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来源:创新战略译丛(之二) 《发现之后：科学研究如何迈向造福人类之路》本章译者：夏婷 校对：施云燕编者按：1

 

来源:创新战略译丛(之二)《发现之后：科学研究如何迈向造福人类之路》校对：施云燕编者按：1996年到2003年，美国国家科学院识别和追踪了一些重要技术进步和医学进步的起源，并开展了一系列案例研究这些案例研究揭示了基础科学所扮演的关键角色，展示了基础研究如何从实验宜或偶然的发现中逐渐发展为可应用于实践的技术，甚至进一步商业化和产业化，成为服务于社会、造福于人类的产品。

实际上，科学家们最初在开展这些基础研究时，并无法预测到其实际应用，但恰恰正是这种自由探索式的基础研究，最后催生了诸如本报告所述的人造皮肤、昆虫信息素、人工耳蜗、人类基因检测等技术或产品另外需要指出的是，本报告的19篇论文都是由专业科学作家和直接参与科学发现的科学家密如合作，共同完成的。

《创新研究》将分期推出这19篇论文第七章 保护视力的奇迹——激光和眼外科手术糖尿病视网膜病变是糖尿病中一种危险的并发症，是导致成年人失明的主要原因每年美国估计有12000名至24000名糖尿病患者因为该并发症而失明——很大程度上是因为他们没有接受定期的眼科检查，因而未能及早发现问题。

如果及时发现糖尿病对视网膜血管带来的损害，就可以通过强大而密集的激光束来及时预防，甚至在某些情况下可以阻止发病及时的激光干预可以预防多达90%的失明病例发生精密激光还可以修复有可能导致视网膜剥脱的小裂孔，激光也被用于与白内障相关的外科手术。

但与流行的看法相反，它们并未用于去除白内障医生们最近已经开始在一个叫做“光性屈光性角膜切削术”或“准分子激光角膜切削术（PRK）”的手术中使用激光来切削角膜表面——视力的清晰保护层，以治疗近视所有这些过程可以在几分钟内完成，疼痛或不适也相对较小。

下面的文章介绍了两门基础研究如何交叉——一个在人体解剖学和医学领域，另一个在物理学领域在20世纪60年代早期，这种交叉带来了眼科学革命，已经挽救了无数严重的视力障碍患者或失明患者许多人在科学领域做出了里程碑式的发现，他们的主要动机仅仅是想要理解自然，但他们的努力为一系列无法预料的结果铺平了道路。

一、“我现在能清楚地看见了……”比尔的家族患有糖尿病：他的曾祖父母和祖父都患有糖尿病在比尔3岁之前，糖尿病还未发病8岁的时候，他自己开始注射胰岛素，严格遵守这个关系到他一生健康的程序这样可能延迟糖尿病视网膜病变。

这种危害视力的并发症大约发生于15岁到20岁，几乎对所有的年轻发病型糖尿病患者都有影响比尔在30岁之前都没有视力问题，因为他定期接受眼科检查，医生也及早地进行了处理光学凝固术——用许多微弱的激光灼伤视网膜的外围——可封锁异常血管生长，这些异常血管如果不及时加以治疗就可能导致失明。

1992年，比尔的双眼接受了手术，这种手术很简单，医生只需在办公室用激光束照射散大的瞳孔即可“我现在一年去四次”，几年后比尔说起这些，他又补充到，他的医生对这个结果都非常满意1997年秋天的一天早晨，一个叫约翰的57岁的企业家醒来，他看到闪光与斑点，眼前有飞蚊出现。

持续到第二天，他去看了眼科医生，被诊断为玻璃体后脱离和轻微的视网膜撕裂玻璃体，一个清澈的、类似胶状体填充在眼睛里，往往在人到中年时发生退化，开始萎缩并从视网膜剥脱这种剥脱在近视人群中很常见；约翰从13岁开始近视戴眼镜。

