生物製劑標準化及百日咳研究的先驅–瑪格麗特‧皮特曼

 
2016/05/06 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     1,050
 
瑪格麗特‧皮特曼(Margaret Pittman, 1901-1995)是世界知名的女性生物醫學專家,一生致力研究疫苗的標準化,以用來預防百日咳、霍亂、斑疹傷寒,以及許多其他微生物傳染疾病。她對百日咳的成因以及病理發展有精闢的研究,進而開啟了人類對這疾病的了解與防治。她是美國國家衛生研究院首位女性實驗室主管,同時是世界衛生組織防治霍亂的首席顧問,對促進人類健康有卓越的貢獻。

家世背景

皮特曼家族早於1653年就從英國移民到美洲新大陸,1834年時瑪格麗特的祖父山謬‧皮特曼(Samuel Pittman)遷移到阿肯色州的Prairie Grove定居。這裡在美國南北戰爭時曾發生過一場惡戰,是知名的戰場。

她的父親詹姆士(James Pittman)出生於1871年,由於是家中的長子,因此受到良好的栽培,曾就讀於阿肯色大學與聖路易學院。但因家境並不富有,必須半工半讀支付學費。瑪格麗特‧皮特曼的母親維吉妮雅(Virginia Alice McCormick)於1871年出生在維吉尼亞州,是以發明收割機而知名的西拉‧麥考密克(Cyrus Hall McCormick,1809-1884)的遠親。維吉妮雅自幼跟隨父母遷居到Prairie Grove,由於父母早逝,僅能靠著一間租書店和教鋼琴維生。她與詹姆士相遇相戀,並於1889年共結連理。

瑪格麗特‧皮特曼出生於1901年1月20日,下有1個妹妹和1個弟弟。父母是虔誠的基督徒,非常重視子女的教育,因此栽培了妹妹海倫成為一位公共衛生護士,之後改當老師;弟弟小詹姆士則是一位外科醫師。她8歲時搬家到辛辛那提市的鄉下小鎮,父親是當地唯一的醫生,極有愛心,無論日夜晴雨,只要病人需要便前往診視,對於貧困的病患還常常不收取費用。瑪格麗特‧皮特曼自幼便經常跟隨父親出診,如協助骨折病患的麻醉,或在學童注射疫苗時擔任助手等工作,這些經歷埋下她立志成為醫師的種子。

顛簸的起步

及長,瑪格麗特‧皮特曼進入一間極為簡陋的小學就讀,全校只有2間教室,但她就是在這裡奠定了求學與邁向成功的基礎。她的父母親非常重視家庭教育,認為孩子接受大學教育是起碼的要求,因此在家中盡力教導。常見這一家人夜間在一盞昏黃燈光下一起朗讀聖經,或閱讀各式的文學作品。

瑪格麗特‧皮特曼高中畢業後,進入辛辛那提北方一所剛成立的學院就讀。這所學院以培訓鋼琴演奏為主,由於需長時間練習演奏,造成她背部脊椎的病痛,甚至終生都受背痛的困擾。由於病痛的折磨與對鋼琴演奏的興趣並不高,她不久便放棄了音樂的學習。

1919年,瑪格麗特‧皮特曼的父親因切除盲腸不幸引發腹膜炎去逝。在他去逝之前,特別叮囑妻子務必讓子女都能入學阿肯色州的漢德里克斯學院(Hendrix College),這是一所信譽卓著的衛理公會教派學院。日後,瑪格麗特果然如願進入這所學院就讀,先主修數學。由於成績優異,榮獲該學院頒發的數學獎章,並獲邀擔任該校的代數課教師。之後她又改修生物學,於1923年畢業時獲得「極優等」(Magna Cum Laude)學位。

畢業後,瑪格麗特‧皮特曼到阿肯色州的卡洛威女子學院(Academy of Galloway Female College)擔任教職,講授科學、西班牙語等課程,年薪只有900美元。但因表現優異,一年後被任命為該校校長,並調薪到1,200元。但是求知若渴的瑪格麗特‧皮特曼並不以此為滿足,工作2年後,她決定到知名的芝加哥大學繼續深造。

芝加哥大學進修

1925年,瑪格麗特‧皮特曼進入芝加哥大學醫學院,在細菌學與衛生學系進修碩士學位。該系是由知名的流行病學家約丹教授(Professor Edwin Oakes Jordan, 1866-1936)所創立,而細菌學在當時是一門當紅的新興學科。瑪格麗特的碩士論文是探討肺炎球菌及其致病性,在佛克(Dr. Isidore S. Falk, 1899-1984)教授的指導下順利取得了學位。

