1998 年諾貝爾生理或醫學獎

1998 年諾貝爾生理或醫學獎 • 一氧化氮的重要發現與應用

NO 創世紀 • 自從冷戰結束後，軍火商葉二心生意一落千丈而火冒三丈的往製造炸藥的原料硝基甘油猛力一踹；這一踹不僅把硝基甘油踹落滿地，還踹出突發心臟病栽在地上。但，沒多久葉二心竟不可思議的飛起來狂呼野叫的跳俄羅斯方塊舞。喔! 好死不死的葉二心剛好一頭栽在竄流滿地的硝基甘油，舌頭舔了口硝基甘油，就這樣瞎貓碰死耗子的發現了滯銷的硝基甘油不僅可以治療心臟病，還可以一舉扭轉難看的經濟。這真是太棒了! • 做炸藥的硝基甘油可治療胸痛心臟病在百年前就知道，但發明炸藥的諾貝爾晚年卻認為要他吃做炸藥的原料來治療心臟病是很諷刺及 NO WAY (門兒都沒有)。諾貝爾雖然鴨子嘴巴硬，倒很好奇想知道硝基甘油和心臟病的不尋常關係。本來諾貝爾獎破例要頒給大偵探福爾摩斯或 007 情報員見木死板 (James Bond)。然而，他倆花了一輩子卻仍無法偵破這不尋常的關係。百年後，目前在美國紐約州立大學的佛曲家 (Robert F. Furchgott)、加州大學洛杉磯分校的伊各納若 (Louis J. Ignarro) 和德州大學休士頓醫學院的繆瑞 (Ferid Murad) 終於偵破這不尋常的關係，滿足了諾貝爾的好奇心，而獲頒 1998 年諾貝爾醫學獎。

得獎者 • Ferid Murad • Robert F. Furchgott • Louis J. Ignarro

(Ferid Murad) • 繆瑞 1970 年代在維吉尼亞大學致力於一氧化氮 (NO，nitric oxide) 和 cGMP (環鳥嘌呤核甘單磷酸鹽) 當作訊息轉導 (signal transduction) 的研究，曾在 1977 年環核甘酸研究期刊 (J Cycl Nucl Res) 發表硝基甘油和相關的血管擴張化合物可釋放一氧化氮而放鬆平滑肌細胞，但那時還不知道一氧化氮和心臟病的不尋常關係。當時很多人對惡名昭彰的一氧化氮可當作訊息轉導而存疑，甚至還嘲笑繆瑞為何不研究其他較重要的轉導因子。 • 繆瑞讀研究所時的兩位指導教授之一霍 (Theodore Hall) 在細胞訊息轉導領域是一代大師，至今已有二個學生得諾貝爾醫學獎，這是空前的甜蜜記錄，雖然霍在 1991 年時曾不幸的和諾貝爾醫學獎擦身而過。霍的另一學生吉而曼 (Alfred G. Gilman) 是在 1994 年得諾貝爾醫學獎。

(Robert F. Furchgott) • 1970 年代中期佛曲家在其紐約市布魯克林只有小貓兩三隻的簡陋實驗室意外的發現只能擴張血管的乙醯膽鹼 (acetylcholine) 竟然還可收縮血管。不尋常的現象對敏銳的研究人員經常是個千載難逢的重大突破。敏銳的佛曲家聞到了這個重要性並緊握住，小心查證、發現血管收縮是因為在血管處理過程中將血管內皮破壞造成的。當血管內皮完好無損時，乙醯膽鹼只能擴張血管。因而推斷血管內皮細胞可製造一個不明的訊息傳導因子 --「內皮衍生放鬆因子」(EDRF)，而使血管平滑肌細胞放鬆，造成血管擴張，並發表在 1980 年自然期刊 (Nature)。這個重大的發現不僅開啟了心血管研究的一扇新大門 (諾貝爾獎經常喜歡頒給開啟一扇新研究領域大門者)，也是使一氧化氮後來豬羊變色成為超級巨星的關鍵。

