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它拥有能够“验毒”的蓝血,救了人类却将自己带入绝境
点击次数:373 发布时间:2018-06-01

鲎(hou, 四声),俗称“马蹄蟹”,在地球上以某种固定形态生活了 4.5 亿多年,因此,常被称为“活化石”。在这段时间里,地球经历了几次大冰河时期,一次物种大灭绝,泛大陆形成后又分裂,以及灭绝了恐龙和大部分地球生物的小行星撞击。换句话说,鲎确实见过大世面。

 

 

俗称马蹄蟹的鲎  图片来源:National Wildlife Federation

 

然而,我猜想,它们zui奇怪的一些经历一定是发生在刚刚过去的十几年里。因为继恐龙之后,作为哺乳动物之一的人类,用双手将大量的鲎捞出海面。现代人不是*个“吃马蹄蟹”的,早在几个世纪前,农民们就抓它们当肥料,而渔夫则用它们作食饵。与祖先不同的是,现代人清理干净鲎身上的藤壶,折叠起它们的铰链式背甲,然后在柔软的薄弱位置扎入不锈钢针,抽取它们的血液。鲎的血液是不透明的蓝色,看起来很像混着牛奶的防冻液

 

 

在南加州查尔斯顿的查尔斯河实验室被抽血的鲎

图片来源:Timothy Fadek / Corbis / Getty

 

那么,人们究竟为什么需要这个活化石的血液呢?可以说这是一种“灵药”,因为鲎的血液确实能够救人一命。它们的血液对细菌内毒素相当灵敏,因此,在生产任何可能进入人体的产品的过程中,鲎的血液一直被用来检测产品内毒素的含量:每一支注射剂、每一滴静脉注射液,以及每一个植入体内的医疗器械。

 

现代生物医学如此依赖鲎的血液,以至于一旦鲎灭绝,整个产业将会瞬间瘫痪。近几年,尤其在亚洲,鲎的生存遭受到极大的威胁:随着海堤取代了鲎产卵的沙滩,鲎的栖息地逐渐消失;此外还有海洋污染,以及渔民的过度捕捞,都威胁着鲎的生存。虽然在美国那些为生物医学制造业贡献了血液的鲎zui后都被放回海洋,但是每年仍然有大约五万只鲎会在“献血”的过程中死了

 

不过,此题还有另解:现代医学其实可以利用先进技术来取代这种古生物的血液。15 年前,人们已经成功地合成了鲎血的替代物。这是一个科学家如何悄悄跨越了百万年的演化过程,以及为什么产业界在 15 年后仍未跟上科学前进步伐的故事。

 

以生命换生命

Jeak Ling Ding 说自己“是一只总窝在实验室里的白鼠”,因为她们只需要穿着白色实验服做实验,而不需要在泥水里蹚来蹚去。但是,在上世纪八十年代中期,她却发现自己整天在泥塘里踢踢踏踏地寻找鲎。她用一种毫不夸张的口吻描述鲎生活的河口湾,“那里的气味一点都不令人愉快”。

 

Ding 和她的合作者,也是她的丈夫 Bow Ho,接触到鲎的过程很是曲折,他们的zui终目标是使生物医学研究不再需要用到鲎。在刚刚接触鲎的时候,Ding 还是一位在新加坡国立大学工作的分子生物学家。当时,一家医院的体外受精部门负责人找到他们,咨询了这么一个问题:这家医院体外受精的胚胎很难存活下来,有可能是因为细菌内毒素吗?

 

那时(也包括现在),细菌内毒素检测的标准方式是使用“美洲鲎试剂”—— LAL,Limulus Amebocyte Lysate。L 指的就是美洲鲎(Limulus polyphemus),是北美洲大西洋沿岸的当地品种。A 指的是存在于鲎血液中的变形细胞。zui后一个 L 指的是裂解物,是细胞被“溶解”或破裂之后释放出来的物质。这种裂解物对细菌内毒素异常敏感。

 

zui早发明 LAL 试剂的人是弗莱德里克·邦(Frederik Bang)。早在 Ding 开始研究的 30 年之前,在 9000 英里以外的科德角(Cape Cod),邦在海边上采集到了鲎的活体样本(尚不清楚为何,但鲎只生活在北美和亚洲的东海岸)。邦是一位病理学家,他对生物的原始免疫系统非常感兴趣。他发现:将海水中的细菌直接注射到鲎体内,会使鲎的血液凝结成一团团黏糊糊的东西。邦猜测这样的凝血反应是有意义的。这一过程使鲎体内的细菌无法自由移动,还能把遭感染的血液隔离起来,保护身体的其余部位不被入侵的细菌继续感染。有趣的是,将细菌煮沸 5 到 10 分钟后,再注射到鲎体内,鲎的血液仍然会凝结起来。煮沸的过程应该已经消灭所有的细菌——起到消毒作用了。这让邦意识到,这种血液不仅仅对活的细菌敏感,还对消毒后依然存在的细菌内毒素敏感

 