之後,瑪格麗特‧皮特曼獲得一筆每個月75美元的獎學金,供她繼續在同校進修博士學位。她接受病理系邵斯威克教授(Professor Mercy A. Southwick)的指導,並於1929年以一篇關於實驗性肺炎球菌感染造成大葉性肺炎的病理學研究獲得博士學位。她攻讀碩、博士學位期間的研究成果也於1930年陸續發表在著名的細菌學期刊《Journal of Bacteriology》上。

洛克菲勒研究所的研究生涯(1928~1934年)

其實,瑪格麗特‧皮特曼在畢業的前一年(1928年)便已獲得洛克菲勒研究所(洛克菲勒大學的前身)柯爾教授(Dr. Rufus Cole, 1872-1966)提供的博士後研究職位,使她有機會與急性呼吸道感染部門的艾佛里(Oswald T. Avery Jr., 後來發現DNA是遺傳物質的諾貝爾獎得主)合作。

她的研究主題是與流行性感冒有關的一些伺機性病原微生物,主要是流感嗜血桿菌。她很快便發現這桿菌與肺炎球菌一般,具有無莢膜的粗糙菌株(R菌株)以及有莢膜的光滑菌株(S菌株)二種類型。

接著,她鑑定了病人檢體中分出的521株流感嗜血桿菌,並區分為a、b、c、d、e,以及一種無法分型等的6種血清型。其中以b型最為優勢,也擁有最強的致病力。從腦膜炎病人中分離出的流感嗜血桿菌通常就是b型菌株,這些病人的血清中也含有b型抗體。這些成果極具醫療價值,於1931年刊出之後,立刻引起世人矚目,而年方30歲的瑪格莉特‧皮特曼博士因此聞名國際。

接著,她又成功地從罹患結膜炎的兒童身上分離出柯威氏桿菌(Koch-Weeks bacillus),並發現這桿菌在半固態培養基上生長時,會長出毛絨絨有如彗星尾巴條狀的細小菌落。經過仔細研究之後,她把它重新分類與命名為埃及嗜血桿菌
(H. aegyptius)。而另外一株與流感密切相關的桿菌,在相同培養基上生長時,則產生較大且有莢膜的菌落,因此被她分類為流感嗜血桿菌(H. influenzae)。她還發現埃及噬血桿菌只出現在夏季炎熱季節,且只局限在結膜炎患處;流感嗜血桿菌則可出現在眼睛的任何部位。

由於皮特曼博士在流感嗜血桿菌上的深入研究與重要發現,使她很快就成為這一領域的專家,並獲邀擔任細菌學分類寶典–伯基氏手冊(Bergey's Manual of Determinative Bacteriology)有關流感嗜血桿菌屬的撰文者。在她的研究下,過去分類地位不明確的埃及嗜血桿菌被獨立出來成為一個新種,而錯誤放在這菌屬的百日咳桿菌也重新劃歸到布氏桿菌屬。

1934年美國經濟大蕭條,由於經費縮減,皮特曼博士離開洛克斐勒研究所,並接受了紐約州衛生局的職位。在這職位上工作了一年半,工作內容是準備實驗室檢驗用的各種生物製劑。時間雖然短暫,但卻深深地影響了皮特曼博士之後在生物製劑標準化上的研究。

美國生物製劑控制法案是在1902年制定的,目的是確保各種疫苗、生物毒素、抗毒素,以及治療用血清的安全、純度和效價,如此才能有效地預防和治療各種疾病。當時制定和主管相關事務的單位是國家衛生研究院,但在1972年之後轉由食品藥物管理局負責和主管。

任職國家衛生研究院(1936~1971年)

發展抗血清沉澱試驗 1936年,皮特曼博士轉赴國家衛生研究院就職,於此她與先前在芝加哥大學求學時的一位師長莎拉‧布蘭瀚教授(見《科學發展》504期)合作,她們首要的任務是建立腦膜炎球菌抗血清的效價測試。

皮特曼於是針對腦膜炎球菌抗體設計了一個小鼠保護試驗,這個試驗之後還用來協助分離與鑑定流感嗜血桿菌和傷寒桿菌。接著她又利用這個血清沉澱反應研究奈瑟氏腦膜炎球菌、百日咳桿菌,以及流感嗜血桿菌,成功地建立起當時急需的各種血清抗體效價標準。自此之後,在以血清治療疾病時終於有了劑量標準。

