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制药黑科技:往瓶子里加点水就能做抗癌药

2016/10/26 来源:奇点网
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导读
2016年,MIT的科学家们在颠覆传统制药业的道路上越走越远。在短短的半年时间内,接连发布重大研究成果。

本文转载自奇点网,原文标题为《什么!往瓶子里加点水就能做抗癌药?这就是MIT科学家的制药黑科技

2016年,MIT的科学家们在颠覆传统制药业的道路上越走越远。在短短的半年时间内,接连发布重大研究成果。4月份,在顶级期刊《科学》(1)上发文,宣布成功将制药厂变成电冰箱大小(长7.3米,宽2.4米,高2.4米);7月份,又在着名期刊《自然通讯》(2)上发文称,成功把生物制药工厂缩小到生物芯片(长0.34米,宽0.31米,高0.36米)上。

两个月后,MIT和哈佛的James J. Collins教授团队,又在顶级期刊《细胞》(3)上发文称,他们又往前迈了一大步,这回他们把制药厂直接缩小到一个普通的药瓶那么大。而且更神奇的是,制药过程不需要消耗电力等能源,你只需要加水就行了。你没看错,就是加水。

被James J. Collins教授团队缩小到瓶子里的制药工厂

对于这种小瓶子,有过肌肉注射和输液经历的人一定不陌生,在所有的诊所,甚至乡村「赤脚医生」的挎包里都能见到。不过在我们的认识里,这个小瓶子里装的就是粉末状药剂,直接溶解就可以注射了。然而,MIT科学家的这个发明,虽然从操作过程上看与这种瓶装药没啥区别,但是Collins教授团队的这个瓶子里装的的确不是药,而是生产药的「设备」和原料,只要加水这个装载瓶子里的制药工厂,就开始生产指定的药物了。

James J. Collins教授

目前Collins教授团队已经用这个小瓶子生产出抗菌用的化学物质、治疗癌症用的靶向抗体药物和预防呼吸道疾病白喉的疫苗。而且所有的药物都达到了预期的预防和治疗效果。

加州大学伯克利分校合成生物学专家Danielle Tullman-Ercek告诉大西洋月刊,「其实吧,这个发明的基本原理科学家老早就知道啦!但是能把这个基本原理用在这里,解决制药问题,那真全球独一份。这个发明体现了工程学和生物学结合所爆发出来的力量。」

那这究竟是个啥玩意儿,能这么厉害!

这个事儿,我们还得从这几年很热的合成生物学说起。实际上合成生物学并不复杂,也很常见,现在利用基因被改造过的酵母和大肠杆菌合成药物,就是合成生物学的一个重要的用处。今年7月份,我们报道了加州大学圣地亚哥分校(UCSD)和麻省理工学院(MIT),用基因改造过的沙门氏菌在肿瘤内部合成3种抗癌药物的研究(用细菌「敢死队」摧毁癌组织,科学家的这个发明简直巧夺天工),也是合成生物学在癌症治疗领域的重要应用。

虽然,这种疗法效果显着;但是,被改造过的微生物可能是「有组织无纪律的」,所以很多科学家认为这种做法不容易控制,再加上公众对基因改造生物的恐惧,导致这种方法用在人身上还为时尚早。这也是困扰Keith Pardee博士的一个问题。

现执教于多伦多大学的Keith Pardee助理教授

Keith Pardee现在是多伦多大学的助理教授,2012年他在Collins教授实验室从事于合成生物学的研究。当年Pardee博士就想啊。微生物为什么可以合成抗癌药物啊,不就是因为它体内有合成药物的基因、酶(合成药物的工具)和原料么。那如果我把合成药物的那几样东西从微生物体内搞出来,放到另外一个死的载体上,然后想办法让它运行起来,不就解决问题了嘛!

2012年夏天的一个午后,Pardee随手就在一张纸上画了一个圆圈,然后在圆圈的中间滴了一滴水,这可不是普通的水,这滴水里面溶解了几十种从细菌里面弄出来的酶。然后Pardee把这张纸晾干。过了一段时间,他又在圆圈的中间滴了一滴纯水,让这些酶活过来。紧接着,Pardee把合成绿色荧光蛋白的基因丢到水滴里面去了。没成想居然成了,圆圆的圈里面发出绿色的光。虽说这算不上开天辟地的大事,但是生命活动的顽强也足够让Pardee感到震撼了。

Pardee一口气在一个小纸片上,用从细菌体内拿出来的合成体系成功的表达了绿色荧光蛋白、黄色荧光蛋白、红色荧光蛋白和蓝色荧光蛋白(从左至右)。Pardee一口气在一个小纸片上,用从细菌体内拿出来的合成体系成功的表达了绿色荧光蛋白、黄色荧光蛋白、红色荧光蛋白和蓝色荧光蛋白(从左至右)。

「我一直以为,把合成蛋白质的酶冻干,然后再用水让他复苏,并成功合成蛋白质是不可能发生的。」Pardee告诉大西洋月刊,「这可能就是一直没人去尝试这么做的原因。」Pardee等的这一重大研究成果于2014年发表在顶级期刊《细胞》上(4)。

