鏈球菌分類與感染權威–蕊貝卡.奎格希爾.蘭西菲爾德

 
2015/03/06 劉仲康 | 中山大學生物科學系
鍾金湯 | 美國曼菲斯大學生物學系     3,288
 
鏈球菌泛指一群排列成鏈狀的革蘭氏陽性球菌,由於其細胞繁殖時都沿著平行軸線分裂且不分離,因此形成 ─ 長串類似念珠的排列方式而得名。這類細菌的種類繁多,生理特性迥異,有的可造成人類蛀牙、嚴重感染,甚或致命的疾病,有的則是製造美味乳品中對人類健康有益的乳酸菌。

一般對於鏈球菌的分類,主要是依照它們對紅血球溶血的現象區分為3種類型:α溶血菌 – 可把血紅素局部分解成綠色代謝物,類似膽汁的顏色,因此在含有羊血的培養基上生長時,細菌菌落四周會出現一圈綠色的半溶解環;β溶血菌 – 可把血紅素完全破壞,在含羊血的培養基上生長時,菌落周圍會出現一圈透明的溶血環;γ溶血菌 – 指的是不溶血菌,不會破壞血紅素。

其中β溶血菌還可用一種蘭西菲爾德血清反應,把這類細菌細分為A到V(扣除I和J)等20種血清群。由於這些細菌會造成人類許多的疾病,適當地分類以便對症下藥就成為重要的工作。

蕊貝卡.奎格希爾.蘭西菲爾德(Rebecca Craighill Lancefield)是一位傑出的女性科學家,是發展出蘭西菲爾德血清反應的主要人物,這項技術促進了人類對於鏈球菌的了解。一些人類重要的鏈球菌疾病,諸如產褥熱、咽喉炎、心內膜炎、心包炎(心囊炎)、風溼熱、猩紅熱、肺炎、腎臟感染等,曾在歷史上造成人類重大傷亡,僥倖生存下來的人往往還會留下終生的後遺症。因此找出致病的病原菌,並加以適當分類以便對症下藥,就成為對抗這些疾病的重要工作。

蘭西菲爾德博士在這項對抗鏈球菌的戰爭中做出了不朽的貢獻,她在洛克菲勒醫學院的實驗室被暱稱為「解出鏈球菌之謎的蘇格蘭場」(註:蘇格蘭場是英國倫敦警察廳,類似美國的聯邦調查局,是專門解決懸疑難案的單位)。現今微生物教科書在論及鏈球菌時,都會介紹蘭西菲爾德血清反應,她的貢獻造福了無數人,使我們享有更美好的健康與生活。

家世與求學經過

蕊貝卡.奎格希爾(蘭西菲爾德是她婚後的夫姓)於1895年1月5日出生在美國紐約州史坦頓島(Stanten Island)的威德沃斯堡(Fort Wadsworth)。她的父親名叫威廉.艾德華.奎格希爾,先祖可追溯到1800年代由歐洲移民到新大陸維吉尼亞州的奎格希爾家族。威廉.奎格希爾先生畢業於西點軍校,在陸軍工程部門擔任軍官。蕊貝卡的母親叫瑪麗.孟塔古(Mary Montagu),是英國著名的天花防疫先驅同時也是知名的文學家孟塔古夫人(Lady Mary Wortley Montagu, 1689-1762,見《科學發展》447期)的直系子孫。

蕊貝卡自幼接受良好的教育,17歲時進入衛斯理學院(Wellesley College,即蔣夫人宋美齡就讀過的學校)就讀,先是主修英國文學與法國文學,之後改修動物學,於1916年獲得學士學位。畢業後到維蒙特州的一所女子寄宿學校擔任物理地質學的教師,她對未來生涯非常有計畫,從年薪500美元中省下200元做為未來繼續求學之需。不久,很幸運地得到一筆獎學金,得以進入哥倫比亞大學的師範學院就讀。

