差点让诺奖得主翻船的事故,帮千万人摘掉了眼镜

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科学带来的不止是高级深奥的知识,还有一些能够让人们做出 " 等等,还可以这样?" 的吃惊反应,且并不广为人知的前沿突破。前段时间公布的最新一届 " 金鹅奖 "(Gloden Goose Awards)正是专门为后者准备的奖项,共有三项神奇的科学发现获得了这个看上去有些特别的奖项。其中既有成本仅为 1 美元,却极大推动不发达地区公共卫生和科学建设的纸质显微镜;也有本来是副业,后来却催生了强效止痛剂 ziconotide 并重塑神经科学领域的芋螺毒素。而最令人惊叹的,是一次实验室事故让诺奖技术走进普通人的生活,帮助数千万人摘下了眼镜。

图片来源:Pixabay

作者 Meredith Asbury

翻译 阿金

编辑 魏潇

将近 30 年前,美国密歇根大学(University of Michigan)超快光学中心(CUOS)的一名研究生在实验室中遭遇了一场意外事故,激光导致他的一只眼睛受了伤。幸运地是,他恢复得很快,此后也没有受到持续性影响。然而,激光在他视网膜上灼烧出的微小精准的圆形伤痕,让一项令人激动的合作就此产生。八年之后,一套被称作无刃 LASKI 的视力矫正手术诞生了,它使用飞秒激光而不是精密的手术刀切入人类角膜,然后重塑其形,提高患者视力。

从 2002 年起,已有 2400 万人受益于无刃 LASIK,这种手术限制了并发症,扩大了有资格接受手术的患者范围,如今已是业内的标准操作。

只需一记 " 脉冲 "

1953 年,查尔斯 · H · 汤斯(Charles H. Townes)通过受激辐射创造出首个微波放大技术,简称脉泽(maser),由此让世界认识了激光技术的原理。尽管他遭遇了众多没有意识到这项技术多么有价值的人的质疑,但科学界就此开始探索创造更强烈的激光脉冲的方法。

美国能源部(U.S. Department of Energy)将超快科学定义为 " 研究原子、分子或者材料在百万甚至十亿分之一秒内发生各种现象的过程 "。直至上世纪 80 年代,激光领域似乎达到了强度上限。然而,1985 年,美国罗彻斯特大学(Unviersity of Rochester)教授、法国物理学家热拉尔 · 穆鲁(Gerard Mourou)使用更强大的激光脉冲展开实验,想方设法在不重建激光的条件下提升强度。穆鲁团队隶属于罗彻斯特大学激光能量学实验室(Laboratory for Laser Energetics, LLE),由美国能源部资助成立。

穆鲁后来回忆说,灵感是有一次在他坐滑雪缆车时闪现的。当时,他看到缆车上的座椅张开又合拢,想到也许可以对激光脉冲做同样的事儿。他假设,将脉冲在空间上先分离开并增大强度,它们重新汇聚之后就可能会产生更强的激光。唐娜 · 斯特里克兰(Donna Strickland)当时是罗彻斯特大学为数不多攻读物理学博士的女生之一,她加入了 LLE,并被分派到穆鲁的超快科研团队,协助检验导师的理论。

两人一起开发出啁啾脉冲放大技术(chirped pulse amplification,CPA),这种光学技术可产生短小、强烈的激光脉冲,从而精准蒸发靶点,同时不会对周围材料产生附带伤害。这一发现为穆鲁和斯特里克兰赢得了 2018 年的诺贝尔物理学奖。科学进展让激光技术的峰值强度一飞冲天,开创了不少崭新的研究和实际应用领域。

2018 诺贝尔物理学奖得主。图片来源:诺奖官网截图

眨眼之间

从 1991 年至 2001 年,穆鲁在美国国家科学基金会(NSF)科学技术中心建立并领导了超快光学中心(CUOS),并将 CPA 技术带到了密歇根大学。在这段时期,他们使用这一技术来理解化学反应,并用它来冻结其他反应,但医学领域尚未在考虑范围之内。

在 CUOS,有几个研究生在穆鲁博士的实验室工作,其中包括了 1993 年进入实验室的杜德涛(Detao Du)。他后来回忆说虽然被分配了实验项目,但也可自由探索自己感兴趣的内容。在寻找回答复杂研究问题的过程中,曾发生过一场他不愿再细想的事故。杜德涛说有一天晚上自己 " 肯定是太累了 ",在对准实验室飞秒激光镜的时候,不小心摘掉了护目镜。红外线激光能以极快的速度发射能量,因此他无意间暴露在实验室最强大的可控激光能量中。他说自己捕捉到一束散乱射出的光束(并不是激光主光束),看到一记闪光。本能告诉他自己的眼睛经历了不可见的伤害,需要找个医生检查一下,确保眼睛没有受伤。

