顛覆舊理論,打開新領域,做幾次實驗才夠?
2020年07月03日06:56

原標題:顛覆舊理論,打開新領域,做幾次實驗才夠?

一位年輕的博士生發現,動物可以對自己的組織產生免疫反應,導師不信他,實驗重複了好幾遍,得到相同的結果,可是期刊編輯還是不信。6年後,他建立了一個全新的科學領域。如今,這位自體免疫之父已經92歲了。

文/ 小葉

諾埃爾·羅斯(Noel Rose)

故事要從初出茅廬的年輕博士生諾埃爾·羅斯(Noel Rose)進入知名學術大佬實驗室,用幾隻兔子顛覆了一門學科根基理論開始講起。

四次兔子實驗和一次理論顛覆

那是在1951年,羅斯剛剛獲得自己的微生物學博士學位,抵達紐約州立大學布法羅分校開始研讀醫學學位。這所學校不乏星光熠熠的學術名師,歐內斯特·維特布斯基(Ernest Witebsky)便是其中之一,維特布斯基二戰期間為逃離德國納粹的迫害,於1936年舉家搬至美國。早在德國時,他就是海德堡大學的知名科學家,致力於表徵能區分每同血型的細胞特性,這些細胞被輸入不同血型的個體時會成為抗原。而在美國,維特布斯基的興趣轉向了甲狀腺球蛋白——這是一種僅僅存在於甲狀腺細胞中的大型蛋白質。

羅斯慕名加入了維特布斯基的實驗室,這位導師交給他的第一項任務就是鑒定出甲狀腺球蛋白對於內分泌器官的獨特特性。於是,羅斯從馬、豬和人等各種動物體內提取出這種物質,並進行提純,隨後再將提純的蛋白質與弗氏佐劑 (Freunds Adjuvant) 混合在一起。弗氏佐劑是20世紀40年代朱利斯·弗瑞德(Jules Freund)發明的一種免疫佐劑,是一種溶液,里麵包含已死亡的細菌,能夠激發免疫響應。混合後羅斯將液體注射入兔子體內,經觀察,他發現兔子體內產生了針對甲狀腺球蛋白的抗體,這表明兔子的免疫系統對所有外來物質都做出了響應。這讓羅斯相當詫異:“兔子是怎麼區分出哪些甲狀腺球蛋白是自己的,哪些是外來的?”

他決定重複一下實驗,但是這次用的是兔子的甲狀腺球蛋白。他假設:所有兔子體內的甲狀腺球蛋白應該是一樣的,於是他提取了一隻兔子的蛋白質,混合著弗氏佐劑注射到另一隻兔子體內。仔細檢查之後,他發現接受注射的兔子體內產生了抗體,來對抗供體兔子提供的外來蛋白質。

羅斯把結果告訴了自己的導師,維特布斯基一開始並不相信。羅斯後來回憶說,當時他的導師認為這太不正常了,不會有人相信這種事情的,並且一度懷疑實驗有誤,比如說蛋白質在實驗過程中變性了。年輕的羅斯仔細思考之後,決定再重複一次實驗,這次他萬分小心,確保蛋白質沒有發生任何改變,實驗結果一如既往。

即使有了這次結果,維特布斯基還是讓羅斯再做一遍。這一次他們從兔子的某個身體部位提取出甲狀腺球蛋白後,經處理,再注射回同一隻兔子的另一個部位。分析了組織樣本之後,他們發現,兔子體內仍然產生了針對自身甲狀腺球蛋白的抗體。

他們之所以對一開始的結果如此詫異,並且一而再,再而三地重複實驗,是因為實驗結果相悖於一個流行已久的免疫學理論——恐怖的自體毒性(horror autotoxicus),即,身體不會製造抗體來對付自己。如果實驗沒有錯,結果也沒有錯,那麼唯一的結論就是:理論可能有誤。

