全世界的癌症研究都用錯了實驗材料?
2019年01月08日09:44
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  癌症研究的投入與產出一直難成正比,重複性也一直飽受詬病。為了實驗更加簡便安全,人類將癌細胞放在培養皿里進行研究,但超過 60 年,體外培養癌細胞的培養基一直沒有更換過。許多科學家已經表示這種常規培養基與體液相差甚遠,可能改變了癌細胞的性質,這也是癌症研究無法重複的原因,因為實驗從一開始就錯了。

  改變基礎研究的液體

  1959 年,一名叫 Harry Eagle 的醫生製造了一瓶改變整個當代生物醫藥學研究的試劑,這瓶試劑看起來紅得通透,隔遠看就像人的血液一樣,除了外觀,裡面的添加成分也在模擬人體的體液,包含了葡萄糖、鹽分、必須的維生素以及氨基酸分子。就像神奇魔法一樣,這種液體可以用來在體外培養細胞,許多人類和動物的細胞只要放在這種紅色液體中就能迅速生長,因此也是生物醫學研究者拿來做細胞實驗的標杆液體。

  這種液體在專業領域被稱作 EMEM(Eagle’s minimal essential medium),現在已經算得上是祖父輩的產品了,字面意思就是讓細胞存活的最精簡成分,不負責其他的特殊支援。在它誕生後的 60 年里,研究者還在不斷對其進行更新。無論是研究病毒攻擊,還是病理特徵,只需要改變裡面的一些小成分,EMEM 馬上就可以在實驗室實現更新換代。如今,在實驗室最受歡迎的應該是 EMEM 的二代產品 DMEM,這是 1975 年諾獎得主 Renato Dulbecco 的改進版本,取名也是非常隨意,就在 Eagle 名字前加上了自己的名字叫 Dulbecco’s Modified Eagle’s Medium,這也成了做細胞實驗培養液的經典代號,DMEM。

細胞培養常用培養基DMEM。圖片來源:lifenet
細胞培養常用培養基DMEM。圖片來源:lifenet

  當然這兩種液體只能說可以維持細胞的基本生理狀態,也就是說這兩種液體培養基與實際體內的血液環境相差還是非常大的。如果想要更準確地研究細胞的生化性質,還要根據需求進行額外分子的補充。這一點在癌細胞研究中非常重要,因為癌細胞的特性與正常細胞相差很大,用 EMEM 或 DMEM 來培養可能會造成極大的數據錯誤。任職於英國比森癌症研究所的 Saverio Tardito 就表示,現在 90% 癌症相關研究都在採用兩種基礎培養基,這些實驗可能一開始就錯了,直接對結果產生了影響。但是現在已經有能養活細胞的培養基擺在那,誰又會捨近求遠去自己再造一瓶新的呢?

  癌症研究的窘境

  近些年來,許多基礎研究學科都遭受了重複性危機,除開多年飽受詬病的心理學研究,癌症研究也逐漸走入了歧途。在美國,政府每年要在癌症研究上投入將近 50 億美金,這還不包括私人企業和其他機構參與支援的研究。但是投入和產出並沒有成正比,過去 20 年癌症死亡率並沒有預期的下降快,許多相關研究最終都走進了死胡同。

癌症研究離不開在體外進行癌細胞培養。圖片來源:broadinstitute
癌症研究離不開在體外進行癌細胞培養。圖片來源:broadinstitute

  美國在 2016 年 2 月開啟了耗資 10 億美金的“癌症登月計劃”,為的就是讓癌症研究更科技、更高效。時間過去將近 3 年,癌症研究卻進展遲緩,Slate 雜誌的評論稿就曾指出這種發展遲緩是不可能靠金錢投入來解決的。因為大多數的癌症研究結果是不可信的,實驗數據混亂,實驗結果不穩定,實驗方法不工作。

  全球生物標準研究所的首席主任 Leonard P。 Freedman,2015 年發表了一篇題為“基礎實驗不可重複中的經濟學”的文章,裡面指出超過半數的基礎研究結果不可信,其他實驗室根本重複不出來。癌症研究中常用的癌細胞培養可能就會出現錯誤,如癌細胞類型錯誤或者不同癌細胞交叉汙染,預計占到癌症研究的 15%-36%,但是當時並沒有給出造成這種現象的原因。

許多癌症研究結果都無法重複。圖片來源:Mágoz: Replicate this
許多癌症研究結果都無法重複。圖片來源:Mágoz: Replicate this

  在 2012 年,美國安進癌症研究中心前任主席 Glenn Begley 就曾領導開展過大批量的往期實驗重複,並將結果發表在了 Nature 上。就結果顯示,53 項在癌症領域被稱作“里程碑”式的研究,只有 6 項可以重復出來。大多數情況下,癌症研究在發表前都是處於嚴格保密狀態,所有的實驗條件都限製在唯一的實驗室中,這就形成了只能通過實驗室自查來保證實驗結果,但許多研究室為了課題多向發展人手往往並不充足,連自查的都可能寥寥無幾。

  這種反饋機製的深層原因在於生物學家的“壞”習慣,在一切癌症研究中都是效率和金錢至上,至於實驗結果的準確性則需要排到第三,為了獲得相同的實驗結果意味著需要額外增派一個人手以及投入更多的資金來進行重複,這對於任何實驗室來說都是效率低下的。因此想要驗證癌症研究中到底哪裡出了問題就更難了,而所有癌症研究中都為了圖方便採用的基礎培養基 DMEM 一直備受科學家的關注。“壞”習慣在這體現得淋漓盡致,正如 Saverio Tardito 上面所說,沒人想再花時間自己去配一瓶新的培養基,認為用一瓶可以養活癌細胞的培養基就足夠了。

  培養基造成了不可重複?

