科學(xué)帶來(lái)的不止是高級(jí)深?yuàn)W的知識(shí)，還有一些能夠讓人們做出“等等，還可以這樣？”的吃驚反應(yīng)，且并不廣為人知的前沿突破。前段時(shí)間公布的最新一屆“金鵝獎(jiǎng)”（Gloden Goose Awards）正是專門為后者準(zhǔn)備的獎(jiǎng)項(xiàng)，共有三項(xiàng)神奇的科學(xué)發(fā)現(xiàn)獲得了這個(gè)看上去有些特別的獎(jiǎng)項(xiàng)。其中既有成本僅為 1 美元，卻極大推動(dòng)不發(fā)達(dá)地區(qū)公共衛(wèi)生和科學(xué)建設(shè)的紙質(zhì)顯微鏡；也有本來(lái)是副業(yè)，后來(lái)卻催生了強(qiáng)效止痛劑 ziconotide 并重塑神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的芋螺毒素。而最令人驚嘆的，是一次實(shí)驗(yàn)室事故讓諾獎(jiǎng)技術(shù)走進(jìn)普通人的生活，幫助數(shù)千萬(wàn)人摘下了眼鏡。

圖片來(lái)源：Pixabay

作者 Meredith Asbury

翻譯 阿金

編輯 魏瀟

將近 30 年前，美國(guó)密歇根大學(xué)（University of Michigan）超快光學(xué)中心（CUOS）的一名研究生在實(shí)驗(yàn)室中遭遇了一場(chǎng)意外事故，激光導(dǎo)致他的一只眼睛受了傷。幸運(yùn)地是，他恢復(fù)得很快，此后也沒(méi)有受到持續(xù)性影響。然而，激光在他視網(wǎng)膜上灼燒出的微小精準(zhǔn)的圓形傷痕，讓一項(xiàng)令人激動(dòng)的合作就此產(chǎn)生。八年之后，一套被稱作無(wú)刃 LASKI 的視力矯正手術(shù)誕生了，它使用飛秒激光而不是精密的手術(shù)刀切入人類角膜，然后重塑其形，提高患者視力。

從 2002 年起，已有 2400 萬(wàn)人受益于無(wú)刃 LASIK，這種手術(shù)限制了并發(fā)癥，擴(kuò)大了有資格接受手術(shù)的患者范圍，如今已是業(yè)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)操作。

只需一記“脈沖”

1953 年，查爾斯·H·湯斯（Charles H. Townes）通過(guò)受激輻射創(chuàng)造出首個(gè)微波放大技術(shù)，簡(jiǎn)稱脈澤（maser），由此讓世界認(rèn)識(shí)了激光技術(shù)的原理。盡管他遭遇了眾多沒(méi)有意識(shí)到這項(xiàng)技術(shù)多么有價(jià)值的人的質(zhì)疑，但科學(xué)界就此開(kāi)始探索創(chuàng)造更強(qiáng)烈的激光脈沖的方法。

美國(guó)能源部（U.S. Department of Energy）將超快科學(xué)定義為“研究原子、分子或者材料在百萬(wàn)甚至十億分之一秒內(nèi)發(fā)生各種現(xiàn)象的過(guò)程”。直至上世紀(jì) 80 年代，激光領(lǐng)域似乎達(dá)到了強(qiáng)度上限。然而，1985 年，美國(guó)羅徹斯特大學(xué)（Unviersity of Rochester）教授、法國(guó)物理學(xué)家熱拉爾·穆魯（Gerard Mourou）使用更強(qiáng)大的激光脈沖展開(kāi)實(shí)驗(yàn)，想方設(shè)法在不重建激光的條件下提升強(qiáng)度。穆魯團(tuán)隊(duì)隸屬于羅徹斯特大學(xué)激光能量學(xué)實(shí)驗(yàn)室（Laboratory for Laser Energetics, LLE），由美國(guó)能源部資助成立。

穆魯后來(lái)回憶說(shuō)，靈感是有一次在他坐滑雪纜車時(shí)閃現(xiàn)的。當(dāng)時(shí)，他看到纜車上的座椅張開(kāi)又合攏，想到也許可以對(duì)激光脈沖做同樣的事兒。他假設(shè)，將脈沖在空間上先分離開(kāi)并增大強(qiáng)度，它們重新匯聚之后就可能會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)的激光。唐娜·斯特里克蘭（Donna Strickland）當(dāng)時(shí)是羅徹斯特大學(xué)為數(shù)不多攻讀物理學(xué)博士的女生之一，她加入了 LLE，并被分派到穆魯?shù)某炜蒲袌F(tuán)隊(duì)，協(xié)助檢驗(yàn)導(dǎo)師的理論。