人类的免疫系统比鲎要复杂得多,但也同样会对细菌内毒素产生反应。19 世纪末的医生意识到这一点,当时,即使给病人注射了灭过菌的试剂,他们仍然会出现“注射后发热”或者“生理盐水接触后发热”的症状。zui糟糕的情况是,细菌内毒素还能引发败血休克,甚至导致死亡

 

在五十年代,邦还在做这项研究的时候,检测细菌内毒素的标准流程是将样本注射到兔子体内,在随后的三小时内,每隔 30 分钟需要检测一下兔子的体温,查看是否存在发热的症状,用来判断细菌感染的情况。

 

在显微镜下,兔子的血细胞也有在毒素周围聚集凝结的趋势,与邦在 1956 年发表的文章中描述的鲎血液凝结现象非常相似。在随后的 15 年中,邦和一位年轻的病理学家杰克·莱文(Jack Levin)设计了一种标准化方法来提取鲎试剂。但是直到 1977 年,美国食品药品监督管理局(FDA)才同意医药公司用鲎试剂来取代他们圈养的一大群兔子。现在,你只需要将鲎试剂加入到被测材料中,翻转几次药瓶,看看有没有凝固就可以了,整个过程更加快捷便利。鲎试剂检测仍然需要用到动物,但是将针扎入动物的可怕过程早已慢慢淡出人们的视线,成为了供应链的另外一个环节。

 

 

 

蓝血的价值

时间到了 Ding 在新加坡寻找鲎的那个年代,鲎试剂变成了一个价值数百万美元的产业。据报道,1 升左右的鲎血液价值高达 15,000 美元。而用来检测体外受精胚胎是否被污染的鲎试剂则贵得更离谱。据她回忆说,一个检测试剂盒在新加坡就要卖到 1000 美元。

 

因此,她计划自己制作鲎试剂。但是她所研究的新加坡本地圆尾鲎比美洲鲎小得多,不能抽取过多的血液,否则就会面临死亡。因此,Ding 下定决心制作鲎试剂的替代品,以便zui终完全取代鲎血液

 

完成这一目标需要操控基因。她的思路是把鲎基因中具备内毒素捕获能力的片段接入可以在实验室生长的细胞中,例如酵母菌。生物技术已经发展到可以重组 DNA,即将不同种类生物之间的 DNA 组合在一起。早在 70 年代末,礼来公司(Eli Lilly)就已经开始出售一瓶瓶由 DNA 重组细菌合成的人类胰岛素。

 

Ding 的鲎试剂替代品研究的起点很不错。那时的科学家已经识别出鲎 C 因子(factor C),这是鲎试剂中的一个特殊分子,具有检测细菌内毒素的功效。因此,她首先开始寻找编码 C 因子的基因。她的研究团队搜集到一些鲎,并抽取尽可能少的血液,从中提取出细胞样本(他们还尝试过在实验室通过体外受精的方式繁殖并饲养鲎,但是失败了)。鲎对细菌内毒素的高敏感度也不幸地成为了研究过程中的一个痛点。事实上,细菌内毒素简直到处都是——水中、试管中、连培养皿中都有。“你必须用 200 到 220 度的温度烘烤一切可以烘烤的玻璃器皿,需要烤上好几个小时。”Ding 说到。他们还必购买特殊处理过的水,保证水中不存在细菌内毒素。如果在实验中稍有不慎,这一管溶液就会瞬间变成凝胶。

 

在 Ding 和 Ho 终于确认了编码 C 因子的基因之后,他们开始将这段基因接入酵母菌的基因组中。但是这个尝试失败了,因为酵母虽然可以成功地将 C 因子的基因整合进自己的基因组,但是却很难将 C 因子分泌出来。“我们很难将酵母裂解,裂解过程也非常复杂,很容易就弄得一团糟。”Ding 说。因此,他们也尝试了其他种类的酵母菌和哺乳动物的细胞,但同样都失败了。在 1990 年代晚期,Ding 和 Ho 参加了美国的一个课程,在课程中学到了杆状病毒表达系统。这个系统利用病毒作为载体,将 C 因子的基因插入到昆虫的肠道细胞中,将这些细胞转变成 C 因子的制造工厂。昆虫和鲎属于同一个演化谱系——他们都是节肢动物。结果证明,这些细胞出色地完成了这项工作。

 

拯救活化石

在 Ding 开展这项研究后的第 15 个年头,她终于研制出一种替代试剂,不需要伤害任何一只鲎,也可以完成细菌内毒素检测。她把自己关在图书馆里研究,亲自起草申请。她把申请表递交之后,等待着世界因此而发生改变。

 

但是,太阳依旧从东边升起,至少鲎的现状没有丝毫改变。Ding等了 3 年,直到 2003 年*个基于重组 C 因子的试剂盒问世。但即使到了这个时候,医药公司依然没有表现出太多的兴趣。

 