图片来源:Pixabay

杜德涛去了密歇根大学凯洛格眼科中心(Kellogg Eye Center)接受检查。在那里,正接受住院医师第二年训练的罗恩 · 库尔茨(Ron Kurtz)被召来评估损伤。在评估过程中,库尔茨观察到激光在视网膜中心留下了一系列精确的激光灼伤点,呈现非常精确且完美的圆形,与当时临床中看到的其他激光灼伤都不相同。检查完后,库尔茨和穆鲁团队碰了头,他们主要是为了加强实验室激光安全,还一起研究了他们研发的激光是否有临床应用价值。万幸的是,经历了这次实验事故的杜德涛很快从激光带来的视网膜灼伤中恢复了过来。穆鲁的实验室也逃过一劫,并未因发生事故而关闭。当时这位还未将诺奖揽入怀中的物理学家,无论如何也没有想到,自己开发的飞秒激光技术还能在物理学以外的领域大展身手。

命运般的邂逅

自此,库尔茨与杜德涛合作,重点观察了使用飞秒激光脉冲对(人体)组织和其他材料造成的损伤阈值。在这次实验事故发生后一年多的 1994 年,他们在一次光学会议上讲述了自己的发现。会上他们遇到了蒂博尔 · 尤哈斯(Tibor Juhasz),这位来自美国加利福尼亚大学尔湾分校(University of California, Irvine )的研究员,正好也在研究飞秒激光在眼科领域的应用。1987 年之前,尤哈斯还曾在穆鲁的实验室做过几年博士后。会议结束后没多久,某天清晨,他接到了自己前导师的电话,邀请他去密歇根大学参与飞秒激光眼科手术的应用研发。

当时,密歇根大学也意识到这一研究的潜力,它既能产生社会影响,又能带来经济效益,于是承诺投入大学研究基金,协助扩大并加速研究。另外的资金赞助还来自美国国立卫生研究院(NIH)以及 NSF 的小型企业创新研究项目(SBIR)。因此,库尔茨、尤哈斯和 CUOS 实验室共同合作,研发出了不伤害周边组织的视力矫正手术新方法

到了 1997 年,库尔兹和尤哈斯创立了 IntraLase,这是一家将无刃 LASIK 技术商业化实现屈光手术(更熟悉的名称是视力矫正手术)的独立公司。尽管他们的初创公司拥有几种可能的应用方向,但他们选定看上去最有前途的眼角膜手术。所研发的手术方案通过使用飞秒激光而不是以往用来切开角膜的传统手术刀,来重塑患者的视力

到了 2001 年,经过几年成功的临床研究,这种技术最终获得了美国食品药品监督管理局(FDA)的批准,他们推出了全球第一款商用飞秒激光设备。公司得到了美国安娜堡企业发展基金会(Enterprise Development Fund of Ann Arbor)的初轮种子投资,另外还收获了 NIH、NSF 以及大学科技转化部门的小型企业创新研究(SBIR)经费支持。2004 年,IntraLase 上市,成功赚取 8400 万美元。2007 年,美国眼力健公司(Advanced Medical Optics)以 8080 万美元的价格收购了 IntraLase。后来,IntraLase 进入强生视觉视力健(Johnson & Johnson Vision)旗下。如今,根据《克雷恩底特律商报》(Crain ’ s Detroit Business)的评估,InterLase 是密歇根大学孵化的最成功初创企业之一

飞秒激光近视矫正手术。图片来源:Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=8215343

为未来应用设定标准

飞秒激光方法最终取代了金属刀片,甚至赶上了一直被认为是视力恢复手术的标准技术——准分子激光。由于飞秒激光的精准切割,与前几代手术方法相比,这些无刃方法往往意味着更小的并发症风险。自推出以来,每年飞秒激光手术的数量已经增长至 200 到 300 万例,超过 3000 万人受益于该技术。用飞秒激光进行视力手术的应用不断发展,并广为接受,如今已经成为全球最常实施的矫正手术之一。

从一场实验室意外,到 CUOS 实验室的合作项目,包括罗恩 · 库尔茨和蒂博尔 · 尤哈斯在内的多位研究人员继续探索着飞秒激光的其他应用潜力,尤其涉及最常见的眼科疾病,例如青光眼和白内障。2008 年,两人再次联手研发了飞秒激光白内障手术。如今,这一技术在白内障手术中的覆盖率大约在 15% 左右。目前,一家由尤哈斯领导的美国加利福尼亚初创公司 ViaLase 正在研发新方法,通过使用飞秒激光更有效地治疗青光眼。

感谢他们的研究,我们中的许多人如今能够更清晰地观赏这个世界。