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放射性免疫分析技术的发明
发布日期:2018-09-03 17:46:09
    用同位素标记生命物质并追踪其在体内变化途径,是从1932年美国化学家尤里(H.C.Urey)发现氚之后开始的,用来标记的同位素称为示踪元素。后来尤里5又浓缩了天然存在的稳定同位素15N、18O和13C等。1935年,匈牙利放射化学家海韦西(G.D.Hevesy)从32S纸草出放射性32P之后,立即将它用于生物化学研究。在回旋加速器发明以后,特别是原子核反应堆建成后,具备了产生各种放射性同位素的条件。第二次世界大战之后,放射性同位素较广泛地使用于追踪体内代谢途径的研究,特别是14C的应用,解决了多年来有争论的问题,如胆碱的生物合成等,也阐明了许多生物分子未知的代谢途径。

    由于放射性元素示踪的应用,为研究时刻变化的生命物质及其运行规律创造了条件,使生物化学的研究技术可能从离体实验(利用器官灌注、组织薄片或组织提取液等方法)进入整体实验,从比较静止的状态进入经常变动的状态,因而所得到的结果更符合生物体内的实际。

    20世纪50年代以来,放射性元素示踪法对阐明各种糖类、脂肪酸、氨基酸以及嘌呤、嘧啶等重要的生命物质在生物体内分解和合成的途径,起到了重要的作用。1960年,美国女科学家耶洛(R.S.Yalow)将放射性同位素示踪技术与免疫学的研究结合起来,发明了放射免疫分析法,它可以方便、及时、准确地测量人体血液和组织中多种含量极低的活性物质的浓度,为许多疑难杂症的诊断与治疗提供了重要依据,开辟了医学和生物学研究的新天地。正“因为发现和发展放射免疫分析法”,耶洛与美国生物学家吉耶曼(R.Guillemin)和沙利(A.V.Schally)共获了1977年诺贝尔生理学医学奖。

    耶洛1921年7月19日生于美国纽约。1941年在纽约亨特学院获得学士学位后,进入伊利诺伊大学攻读物理学。1954年获得博士学位后,回到纽约。1947年耶洛兼职退役军人管理局布朗克斯医院的核科学顾问,她在一间看门人的房子里建立了第一个放射性同位素实验室。不久,纽约大学医学院医学博士帕森(A.S.Breson)参加了该实验室的工作。耶洛和帕森都是严谨而有才华的研究者,两人各有所长:帕森有丰富的临床医学知识,耶洛则在数理化方面有广阔深厚的基础。他们相互砥砺、取长补短,携手研究如何将放射性物质应用于疾病的诊断与治疗中。起初,他们用放射性碘标记蛋白质,监视它在体内的代谢过程。他们着重研究了甲状腺摄取和结合碘化物的动态过程,以及甲状腺激素的释放和它在体内的代谢,这为甲状腺病的诊治开辟了新的途径。随后,他们用同位素稀释技术,测量人体内分隔空间的大小,如用放射性磷和钾标记血细胞和血浆蛋白,以测量血液的容量。为了解决配置和贮存标记蛋白碰到的问题,为了防止这些物质自发的放射性破坏,他们还研究了放射化学。放射免疫分析法是他们两人共同发明的。

    放射免疫分析法是一种定量方法,几乎可以测定生物体内任何物质,不但是生物体本身分泌的各种激素和其他物质,还是口服或注射的各种药物,以及一些病毒的抗原、肿瘤抗原等。这种方法非常灵敏,专一性很高,也很方便。他已广泛应用于基础理论研究和临床实践。放射性免疫分析法的原理可以用下面的反应式来表示:



    这是两个免疫反应(抗原抗体结合反应)相互竞争:一是放射性标记抗原和专性抗体结合;一是未标记抗原和同样的专性抗体结合。由于后一种反应的竞争作用,剪辑抗原的量是已知的,要测定是未标记抗原的量,它是从标记抗原的结合受到多少抑制而测出来的。