但是在当时,这个技术的最初使用设想并不是用来合成药物,而是一个快速病毒检测试纸。Pardee的同事Alexander A. Green发明了这种试纸,只要特定的病毒放到晾干的试纸上,就会有相应的颜色的荧光蛋白合成,检测人员可以通过试纸的颜色变化,判断患者是否感染某种病毒。2014年恰逢埃博拉疫情爆发,Green发现这种方法不仅可以很好检测埃博拉病毒,甚至可以区分开不同的病毒亚种,鉴别哪些是埃博拉病毒感染是致命的,哪些是不致命的。

到2015年底又遇到了寨卡病毒爆发,Pardee和Green团队迅速开发了寨卡病毒快速检测试纸。检测性能在2014年的基础上有了巨大的提升,可以检测浓度极低的寨卡病毒感染。更重要的是,这种试纸极易保存,而且价格非常低廉。于是,他们的这个应用成果在2016年又被顶级期刊《细胞》刊发(5)。足见Pardee这一发明的重要使用价值。

血液中病毒检测流程。整个过程仅需要3个多小时,检测结果准确直观,可以通过颜色变化直接观察。

对于这个技术的最初设计者Pardee而言,这个技术的潜力似乎是无限的。如果仅仅用来合成几种特定的荧光蛋白,显然是太浪费了。这个时候Pardee才把目光放在了合成药物上,他要用这个没有生命的合成技术消除基因改造生物的不确定性,以及一些人对基因改造生物的恐惧。

既然是要合成药物,那合成过程的载体就不能是纸片了。这一回Pardee把细菌的冻干提取物分装到小瓶子里,需要啥药物就把相应的基因丢进去就好了,然后再加点儿水,小瓶子就立马变成合成药物的微型工厂了。

由于它们是冷冻干燥的,所以小瓶子里的各种物质可以在室温下长期储存,甚至可以安全稳定的保存一年以上

根据Pardee等估算,他们发明的这个方法制药成本只有传统方法的十分之一左右,即使对于造价较高的某些抗菌素,这种方法的价格也不会超过传统方法,而且它还具备现场制药的先天优势。由于Pardee这一发明可能对制药行业产生巨大影响,顶级期刊《自然》(6)也重点推荐了这项发明。

Collins教授团队开发的便携式冻干粉套件盒(图示为模拟套件),有了这个套件,即使在偏远地区也可以在常温条件下,无需动力完成疫苗、抗菌素和抗癌药物的生产。

Collins教授团队开发的便携式冻干粉套件盒(图示为模拟套件),有了这个套件,即使在偏远地区也可以在常温条件下,无需动力完成疫苗、抗菌素和抗癌药物的生产。

自去年美国政府提出「精准医疗」以来,药物的适应症描述越来越细致,很多药的适用群体都在迅速缩小,照这样的速度一直发展下去,似乎在不久的将来会从「胡子眉毛一把抓」的用药方式,走向一人一药的「个体化用药」时代。在「个体化用药」时代,成本高的工厂化大规模制药显然不能满足市场的需求。MIT华裔科学家卢冠达认为,这个巨大的变化带来的问题,现在就要去着手解决。现在看来,有这种想法的显然不止卢冠达一人。

如果Pardee的这个技术成熟到可以用于临床,显然是很符合一人一药的「个体化用药」需求的。当然,Pardee的这项发明离临床还是有一定距离的。全球卫生非营利组织PATH的药物开发专家David Shoultz认为,这个过程可能长达10年之久。这中间的问题包括,如何控制用药量,对于需要纯化的药物,我们又该如何操作。这些问题,都是Collins教授团队在真正的精准医疗时代到来之前要解决掉的。

相关资料:

【1】Adamo A, Beingessner RL, Behnam M, Chen J, Jamison TF, et al. 2016. On-demand continuous-flow production of pharmaceuticals in a compact, reconfigurable system. Science 352:61-7

【2】Perez-Pinera P, Han N, Cleto S, Cao J, Purcell O, et al. 2016. Synthetic biology and microbioreactor platforms for programmable production of biologics at the point-of-care. Nature Communications 7:12211

【3】Pardee K, Slomovic S, Nguyen Peter Q, Lee Jeong W, Donghia N, et al. 2016. Portable, On-Demand Biomolecular Manufacturing. Cell 167:248-59.e12

【4】Pardee K, Green Alexander A, Ferrante T, Cameron DE, DaleyKeyser A, et al. 2014. Paper-Based Synthetic Gene Networks. Cell 159:940-54

【5】Pardee K, Green Alexander A, Takahashi Melissa K, Braff D, Lambert G, et al. 2016. Rapid, Low-Cost Detection of Zika Virus Using Programmable Biomolecular Components. Cell 165:1255-66

【6】2016. Biotechnology: Portable way to make proteins. Nature 537:588-

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