一个偶然发现,竟揭开了沉睡134年的秘密

今天,我作为第一作者的一篇论文终于正式发表在Dermatology上了。写一篇文章跟大家分享下这个发现的历程。做研究,有时候就是这样煎熬,但有了新的发现,也是这样让人兴奋。

事情要从1927年说起。

有一位德国科学家叫Bummer,用长波紫外线照射皮肤时,在毛孔开口处观察到了明亮的红色荧光(UVRF)。那时候长波紫外线灯刚刚被发明不久,观察到这种红色荧光也是很令人兴奋的。不过,彼时现代科学仍然处于初期,所以这种红色荧光是什么东西发出的,成了一个谜。

图1 紫外线下的皮肤照片,可见红色荧光(冰寒护肤实验室照片)

直到1967年,Cornelius和Ludwig终于发现,毛囊中寄生的一种厌氧细菌,叫作“痤疮丙酸杆菌(P. acnes)”,可以合成一些卟啉类物质,发出红色的荧光,后来一些研究者陆续发现,这种红色荧光与P. acnes的密度相关,红色越强,这种细菌越多,因此,逐渐地,人们利用这种红色荧光来监测皮肤上的P. acnes数量。1975年,现代皮肤学的鼻祖之一Albert Kligman在与Pluwig合著的一本书中写道:UVRF是一种粗略,但是有用的指标。

图2:发现红色荧光的痤疮丙酸杆菌菌落 (引自Plewig & Kligman. Acne: Morphogenesis and treatment, 1975)

故事很完美有没有?Yes!然而……这只是个开始。

2013年我刚开始做痤疮课题的时候,不断观察痤疮患者皮肤的紫外荧光照片,发现一个出乎意料的情况:在发生痤疮的毛囊中,红色荧光反而很少甚至没有。由于UVRF和痤疮丙酸杆菌的密度相关,那是不是说明发生痤疮的毛囊中,此菌的数量很少甚至没有呢?如果的确如此,那痤疮丙酸杆菌和痤疮的关系就值得怀疑啊!

从这个线索入手,我做了一系列研究,其中有一篇论文发表在Experimental Dermatology(图3)。我在文中提出了这个疑问,于是,炸锅了。

图3 痤疮患者毛囊及毛囊中的角栓很少有红色荧光

先是瑞典的Alexeyev教授写了一篇评论提出了批评,他直接取名“s it time to switch on or off the green light for ultraviolet-induced red fluorescence as a surrogate marker for Propionibacterium acnes in vivo”。一个月后文章传到国内,在一个研究型医院皮肤科主任群里引起争议,既有支持我的观点,也不乏批评之声。为什么呢?

原来有一位韩国作者分别在2009年和2012年发表了两篇论文,主张UVRF与P. acnes的关系并不确定,而是和皮脂中的某些尚不清楚的成分有关。

学术界有一个常见的情况,就是审稿的时候看参考文献:你是不是引用了最新的文献?最好是近3年的,或者是近5年的。如果引用的文献过老,就可能被审稿人认为“没跟上科技前沿”,文章被毙掉的可能性会非常大。我在论文中引用的文献有很多是18XX或19yy年(yy<90)的,但没有引用2009年和2012年这两篇“新”文献。由是,被认为不了解最新的研究进展。

可是,我怎么可能没有读过这两篇文章呢?不但读过,还非常认真地分析过,之所以未作引用,是不想指名道姓地讨(pi)论(ping)。事实上,我的文章投出去后审稿人问的第一个就是这个问题,我已经详细地作了回答并对此问题进行了考证:那位韩国作者的文章,从立论开始就是错误的,他们甚至在引用文献时改了前人的研究结论。导致其错误结论的最重要的一个错误是:把紫外荧光(UVF)和紫外诱导的红色荧光(UVRF)混为一谈。真实的情况是:紫外线照射于皮肤上,毛囊可能发出多种颜色的荧光,红色只是其中一种而已(图1、图3)。审稿人已经接受了我的意见,否则文章是发不出来的。

这些内容只是在审稿过程中提供的,因此很多人对此并不了解。UVRF与皮脂和P. acnes的关系具有重要的临床价值,很多人因为2009年和2012年的文章被误导,因此争论不休。那时我硕士还没有毕业,一天晚上和导师刘玮教授谈到凌晨一点,讨论是不是做一个更严谨的研究,公开、正式地证实皮脂是不是能发出UVRF。