細菌汙染與發燒 在這時期,皮特曼博士還深入研究了輸液汙染與發燒的關係。她發現每1毫升的蒸餾水中,如果含有6,000個以上革蘭氏陰性細菌的菌落形成單位(colony forming unit,簡稱CFU),就會導致病患體溫上升。因此她要求日後所有的醫療注射液如蒸餾水、生理食鹽水和葡萄糖輸液都必須檢驗,以確保病患的安全。她們也發展出一個檢測方法,做法是把這些液體注射到兔子的靜脈,然後觀測兔子的體溫是否上升。

這種利用活體生物檢測注射液是否遭到汙染的方法使用了許多年,直到1970年代才被LAL的測試法(鱟變形細胞溶解物測試法)取代。鱟是一種被譽為活化石的海洋甲殼類生物,俗稱馬蹄蟹,牠的血清對海洋中的革蘭氏陰性細菌非常敏感,當微量細菌或細菌死亡崩解物存在時,就可使其血清立刻凝固,因此大大提升了檢測的敏感度與便利性。

皮特曼還與同僚合作發展出一種硫基乙酸鹽培養基,這是一種可以鑑定細菌生長時對氧氣需求度的培養基,之後被世界衛生組織採用以檢定生物製劑是否被細菌汙染。她也發現在培養基中常用來檢測氧化還原狀態的的亞甲藍指示劑會抑制某些細菌的生長,而這些細菌正是血液生物製劑中常見的汙染細菌。總之,她對血液相關產品的品質以及防止其被微生物汙染方面做了許多深入的研究,為爾後生物製劑產品的標準化奠定了基礎。

疫苗標準化 在百日咳疫苗發展的初期,普強公司(Upjohn company)的諾頓博士(Dr. John F. Norton)發現小鼠可以由腦部注射百日咳桿菌而得到感染,但可用疫苗防治。皮特曼於是和密西根州立實驗檢驗局的肯垂克博士(Dr. Pearl Kendrick)合作,研究如何定量注入腦部的疫苗效價。經過多次實驗,她們終於在1949年完成疫苗效價的標準化工作。她發現疫苗中的菌數或混濁度都不可靠,必須改以統計方式來評估疫苗的有效劑量(50% efficacy dosage, ED50),才能正確反應出疫苗的效價。

皮特曼還發現,疫苗中使用的鋁佐劑會影響疫苗的毒性,同時測試使用的小鼠品系也是關鍵,這些都是進行疫苗效價定量時必須考量的。她也對百日咳細菌分泌的毒素有興趣,發現它能與二磷酸腺苷核醣基轉移酶(ADP-ribosyltransferase)結合,把核醣基轉移到目標蛋白質上造成細胞的毒害。總之,皮特曼對百日咳疫苗所做出的貢獻是無與倫比的。

1958年,皮特曼參與了一項國際生物製劑開發計畫,為黃熱病疫苗和霍亂疫苗制定規範。他們在1959年公布了霍亂疫苗的規範,與世界衛生組織的合作也隨即展開。皮特曼和位於東巴基斯坦的霍亂研究室來往密切,並在之後的5年中擔任美國國家衛生院的霍亂研究計畫的主持人。她的主要興趣仍在使霍亂疫苗的效價標準化,她發現小鼠的效價分析結果同樣可以適用於人體的臨床分析試驗。於此同時,她也與世界衛生組織合作,測試傷寒疫苗效價並制定標準,她對傷寒抗體變異區的抗原性了解也有相當大的貢獻。

她的研究興趣廣泛,在這期間還陸續研究了許多與疫苗相關的題目,包括研究嬰兒破傷風毒素,為爾後的類毒素疫苗譜下康莊大道;發展出在天竺鼠皮膚上進行結核菌素的定量分析法;研究炭疽病與氣性壞疽病疫苗等。

總之,皮特曼博士由於在生物製劑標準化的研究上有卓越貢獻,領導能力也備受肯定,因此於1957年被任命為美國國家衛生研究院第一位女性實驗室主管,一直擔任細菌產物實驗室的主任。在1967~1970年間,她也在哈佛大學醫學院擔任客座講員。

退休生涯(1971~1990年)

1971年,70歲的皮特曼博士從國家衛生研究院正式退休,但是她仍然自願無薪從事研究工作並經常受邀演講。她持續研究白喉毒素在病理上的角色,與英國革拉斯葛大學的沃德勞(A.C. Wardlaw)教授以及斯克萊德大學的佛曼(B.L. Furman)教授合作證實白喉毒素是一種外毒素,並進一步探討這毒素如何造成實驗動物的病理反應與引發免疫反應。