    耶洛和帕森最初发现这个方法是带有偶然性的。他们原来研究的是另外一个问题:测量血液中胰岛素的含量。这个问题具有很重要的实际意义,因为当时美国约有1000万糖尿病患者。在糖尿病患者中,有些可以用注射胰岛素的方法来治疗,而另一些患者则注射胰岛素无效。米尔斯基(I.A.Mirsky)医生在1952年提出假说,认为后一类患者之所以患有糖尿病,并不是由于缺少胰岛素分泌,只是正常分泌的胰岛素在体内分解太快,因此血液中胰岛素含量仍然经常不足。给他们注射胰岛素后,同样也被很快分解,因此无效。耶洛和帕森当时就想用实验来验证米尔斯基的这个假设,而那时正是放射性元素示踪法开始在化学和生物学上应用,并已取得重大成果的时代。耶洛有着较好的理化基础,他们就想到宝放射性碘标记的胰岛素注射到糖尿病和非糖尿病患者体内,然后测量血液中标记胰岛素的消失速率。方法是每隔一定时间抽血取血浆,用三氯乙酸沉淀,然后测量沉淀中的放射性活性。使他们感到意外的是,在糖尿病患者中,并不存在胰岛素分解快和胰岛素分解慢的情况。也就是说米尔斯基的假说未得到证实。可是,不管是糖尿病患者,还是非糖尿病患者,凡是过去曾经注射过胰岛素的再注射标记胰岛素,则它在血液中消失速率就比过去未曾注射过胰岛素的人消失得慢一些。这是什么缘故呢?耶洛和帕森提出了一个大胆的设想:注射外来的胰岛素后,由于人体的免疫机制,在血液中产生了胰岛素的专性抗体,也就是说胰岛素是抗原。随后再注射标记胰岛素后,标记胰岛素就会和血液中已有的专性抗体相结合。他们认为这是速率降低的原因。当免疫学的权威们已经断言:只有分子量很大的蛋白质才能作为抗原,像胰岛素这样比较小的多肽分子不能作为抗原诱发抗体产生。但事实果真如此吗?

    既然提出假设,就必须用实验来检验,何况又是这样新颖的假设。需要的实验就是要测出血液中抗胰岛素的抗体。当时免疫学上测抗体的方法通常是经典免疫沉淀法,即抗体和抗原结合形成复合物后,从血清中沉淀出来。可是耶洛和帕森知道,如果真有抗胰岛素抗体的话,其浓度也一定非常低,是沉淀不出来的。为了测出这种浓度低,沉淀不出来的可溶性抗原抗体复合物,他们向免疫学引入了一种全新的技术:电泳。在抗血清(即曾经注射过胰岛素的人的血清)中加入放射性碘标记的胰岛素,然后在淀粉凝胶上或枝条上做电泳。结果放射活性总是和丙种球蛋白的电泳带走在一起,也就是说标记胰岛素和丙种球蛋白是相结合的。如果用没有专性抗体的血浆(即过去未注射过胰岛素的人的血浆),假如标记胰岛素后做电泳,则标记胰岛素远远走在丙种球蛋白的前面,也就是说没有和丙种球蛋白结合。丙种球蛋白似乎是血液中所谓的抗胰岛素的抗体。

    耶洛和帕森的工作在当时令人耳目一新,其新颖程度从他们的论文两次投稿均被拒绝的经过可见一斑。当他们关于胰岛素抗体的第一篇论文被《科学》杂质退回后,又寄给《临床研究杂质》,主编在回信中写道:“这方面的专家们已经再三强调,您二位的观点是不能接受的。”后来他们向《临床研究杂质》的主编做了两点妥协:一是把原来论文题目中“胰岛素抗体”字样删去,二是在文中再加上几句引证了当时免疫学方面一本标准教科书中关于抗体的定义,以说明他们将胰岛素结合的球蛋白称为“抗体”,这是和标准教科书上帝定义符合的。这样,论文才得以在1956年的《临床研究杂质》上发表。1960年,耶洛和帕森又经过多次实验后,终于第一次精确地测定出人体血浆中的胰岛素浓度,证实了成年人糖尿病人血浆中胰岛素并不缺少,只因与胰岛素抗体结合而丧失了降血糖的效能。由于放射免疫分析法的灵敏度极高,可以测出极低浓度的物质,因而能精确测出以往无法检测的血液中的胰岛素,这就为做出这一发现奠定了基础。这已发现一经传出。立即轰动了科学界。耶洛日夜工作,不断研究和改进,力求用这种新方法测量出血液中更多种内分泌激素的含量。

    耶洛发明放射性免疫分析法后,利用这种新方法所得到的新知识和新进展接踵而来。罗贝尔委员会认为,放射免疫分析法“开拓了生物学和医药学研究的新天地”。耶洛用这种方法对促胃液素开展过一项研究工作。促胃液素的功能是调节胃液酸度。当胃液酸度下降时,促胃液素的分泌就增加,使胃液酸度增加。反之,促胃液素的分泌受到抑制。这种反馈调节使得胃液保持一定的酸度。有许多因素可以影响这个调节系统,例如进食。食物通过两方面的作用使促胃液素增加:一方面是食物对胃酸起缓冲作用,使胃液酸度下降,从而使促胃液素增加;另一方面是食物直接对胃窦分泌细胞的化学刺激使促胃液素增加。

    有几类不同的病人,其血浆中促胃液素的浓度远比正常值高。一类是恶性贫血病人,他们由于胃酸过低而促使促胃液素分泌增高。一类 是胃窦肿瘤病人,他们分泌促胃液素的细胞额外增生导致胃酸过高。耶洛又诊断出另一类病人,也是胃酸过高,却不是患有胃窦肿瘤,而是胃窦分泌细胞分泌活力特别强,不是胃酸抑制。这后两种病人的准确判断十分重要,因为两者的治疗方法完全不同。耶洛找到一种鉴别方法:胃窦肿瘤患者吃东西后促胃液素不增加,但是在钙盐静脉注射偶分泌素静脉注射后促胃液素就迅速增加;而非肿瘤性的胃酸过多、促胃液素过多的患者正好相反。因此两者完全可以区别。像这类工作,只有使用了放射免疫分析法才能进行。