(Louis J. Ignarro) • 1986 年七月在美國明尼蘇達州羅徹斯特的一個心血管研討會上，伊各納若和佛曲家同時提出這不明的「內皮衍生放鬆因子」(EDRF) 是一氧化氮--這是人類首次發現一個氣體在生物體內可扮演一個訊息傳導因子的角色。從此各路英雄競相和一氧化氮談戀愛，雖然一氧化氮沒有任何的色香味。伊各納若的研究後來發表在1987年12月的美國國家科學院學報(Proc. Natl. Acad. Sci. USA)。佛曲家的則到 1988 年才發表在血管擴張：血管平滑肌，縮氨酸和內皮 (Vasodillation: Vascular smooth muscle, peptide and endothelium)。 • 十分活躍的伊各納若後來在 1997 年 2 月擔任新創立的一氧化氮期刊 (Nitric Oxide: Biology and Chemistry) 的總編輯，至於佛曲家、繆瑞、和孟卡達等一氧化氮重量級人物也都是編輯委員會的成員。

具雙魚座特質的一氧化氮 • 1998 年諾貝爾醫學獎研究主題一氧化氮 (NO) 是個具有像雙魚座兩條魚游向不同方向特質的矛盾分子。在 1980 年前，一氧化氮還是個惡名昭彰、會破壞大氣層、製造酸雨的環境污染毒物和致癌嫌犯，喜歡在不友善的地方顯相，如車子的廢氣和香煙的煙。自1986年伊各納若和佛曲家提出「內皮衍生放鬆因子」(EDRF) 是一氧化氮後，全世界眾多研究人員競相和這第一個在生物體內扮演傳導信息的氣體分子談戀愛，訝然發現輕薄短小、無任何色香味的一氧化氮在心血管循環系統、神經系統、免疫系統、抗癌物、呼吸系統、消化系統……等許多領域竟有奧妙重要的有益也有害的功能。

一氧化氮 (NO) 是含一未配對電子的自由基，十分活躍不安定，生命週期很短，半衰期約 3-5 秒，只活約十秒就會氧化成亞硝酸鹽(nitrite, NO2－)和硝酸鹽(nitrate, NO3－)。一氧化氮有一個令人開懷大笑又有點香香甜甜、卻容易搞混的表弟叫一氧化二氮 (nitrous oxide, N2O)，也就是俗稱的笑氣，是用來當作麻醉劑。

雖然微生物可由亞硝酸鹽還原或由氨氧化製造一氧化氮；哺乳動物則較複雜，要由L-精胺酸 (L-arginine) 在一氧化氮合成酉每 (NOS) 的催化下，經過一中間產物才能轉換成 L-西瓜胺酸 (L-citrulline) 和一氧化氮 (NO) (圖一)。

L-精胺酸 (L-arginine) 在一氧化氮合成酉每的催化下轉換成 L-西瓜胺酸 (L-citrulline) 和一氧化氮 (NO)

一氧化氮 • 一氧化氮合成酉每 (NOS) 有神經性 (nNOS)、誘發性 (iNOS) 和內皮性 (eNOS) 等三種，是依照最初發現的地方而命名，各在神經突觸、巨噬細胞和血管內皮。不過後來發現神經性一氧化氮合成酉每 (nNOS) 和內皮性一氧化氮合成酉每 (eNOS) 不只存在神經突觸和血管內皮，所以較正確的用法是神經性 (nNOS) 用第一型 (NOS-I)、誘發性 (iNOS) 用第二型 (NOS-II)、和內皮性 (eNOS) 用第三型 (NOS-III) 來表示，但此用法較易搞混，所以舊用法還是很常用。

一氧化氮 • 一氧化氮合成酉每有組合式和誘發式二種，主要有四組成群 (原血紅素 heme、FAD、FMN、H4B)。nNOS (n 代表 neural 神經的) 和eNOS (e 代表 endothelial 內皮的) 是組合式，需要鈣離子和調鈣蛋白先組合，然後再和 nNOS 或 eNOS 組合才能產生催化作用。iNOS (i 代表 inducible 誘發的) 是誘發式，不需要鈣離子和調鈣蛋白，細胞素可直接誘發 iNOS 產生催化作用。由於不需要鈣離子和調鈣蛋白，iNOS 常一誘發就難以收拾，可以作用幾個小時，造成一氧化氮的過度製造，使一氧化氮常常變成有害的蛇蝎毒姬。

一氧化氮的作用機制 • 一氧化氮傳導信息的功能和作用機制隨製造其出來的地方而不同。功能主要有三種：(1) 在神經突觸則是當作神經傳導因子，和腦部學習及記憶有關。(2) 在血管內皮是使血管的平滑肌細胞放鬆而擴張血管，而可以降低血壓。(3) 在巨噬細胞則可損壞腫瘤細胞而將其殺死或停止其繁殖。這三種功能的作用機制則是如下列的不同多步接力。

