来源:创新战略译丛(之二)
《发现之后：科学研究如何迈向造福人类之路》
校对：施云燕
编者按：
年到年，美国国家科学院识别和追踪了一些重要技术进步和医学进步的起源，并开展了一系列案例研究。这些案例研究揭示了基础科学所扮演的关键角色，展示了基础研究如何从实验宜或偶然的发现中逐渐发展为可应用于实践的技术，甚至进一步商业化和产业化，成为服务于社会、造福于人类的产品。实际上，科学家们最初在开展这些基础研究时，并无法预测到其实际应用，但恰恰正是这种自由探索式的基础研究，最后催生了诸如本报告所述的人造皮肤、昆虫信息素、人工耳蜗、人类基因检测等技术或产品。另外需要指出的是，本报告的19篇论文都是由专业科学作家和直接参与科学发现的科学家密如合作，共同完成的。《创新研究》将分期推出这19篇论文。
第十四章从爆炸性气体到治疗性气体—一氧化氮在生物学和医学领域的应用
阿尔弗雷德·诺贝尔（AlfredNobel）于年12月辞世，此前两个月，他曾写信给一个同事说：“医生让我口服硝化甘油，这是不是很讽刺！为了不至于吓到化学家们和普通民众，他们将硝化甘油称作特丽珑。”诺贝尔频繁遭受剧烈胸痛（即心绞痛）的折磨，而当时医生知道炸药的有效成分硝化甘油可以有效地缓解心绞痛。然而讽刺的是，这位瑞典发明家和实业家曾经因研制和生产炸药发了大财。通过自己的实验研究，诺贝尔意识到接触硝化甘油会引起剧烈头痛。他最终拒绝服用硝化甘油治疗心绞痛。
虽然19世纪的科学家知道硝化甘油是烈性炸药的原因，但他们却不明白为什么又对治疗心绞痛有效。科学家发现了硝化甘油能够以某种方式松弛血管周围的平滑肌，舒张血管，从而有利于血液流向缺血心肌。直至20世纪70年代，研究人员才发现硝化甘油能在身体内反应生成一种称作一氧化氮（NO）的信使分子，它才是治疗心绞痛的有效成分。
在体外，一氧化氮是闪电产生或汽车尾气排出的一种不稳定的有毒气体。但是在体内，一氧化氮作为信使分子能起到有效的调节作用。各种类型的细胞和组织都能收发信号，如告知肌细胞何时收缩、脂肪细胞何时释放物质等。一些信号系统可对血管网起到调节作用，从而可以给最需血量的组织和器官优先输送携氧血，同时维持人体正常血压。各种信使选择性地扩张或收缩血管，视身体情况分流血流，例如，餐后转移至胃肠道，或遇紧急情况时转移至运动肌。
一氧化氮位于最重要舒张系统的中心，由此可以解释硝化甘油为什么能有效治疗心绞痛。然而一氧化氮的作用并不仅仅限于治疗心绞痛，早产儿肺血管吸氧能力不足时，可以通过吸入一氧化氮促进吸氧。局部使用一氧化氮类药物能够抑制细胞生长，防止正在修复的动脉被阻塞。一氧化氮类药物能在感染位置释放出一氧化氮，从而帮助免疫细胞杀死侵入的病原体和肿瘤细胞。
一氧化氮在医疗领域的作用是偶然被发现的，在研究阶段也充满了变数，这种情况在科学研究中屡见不鲜。阿尔弗雷德·诺贝尔逝世年后，三位致力于研究身体信号系统机制的研究人员终于弄清了爆炸化学品能够缓解心血管病痛的原因，并为此荣获诺贝尔出资创立的诺贝尔奖。
一、心脏和血压