偶尔，玻璃体剥脱时视网膜会出现撕裂，造成少量的出血，表现为突然发作的飞蚊症为防止约翰的视网膜撕裂发展成视网膜剥脱，医生使用激光封闭它——实际上，就是把裂孔连接起来这个过程只花了几分钟这两个操作的便捷性和简洁性带来了激光眼科保健领域的革命。

早在20世纪50年代，几乎所有的眼科手术病人都需要卧床数周今天，每年有成千上万的人在无痛的手术中恢复视力，这都归功于激光的精密度，以及操作手术的并不是刀片而是一束激光这样一个事实通过向病人的瞳孔聚焦激光束，外科医生就可以对眼睛进行手术而不需要动用手术刀。

手术几乎没有不适，不需要愈合伤口，也没有伤害到眼睛其他部位，恢复时间很短对于所有的高科技产品来说，如果不是研究人员首先费心发现眼睛是如何工作的，并确认各种视觉缺陷的原因，就不会有激光和其它现代外科技术在眼科中的应用。

长久以来的一个观点是，位于瞳孔后面的晶状体有助于光聚焦在视网膜上，是视力的落脚点，除去它会导致失明古人没有视网膜的概念，也不了解它的重要作用二、视网膜——视力的落脚点人类意识到的眼睛工作原理的现代概念起源于文艺复兴时期，也许付出最明显努力的是德国天文学家和物理学家约翰尼斯·开普勒（Johannes Kepler）。

在一些简单的实验和计算的基础上，开普勒发现晶状体只是一个折射体，与角膜共同起作用使光线聚焦于视网膜上在1604年出版的《对维泰洛的补充》（Ad Vitellionem Paralipomena）一书中，开普勒提出了光学、视力的生理机能和折射运算的新理论。

除此之外，他提出了“聚焦”一词并表示光线在视网膜前方聚焦是导致近视的原因，也就是会出现远处的物体看起来模糊而近处的物体看起来清晰的情况到现在人们使用眼镜将近400年，但在开普勒之前——他本人是近视——没有人理解为什么人工晶状体改善了视力。

在接下来的三个世纪，内科医生和解剖学家继续加深他们对眼睛及其疾病的理解，最终认识到对视网膜的任何伤害都会对视力造成毁灭性的影响简而言之，眼球后部细胞衬的薄膜层类似于相机的胶卷如果胶卷损坏了，就不可能成像，即使相机的其他部件都正常工作。

这种生物学的“胶卷”实际上是大脑神经组织的扩展在胚胎的发展早期，神经管引导大脑和脊髓形成两个视泡，每一种都向内翻折形成一个视杯视杯的内壁细胞，属于神经上皮，最终发育成视网膜在细胞的发展过程中，内壁细胞分化成视力所需要的视网膜细胞；外壁细胞的分化成眼球后部的色素上皮。

导致视网膜如此脆弱的原因是,通常这两个细胞层之间没有粘附力除了视神经周围等少数几个附着点，视网膜都是依靠玻璃体的流体压使其与色素上皮紧贴并固定于眼球后部很长一段时间没有人明白为什么视网膜会自然剥脱——也就是说，在没有突然受到击打的情况下突然脱落。

随后，在1918年,朱尔斯·高宁（Jules Gonin）向瑞士眼科学会（Swiss Ophthalmological Society）宣布视网膜自然剥脱一般都与视网膜裂孔有关眼科医师最终明白，玻璃体渗液可通过视网膜裂孔渗透到视网膜及其最外细胞层之间——视网膜色素上皮层，使视网膜从眼球后壁脱落。

当这一切发生的时候，就会造成失明此外，如果视网膜从提供必要的营养物质的色素上皮层脱落太久，视网膜上的神经细胞就会死亡1920年，朱尔斯·高宁在其首次发现视网膜剥脱原因后的两年，宣称自己可以使用一种“火针术”来治愈一小部分视网膜剥脱患者。