兩人一起開(kāi)發(fā)出啁啾脈沖放大技術(shù)（chirped pulse amplification，CPA），這種光學(xué)技術(shù)可產(chǎn)生短小、強(qiáng)烈的激光脈沖，從而精準(zhǔn)蒸發(fā)靶點(diǎn)，同時(shí)不會(huì)對(duì)周圍材料產(chǎn)生附帶傷害。這一發(fā)現(xiàn)為穆魯和斯特里克蘭贏得了 2018 年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?？茖W(xué)進(jìn)展讓激光技術(shù)的峰值強(qiáng)度一飛沖天，開(kāi)創(chuàng)了不少嶄新的研究和實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域。

2018 諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主。圖片來(lái)源：諾獎(jiǎng)官網(wǎng)截圖

眨眼之間

從 1991 年至 2001 年，穆魯在美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）科學(xué)技術(shù)中心建立并領(lǐng)導(dǎo)了超快光學(xué)中心（CUOS），并將 CPA 技術(shù)帶到了密歇根大學(xué)。在這段時(shí)期，他們使用這一技術(shù)來(lái)理解化學(xué)反應(yīng)，并用它來(lái)凍結(jié)其他反應(yīng)，但醫(yī)學(xué)領(lǐng)域尚未在考慮范圍之內(nèi)。

在 CUOS，有幾個(gè)研究生在穆魯博士的實(shí)驗(yàn)室工作，其中包括了 1993 年進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室的杜德濤（Detao Du）。他后來(lái)回憶說(shuō)雖然被分配了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，但也可自由探索自己感興趣的內(nèi)容。在尋找回答復(fù)雜研究問(wèn)題的過(guò)程中，曾發(fā)生過(guò)一場(chǎng)他不愿再細(xì)想的事故。杜德濤說(shuō)有一天晚上自己“肯定是太累了”，在對(duì)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室飛秒激光鏡的時(shí)候，不小心摘掉了護(hù)目鏡。紅外線激光能以極快的速度發(fā)射能量，因此他無(wú)意間暴露在實(shí)驗(yàn)室最強(qiáng)大的可控激光能量中。他說(shuō)自己捕捉到一束散亂射出的光束（并不是激光主光束），看到一記閃光。本能告訴他自己的眼睛經(jīng)歷了不可見(jiàn)的傷害，需要找個(gè)醫(yī)生檢查一下，確保眼睛沒(méi)有受傷。

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杜德濤去了密歇根大學(xué)凱洛格眼科中心（Kellogg Eye Center）接受檢查。在那里，正接受住院醫(yī)師第二年訓(xùn)練的羅恩·庫(kù)爾茨（Ron Kurtz）被召來(lái)評(píng)估損傷。在評(píng)估過(guò)程中，庫(kù)爾茨觀察到激光在視網(wǎng)膜中心留下了一系列精確的激光灼傷點(diǎn)，呈現(xiàn)非常精確且完美的圓形，與當(dāng)時(shí)臨床中看到的其他激光灼傷都不相同。檢查完后，庫(kù)爾茨和穆魯團(tuán)隊(duì)碰了頭，他們主要是為了加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室激光安全，還一起研究了他們研發(fā)的激光是否有臨床應(yīng)用價(jià)值。萬(wàn)幸的是，經(jīng)歷了這次實(shí)驗(yàn)事故的杜德濤很快從激光帶來(lái)的視網(wǎng)膜灼傷中恢復(fù)了過(guò)來(lái)。穆魯?shù)膶?shí)驗(yàn)室也逃過(guò)一劫，并未因發(fā)生事故而關(guān)閉。當(dāng)時(shí)這位還未將諾獎(jiǎng)攬入懷中的物理學(xué)家，無(wú)論如何也沒(méi)有想到，自己開(kāi)發(fā)的飛秒激光技術(shù)還能在物理學(xué)以外的領(lǐng)域大展身手。

命運(yùn)般的邂逅

自此，庫(kù)爾茨與杜德濤合作，重點(diǎn)觀察了使用飛秒激光脈沖對(duì)（人體）組織和其他材料造成的損傷閾值。在這次實(shí)驗(yàn)事故發(fā)生后一年多的 1994 年，他們?cè)谝淮喂鈱W(xué)會(huì)議上講述了自己的發(fā)現(xiàn)。會(huì)上他們遇到了蒂博爾·尤哈斯（Tibor Juhasz），這位來(lái)自美國(guó)加利福尼亞大學(xué)爾灣分校（University of California, Irvine ）的研究員，正好也在研究飛秒激光在眼科領(lǐng)域的應(yīng)用。1987 年之前，尤哈斯還曾在穆魯?shù)膶?shí)驗(yàn)室做過(guò)幾年博士后。會(huì)議結(jié)束后沒(méi)多久，某天清晨，他接到了自己前導(dǎo)師的電話，邀請(qǐng)他去密歇根大學(xué)參與飛秒激光眼科手術(shù)的應(yīng)用研發(fā)。