她對細菌學非常有興趣,然而在師範學院中並沒有這個學科。於是她轉到同校的醫師與外科學院,跟隨當時世界聞名的金瑟教授(Hans Zinsser, 1878-1940)攻讀碩士學位。就在此,認識了她未來的丈夫唐諾.蘭西菲爾德(Donald Lancefield, 1893-1981),當時他們二人是遺傳學大師莫甘(Thomas H. Morgan, 1866-1945,諾貝爾獎得主)所開設的果蠅遺傳學課的同班同學。1918年,蕊貝卡雙喜臨門,不但獲得碩士學位,也成了蘭西菲爾德夫人。

這時正值第一次世界大戰期間,唐諾被徵召從軍在衛生軍團擔任士兵,並駐紮在洛克斐勒醫學院參加一門特別訓練課程,由鼎鼎大名的艾弗里(Oswald Avery, 1877-1955,後來證明遺傳物質是DNA的學者之一)和杜契滋(Aphonse Dochez, 1882-1964,製出猩紅熱抗毒血清及發現感冒病毒)擔任授課教師。蕊貝卡於是申請到洛克斐勒醫學院擔任艾弗里和杜契滋的研究助理,新婚夫婦幸運地能在同一實驗室共同工作。

早期研究工作

在第一次世界大戰期間,鏈球菌感染是非常猖獗的流行性疾病,艾弗里和杜契滋二人則是當時以研究鏈球菌而知名的學者。蕊貝卡.蘭西菲爾德(以下簡稱蘭西菲爾德)非常高興能加入他們的研究團隊,並以鏈球菌做為研究的對象。

正巧美國德州的一個軍營爆發了一次嚴重的鏈球菌感染,她分派到的任務就是鑑定這次流行病菌種的血清類型。於是蘭西菲爾德與她的丈夫共同依循艾弗里發明的鑑定方法,鑑定這次流行病的菌種,從此開始了她研究鏈球菌的生涯。1919年,她在當時著名的《實驗醫學期刊》上發表了一篇論文,敘述了她發現溶血鏈球菌的4種血清群。

1919年秋天,蘭西菲爾德轉到哥倫比亞大學梅茲博士(Dr. C.W. Metz, 1889-1975)的遺傳學實驗室擔任研究助理。她在此短暫地研究了果蠅的一些遺傳現象,並發表了3篇論文。1921年,蘭西菲爾德的丈夫唐諾獲得博士學位後,接受了他原籍家鄉奧勒岡州立大學的教職,於是蘭西菲爾德與唐諾便搬遷到奧勒岡州,並在該校教細菌學。

由於第一次世界大戰剛結束不久,各大學都非常缺乏教授,唐諾在次年接受了哥倫比亞大學的教職。於是蘭西菲爾德夫婦又於1920年返回紐約,唐諾加入了果蠅大師莫甘所在的實驗動物學系,並在該系任教多年,直到他轉任紐約女王學院(Queens College)的動物系擔任系主任為止。蘭西菲爾德則進入哥倫比亞大學攻讀博士學位。

對鏈球菌分類的重要發現與貢獻

在攻讀博士學位期間,蘭西菲爾德的指導教授是史衛夫特博士(Dr. Homer Swift, 1881-1953),研究主題則是風溼熱。在當時許多人猜測風溼熱是由一種鏈球菌感染造成的,卻一直沒有人能成功地分離出致病的病原菌,更遑論把它接種到動物身上進行實驗。蘭西菲爾德的研究題目就是把實驗室蒐集到的各種鏈球菌一一接種到實驗動物身上,看看是否能使動物產生風溼熱的症狀。雖然身為哥倫比亞大學的研究生,但她大部分的實驗仍然是在洛克菲勒醫學院完成的。

經過多次測試,她終於發現α溶血的鏈球菌,包括一株綠色鏈球菌(Streptococcus viridans)不會造成實驗動物產生風溼熱的症狀,至於真正的風溼熱兇手,應是另有其他的病原菌。這些發現讓她在《實驗醫學期刊》上發表了2篇論文,並且成為她博士論文的主要架構。蘭西菲爾德於1925年獲得博士學位,這在當年女性科學家中是非常難得的成就。