如今我们了解了许多血液循环方式以及循环动力方面的知识，对循环系统疾病的治疗比19世纪更为有效。曾有一段时间，人们不接受循环这一概念。公元2世纪，希腊解剖学家盖伦（Galen）曾正确地宣称动脉运载的是血液而不是空气。不过他在其他领域却提出过一些错误的概念，比如他认为肝脏是血液系统的中心。威廉·哈维（WilliamHarvey）在年出版的著作《心血运行论》（DeMotuCordis）中对盖伦提出的许多错误理论给予了纠正。哈维宣称：“正如国王是国家的最高权威，心脏是全身的主宰！”
然而，《心血运行论》的更大贡献在于，它提出了血液循环论。哈维通过将血管解剖再结扎的方式来确定血液往返于心脏的流动方向。他得出结论：大量血液从心脏流出，然后流入组织。这些血液不能在心脏再生，也不能以食物的形式在组织耗尽。更确切的说，血液必须以连续循环的方式流向组织再返回心脏。
年后，英国特丁顿镇的教区牧师斯蒂芬·黑尔斯（StephenHales）认识到，哈维宣称的血液的稳定循环实际上是随着时间而变化的。黑尔斯用马、绵羊、母鹿和各种狗作了一系列实验后，最终对血压进行了定义。黑尔斯在年公开了他的主要实验过程：拴住一匹母马，在动脉中插入一根细黄铜管，在黄铜管上装一根9英尺长的垂直玻璃管。马体内循环产生的压力迫使血液沿玻璃管上升至8.3英尺。随着马心脏的跳动（推测其为快速跳动），血液的升降幅度在2-4英寸。黑尔斯认为最高压力反映了心脏的收缩能力，而低压反映了全身血管对血流的抵抗能力。
黑尔斯还发现，从动物体内放出血液会造成血压下降。然而，这并不是影响血压的唯一方式。早在年，法国生理学者弗伊斯·派蒂（PourfoisduPetit）曾在报告中指出，切断颈部的一根神经会导致眼部血管扩张，此后一系列实验证实了血管的收缩能力。19世纪早期，解剖学家发现血管周围的平滑肌收到神经发出的信号后会相应地收缩或舒张，并导致血管收缩或扩张。
19世纪，黑尔斯实验用的黄铜和玻璃装置不断得到改进，血压测量得以实现。年，德国图宾根大学生理学家卡尔·菲罗特(KarlvonVierordt)发现，只要测量出阻止血流所需的外压大小，就可以得出血压大小。菲罗特提出了一种由砝码和杠杆构成的复杂系统，并进而提出了血压表套袖的测压法。经过几次改进，现代的血压表套袖于年首次出现，使得内科医生可将血压降低的现象与血管扩张联系在一起。身体之所以能精确地控制血压，至少部分是通过神经来实现的，这一点毋庸置疑，但具体的控制过程尚不明确。
二、爆炸性药物
尽管人们对血液循环系统作用机理的了解取得了一些进展，但心绞痛的治疗方法仍然不得而知。18世纪晚期，几位英国内科医生在对心绞痛患者验尸时发现了心血管堵塞的现象，由此推断心绞痛与心血管堵塞有关。尽管早就有了这些真知灼见，但在之后的大约一个世纪里，许多著名的内科医生仍将胸痛归因为消化不良，他们使用苏打或白垩粉降低胃酸来治疗心绞痛。虽然人们接受了心脏是健康问题的核心这一观点，但是事情并没有得解决：医院的托马斯·兰黛·布鲁顿（T.LauderBrunton）于年7月27日在医学杂志《柳叶刀》上发表了一篇文章，指出白兰地、乙醚、氨和三氯甲烷等有可能成为心绞痛的治疗用药。布鲁顿观察到接受三氯甲烷治疗的患者会暂时止痛，但当患者从三氯甲烷引起的“局部麻醉状态”中清醒后，又会恢复疼痛。