这项技术需要用热针烧灼巩膜（眼球壁的不透明外层）,并有意地穿透巩膜使视网膜下的液体流出这项手术成功率只有53%，也引起了高度争议其他治疗视网膜疾病的设想终被提出，但进展缓慢电凝疗法也需要切入眼球壁,需对视网膜使用产热电探头。

随着切口愈合，眼球壁也会大幅收缩直到20世纪60年代冷凝疗法，或称冰冻术的出现，才实现了在无需大面积损害裂口周边视网膜的情况下，治疗视网膜撕裂所有这些疗法都试图封堵视网膜缺损，包括使视网膜组织凝结或形成疤痕，这些疗法风险性高、疼痛性大，并且需要很长的恢复期。

三、同时期的物理进展1917年，在朱尔斯·高宁宣布发现视网膜自然剥脱的原因之前，阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）发表了一篇关于“受激发射”现象的文章，这最终导致了激光的产生爱因斯坦的想法建立在1900年德国物理学家马克斯·普朗克（Max Planck）和1913年丹麦理论家尼尔斯·波尔（Niels Bohr）的工作基础之上。

普朗克认为，加速的原子以不连续能量子的形式辐射能量，他称之为“量子”五年后，1905年，爱因斯坦提出了光并不是由波组成的流行理论，认为每一个不连续的能量子或粒子（后来叫光子）都包含能量随后，他证明了物质可以吸收和发射光能（即光子的能量），并使用该理论解释了困惑科学家们几十年的光电效应这种现象。

因为这一突破性的发现，他获得了诺贝尔奖在接受光的波粒二象性之前，物理学家们多年来一直争论光是波还是粒子今天，依据波长、两个波峰之间的距离，或者它的频率可以来描述电磁波，用赫兹（hertz）来表示，代表每秒中周期性变动重复次数的计量。

波长越短，频率越高，光子的能量越高之前的辩论结束后，爱因斯坦又有了新发现根据尼尔斯·波尔的原子模型，原子能级决定着绕核轨道的能量，而电子围绕着这些轨道运动原子所能吸收的能量恰好是电子从一个轨道跃迁到一个更高轨道所需的能量，而且当电子从一个更高的轨道跃迁向更低的轨道时也会发射出能量。

这解释了为什么特定气体的原子，如氖气，具有独特的波长和特定的颜色处于激发态的原子——就即原子的电子处在高能轨道——最终将自发回落到最低轨道，这是它们储存能量的过程这种自发发射比较随机，发射出的光子能量也会射向随机的方向。

根据爱因斯坦的理论，如果原子在受激态遇到光子激发会产生能量（相当于低能和高能状态的差别），这种激发可以引发一系列链式反应不仅链式反应增强了光穿越的强度，而且会使发射光子和入射光子朝向同一个方向然而，如果所有的原子中处于激发状的原子比处于基态的原子多，通过受激发射就能放大光强度。

受激发射因此需要所谓的粒子数反转：必须人为地将原子分布比例推进到激发态，这通常由光照来完成四、光的能量这个故事发生在第二次世界大战之后在第一颗原子弹爆炸之后，许多研究人员开始研究人们在50英里之外看到原子弹爆炸时的闪光导致视网膜灼伤以致最后失明的现象。

类似的现象比如日食盲，至少在柏拉图时期就已经被大家熟知在1946年的春天，德国眼科医生格尔德·迈耶·施魏氏（Gerd Meyer-Schwickerath）在检查了一些因1945年7月10日的日食而遭到视网膜损伤的患者之后，开始对这个问题感兴趣。

他注意到患者的视网膜创伤是因为暴露在强烈日光下造成的，类似那种表面电凝疗法引起的创伤，也就是说，这种创伤相当于医生试图通过对眼睛采用高温封堵视网膜裂孔或糖尿病性视网膜病变区域而引起的在接下来的几年，迈耶·施魏氏进行了大量的实验，试图完善光学凝固术这种用激光凝固视网膜组织。