從“恐怖的自體毒性”到自身免疫

“恐怖的自體毒性”這一概念來自於大名鼎鼎的19世紀德國科學家保羅·埃爾利希(Paul Erhlich)。這位科學家才華橫溢,他的研究生涯不僅跨越組織學、有機化學、血液學、免疫學和藥物學等多個領域,還因其在免疫學的貢獻獲得了1908年諾貝爾生理學和醫學獎。

在免疫學方面,他除了著名的“側鏈”學說(即細胞擁有一類受體,類似於苯環上的側鏈,能夠特異性中和毒素,從而保護細胞)之外,也提出了“恐怖的自體毒性”這一假設:在接觸抗原之前,身體已經產生很多各種各樣的抗體,而其中某些抗體是可以針對外來抗原產生保護作用的,而那些可能針對自身抗原的抗體會傷害個體自身的細胞(即產生自毒性),因此身體出於自我毀滅的恐懼,會用特定的機製消滅之,阻止免疫系統對付生物體自身。[1]

這條理論曾被科學家們奉為圭臬,卻在提出半個世紀之後被歐內斯特·維特布斯基和諾埃爾·羅斯的實驗結果推翻:為對付外來入侵者而重重戒備的免疫系統也會調轉槍頭,瞄準自己人,換言之,自身免疫確實會發生。

面對這樣的結果,一老一少兩位科學家知道自己搞出了大名堂,但是第一本接到他們論文投稿的期刊可不這麼認為,編輯告訴兩位作者,這樣的發現是不可能的,他們的實驗肯定有錯誤。於是,羅斯、維特布斯基還有其他同事又一次返回實驗室,進行更多的實驗。這次,他們將動物數據和人類疾病——橋本氏病(Hashimoto’s disease)結合起來。橋本氏病是一種罕見病,症狀是甲狀腺發炎,當時還沒有查出具體的病因。研究團隊檢驗了來自橋本氏病患者的血清樣本,並對人體甲狀腺球蛋白進行了檢測。他們發現,患者血液中產生了一種和先前兔子實驗中觀察到的一模一樣的抗體。

終於,時隔6年,1957年7月27日,《美國醫學會雜誌》(JAMA)發表了他們的上述實驗結果[2],“我們的實驗表明,同樣的自身損害也適用於人類,你可以在某一器官誘發某一疾病,方法就是使用來自同一物種的特異抗原賦予器官免疫性。這就是自身免疫(autoimmunity)。”羅斯說道。[3]

論文一經發表就撼動了免疫學大廈曾經堅實的地基,“恐怖的自體毒性”被推翻,而自身免疫和自身免疫性疾病在醫學教科書上開始書寫全新的篇章。這一研究影響了一大批科研人員,他們開始查看各種沒有明顯病因的其他炎症,最終的結果也多次確認,自身免疫性疾病確實存在。如今確認的自身免疫性病包括類風濕性關節炎、系統性紅斑狼瘡和血管炎。

這項研究也讓羅斯的事業一飛衝天,就在論文發表之後不久,他受邀前往歐洲,逗留數月,在各地學院機構舉辦講座,講述自己的發現成果。哈佛醫學院的風濕病學教授喬治·索克斯(George Tsokos)評價說:“從各方面來看,羅斯都是當之無愧的自身免疫之父。”

羅斯始終謹慎地看待外界的種種讚譽,他並不認為自己推翻了埃爾利希的假設理論,其實是這個理論之前其實被誤解了。“埃爾利希說的是如果身體產生了針對自身抗原的抗體,將可能會很危險。在很多方面,他可能是對的。”[3]

微生物:一眼定情,終生不棄

1927年出生的諾埃爾·羅斯在美國康乃狄克州的斯坦福市長大,第一次看到肉眼無法觸及的微生物世界,是在他上七年級的時候,有一次,一位科學老師帶來了自己的顯微鏡,好奇的同學們都在課餘時間圍著顯微鏡打轉,透過顯微鏡看到的微型生物深深印刻在了羅斯的腦海中。他回憶說:“我當時腦子裡滿是一個念頭:原來還有一個我們看不見,卻確確實實存在於我們身邊的世界。”第一次用顯微鏡窺探微生物世界就激發了少年的好奇心,而這一份好奇心貫穿了他的科研生涯。