布鲁顿在文章中的真正发现是一种叫亚硝酸戊酯的物质，这种物质具有镇痛和降压的作用。大量线索激起他对亚硝酸戊酯进行测试的兴趣。8年前，一位化学家在做常规化学实验时曾吸入过亚硝酸戊酯，他在报告中说亚硝酸戊酯使其兴奋，引起动脉和心脏剧烈跳动。布鲁顿也知道硝酸戊酯能使青蛙脚部血管扩张，从其他人那了解到这种物质还能降低人体血压。尽管布鲁顿的思路是对的，但他误以为亚硝酸戊酯通过舒张全身血管发挥功用。实际上，亚硝酸戊酯起作用的重要位置是在堵塞处的心血管。
亚硝酸戊酯虽然能快速缓和心绞痛症状，但效果只是暂时的。为了找到疗效更持久的治疗方法，科学家们开始考虑类亚硝酸戊酯的化学品，包括硝化甘油等。硝化甘油是意大利化学家阿斯卡尼奥·索布雷洛（AscanioSobrero）于年研制的，因其是一种挥发性的液体，索布雷洛认为在实际使用中太危险，他的脸就在一次硝化甘油爆炸中严重受伤。19世纪60年代，阿尔弗雷德·诺贝尔发现了一种能在建筑工程中安全使用硝化甘油的方法。在硝化甘油中掺入硅土，硝化甘油由液体状变成了糊状物，再将硝化甘油做成爆破杆形状。年，诺贝尔对这种材料申请了专利，命名为炸药。12年后的年，医院的威廉·默雷尔（WilliamMurrell）认可了将无爆炸性的稀释硝化甘油作为治疗心绞痛的长效药使用。
三、听从细胞信号指挥
要想发现硝化甘油在身体内的作用机制，就需要了解细胞间和细胞内的化学信号系统。在20世纪30年代末期，科学家们就已认识到，肾上腺激素（或肾上腺素）等小分子和神经化学递质或神经递质乙酰胆碱能够传递神经冲动信号。通过在细胞表面与受体蛋白质结合，这些分子在细胞外部起作用。实际上，一部分诺贝尔奖已经颁发给那些发现第一信使功能的科学家。然而，一段时间以来，人们不知道表面受体被信使激活后如何将信号传递给细胞内部的活性物质，因此需要发现所谓的第二信使。
年，俄亥俄州克利夫兰市西储大学（WesternReserveUniversity,现凯斯西储大学）的厄尔·萨瑟兰（EarlSutherland）和西奥多·拉尔（TheodoreRall）开始研究肾上腺素。当身体发出危险信号后，激素会随血液流动，诱发“战或逃”反应。研究者想知道，肾上腺素是如何指导肝细胞转化糖原（一种能量的存储形式）生成更易消耗的葡萄糖的。为研究细胞响应肾上腺素的作用机制，萨瑟兰和拉尔将肝细胞置于试管中，刺开细胞，然后添加肾上腺素。然而，他们发现这样做阻止了响应的发生。细胞被弄破以后，其外膜与细胞内含物有效地分离开，导致肾上腺素无法响应并生成葡萄糖。当研究者将肾上腺素添加到已与细胞内含物分离的细胞外膜后，肾上腺素附着在受体上，引发第二化学信使的生成。萨瑟兰和拉尔分析确认第二信使是环腺苷酸（cAMP）。在细胞的内含物中添加环腺苷酸完善了分子信号通路，激活葡萄糖生成反应。由于萨瑟兰的上述及其后续的相关工作，他被授予年诺贝尔生理学或医学奖。
萨瑟兰将肾上腺素响应作为研究起点，发现环腺苷酸分子引导了响应过程。几年以后，萨瑟兰又着手解决响应过程的另一个难题。萨瑟兰知道环鸟苷酸（cGMP）的结构（年在尿液中鉴定的与环腺苷酸有相似的化学结构），但他无法研究出环鸟苷酸在身体内发挥信使作用的过程。萨瑟兰及其他研究者发现大量不同的激素指示不同类型的细胞制造环腺苷酸，此外环腺苷酸的制造效果取决于靶细胞。例如，肝细胞响应环腺苷酸生成葡萄糖，而唾液腺响应环腺苷酸让液体从细胞中流出。无论以何种方式响应，第二信使始终是环腺苷酸而不是环鸟苷酸。