之後,蘭西菲爾德博士仍然回到洛克菲勒醫學院艾弗里的實驗室繼續研究其他鏈球菌。她認為要找出風溼熱的病原菌,應該針對其他可能致病的鏈球菌做一些更深入的基礎研究。於是她開始探討β溶血鏈球菌的特性,尤其是其血清類型,所使用的技術是艾弗里實驗室先前發明的鑑定方法 ─ 血清沉澱反應。也就是把欲測試的抗原(細菌培養液)與抗血清(含有抗體的血清)在試管中混合,如果二者可以結合,便會形成肉眼可以觀察到的混濁沉澱物。

藉由沉澱反應,蘭西菲爾德發現她所研究的β溶血鏈球菌細胞表面有二類抗原,其中之一是一種稱為C物質的多醣類碳水化合物,這也是構成鏈球菌細胞壁的重要成分。基於這些多醣類組成與血清反應的差異,她進一步區分出從A到O等群,而最常導致人類疾病的產膿鏈球菌(Streptococcus pyrogenes)則歸屬於A群。她進一步研究A群鏈球菌,又發現另一個重要的抗原,稱作M蛋白質。不同的鏈球菌所含的M蛋白質也不同,因此蘭西菲爾德又把A群鏈球菌細分出60型。

於此同時,以發現肺炎鏈球菌轉形作用(transformation)而知名的葛瑞菲斯(Frederick Griffith, 1879-1941)也在英格蘭對鏈球菌的分類進行研究,他使用的方法是在玻片上進行血清凝集反應。蘭西菲爾德於是與葛菲斯交換心得,並互相把自己的菌株提供給對方,分別用己方的鑑定方法進行血清反應分析。

當時正值第二次世界大戰,葛瑞菲斯不幸於1941年死於倫敦大轟炸,未能得出具體的結果。蘭西菲爾德則持續蒐集與分析來自世界各地的鏈球菌株,並建立完整的A群鏈球菌血清分類系統。時至今日,對於A群鏈球菌,學術界仍然採用蘭西菲爾德發現的M蛋白質來分類。

研究鏈球菌的致病性

蘭西菲爾德也對鏈球菌的致病性有興趣,她對M蛋白質做了深入的研究,發現M蛋白質可抑制白血球吞噬鏈球菌,是鏈球菌導致疾病的重要因子之一。這結果與艾弗里的實驗不一致,艾弗里認為鏈球菌的致病力源自一種多醣類碳水化合物。但經她深入研究後,發現M蛋白質是引發宿主防禦性免疫反應的重要物質。但是在A群鏈球菌的不同菌種間,每種菌種所含的M蛋白質也不相同,因此針對某菌種製造出的抗血清並無法保護宿主對抗其他的菌種。

到了1950年代,蘭西菲爾德與帕曼博士(Dr. Gertrude Perlmann, 1912-1974)把M蛋白質純化出來,並發展出一套可以鑑定各種M蛋白質的技術。在A群鏈球菌中,除了M蛋白質外,她還另外發現了T和R二種抗原。

蘭西菲爾德也追蹤風溼熱病人的醫療紀錄,發現一旦病人對某一血清型的病原菌有了免疫反應,這種免疫力可持續達30年之久。而且即使病人血液中的抗原已經消失,血液中的抗體效價仍可維持在相當高的濃度。但是若病人被另一血清型的鏈球菌感染,則仍然會復發風溼熱。

在20世紀初期,美國學童每年死於風溼熱的人數超過死於其他疾病的總和。到了1930~1940年代,雖然抗生素尚未問世,風溼熱的盛行率卻逐漸穩定下降,醫學界推測主要原因是由於當時流行的病原菌侵襲力降低。但是在蘭西菲爾德實驗室從事研究的一位斐斯契提博士(Dr. Vincent A. Fischetti)所發展出的疫苗也居功一二。