以我的化学基础知识,我认为皮脂不会发出UVRF。原因是要被激发出荧光,这种物质要有较多的共轭结构,但人类皮脂所含有的成分,包括角鲨烷、脂肪酸、蜡酯、一些烯烃类等,并不且备这样的结构基础。我此前也拿一些此类物质的单体初步观察过,它们确实发不出红色荧光——当然,这只是粗略地查看一下而已,算不得什么证据。

与刘老师讨论后,我决定观察皮脂腺细胞、皮脂腺、从皮脂腺中提取得到的皮脂、以及从毛囊中分离得到的微生物四个层面去证实:到底谁能发出红色荧光。

为此我练习了显微分离手术,在显微镜下直接分离人类的皮脂腺;采购了可用于显微镜的微区荧光光谱仪。我想,既然是一个正式的研究,只有肉眼所见的照片是不够的,用光谱仪把荧光的波长确定无误地记录下来,才能算是铁证。

图4 我利用显微手术器械分离得到的人类毛囊皮脂腺

研究设计于2016年6月,7月份就完成了预实验。然而后面就中断了,一直想做,但是考博复习没办法啊!一推再推,拖了一年后,终于在2017年8月份光谱仪到位后正式开始实验,原计划到9月或10月就把论文写完投出去,毕竟此前预实验都做完了。

但世界并不总是我们想象的那样美好。问题出在光谱仪上——用光谱仪测量毛孔样品的红色荧光时,发现我们肉眼所见的红色,实际上至少有两种(图5):一种的波峰是635nm,一种的波峰是大约618-620nm。对于前者,根据以往的研究,应该是来源于PPIX,主要是由痤疮丙酸杆菌合成。

图5 荧光显微镜下的毛囊管型/角栓及其荧光光谱,可见620nm

620nm又来源于什么呢?

皮脂腺细胞,没有发出。皮脂腺和皮脂,也没有。
我把痤疮丙酸杆菌分离培养出来,测得它可以发出635nm的荧光,无论怎么培养、更换什么培养条件,都不会出现620nm的荧光。

那一阵我真的崩溃至极,本来想着快快地、顺顺地、美美地发一篇论文,没想到杀出来这个,要么在论文中承认这个缺陷,要么推迟投稿,继续寻找答案。

我把痤疮丙酸杆菌从第3天培养到第45天、给不同pH值、给脂类,620nm还是不出来。无数次地问自己:是不是哪里出了错?一次次地重复,都是同样的结果,我几乎想放弃了。

10月29日晚上,8点多从实验室离开,走到途中,郁郁寡欢,实在不能忍受,心想再回去看看吧!于是又回到了实验室,继续用长波紫外线检查培养的细菌。

有一株细菌——根据我的经验——是表皮葡萄球菌,菌落的中心,有隐约的针尖大的一点淡红。我想,是不是能发出红色荧光的菌混杂在这里面?想到这里,我决定在黑暗条件下用紫外灯照射,然后再用针尖把这一点点淡红分离出来,看看这个猜想是不是正确。

我关掉实验室所有的灯,以及超净台的照明灯,用牙咬着紫外手电筒,在黑暗中分离这一点可贵的红色。操作了一会儿,突然觉得眼睛好象出问题了,因为我看到那些菌落逐渐都变成红色了!

图6 本次研究的核心成果之一:这种厌氧培养的细菌暴露于空气中后2-3分钟发出波长为620nm左右的红色荧光(引自:https://doi.org/10.1159/000489396)

那一刻,我心中还是有点恐惧的。我一个研究皮肤的,自然知道紫外线的厉害,对视网膜是有伤害的。长期暴露于紫外线,我的眼睛会不会完蛋了,所以才会把白的看成红的?此刻真是后悔为什么没有戴紫外防护镜。

但是实验台上还有其它可发出白色荧光的架子,那个白色荧光仍然是白色。我意识到不是我的眼睛出了问题,而是细菌菌落发生了变化。我的心狂跳起来:也许,这就是答案?!

