetics of the fruit-fly circadian clock. European Journal of Human Genetics. 2006;14:729-738.

2. Hardin, P. Molecular Genetic Analysis of Circadian Timekeeping in Drosophila. Advances in Genetics. 2011;74:141-173.