2019年10月8日 星期二

諾貝爾獎特寫:當細胞缺氧時


又到一年一度的科學界盛事──諾貝爾獎的公佈日子。今屆諾貝爾生理學或醫學獎由凱林(William G. Kaelin Jr)、特克利夫(Sir Peter J. Ratcliffe)及塞門薩(Gregg L. Semenza)三位科學家共同奪得,以表彰他們發現細胞如何感應和適應氧氣。史丹福當然要為大家介紹一下他們三位的研究對生理學以至臨床醫學的貢獻。事實上,他們的研究如史丹福從事的血液學都有相當關係。

今屆諾貝爾生理學或醫學獎的三位得獎者(來源:https://www.nobelprize.org/

醫學界很早就已經了解到氧氣水平對身體的影響,例如早在19世紀法國生理學家伯特(Paul Bert)已經發現缺氧對心血管系統的影響,又發現在高海拔低氧氣的環境生活會令人紅血球數量增加。

到了20世紀,科學家又發現了腎臟中的細胞可以偵測氧氣量,當氧氣供應減少時,腎臟中的細胞會合成一種名為促紅血球生成素(erythropoietin)的賀爾蒙,刺激骨髓製造紅血球。這是一個保償機制,在缺氧的情況下,身體需要更多的紅血球去運送更多氧氣到身體組織,作為彌補。在臨床上,有很多現象都與這個機制相關,例如慢性腎病的病人會有貧血,這是因為腎臟不能正常合成促紅血球生成素;腎細胞癌(renal cell carcinoma)的病人可能會出現高紅血球,這是因為這些不正常的癌細胞製造出過量的促紅血球生成素。

然而,缺氧的反應在生化層面上是如何運作呢?這個問題是近20-30年來藉著今屆三位諾貝爾得獎者的研究才慢慢被揭露出來。

塞門薩詳盡地研究負責合成促紅血球生成素的EPO基因。一條基因除了有直接控制蛋白質編碼的編碼序列(coding sequence)外,它附近的「側翼區」(flanking region)也是重要的區域,這個區域常包含了啟動子(promoter)或強化子(enhancer),負責調控蛋白質的轉譯。塞門薩發現了EPO基因的3‘側翼區中有一個小區域可以刺激與缺氧反應相關的基因,他把這個區域命名為hypoxia response element。這個區域能夠與兩種不同的核因子(nuclear factor)結合,其中一種可以被缺氧誘導,所以塞門薩把它稱為缺氧誘導因子(hypoxia-inducible factor,簡稱HIF)。塞門薩進一步研究發現HIF的化學結構,發現它是由HIF-1αARNT這兩部分組成。特克利夫及塞門薩都發現HIF不只可以刺激腎臟細胞的缺氧反應基因,而是能夠激活所有細胞的缺氧反應基因,似乎缺氧的反應是身體中各式各樣的細胞共同擁有的,這大大增加了科學界的興趣。今時今日,我們已知道最少有300條基因與缺氧反應相關,它們牽涉眾多的不同反應,從器官發展,到組織重生,到新陳代謝。

特克利夫又發現了HIF-1α的水平是由透過泛素-蛋白酶體(ubiquitin-proteasome)的機制所調控。當氧氣水平充足時,泛素把HIF-1α標記好,蛋白酶體把它分解。當氧氣水平不足時,泛素-蛋白酶體系統就減少分解HIF-1α,令細胞中HIF-1α含量增高,刺激缺氧反應的基因。

另一邊廂,凱林卻在做一個看似風馬牛不相及的研究──VHL基因。希佩爾-林道綜合症(Von Hippel–Lindau disease)這種罕見的遺傳性癌症綜合症便是由VHL基因突變引起的。希佩爾-林道綜合症的患者會出現各種罕見的癌症,包括腎臟血管瘤、腎細胞癌(renal cell carcinoma)、血管母細胞瘤(haemangioblastoms)以及嗜鉻細胞瘤(pheochromocytoma)等。凱林先為這基因定序,之後他又發現把正常的野生種VHL基因引進VHL基因突變的腎細胞中,便可以阻止細胞癌變,顯然VHL基因是一個腫瘤抑制基因(tumour suppressor gene)。

凱林與其他的小組合作又發現VHL基因突變的細胞中,有好幾個與HIF相關的基因都過度表現。這兩個最初看似風馬牛不相及的路徑竟然是相關的。但究竟它們怎樣互相影響呢?