我迅速切了一块培养基带菌落,奔到楼上在显微镜下测量荧光光谱,峰值恰是620nm!!!无人的黑暗的实验室里,刹那间充满了我的喊叫——并没有什么具体的言语,因为此刻无法用言语形容。

那一夜格外开心。

后面的工作,就是重复实验,以及排除其它可能的因素,原本计划一个月完成的研究,最后花了6个月。。。科研狗的心酸,在此不再细说了,做的人都懂。

总之,最后终于证明:

  1. 毛囊中的UVRF其中有两种,一种是635nm,一种是620nm。二种都是红色,只是肉眼难以分辨。
  2. P. acnes可发出635nm的荧光;表皮葡萄球菌在厌氧条件下培养后,再暴露于好氧环境中,2-3分钟内,可发出620nm的荧光。
  3. 人类的皮脂腺细胞、皮脂腺、皮脂,不发出红色荧光。因此,毛囊中的红色荧光并不是皮脂发出的。所以,也许仍然可以用红色荧光来监测某些细菌。

表皮葡萄球菌首次发现于1884年。134年以来,没有人发现它可以发出红色荧光这个秘密,直到我们揭示它。这是一种很甜蜜的感觉。

有没有缺憾?当然,必然。

  • 比如,我们还不知道这个620nm的荧光强度是不是跟表皮葡萄球菌的密度相关,如果相关,或许可以用620nm的荧光就可以方便地监测毛囊中此细菌的密度。
  • 又如,是什么物质发出的这种红色荧光?细菌又是如何合成它的?为什么短短两三分钟就可以发出,如此高效?是否有相关的酶系统?
  • 再如,这种荧光是否具有治疗价值?表皮葡萄球菌虽然广泛存在看似安全,但在某些条件下也可以成为一种凶险的致病菌。有没有可能利用这种产生荧光的机制进行光动力治疗,更好地杀灭它?

限于时间和精力,以及我的主要研究方向,这些问题有待以后再继续探讨研究。但发现一个历史上从来没有被报道过的现象本身,足以令人感到兴奋。

当然,作为一个首次报道,加上研究做得也不够深,论文发表起来自然也是一波三折,被杂志们拒稿也是意料之中。有的人会认识到研究的价值,也有的人会觉得这个研究不值得发表。好在我的博士导师王秀丽教授、以及远在德国的Zouboulis教授、美国皮肤学会杂志(JAAD)主编Elston教授都认为研究很有价值,十分支持这样一个小但却有创新性的研究。

最后,数位老师和同学都参与了本课题的设计、实施、讨论、审阅,没有大家的帮助和支持,本研究不可能顺利完成:

  • 同济大学附属上海市皮肤病医院主治医师严建娜负责了本次研究所需要的所有皮肤标本采集,用于分离皮脂腺、皮脂;
  • 安徽医科大学附属巢湖人民医院病理科郑炎医生制作了皮脂腺的所有病理切片;
  • 上海交通大学附属仁济医院侯霄枭同学帮助完成了皮脂腺细胞的检查;
  • 第二军医大学附属长征医院真菌研究所姜伟伟博士负责了微生物的基因测序和鉴定;
  • 同济大学附属上海市皮肤病医院、同济大学医学院光医学研究所吉杰博士提供了成纤维细胞作为阴性对照;
  • 德之馨中国有限公司姜义华博士帮助提供了用于提取皮脂的乙醚;
  • 五位志愿者(包括三位师妹)参与了研究,提供了样本;
  • 同济大学附属上海市皮肤病医院光医学治疗科张国龙主任为论文的发表提供了宝贵的建议;
  • 空军总医院皮肤病医院刘玮老师参与了研究设计;
  • 上海交通大学附属仁济医院鞠强教授提供了细胞等研究支持;
  • 德国Dessau Medical Center, Brandenburg Medical School Theodor Fontane的Zouboulis教授提供了研究指导并审阅、修改了论文;
  • 我的博士导师、同济大学附属上海市皮肤病医院王秀丽教授担任了联合通讯作者

在此一并向支持和关心我的老师、同学、朋友们衷心致谢!

我仍然在针对痤疮等皮肤问题进行研究,希望继续得到大家的支持和帮助,希望有一天,我能够用更好、更具实用性的研究成果,帮助更多人解决皮肤问题的烦恼。研究并不容易,但相信只要认真思考和行动,总会有所收获。

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来源:知乎 www.zhihu.com

作者:冰寒

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