然而時至今日,鏈球菌感染仍無法徹底清除,每年仍有許多病患深受風溼熱感染之苦。尤有甚者,罹患過鏈球菌感染病症之後,往往會留下免疫方面的後遺症。例如約有20~30 % 的風溼熱病患癒後會產生一種稱為薛登漢氏舞蹈症(Sydenhams chorea)的後遺症。這後遺症在中世紀也稱為「聖徒維特舞蹈症」(St. Vitus dance),其特徵是臉部與手、腳出現不自主的快速肌肉抽搐,這後遺症可持續長達6個月之久。

除了A群鏈球菌外,蘭西菲爾德也研究造成新生嬰兒腦膜炎的重要病原菌 ─ B群鏈球菌。她除了澄清多醣類在這菌群上所扮演的致病角色外,也證實了表面蛋白質抗原在感染上的重要性。這種新生嬰兒的腦膜炎不但是1950年代感染率極高的重要傳染病,即使時至醫藥發達的今日,仍然是新生嬰兒的重大威脅之一。

學術生涯與貢獻

蘭西菲爾德一生的研究生涯幾乎都在洛克菲勒醫學院度過。但在第二次世界大戰期間,她曾借調到軍中服務,在美國軍方流行病委員會下附設的鏈球菌疾病委員會服務,並提供猩紅熱與風溼熱的血清給軍隊用於治療罹病的軍人。這個任務委員會當時被暱稱為「鏈球菌俱樂部」(Strep Club),因為蘭西菲爾德對這委員會貢獻良多,因此1977年改名為「蘭西菲爾德協會」(Lancefield Society),專門負責舉辦一年一度有關鏈球菌研究進展的國際研討會。

蘭西菲爾德分別於1946年和1958年在洛克菲勒醫學院升任副研究員與正研究員,並於1965年退休。但是洛克菲勒醫學院非常尊崇她的學術成就和專業,因此把她特聘為榮譽退休教授,她也退而不休地一直在原實驗室繼續研究,直到1981年3月3日去世為止,享年86歲。她的夫婿唐諾則在次年8月與世長辭。生物醫學界相繼喪失了二位偉大的研究學者,令人不勝唏噓。

榮耀

蘭西菲爾德所處的時代,研究環境對於女性並不十分友善。她早期的研究成果並未受到太大重視,直到中年才逐漸嶄露頭角。許多科學界的人士都認為,蘭西菲爾德的成就被科學界肯定似乎來得太遲了些。

她在1943年(時年48歲)擔任美國微生物學會會長,1961年被推選為美國免疫學家學會會長,1970年更成為美國國家科學院院士。其他的榮耀事蹟還包括:瓊斯紀念獎(T. Duckett Jones Memorial Award, 1960)、美國心臟學會獎(1964)、紐約醫學學術獎章(1973)、《醫學期刊》研究成就獎(Journal of Medicine, 1973)、洛克菲勒大學榮譽博士(1973)、衛斯理學院榮譽博士(1976)、皇家病理學院的榮譽院士(1976)等。

私人生活與晚年

蘭西菲爾德除了研究工作外,也非常重視家庭生活,除非必要,她不會到處參加會議或發表演講。由於她在紐約市洛克菲勒醫學院的實驗室沒有空調,因此每逢暑假酷熱期間,她便會與家人到北方麻州的伍茲霍爾(Woods Hole,也可譯為「林洞」)度假放鬆身心。她與丈夫唐諾育有一女,全家人經常一同在這裡打網球和游泳,享受除了研究以外的快樂人生。

蘭西菲爾德博士雖然在1965年從洛克菲勒醫學院退休,但是她並未因此離開她一生最熱愛的研究崗位,仍每天從長島的家中開車到實驗室從事實驗工作,直到生命的最後一天。

在21世紀的今日,鏈球菌仍然肆虐人間,尤其是A 群鏈球菌造成的風溼熱一症對年輕的人影響巨大,除了心臟炎與多發性關節炎等急性症狀外,若未及時治療還會造成心瓣膜受損而閉鎖不全的後遺症。面對永不止息的微生物感染,人類還有持續努力的必要。緬懷蘭西菲爾德女士在鏈球菌研究領域上所做出的不朽貢獻,對於這樣一位傑出的女性科學家,我們致上最虔誠的敬意,她是研究工作者以及青年學子效法的典範。