(I) 神經突觸 • 當活化的神經單元 (圖二左邊) 釋放化學信息物滲透至鄰近的神經單元(圖二右邊)，而與其受體作用時，便可活化細胞而傳導神經搏動。圖二是一個實例：

神經突觸一氧化氮的作用機制

1) 左邊的前突觸神經單元由胞內釋放化學信息物麩胺酸鹽 (glutamate) 和右邊的後突觸神經單元的 NMDA (N-methyl-D-aspartate，N-甲基-D-天門冬胺酸鹽) 受體結合，因而打開一個管道讓鈣離子進入細胞內。

進入細胞內的鈣離子需要和調鈣蛋白 1先組合形成 2

然後 2再和神經性一氧化氮合成酉每 (nNOS) 3組合形成活化的神經性一氧化氮合成酉每 (nNOS) 4

(4) 活化的神經性一氧化氮合成酉每(nNOS) 4催化 L-精胺酸 (L-arginine) 製造 L-西瓜胺酸 (L-citrulline) 和一氧化氮 (NO)。

(5) 一氧化氮 (NO) 和鳥嘌呤核甘酸環化酉每 (guanylate cyclase) 5的輔因子原血紅素 (heme) 的鐵 (Fe) 離子結合，形成活化的鳥嘌呤核甘酸環化酉每 (guanylate cyclase) 6。

(6) 活化的鳥嘌呤核甘酸環化酉每 (guanylate cyclase) 6催化 GTP (guanosine triphosphate 鳥嘌呤核甘三磷酸鹽) 製造 cGMP (cyclic guanosine monophosphate 環鳥嘌呤核甘單磷酸鹽)。

7) 一氧化氮 (NO) 也可滲透回去左邊的前突觸神經單元，而活化那邊細胞的鳥嘌呤核甘酸環化酉每 (guanylate cyclase) 5及接下來的系列反應。這個滲透回去的信息傳導步驟可能在腦部學習、長期記憶及長期憂鬱扮演重要角色。

然而，在中風時，太多的鈣離子可能可以進入細胞內，使得一氧化氮 (NO) 過度製造，而對周圍的細胞造成毒性。因而美國約翰霍浦金斯的史耐德 (SH Snyder) 等人便建議，如果能及時將這抑制劑傳送到腦部恰當的部位，使用神經性一氧化氮合成酉每 (nNOS) 抑制劑也許可以減少中風病人的神經細胞損壞。

控制一氧化氮製造量是調節一氧化氮活性的關鍵一氧化氮傳導信息無局限特定的管道或傳輸物，可在任何製造其出來的地方快速滲透到任何方向，使得控制其製造量是調節其活性的關鍵。要減少一氧化氮製造量可用一氧化氮合成酉每 (NOS) 抑制劑，例如長得像 L-精胺酸的 NG-單甲基-L-精胺酸 (NMLA, NG-monomethyl-L-arginine)或 NW-硝基-L-精胺酸甲酯 (L-NAME, NW-nitro-L-arginine methyl ester) (圖五)。

長得像L-精胺酸的一氧化氮合成酉每抑制劑 NG-單甲基-L-精胺酸 (NMLA) 和 NW-硝基-L-精胺酸甲酯 (L-NAME)

一氧化氮的應用 • 細菌感染導致的敗血性休克 (septic shock) 是美國加護病房的主要死因之一，其病因是白血球的誘發性一氧化氮合成酉每 (iNOS)製造一氧化氮來消滅細菌。但由於誘發性一誘發便不可收拾，結果製造過度大量的一氧化氮，而使血管擴張，造成血壓下降。這時可用一氧化氮合成酉每抑制劑 NMLA 或 L-NAME 來治療，以抑制一氧化氮的大量製造。 • 雖然動脈比靜脈製造較多的一氧化氮，但動脈粥瘤硬化會使血管內皮的一氧化氮製造量減少，這時可用一氧化氮促進劑 L-精胺酸或硝基甘油來治療，因為硝基甘油和相關的血管擴張物也可促進一氧化氮製造。 • 一氧化氮雖然有毒，吸微量的一氧化氮 (18-36 ppm) 可以選擇性的擴張肺臟通氣部分的血管分佈，來治療肺臟高血壓、成人呼吸痛苦症候群 (ARDS) 和嬰兒呼吸痛苦症候群 (IRDS)。 • 一氧化氮可用來檢驗疾病，因為不少疾病和一氧化氮的量有關，但很多時候測量不安定的一氧化氮或其氧化物亞硝酸鹽和硝酸鹽較不準確，而每生成一分子一氧化氮必定同時會生成一分子 L-西瓜胺酸，所以測量L-西瓜胺酸便可準確知道一氧化氮的量。像潰瘍性結腸炎患者的一氧化氮量會增加，可以測量 L-西瓜胺酸來檢驗此病。