这些公司顾虑重重。市面上只有一家公司提供这种新型试剂,这家公司如今已被瑞士的化学公司 Lonza 收购。药物制造过程中如此重要的一个环节竟只能依赖一家公司,这让各个医药公司极其不放心。万一 Lonza 出了什么状况,该怎么办?自然灾害会不会突袭他们的制造工厂?而且,如果重组 C 因子试剂在市场上流行起来,那些从鲎中牟利的公司就会遭受巨大的经济损失。面对采访的邀请,6 家采集鲎血的美国企业中有 2 家拒绝了采访,1 家不做回应,另外 2 家根本就没有任何知名度,而第六家企业就是 Lonza,他们正同时出售鲎试剂和重组 C 因子试剂。

 

鲎正在被运往南加州查尔斯顿查理斯河实验室进行采血

图片来源:Timothy Fadek / Corbis / Getty

 

Lonza 从他们的角度出发,将重组 C 因子试剂的低普及率归因于政策的滞后。在美国,FDA 要求公司遵照美联邦药典中规定的操作标准,进行细菌内毒素检测。在 2012 年出台的指导意见中,FDA 表示,如果企业自行进行并通过验证实验,他们是可以使用重组 C 因子的,但是这一条规定并没有在药典中更新。“其中的风险非常明确,FDA 可能不接受你的验证结果,因此不允许你的产品进入市场。” Lonza 的发言人凯特琳·赫克(Katrin Hoeck)讲到。“医药企业肯定要规避风险的。”要知道,这个产业从圈养的兔子转变为使用鲎试剂也花费了数十年的时间。

 

商业现实让 Ding 很失望。“作为研究人员,我们非常热忱地投入研究,看到这个技术行得通的时候高兴得不能自已,”她说,“我们以为重组 C 因子会被全世界采用,这样就可以拯救鲎。”

 

可是zui近发生的一些事情,改变了医药公司的风险-收益计算方式。其一,Lonza 不再是唯的一的供应商了。2013 年,Hyglos 成为了第二家制造重组 C 因子的公司。凯文·威廉姆斯(Kevin Williams)是 Hyglos 的科学家,他说他看到了一场早该发生的现代化变革:医药公司早在数十年前就用酵母菌来代替猪制造胰岛素了,既然检验胰岛素注射安全性的技术是相同的,那为什么重组 C 因子就不行呢?

 

在管理层面,2016 年欧洲药典添加了重组 C 因子测试,将其作为一种认可的细菌内毒素检测手段。这一举动为美国的变革铺平了道路。许多医药公司,尤其是礼来(Eli Lilly),比较了鲎试剂和重组 C 因子的效果。

 

杰·博尔登(Jay Bolden)是该公司检测细菌内毒素的专家,他回忆起十多年前,Lonza 带着重组 C 因子来到了他们的实验室。那个时候,他被这种技术深深地吸引了,但仍然不是很情愿去冒这个风险。事情的转折点发生在 2013 年,当时公司准备在中国建立一家胰岛素制造机构,而当地鲎的种群数量正在持续减少。“你可能很快就会听到限制捕捉鲎的消息,”博尔登说。相对而言,如果 Hyglos 和 Lonza 都供应重组 C 因子试剂,那么供应链会更有保障。鲎试剂和 C 因子在成本上也几乎差不多。 

 

博尔登说礼来公司决定设置一条底线:在某一个时间点之后,所有的新产品都将使用重组 C 因子进行毒素检测。他们zui近提交了*份申请,拟将用重组 C 因子检测他们治疗偏头痛的药物 Galcanezumab。同时,也用来对水和仪器进行检测,来取代大量使用的鲎试剂。博尔登说,礼来公司正在努力游说美国药典把重组 C 因子加入其中。

 

博尔登将会在新泽西州开普梅(Cape May)由 Revive & Restore 组织的会议上发言,这个非营利性组织以复活灭绝动物的工作闻名世界。“我们的目标是利用生物技术保护动物。”Revive&Restore 的创始人和执行主管莱恩·费伦(Ryan Phelan)这么说到。2017 年,费伦在新加坡举行的一个合成生物学会议上初次见到了 Ding,当时她就意识到,Ding 在重组 C 因子方面的研究成果正是动物保护和生物科技的融合

 

Revive&Restore 之所以选择开普梅做为会议地点,是因为鲎每年年初都到这里产卵。在这里捕捉鲎是违法的,因为鲎的存在对于一种濒危候鸟——红腹滨鹬非常的重要。这些鸟也会在每年春天飞到这里。他们的迁徙时间非常,从南美飞往北极的红腹滨鹬可以在这里大吃一顿鲎卵牌“鱼子酱”。此时,海滩上爬满了鲎,雌鲎不停产卵而雄鲎忙着给卵受精,它们的壳互相碰撞发出咔哒咔哒的声音。而红腹滨鹬则争相享用鲎卵。为了从这里飞往北极,它们需要增加一倍的体重。

 

这一曲物种之间的远古交响曲,早在人类采集鲎血之前就奏响了,他们希望这一过程可以历久弥坚,代代传唱。

 

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