這些發現大幅促進了人類對白喉疾病的了解與防治。在她退休日子中,還持續發表了超過20篇的學術論文。這種熱愛研究與勤奮不倦的態度,不但令人感佩,也足為後世青年學子的表率。

在國際上,她擔任過許多國際組織和9個國家的客座顧問,例如負責建立世界衛生組織對生物製劑產品標準化與無菌化的規範;擔任埃及與西班牙的霍亂疫苗顧問;擔任加拿大Connaught實驗室(專門生產白喉疫苗的生技公司)的顧問;伊朗國家血清與疫苗研究院的顧問等。

專業服務與榮譽

皮特曼博士參加了許多美國國內的專業團體並擔任義務服務職責,包括:美國微生物學會(理事、榮譽會員)、美國微生物學會華盛頓支會(會長)、美國微生物學院院士(理事)、美國微生物學國家代表、華盛頓科學學會(委員會委員、會長)等。

皮特曼博士也積極參與國際與美國國內事務,在生物製劑與疫苗上提供專業服務。1950年,她代表美國參加在巴西里約熱內盧舉辦的第5屆國際微生物學大會,1957年參加在巴黎國際兒童中心舉辦的百日咳研討會。她也是世界衛生組織於瑞士日內瓦舉辦的研習會的重要成員,負責建立生物製劑的國際標準,並分別在1958年規劃了霍亂疫苗和黃熱病疫苗,1959年則規劃了生物製劑的無菌化。

1962年,她擔任世界衛生組織制定百日咳疫苗標準化大會的顧問,以及國家衛生研究院的霍亂諮詢委員,也擔任巴基斯坦與南亞盟約組織的霍亂專家顧問。1963年,她受國家衛生研究院委託,召集與主持美國百日咳疫苗大會。除此而外,她是美國軍隊流行病學的諮詢委員,以及美國製藥界無菌測試與標準作業顧問和生物指標顧問。

由於皮特曼博士積極參與國際事務並著有貢獻,她一生中獲頒許多榮譽獎項,包括列名美國科學名人錄(1936年)、漢德里克斯學院頒授榮譽法學博士(1954年)、美國名人錄(1960年)、美國國家衛生院優秀服務獎章(1963年)、美國國家衛生研究院教育服務委員會傑出服務獎章(1967年)、美國聯邦婦女獎(1970年)、芝加哥大學校友會專業成就獎(1973年)、ΣΔΕ學會(女性科學研究生學會)榮譽會員(1974年)等。

私人生活

皮特曼博士是一位旅遊愛好者,她經常藉參加國際會議處理公務之餘拓展行程。例如當參加亞洲霍亂防治會議時,她會順途參訪附近國家或地區,如曼谷、台灣、加爾各答、孟買、菲律賓等地。1950年參加在巴西里約熱內盧舉辦的國際微生物學會議時,順道參訪旅遊了南美洲大部分的國家。當到伊朗處理公務結束後,她也順道旅遊了德黑蘭、依斯法罕(Isfahan)、設拉子(Shiraz)等地,甚至到了一般遊客較少拜訪的阿巴丹(Abadan)地區,以及古埃蘭楔形文字發源地蘇山(Sushan)等地。

她也是一位虔誠的教徒,憑藉著過人的精力與熱忱,積極參與教會的各種活動。她是華府聯合衛理公會教堂的忠實信徒,一度擔任該教堂的財務部主席,成功地募款填補了之前欠下的許多債務,也擔任過牧師教區關係委員會的信託部委員等職。

瑪格麗特‧皮特曼博士是一位心胸廣大的女性科學家,除了在醫學專業方面做出許多不朽的貢獻造福人類外,在各種不同的文化和宗教方面也有著過人的興趣與熱忱。她一生中從未要求加薪或升職,所有的成就與榮譽都是一步一腳印踏踏實實獲得的。她是美國國家衛生研究院的第一位女性主管,她經常稱讚屬下的團隊精神,並不吝於讚賞他們的優異表現。

她一生未婚,把所有的精力都貢獻給工作,過著充實又美滿的人生。皮特曼博士於1995年過世,享壽94歲,安葬在阿肯色州故鄉的Prairie Grove墓園。對於這樣一位人類的典範,我們謹致上最高的敬意與懷念,也冀望年輕學子能從她的典範中獲得啟發。