特克利夫最終成功把這兩條路徑聯繫起來,發現VHL蛋白可以與HIF-1α結合,泛素E3連接酶(ubiquitin E3 ligase)以VHL蛋白為目標,為蛋白複合物標記上泛素,HIF-1α之後就會被泛素-蛋白酶體機制分解。

整個機制的最後一塊拼圖是究竟氧氣如何影響到HIF-1αVHL的結合呢?這塊拼圖最後由特克利夫及凱林破解,他們的實驗室分別報告指出HIF-1α中有脯胺酸(proline)可被酶羥化(hydroxylation),而這個生化反應本身需要氧氣,所以只會在氧氣充足的環境下才可進行。脯胺酸被羥化後,VHL就會與HIF-1α結合。這就完美地解釋了手HIF-1αVHL、氧氣與細胞缺氧反應的關係。當氧氣充足時,HIF-1α出現脯胺酸羥化(proline hydroxylation),令VHL與它結合,並被泛素-蛋白酶體機制分解。當氧氣缺乏時,HIF-1α不能與VHL結合,所以不會被分解,它在細胞中積聚,激活與缺氧反應相關的基因。

細胞缺氧反應機制的示意圖(來源:https://www.nobelprize.org/

凱林、特克利夫及塞門薩三人發現的機制非常巧妙,而且在生理學上相當最要。但這些基本生物學的知識又應用到臨床醫學中?史丹福在此舉兩個簡單的例子。

細胞對缺氧的反應原來都與癌症息息相關。試想想,惡性腫瘤需要快速增長,自然需要大量氧氣。如果腫瘤增長太快,令所需的氧氣大於供應,那麼細胞的缺氧反應就會發揮作用。HIF-1α能夠激活不同的基因去支持腫瘤的生長,例如VEGF基因就負責合成血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor),這種因子刺激血管大量生長,新生的血管為腫瘤提供氧氣與養份,為腫瘤提供了優越的生長環境。就如之前介紹的VHL基因能夠合成VHL蛋白,促進HIF-1α的降解,所以屬於一種腫瘤抑制基因。VHL基因突變令激活缺氧反應基因被持繼激活,最終引起癌症。科學家已經在針對這路徑研究新的標x藥物,這成了醫治癌症的新方向。

而氧氣反應機制的研究也革新了貧血的治療。慢性腎病的病人因未能正常地合成紅色球生成素而有慢性貧血。傳統的治療方法是注射紅色球生成素,不過近期又出然了一種革命性的新型口服藥物--roxadustatRoxadustat是一種HIF脯胺酸羥化酶抑制劑,抑制HIF-1α的脯胺酸羥化,變相抑制它與VHL結合及被泛素-蛋白酶體機制分解。負負得正,當藥物抑制了HIF-1α的分解,HIF-1α數量就會提升,促進腎臟合成促紅色球生成素。一個第三期臨床研究已經發現在不須進行洗腎的慢性腎病病人中,使用roxadustat的病人比起服用安慰劑的病人,血紅蛋白水平顯著地提升了。這是一個治療貧血的全新方向。

史丹福在此再次恭喜三位得獎者,並希望他們的研究能夠繼續促進我們對基本生理學的了解,同時也可以促進臨床醫學的進步,促進新藥的研發,造福病人。

參考資料:

1. Jelkmann, W. (2007). Erythropoietin after a century of research: younger than ever. European Journal of Haematology78(3), 183–205.

2. Chen, N., Hao, C., Peng, X., et al. (2019). Roxadustat for Anemia in Patients with Kidney Disease Not Receiving Dialysis. New England Journal of Medicine381(11), 1001–1010.

2019年10月6日 星期日

網球名將莎蓮娜的惡夢

美國網球名將莎蓮娜(來源:ubitennis.net)


有「細威」之稱的美國網球名將莎蓮娜(
Serena Williams)是史上第一位奪得網球大滿貫女單冠軍的黑人,唯一一位同時擁有單打生涯金滿貫和雙打生涯金滿貫的網球手,兼23座大滿貫女單冠軍得主,稱她為史上最出色的網球女選手也絕不為過。

然而,這位偉大的網球手原來反覆受到血栓問題的困擾,不單影響到她的比賽,更差點奪去她的性命。

話說莎連娜在獲得第四次溫布頓冠軍不久後,便不小心在餐廳中被玻璃碎片傷及腳掌。她的傷勢不輕,需要做手術處理,並在傷口上足足縫了18針,腳傷問題令她缺席了多個重要比賽。有一次,她在紐約治理腳傷後,便乘搭飛機回到洛杉磯出席奧斯卡電影金像獎的派對。誰不知她禍不單行,出席派對後又出現腳腫與呼吸困難。醫生立即為她進行檢查,而電腦掃描檢查的結果顯示她有肺栓塞(pulmonary embolism)。究竟甚麼是肺栓塞呢?