上世紀40年代中葉,羅斯進入耶魯大學開始本科階段的學習,他本來想選擇微生物專業,但是當時這門學科在美國發展得還不是很成熟,主修課很少。因此他選擇主修動物學,輔修微生物課。微生物學本科課程由來自植物學系的科學家們授課,因為當時大家普遍認為,微生物是植物王國的成員。也正是在這段學習期間,羅斯遇見了人生的第一位導師:約書亞·萊德伯格(Joshua Lederberg),這位後來的諾貝爾獎得主彼時還是耶魯大學的博士生。他讓羅斯和其他學生去他的實驗室,學習他的研究,也是在那樣的環境中,羅斯學會了如何像科學家一樣思考。

本科畢業之後,羅斯開始糾結接下來的求學之路。受父親的影響,他對醫學產生了濃厚的興趣,但年少時見到的神奇微觀世界始終在心頭揮之不去,誘惑著他去一探究竟。兩者似乎不可兼得,耶魯大學醫學院錄取委員會的一位老師建議他先拿到微生物博士學位,然後邊教課邊學醫。

於是,1948年,羅斯在賓夕法尼亞大學開始自己的博士階段學習,他進入了微生物學家哈里·莫頓(Harry Morton)的實驗室,在那裡研究引發梅毒的梅毒螺旋體(Treponema Pallidum),最終發現了這種細菌表面的鞭毛狀結構會像開瓶器一樣進行旋轉運動。

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與此同時,他還研習醫學預科課程,希望能夠順利考入醫學院。經過3年的刻苦研究和學習,他既收穫了微生物學博士學位,也考上了紐約州立大學布法羅分校醫學院,本文開頭的傳奇故事也就此展開。

雖然在自身免疫領域取得了巨大突破,羅斯堅持完成了自己的醫學學業,從1964年起他留校成為一名醫師兼科學家。一次在緬因州傑克遜實驗室舉行的學術會議上,他遇到了幾位使用組織相容性抗原研究小鼠癌症易感性遺傳差異的科學家。經過一番交談,他們用到的抗原啟發了羅斯,他隨後與自己實驗室的博士後阿德里安·弗拉杜丘(Adrian Vladutiu)展開實驗,揭示了小鼠對甲狀腺自身免疫性疾病的易感性由編碼小鼠主要組織相容性復合物H-2的基因決定。

隨著研究的不斷推進,羅斯獲得了韋恩州立大學的教授職位,一待就待了近10年,直到1981年,他加入了約翰·霍普金斯大學。在那裡,他繼續研究自身免疫性疾病,不過改變了自己的研究焦點——他積極尋找觸發自身免疫性疾病的環境機製,而不是遺傳機製。

這次他的團隊研究盯上了心肌炎,臨床證據表明,患者早在病情發展之前就已感染上這一疾病。他們花費數十年不懈地調查,終於揭示了遺傳和B型克沙奇病毒(coxsackie B)兩者對於心肌炎的共同致病作用。

幾十年來,羅斯和他的團隊始終深挖自身免疫這一領域,如今已經93歲高齡的羅斯對使用大數據研究自身免疫性疾病一腔熱情。他看到了其中的巨大潛力,檢查患者數據庫,找到原因,解釋為什麼人們會發展出某些特定的自身免疫性疾病,用哪種最適合的治療方法來幹預這些病症的發展等等。

用羅斯自己的話來說,他的目標就是:“我們想要從一開始就避免火車脫軌的可能性,我認為現在可以開始了,我都有些等不及了。”[3]

參考文獻

[1] https://autoinflammatorydiseases.org/rheumatology-2/horror-autotoxicus-story-self-non-self-lupus/

[2] https://jamanetwork.com/journals/jama/article-abstract/321118

[3] https://www.the-scientist.com/profile/the-father-of-autoimmunity-a-profile-of-noel-rose-67567

[4] https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S008525381554591

原標題:《顛覆舊理論,打開新領域,做幾次實驗才夠?》

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