这不是一个简单的命题一方面，凝固视网膜裂孔可以防止视网膜剥脱另一方面，视网膜被凝固的区域就被破坏了诀窍就是尽可能缩小凝固点，并尽可能保留多的视力迈耶·施魏氏的研究表明，一些波长在400-900纳米之间的光能够不被角膜和晶状体里的蛋白质吸收或散射，在不损失能量的情况下穿过视网膜。

他也了解到，由相邻色素细胞层吸收的光能所产生的热，会提高视网膜的温度，通常情况下透明的视网膜会变成白色该区域将开始反射光而非吸收光，而凝固也将终止他需要对视网膜裂孔进行局部精准凝固的仪器，需要在很短的时间内完成这些，以将对眼睛其他部位的伤害减到最小。

在20世纪50年代中期，美国马萨诸塞州的索斯布里奇的光学公司为电影制作开发了高压氙弧灯这种灯产生的光非常明亮，以致于如果人们直视的话会无意中造成视网膜凝固这曾是迈耶·施魏氏寻求的光源不久，德国奥伯科亨的蔡司实验室（ZeissLaboratories）就将氙气灯使用到了光学凝固器中，被迈耶·施魏氏誉为 “最伟大的技术改善”，医生使用起来也更容易。

1959年蔡司实验室将三台这样的光学凝固器运到了美国五、通过分子来产生光大约在同一时间，迈耶·施魏氏试验了治疗性光学凝固法，哥伦比亚大学辐射实验室的查尔斯·汤斯（Charles Townes），仍在继续研究始于战争时期的微波雷达。

汤斯希望在毫米范围内通过使用很短的微波波长来锐化雷达影像1951年，他产生了利用分子产生更短的波长的想法在1953年末，汤斯和合作者詹姆斯·戈登（James Gordon）和赫伯特·齐格尔（Herbert Zeiger）证明了这一想法。

该设备将氨分子束射入电场，该电场使低能状态下的氨分子偏转，但不妨碍高能状态的氨分子通过并射入另一个电场接触到第二个电场导致所有高能分子几乎同时回到基态，发射出的光子都在同一频率并在同一个方向移动汤斯称它为微波激射器，指的是通过辐射受激发射来放大微波。

很快就弄清楚的是，受激发射对红外线短波甚至可见光都有效，能产生一种激光，可用字母“l”代表汤斯和他的妹夫，贝尔电话实验室的物理学家阿瑟·伦纳德·肖洛（Arthur Schawlow），阐释了关于激光作用的更完整的理论。

1958年末，汤斯·肖洛的论文“红外和光学微波激射器”（“Infrared and Optical Masers”）刊发在《物理评论》（Physical Review）杂志上科学家受此启发,试图研发一个激光设备。

1960年6月，休斯飞机公司（Hughes Aircraft Company）研究实验室的物理学家西奥多·梅曼（Theodore Maiman），使用人造红宝石成功研制出第一台红宝石激光器激光让科学界振奋不已，许多研究者开始探索如何对激光进行实际应用。

令人惊奇的是，在梅曼成功研制红宝石激光器的一年多后，该设备就被用来修复视网膜仿佛眼外科医生在激光出现之前只是原地踏步六、工作中的意外发现从某种意义上说，也许蔡司光学凝固器一直都有一些缺点它发射从400—。

1600纳米波长范围内的光，这些光对眼睛有潜在的危险同样，它的光束比较宽广，能造成直径约500—1000微米的病变，约和曲别针线一样粗因为宽光波束要求最大程度散瞳，治疗会产生250—1000毫秒的必要灼烧，并导致患者的虹膜收缩，因此这种治疗通常很痛。