在介紹肺栓塞之前,讓我們先認識另一個與它息息相關的疾病--深層靜脈栓塞(deep vein thrombosis,簡稱DVT)。深層靜脈栓塞是指血塊在靜脈血管中形成,它理論上可以在任何靜脈血管中出現,不過以下肢最為常見。當下肢血管被血塊阻塞了,血液就會積聚著,令下肢紅腫、發熱及疼痛。

為甚麼會出現深層靜脈栓塞呢?現代病理學之父維爾肖(Rudolf Virchow)就曾經深入研究過深層静脈血栓的成因,並提出血栓形成的三大要素,分別是血流緩慢(stasis)、血管內皮損傷(endothelial damage),及血液高凝狀態(hypercoagulability),後人把這三個要素統稱為「維爾肖三大要素」(Virchow triad)。

血流的流動是影響血栓生成的重要因素,在血流緩慢的時候,血小板較易接觸到血管壁內皮,而凝血因子也較易積聚,令血栓容易形成。靜脈血液緩慢的主要原因包括長期臥床、手術、下肢骨傷及使用長途交通工具等。

當血管內皮受損時,膠原蛋白(collagen)被暴露了出來,血小板會附著在膠原蛋白上,然後被激活。另一方面,組織因子(tissue factor)也會被暴露,並激活凝血系統。最終,血小板及纖維蛋白組成血栓。這本來是個保護身體的止血機制,但當血栓過度增大時,就可能阻塞血管。創傷、手術及感染都是令血管內皮細胞受損的重要原因。

即使沒有以上提及的風險因素,有些病人始終有比較容易形成血栓的不正常傾向,我們稱之為血液高凝狀態。雌激素(estrogen)會增加血漿中纖維蛋白原與凝血因子的水平,因此雌激素水平高的女士有較大機會得到靜脈栓塞,常見的情況包括懷孕及服用口服避孕藥等。 某些腫瘤,尤其是胰腺、卵巢和肺部的腫瘤會使血中的促凝物質含量升高,所以癌症病人也較易得到静脈血栓。

先天性的基因變異也可以導致血液高凝狀態,例如C蛋白(protein C)、S蛋白(protein S)及抗凝血酶(anti-thrombin)的缺憾。這三種蛋白質都是人體中的天然的抗凝血物質,C蛋白及S蛋白會抑制凝血因子VVIII,而抗凝血酶則會抑制凝血酶與凝血因子X。這些抗凝血物質與凝血物質就像天坪的兩邊一樣互相平衡,當天然抗凝血物質因基因突變而出現缺憾,平衡被打破,天坪傾了向凝血的一邊,增加形成血栓的機會。

深層靜脈栓塞如果只是居限在下肢,那麼除了引起紅腫與疼痛,及可引起靜脈功能不全及靜脈曲張外,本身並無太大殺傷力。只不過栓子可以脫離下肢的靜脈,隨著血液循環走到肺部,阻塞肺動脈,引起肺栓塞,這就致命得多了。肺栓塞令受影響的肺部組織無法正常進行氣體交換,無法排出二氧化碳吸收氧氣,使患者出現呼吸困難、胸痛。嚴重的肺栓塞甚至會影響血液回流至左心房,進而影響心臟泵血至全身,導致低血壓、休克,甚至死亡。

深層靜脈血栓及肺栓塞會導致D-二聚體(D-dimer)的升高。D-二聚體是一種很有趣的生物化學指標,它是纖維蛋白降解時產生的物質。化驗室可以透過測量D-二聚體來幫助診斷偵測深層靜脈血栓及肺栓塞。

不過D-二聚體有一個缺憾,就是它太敏感了,不只是血栓,而且不論是感染、發炎、手術、創傷,都可以令這指標升高,所以檢查的假陽性比率很高。當年我讀醫時血科教授曾經很幽默地打趣說到,即使用摺凳打我們,都足以令D-二聚體上升。既然這檢查有如捕風捉影,莫名其妙的也會升高,那它不是很沒用嗎?那倒也不是,雖然D-二聚體陽性可以告訴我們的資訊並不多,但正正由於它非常敏感,如果它是陰性的話,醫生就可以很有信心地排除血栓了。