    60年代初期,耶洛用放射性免疫分析非测定儿童血液中促生长素的含量,并据此预测儿童患侏儒症或巨人症的可能性。用放射性免疫分析法还可以诊断肾上腺皮质、甲状旁腺疾病和肾结石等病因。60年年代后期,放射性免疫分析法已成为美国内分泌实验中的重要工具。耶洛及其同事还力求将这种方法从内分泌学拓展到病毒学领域,发明了测定肝炎病毒的放射免疫分析法。这种方法的灵敏度比过去提高了100多倍,因此在诊断肝炎病毒携带者和防止血库受肝炎病毒污染等方面,都取得了引人注目的成就。此外,放射免疫分析法还被用于确定不孕原因及测定血液中维生素和酶的含量。在犯罪侦破中,放射性免疫分析法也用于测定一个人近日是否吸毒,甚至可以在受害人尸体中检测某些毒药的痕迹,从而获得法医学证据

    由于具有广泛意义的放射性免疫分析法的发明,耶洛理所当然的荣获了1977年诺贝尔生理学医学奖。令人惋惜的是,她的合作伙伴帕森没能活到与耶洛共享诺贝尔奖的那一天,他不幸于1972年4月11日因心脏病突发而去世。如果他活着的话,也是会获得诺贝尔奖的。对帕森的死,耶洛万分悲痛在诺贝尔领奖台上,他在简短的发言中一再提到帕森的名字,强调这个成果是他们两人共同努力的结晶。从此,只要以提到放射性免疫分析法,耶洛总是把自己的名字和帕森并列在一起。

    耶洛在诺贝尔奖受奖演讲中,一开头是这样讲的:“在原始人看来,天空是奇异的、神秘的、可畏的;但他们甚至不能想象,在离他们那么原的金色光盘或银色光点里面是些什么。望远镜、分光镜、射电望远镜——现代科学的全部工具和装备是精细的探针,使人类能对这些天体的内含物和细微节诶狗做出发现、分析,因而对此有了更好的理解”。“人体本身是一个神秘的对象,而用来探索他们生理本性和功能的工具只是在100年来逐渐发展的。贝克勒尔(A.H.Becquerel)、居里夫人(P.Curie & M.Curie)以及约里奥.居里夫妇(F.Joliot-Curie & I.Joliot-Curie)发现了天然放射性和人工放射性,海韦西最使用放射性和同位素来研究化学过程,他们是我事业的科学前驱我在过去30年中就致力于放射性同位素技术的制定和应用,以分析生物体系的微细结构。”

    放射性免疫分析法发明以后、耶洛放弃了申请专利。她说:“科学家并不认为什么东西读也有取得专利。我们只是完成了一项科学发现。一旦它公诸于众,它就面向全世界公开了。”正是因为耶洛放弃了专利,才使得放射免疫分析法很快得到广泛的应用和发展。

    耶洛是第二位获得诺贝而奖女性作为你科学家,他回忆自己在少年时代就树立起了要做一名科学家的理想。在大学读书时,他偶然看到居里夫人传记,更加坚定了她的决心在当时以男性为主的科学界,她毫不示弱,取得了常人难以企及的成就,实现了自己的梦想。

    耶洛在诺贝尔奖演说词中呼吁:“我们依然生活在这样的世界上,大部分人(包括妇女)还认为妇女应属于家庭,一个妇女不应该追求比男人更大的成就,尤其是不应该超越自己的丈夫。我们不能指望不久的将来,所有决心寻求‘机会均等’的妇女都能达到自己的目标,但是,我们妇女必须开始向自己的目标迈进。我们必须相信自己,否则就没有人会相信我们;我们必须使我们的抱负与取得成功的能力、勇气和决心相匹配;必须意识到人人都有为后人开拓道路的责任。若要解决当今许多困扰我们的问题,世界决不能再浪费它一半人口的才干。”她更明确的指出:“世界再也无法承担女性才能的损失了,因为女性占世界人口的一半。”

    耶洛即是一位优秀的科学家,也是一位称职的贤妻良母。在家中,她打扫卫生、修剪花木、购买食品、准备晚餐、培育孩子。在获得诺贝尔奖后,他曾对来访的记者说:“我已结婚,又有两个很好的孩子,我还有乐趣无穷的实验室。我有精力,我很健康,只要有事可做,我是永远不疲劳的。”“我必须更努力地工作,这正是我所追求的,这才是真正幸福的钥匙。”

    耶洛以自己卓有成效的经历向世人证明:妇女对科学的发展,对人类的发展也同样具有不可低估的作用。
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