相比之下，红宝石激光器产生的是694.3纳米的光束，并且光束具有紧密指向性它能够凝结视网膜上最小到50微米的斑点，大约相当于人类头发的直径，在0.2—1.0 毫秒就可以完成——所需时间显著减少在接下来的5年多时间内，分别位于美国东西海岸的两个研究团体，开展了眼科学领域的两个关键的激光实验。

位于东海岸的是曼哈顿的哥伦比亚长老会医学中心（Columbia-Presbyterian Medical Center）的眼科研究所（曾在1959年收到第一个蔡司凝固器）的查尔斯·坎贝尔（Charles Campbell），和马萨诸塞州索斯布里奇的美国光学公司的查尔斯·凯斯特（Charles Koester）。

1960年年底之前，凯斯特开始参与激光光学凝固术的研究，很快他邀请坎贝尔一起参与项目研究1961年秋，他们两人第一次对受试人使用激光治疗，用原型红宝石激光光学凝固器为患者治疗视网膜肿瘤而另一个位于西海岸的研究团体则位于斯坦福大学内。

1955年，斯坦福大学临床学院的研究员弥尔顿·弗罗克斯（Milton Flocks）和斯坦福大学教师兼帕洛阿尔托医学基金会的执业眼科医生克里斯汀·茨文（Christian Zweng），参加了迈耶·施魏氏（Meyer-Schwickerath）介绍蔡司光学凝固器的一个会议。

他们对此印象深刻，所以他们向美国国立卫生研究院（National Institutes of Health）申请了该仪器，四年后他们在美国开始应用该仪器当弥尔顿·弗罗克斯和克里斯汀•茨文开始对激光的使用进行研究时，他们与1960年创立光学技术的物理学家纳林德尔·卡帕尼（Narinder Kapany）合作。

斯坦福团队在1963年8月实施了第一例激光手术，不到一年之后，1964年6月在美国医学协会（AMA）的年会上，他们发表了对25例患者进行红宝石激光治疗的结果纽约医疗中心的弥尔顿•泽瑞特（Milton Zaret）也参加了该会议，他的兴趣主要在辐射对人类的影响。

1961年，他发表了第一篇关于激光对眼睛存在潜在危险的论文虽然他也认识到激光的治疗潜力，但泽瑞特在AMA会议上表示，目前研究人员还不知道激光对患者或操作者的长期影响，因为他们一直暴露于辐射之中医学界铭记这些注意事项，并在未来几年内进行了很多努力，设计医疗专用的安全的激光设备。

七、氩的出现为此作出努力的先驱之一是哥伦比亚长老会医学中心的弗兰西斯·L·埃斯佩兰斯（Francis L’Esperance）1963年，他开始使用红宝石光学凝固器，尝试用它治疗糖尿病性视网膜病变这个病变的异常血管壁较弱，可能会破裂，使玻璃体浑浊并影响视力。

异常血管还可以增加瘢痕组织，使视网膜脱落，引起严重的视力损害，甚至失明1965年年初，埃斯佩兰斯在纽约的一次会议上发表了一篇关于他的研究成果的论文他指出其中的一个关键是，血液仅仅吸收6%-7%红宝石激光器的红光，这意味着需要用红宝石光学凝固器去灼烧视网膜血管8-10次。

埃斯佩兰斯主张研发蓝绿激光，它的光能更高程度地被血管吸收事实上，这种利用氩离子源的激光，一年前就已经被研发出来L•埃斯佩兰斯在纽约会议两周后就得知贝尔实验室已有了其中一个的设备他说服贝尔的研究者尤金·戈登（Eugene Gordon）和爱德华·拉布达（Edward Labuda）和他一起设计把氩激光的能量输送到眼睛的光学和机械系统。

最终，L·埃斯佩兰斯从雷声公司获得了一台10瓦的氩激光器，在进一步的细化和认真的实验之后，1968年2月他使用氩离子激光为患者治疗到2月末他已经开始使用氩离子激光器来治疗糖尿病视网膜病变患者了大约一年之后，威尔默眼科研究所（Wilmer Ophthalmological Institute的阿诺·帕兹（Arnall Patz）博士开始使用氩激光治疗糖尿病及相关视网膜病变患者。