然而,要準確地診斷深層靜脈血栓及肺栓塞,醫生始終要依靠醫學成像的方法,包括使用多普勒超聲波(Doppler ultrasound)去偵測下肢靜脈的血栓及使用顯影電腦掃瞄(contrast computer tomatography)去偵測肺部的血栓。

深層靜脈栓塞及肺栓塞的患者必須服用抗凝血藥物去阻止血塊進一步增長,而嚴重肺栓塞的患者更需要注射血栓溶解劑(thrombolytics)去快速消減血栓,但血栓溶解劑會大大增加病人出血的風險,其中以腦出血的風險最令人擔憂,所以醫生只會在非常嚴重的肺栓塞時才會使用,並且會密切監察病人使用後的情況。

莎連娜因腳傷而減少活動,近期做過手術,加上剛乖搭飛機從紐約到洛杉磯,以上幾個都是靜脈血栓的風險因素,這就足以解釋她的病因。

莎連娜經過適當的治療後,身體續漸康復,網球事業亦都更上一層樓。2017年,她更揭開人生的新一頁——她懷孕了。而更令人驚嘆的是,她竟然在懷孕時贏得澳洲公開賽冠軍!這個成績令人拍案叫絕。懷孕當然是喜事,但同時也是件危險的事,因為莎連娜之前曾經有過靜脈血栓的病歷,所以在懷孕時候特別高危。一來,懷孕時雌激素上升,令血液易凝。二來,懷孕時胎兒會壓著盤腔中的靜脈,影響血流。

因為莎連娜的血栓病歷,醫生都嚴陣以待,她需要在懷孕期間使用抗凝血藥物預防血栓復發。醫生之後了為她進行剖腹生產,由於生產時流血的風險太高,她必須暫時停用抗凝血藥物。然而,剖腹生產之後,莎連娜感到胸口疼痛、呼吸困難。醫生為她安排了電腦掃描,非常不幸的,證實她再度得了肺栓塞。

治療的方法是使用治療劑量的抗凝血藥。不過她的病情很複雜,肺栓塞導致嚴重的咳嗽,最後竟令她剖腹生產的傷口破裂,醫生為她安排手術修補,發現傷口處出現血腫,顯然是因為抗凝血藥令她的出血風險大增。這時,情況陷入了一個醫學上的兩難局面,莎連娜的血栓與出血的風險都很高,繼續使用抗凝血藥會令她的傷口流血不止,停用抗凝血藥又阻止不了深層靜脈栓塞的蔓延及走到肺部。怎麼辦呢?

幸好,醫生還有最後一個殺著——下腔靜脈濾器(inferior vena cava filter)。下腔靜脈濾器是一個特殊的金屬裝置,形狀就像一把撐開的雨傘,負責過濾血液,把脫離下肢靜脈的血栓擋住。醫生利用手術的方法把下腔靜脈濾器放入下腔靜脈(inferior vena cava)中,由於下肢及盆腔的靜脈血液都必須經過下腔靜脈回流到心臟,下腔靜脈濾器就像是一個「中央過濾器」,可以有效地隔住栓子,防止它們走到肺部。下腔靜脈濾器讓莎連娜可以暫停抗凝血藥之餘又避免了栓子繼續走到肺部的風險,是一個巧妙絕淪的方法。

莎連娜最後大難不死,母子平安。然而,並不是每個病人都如此幸運,可以走出鬼門關。根據美國疾病控制與預防中心(Centers for Disease Control and Prevention 的數據顯示,每年在一千人中會有一至兩人患上深層靜脈血栓,而超過一成患者會在確診深層靜脈血栓的一個月內身亡。肺栓塞是繼心臟病及中風之後第三常見的心血管疾病。有研究數據顯示,美國一年有高達30萬人死於肺栓塞,每年死於肺栓塞的病人比死於愛滋病、交通意外與乳癌的病人的總和還要多。亞洲人雖然較少機會患上靜脈血栓,不過本土研究數據顯示,每年在十萬人中會有16.6 人患上靜脈血栓,這也是非常值得我們留意的。

參考資料:

1. Rathbun, S. (2009). The Surgeon General’s Call to Action to Prevent Deep Vein Thrombosis and Pulmonary Embolism. Circulation119(15).

2. Tapson, V. F. (2008). Acute Pulmonary Embolism. New England Journal of Medicine358(10)

3. Wikipedia