NO 陽萎 • 一氧化氮 (NO) 這分子在 1992 年才剛展露鋒芒時我就開始注意。結果這分子果然 NO (不) 陽萎，六年後不僅孵育威而鋼誕生而令陽人日日春，還一舉戴上諾貝爾醫學獎桂冠。 • 雖然不知道諾貝爾醫學獎評審委員是否也人同此心想吃威而鋼，在 1992 年關於陽萎的研究有一重大的發現，這一重大發現也使得一氧化氮 (NO) 這個其貌不揚的簡單化學分子被著名的科學期刊 (Science) 選為 1992 年年度最重要的風雲分子。關於票選有一超現實異聞，當初投票的評審委員有 13 人，其中 7 位女性全投一氧化氮 (NO) 的票，因為她們十分深宮哀怨他們的老公沒有盡職滿足她們的需要。

研究人員發現並證實當特定的骨盤神經收到腦部傳來的勃起訊號時，便在陰莖海綿體製造釋放出一氧化氮 (NO)，一氧化氮 (NO) 便活化 GC (guanylate cyclase 鳥嘌呤核甘酸環化酉每) 以增加 GTP(guanosine triphosphate 鳥嘌呤核甘三磷酸鹽) 製造 cGMP (cyclic guanosine monophosphate 環鳥嘌呤核甘單磷酸鹽) 將陰莖海綿體的平滑肌放鬆、使血管擴張，而讓血液灌入使陰莖勃起。研究人員還用和花花公子兔子同類的老鼠做實驗，當把製造一氧化氮 (NO) 必需的一氧化氮合成酉每 (NOS) 阻斷時，一氧化氮 (NO) 便無法合成製造，而造成海綿體血管無法擴張，使血液無法灌入，陰莖也就軟攤無法勃起。

威而鋼 • 最近轟動全球的威而鋼的藥理也是運用到一氧化氮 (NO)。PDE5 (phosphodiesterase type 5 第五型磷酸二脂酉每) 會促進陰莖海綿體 cGMP 的代謝消耗，當陰莖海綿體 cGMP 的量被消耗而不足時，陰莖將軟攤無法勃起。威而鋼藉著抑制 PDE5 來減少陰莖海綿體 cGMP 的代謝消耗以增強一氧化氮 (NO) 的功能，而促進陰莖勃起。然而，如果不能在陰莖海綿體製造足夠的一氧化氮 (NO) 或 cGMP，再多的威而鋼也無法使陰莖勃起威而鋼。

有毒噢 • 統計研究顯示全世界老老少少的男人中至少有 10% 罹患陽萎無法勃起。在此鄭重呼籲各位淑女們，請千萬不要逼迫紳士們動大口吸食一氧化氮 (NO) 的腦筋，除非你想要紳士們昇天當神仙，因為一氧化氮 (NO) 是有毒的

女性威而鋼 • 發表在 1997 年泌尿學期刊 (J Urol)，伯內等人用免疫組織化學的技術，果然發現人類陰蒂有一氧化氮合成酉每的存在；陰蒂海綿體比陰蒂頭有較大量的神經性一氧化氮合成酉每 (nNOS 或 NOS-I)，而陰蒂頭則有較大量的內皮性一氧化氮合成酉每 (eNOS 或 NOS-III)。這個發現果然和男性陰莖不謀而合，男性陰莖海綿體充血勃起的主要媒介是由神經性一氧化氮合成酉每所製造的一氧化氮。 • 男性威而鋼在伯內等人證實人類陰莖有一氧化氮合成酉每後五年誕生，相信女性威而鋼可以在更短的時間誕生，令女性們也狂愛性奮。

資料來源 • http://www.hf123.com/1998_nobel_physiology_medicine-premium_edition.htm • http://www.hf123.com/1998_nobel_physiology_medicine_NO_genesis.htm • http://www.bmnews.net/big5/interview/nobel/murad/Q&A.html • http://almaz.com/nobel/nobel.html

1998 年諾貝爾生理或醫學獎