与激光眼科的其他先驱者不同，帕兹没有来自私营企业的支持他用抵押住宅和借来的钱支付约翰·霍普金斯大学应用物理实验室，让该实验室为他研制了一台氩激光器到1970年，他治愈了各种视网膜病变患者共计285例20世纪70年代初，帕兹、L•埃斯佩兰斯和克里斯汀•茨文共同指导其他眼科医师如何使用氩激光。

泛视网膜切除消融术已被证明是治疗糖尿病性视网膜病变最有效的方法该方法由波士顿加斯林糖尿病中心（Joslin Diabetes Center）的劳埃德·艾洛（Lloyd Aiello）提出，该方法使用激光消融或蒸发外周视网膜的散在区域而不是直接凝结血管。

今天，通过治疗糖尿病视网膜病变以防止失明是激光在眼科中的首要应用八、调整激光器以满足任务眼科的激光应用最令人振奋的发展之一是使用紫外准分子激光重塑角膜，这个过程被称为准分子激光角膜切削术（PRK）受激准分子激光器设备使用氩和氟气体的混合物，是在1970年代中期研发出来的。

（术语“激态原子”，是“活跃”和“二聚物”的缩写，这其实是一个误称，在激发态中对氩和氟原子的使用是不一样的，所以他们不能构成一个二聚体）许多研究人员参与了受激准分子激光器的早期研究及其在眼科中的应用在20世纪70年代末和80年代初，约翰·塔沃阿达（John Taboada）发现，角膜上皮对准分子中193纳米波长的光非常敏感。

此外，在20世纪80年代初，IBM的研究人员斯里尼瓦桑（R. Srinivasan），使用准分子激光在电脑芯片中刻上微电路，发现它也可以极精准的切割和去除生物组织——更重要的是，没有严重的热损伤哥伦比亚大学的斯蒂芬·特洛寇（Stephen Trokel），曾与斯里尼瓦桑（Srinivasan）一起工作过， 1983年他发布了将这种激光应用于角膜的线性切除术的成果。

在接下来的四五年内，关于准分子激光器的研发工作在世界各地蓬勃发展到20世纪90年代初，美国食品和药品管理局批准了矫正近视仪器的临床试验1995年底，FDA最终批准了该仪器的临床应用准分子激光角膜切削术（PRK）和较早先的屈光手术——放射状角膜切开术（RK）通过手术来矫正屈光不正，替代了使用眼镜或隐形眼镜。

这两者都是通过改变近视患者角膜的形状，将眼球焦点从视网膜前方回位到视网膜之上放射状角膜切开术（RK）是使用金属或钻石刀片在角膜组织上做一个切口准分子激光角膜切削术（PRK）不需要切口依据每个患者的情况，激光能够按照程序去除少量的角膜组织。

手术中会使用麻醉药水使眼球表面麻木，患者在整个手术过程中保持清醒和有意识整个过程需要几分钟，实际的激光使用大约是一分钟20—30分钟之后，病人就可以回家，通常视力改善的效果立竿见影，只有一小部分患者会遇到持续性角膜浑浊并永久影响视力。

在过去的10年中，全世界有超过50万人做了准分子激光角膜切削术，而用外科切口手术治疗近视的情况在大多数国家中大大减少或消除了在激光出现近40年后的今天，眼科医师继续探索挽救视力仪器的新的可能性，包括名为超短激光脉冲的最新技术，其持续时间仅千万亿分之一秒，可用于治疗青光眼和白内障。

正如爱因斯坦也不可能预见到有一天受激发射这种有趣的现象会被用来治疗近视和预防视网膜剥脱，今天的科学家从事物理、生物学等领域的基础研究无疑会在不久的将来为实现人类的福祉奠定基础