當(dāng)時(shí)，密歇根大學(xué)也意識(shí)到這一研究的潛力，它既能產(chǎn)生社會(huì)影響，又能帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益，于是承諾投入大學(xué)研究基金，協(xié)助擴(kuò)大并加速研究。另外的資金贊助還來(lái)自美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院（NIH）以及 NSF 的小型企業(yè)創(chuàng)新研究項(xiàng)目（SBIR）。因此，庫(kù)爾茨、尤哈斯和 CUOS 實(shí)驗(yàn)室共同合作，研發(fā)出了不傷害周邊組織的視力矯正手術(shù)新方法。

到了 1997 年，庫(kù)爾茲和尤哈斯創(chuàng)立了 IntraLase，這是一家將無(wú)刃 LASIK 技術(shù)商業(yè)化實(shí)現(xiàn)屈光手術(shù)（更熟悉的名稱是視力矯正手術(shù)）的獨(dú)立公司。盡管他們的初創(chuàng)公司擁有幾種可能的應(yīng)用方向，但他們選定看上去最有前途的眼角膜手術(shù)。所研發(fā)的手術(shù)方案通過(guò)使用飛秒激光而不是以往用來(lái)切開(kāi)角膜的傳統(tǒng)手術(shù)刀，來(lái)重塑患者的視力。

到了 2001 年，經(jīng)過(guò)幾年成功的臨床研究，這種技術(shù)最終獲得了美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）的批準(zhǔn)，他們推出了全球第一款商用飛秒激光設(shè)備。公司得到了美國(guó)安娜堡企業(yè)發(fā)展基金會(huì)（Enterprise Development Fund of Ann Arbor）的初輪種子投資，另外還收獲了 NIH、NSF 以及大學(xué)科技轉(zhuǎn)化部門的小型企業(yè)創(chuàng)新研究（SBIR）經(jīng)費(fèi)支持。2004 年，IntraLase 上市，成功賺取 8400 萬(wàn)美元。2007 年，美國(guó)眼力健公司（Advanced Medical Optics）以 8080 萬(wàn)美元的價(jià)格收購(gòu)了 IntraLase。后來(lái)，IntraLase 進(jìn)入強(qiáng)生視覺(jué)視力?。↗ohnson & Johnson Vision）旗下。如今，根據(jù)《克雷恩底特律商報(bào)》（Crain’s Detroit Business）的評(píng)估，InterLase 是密歇根大學(xué)孵化的最成功初創(chuàng)企業(yè)之一。

飛秒激光近視矯正手術(shù)。圖片來(lái)源：Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=8215343

為未來(lái)應(yīng)用設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)

飛秒激光方法最終取代了金屬刀片，甚至趕上了一直被認(rèn)為是視力恢復(fù)手術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)——準(zhǔn)分子激光。由于飛秒激光的精準(zhǔn)切割，與前幾代手術(shù)方法相比，這些無(wú)刃方法往往意味著更小的并發(fā)癥風(fēng)險(xiǎn)。自推出以來(lái)，每年飛秒激光手術(shù)的數(shù)量已經(jīng)增長(zhǎng)至 200 到 300 萬(wàn)例，超過(guò) 3000 萬(wàn)人受益于該技術(shù)。用飛秒激光進(jìn)行視力手術(shù)的應(yīng)用不斷發(fā)展，并廣為接受，如今已經(jīng)成為全球最常實(shí)施的矯正手術(shù)之一。

從一場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室意外，到 CUOS 實(shí)驗(yàn)室的合作項(xiàng)目，包括羅恩·庫(kù)爾茨和蒂博爾·尤哈斯在內(nèi)的多位研究人員繼續(xù)探索著飛秒激光的其他應(yīng)用潛力，尤其涉及最常見(jiàn)的眼科疾病，例如青光眼和白內(nèi)障。2008 年，兩人再次聯(lián)手研發(fā)了飛秒激光白內(nèi)障手術(shù)。如今，這一技術(shù)在白內(nèi)障手術(shù)中的覆蓋率大約在 15% 左右。目前，一家由尤哈斯領(lǐng)導(dǎo)的美國(guó)加利福尼亞初創(chuàng)公司 ViaLase 正在研發(fā)新方法，通過(guò)使用飛秒激光更有效地治療青光眼。

感謝他們的研究，我們中的許多人如今能夠更清晰地觀賞這個(gè)世界。

原文鏈接：

https://www.goldengooseaward.org/01awardees/lasik

原標(biāo)題：《一場(chǎng)差點(diǎn)讓諾獎(jiǎng)得主關(guān)閉實(shí)驗(yàn)室的事故，幫數(shù)千萬(wàn)人摘掉了眼鏡》

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