20世纪70年代早期，斐里德·穆拉德（FeridMurad）开始梳理一些线索进而探索环鸟苷酸的功能。穆拉德在20世纪60年代与萨瑟兰合作研究环腺苷酸，后来在夏洛茨维尔的弗吉尼亚大学（UniversityofVirginia）建立了自己的实验室研究环鸟苷酸。通过萨瑟兰的研究工作，穆拉德认识到制造环腺苷酸需要使用细胞膜内的蛋白质。因此他开始着手分离环鸟苷酸制造过程需要的类似蛋白质——鸟苷酸环化酶（GC）。穆拉德在研究肝和脑细胞中环鸟苷酸的制造过程时发现，细胞膜表面的鸟苷酸环化酶与细胞内部的游离鸟苷酸环化酶不同。为了分别检验两种不同类型的鸟苷酸环化酶，他添加了一些化学试剂来抑制其他可能影响环鸟苷酸制造的蛋白质。意外的是，他在试管中添加的一些化学试剂实际上激活了鸟苷酸环化酶，产生了更多的环鸟苷酸。他将这些化学试剂添加到气管和肠道等各种组织中后，这些化学试剂不仅激活了鸟苷酸环化酶（同试管中的现象一样），而且还舒张了这些组织的平滑肌。穆拉德还发现已知的扩张药物，包括硝化甘油，能够激活试管中的鸟苷酸环化酶。
穆拉德发现激活鸟苷酸环化酶的化学试剂有一个共同点，就是都可以反应生成一氧化氮。穆拉德于年证明一氧化氮能激活鸟苷酸环化酶、舒张平滑肌。两年后，新奥尔良杜兰大学（TulaneUniversity）的路易斯·伊格纳罗（LouisIgnarro）发现，在离体动脉周围注入一氧化氮能够触发舒张反应。一氧化氮会不会是身体内的信使？身体制造的肾上腺素触发了环腺苷酸的生成，继而触发葡萄糖生成。因此，也许是身体制造了一氧化氮，然后触发环鸟苷酸生成，同时舒张血管。
这一推测有些牵强附会。一氧化氮是汽车尾气排出的、闪电产生的一种大气污染物，对肺有刺激性，可能引起化学灼伤。显然身体会对一氧化氮作出反应，但可以肯定的是，身体通常不会使用这种物质。尽管看似怪异，但将来会证明这种推测是正确的，只是还需多年时间才能为人们所接受。
四、内皮细胞舒血管因子（EDRF）的发现
同时，从另一方向获得的线索越来越多。20世纪50年代，布鲁克林纽约州立大学（SUNY）的罗伯特·佛契哥特（RobertFurchgott）开始着手在分子水平上了解血管扩张的作用机理。佛契哥特从神经递质乙酰胆碱着手，乙酰胆碱在注入动物体内后能够使血管扩张。佛契哥特推测乙酰胆碱向血管周围的肌细胞发出舒张的指令，从而增加血管的直径。为了弄清乙酰胆碱发出舒张指令的过程，佛契哥特尝试在实验室内模拟乙酰胆碱的响应，方法是使用离体血管及血管周围的肌肉。血管延长表示肌肉舒张，可推断血管扩张。但在实验中使用乙酰胆碱后，每次都观察到血管缩短（肌肉收缩而不是舒张）。佛契哥特将这个谜团暂时搁置一边。
很多年后，佛契哥特设计了一个实验，以确定几种血管舒缓剂的相对功效。他先用碳酰胆碱来制备收缩的血管，这种碳酰胆碱是与乙酰胆碱（在佛契哥特的早期实验中显示具有收缩作用）相似的化学物质。这样佛契哥特能够观察到他所研究的三种试剂的扩张效果。
佛契哥特为实验技术员大卫·戴维森（DavidDavidson）制定了详细的实验方案，初始实验是测试组织能否正确反应。他们首先使用神经递质去甲肾上腺素进行收缩实验，再用新鲜的淡盐水洗掉去甲肾上腺素，然后用碳酰胆碱进行收缩实验，再次冲洗去除碳酰胆碱后才开始正式实验。实验计划在年5月5日进行。在实际实验过程中，戴维森忘记了第一步的冲洗步骤，血管样品仍在去甲肾上腺素作用下收缩，在加入碳酰胆碱后，血管没有继续收缩而是扩张。