  在今年 1 月 2 日發表在 Science Advance 上的一篇文章,Tardito 展示了應該如何改進培養癌症細胞的培養基,他通過數年的配製和比較選擇,選出了一種真正適合癌細胞生長的培養基,它稱其為 Plasmax,該培養基裡面含有血液中常見的 60 種營養和化學分子。“我們並沒有把製造培養基當做一個課題來做,” Tardito 表示,“但是從改變使用培養基的一開始,我們就發現細胞狀態不一樣了。”

  目前實驗室普遍採用 DMEM 培養癌細胞系,但是並沒有完全地模擬體內的環境,DMEM 裡面有一種被稱作丙酮酸鹽的成分是正常血液中的 10 倍。把癌細胞放在 DMEM 中培養意味著讓癌細胞強行適應了一種新環境,即使實際氧氣充足,但對癌細胞來說其就類似生存在缺氧條件下。

  最顯著的是,不同於 DMEM,新配製的 Plasmax 裡面添加了硒,體內一種重要的礦物元素。Tardito 在培養乳腺癌細胞時比較了這兩種培養基,在癌細胞低密度狀態下,DMEM 不含有硒,癌細胞全部死亡,但是在含有硒的 Plasmax 中能順利發展壯大。這種結果非常出乎意料,許多保健品都宣稱補充硒元素能夠抗癌,儘管沒有任何研究直接支援這種說法。但 Plasmax 中的實驗結果似乎說明,硒元素在密度極低的癌細胞生長過程中起著重要作用。如果是這樣的話,人體內過量的硒元素可能是造成腫瘤轉移的可能成因,因為腫瘤遷移後細胞數目都不會太多,硒元素可能助力了這一過程。“我們還需要更多的實驗來驗證這一現象。” Tardito 表示。

Tardito的實驗顯示,Plasmax對低密度癌細胞生長有明顯促進作用,而DMEM則沒有。圖片來源文獻。
Tardito的實驗顯示,Plasmax對低密度癌細胞生長有明顯促進作用,而DMEM則沒有。圖片來源文獻。

  Tardito 也並不是第一個發現培養基對癌細胞生長有影響的人,2017 年美國麻省理工白頭研究所的 David Sabatini 就自己配製了類似血液成分的培養基,他發現在自製培養基中生長的腫瘤細胞與在 DMEM 中的相比,對化療藥物敏感度明顯下降。Tardito 認為癌症研究不能重複的很大原因,正是由於實驗所用的培養基,其沒有完全模擬體內的環境,可能直接導致不同實驗室之間使用的癌細胞已經不太一樣了。

  值得一提的是,幾十年前就開始流水生產的人類癌細胞系許多都培養在 DMEM 中,然後進行收穫再出售給全球各地的實驗室。也就是說隨著實驗用癌細胞一代又一代的傳播,這些癌細胞可能已經變得適應起 DMEM 的環境,展現出的理化性質已經和人體內完全不一樣,現在的癌症相關實驗對象更像是 DMEM 癌細胞,而不是人類癌細胞。如果是這樣的話,實驗還沒有開展,就已經走向了錯誤的方向,因此不同實驗室最後會得出千奇百怪的數據也就不奇怪了。

DMEM與Plasmax的成分表,plasmax添加了更多血液中存在的分子,能更好地模擬體內環境。圖片來源文獻。
DMEM與Plasmax的成分表,plasmax添加了更多血液中存在的分子,能更好地模擬體內環境。圖片來源文獻。

  Tardito 配製的 Plasmax 算是跨出了重要的第一步,但是距離 Plasmxa 的商業化應用還很遠。商業化生產對於科學研究也是不可缺少的一環,商業培養基比各自實驗室配製的培養基更標準化和產業化,其實是利於提升癌症研究的可重複性的。即使有實驗室會自行嚐試對培養基進行配製或者在 DMEM 里添加其他營養劑,但是在投入商業應用之前都不能為其他科學家帶來顯著作用。由於商業化的培養基一直沒有更新換代,研究者只能用 DMEM 作為不完美的替代品,可以說研究者目前依賴於 DMEM 也是一種無奈之選。此外,不同廠商之間供應的 DMEM 也可能會對癌細胞生長狀況造成影響,更不用說市場上還充斥大量的偽造產品。

  Plasmax 僅僅只是一個開始,其還缺乏血液里重要的一些組分,包括脂肪酸和蛋白質等。把癌細胞拿出來放置在培養皿里是無法完全模擬人體環境的,但這也是目前癌細胞研究最簡便、安全的方法,任何癌症研究都離不開這種基礎實驗。因此如何將這項實驗帶上正確的軌道是科學家需要不斷精進的事,Tardito 說,“想製造出一種完美液體很難,我們能做的只能是不斷縮小培養基與人體環境的差別。”

  來源 環球科學ScientificAmerican

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