佛契哥特以前曾多次向用各种化学试剂处理过的血管中添加乙酰胆碱或碳酰胆碱，结果只观察到收缩反应。在这次实验中唯一的差别是，他把条状血管换成了环状血管。再进行实验时，佛契哥特所使用的环状血管都已经在初步实验中经乙酰胆碱处理后发生了舒张反应，他将这些环状血管切成条状后用乙酰胆碱重新测试。令人沮丧的是，一些条状血管继续舒张而另一些条状血管开始收缩。他注意到，收缩的血管在早前切割的时候发生了卷曲，因此当时曾做了一些处理。也许是这些预先的处理破坏了血管。
毫无疑问，摩擦任何条状血管的内表面令血管丧失了对乙酰胆碱的收缩反应能力。佛契哥特认识到他在制备条状血管样品的时候采用的一贯方法，即总是用手指拉扯切割面直至拉直，这种方法擦拭掉了某种重要的东西。
佛契哥特在年通过实验证明擦拭掉的是内皮细胞，这些内皮细胞构成了血管的内里。当他用一根带内皮细胞的血管和一根不带内皮细胞的血管做成一个夹层时，两根血管都会对乙酰胆碱产生舒张反应。乙酰胆碱似乎能向内皮细胞发出指令，令其生成一种第二信使，佛契哥特将其命名为内皮细胞舒血管因子（EDRF）。内皮细胞舒血管因子指示两根血管周围的肌细胞舒张。
尽管佛契哥特知道存在内皮细胞舒血管因子，却无法将其分离出来进行鉴定。当时只能简单地定义为乙酰胆碱处理内皮细胞时产生的物质。同时对于科学家而言，一氧化氮仍被认为是一个与医学领域不相干的化合物，充满未知因素。身体为什么会对一氮化氮作出响应呢？
五、内皮细胞舒血管因子和一氧化氮是同一种物质
内皮细胞舒血管因子的发现在研究界引起了很大的轰动。全世界有许多科研小组在对其进行研究，以期了解其本质。但是经过整整6年的时间人们才认识到，内皮细胞舒血管因子和一氧化氮实际是同一种物质。—年，关于这两种物质相似性的报道越来越多。事后人们认识到，这一结论的得出是自然而然的，但在当时，人们却感到很茫然。由于一氧化氮分子外层电子壳中有未配对的电子，因此它是一种活性极强的自由基。科学家们为了把研究重点放在内皮细胞舒血管因子上，就将其他一些分子的作用途径切断。而一氧化氮具有很高的活性，因此一氧化氮的含量在无意中被打乱，因此，研究者们得出错误的结论，认为是这些被切断作用途径的分子产生的内皮细胞舒血管因子。然而，一氧化氮本身似乎不太适合作细胞信使。比如，当它与氧反应后，可形成具有腐蚀性的气体——二氧化氮（NO2），后者很快转变成硝酸（注意，一氧化氮和二氧化氮不同于一氧化二氮（N2O）——这种被称作“笑气”的化学物质常被牙科医生们用作麻醉剂）。以前人们不曾知道自由基可以作为生物信号分子，更不用说这种自由基是一种有毒的气体了。
随后，又有许多巧合不断出现。人们一开始发现内皮细胞舒血管因子和一氧化氮均可通过激活鸟苷酸环化酶使血管扩张。种种现象启发斐里德·穆拉德于年提出内皮细胞舒血管因子可能是一种“内源性硝酸根”。伊格纳罗在杜兰大学和洛杉矶加利福尼亚大学、佛契哥特在纽约州立大学，萨尔瓦多·蒙卡达（SalvadorMoncada）在英国贝肯汉姆的威康研究实验室（Well北京最好白癜风医院哪家好北京治疗白癜风医院那里好
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