血肉档案

梁知行

摘要：人们对癌症基因组图谱寄予了很高期望，但科学家发现，陈旧的技术破坏了取得突破所需的研究原料———肿瘤、血液和器官的样本。


人们对癌症基因组图谱寄予了很高期望，但科学家发现，陈旧的技术破坏了取得突破所需的研究原料———肿瘤、血液和器官的样本。

    在根植于人类基因组的各种缺陷中，多形性神经胶芽细胞瘤是最冷酷无情的。它能感染人脑白质，而且前几个月不导致任何症状。当患者出现记忆减退和癫痫时，几乎已经无药可救，医生能做的只是减轻病人痛苦。多数被诊断患上这种疾病的人——— 比如不久前去世的美国参议员爱德华·肯尼迪——— 在两年内就会死亡。

    2005年秋，美国国家癌症研究所(NCI)宣布，它将以全新的方法对付神经经胶芽细胞瘤和其他几种癌症。当时的美国国家人类基因组研究所所长弗朗西斯·柯林斯对一群记者、联邦官员和癌症幸存者说，他们可以用绘制人类基因组图谱的技术——— 高通量DN A测序，实验室自动化和计算生物学——— 来对抗人们最害怕的一些疾病。

    NCI新项目被命名为癌症基因组图谱。通过记录将健康细胞变成邪恶掠夺者的遗传缺陷，N CI希望发现检测治疗癌症的新方法和预防策略。该计划的试行阶段将针对3种最常见，最难治疗的疾病：神经胶芽细胞瘤、浆液性卵巢癌和肺部鳞状细胞癌(吸烟者的头号杀手)。

    癌症基因组图谱被寄予厚望。N CI副所长安娜·巴克尔预言，未来某一天，每个人都会记得这一天是医学史上的里程碑。所长安德鲁·冯·艾森巴赫宣布基因组分析将使未来的癌症检测和治疗发生翻天覆地的变化。向来低调的柯林斯也说，攻克癌症的时机正好，万事俱备。

    然而，短短几个月后，NCI研究者发现他们条件非但不能说万事俱备，简直是困难重重。整个计划几乎陷于停滞。问题并不在数据或技术上，而出在生物银行提供的肿瘤样本上。

    作为医院、大学、非营利机构和制药公司的组成部分，生物银行在医疗卫生领域扮演了关键角色。就像人类机体的图书馆，它们保存了大量的生物样本——— 包括血液、毛发、精子、唾液、血浆、器官和纯净DN A——— 用于研究和实验。从药物开发到人工授精，没有生物银行很多领域的进步都是不可能的。

    当N CI提出癌症基因组计划时，美国国内的几十家生物银行保证至少能为每种肿瘤提供500个样本。计划开始后，研究者们却遭到一连串打击。

    许多基因银行经理似乎不知道他们的冷冻柜里到底放的是什么。一些样本在冷冻前根本没有经过检查，其实是不合格的。还有一些样本是在未经病人许可的情况下获得的。所以一份样本可能需要几个月的法律交涉才可能被使用。在更多情况下，当冷冻的肿瘤运抵实验室时，已经是一团血肉模糊，充满了死亡腐烂的细胞，或者太小根本无法提取DNA。

    一家著名大学的生物银行声称能够提供超过1.2万个神经胶母细胞瘤的样本。其中只有18个能够使用。其他生物银行样本的不合格率高达99%。“我们最初的目标是1500个样本，我们被告知，通过美国国内4至6家生物银行就可获得，”N CI生物数据库和生物样本研究办公室的卡罗琳·康普特说，“在询问了全世界的生物银行后，我们也才获得500个神经胶母细胞瘤样本。卵巢癌的样本差点不足500个。肺癌的研究还未开始，主要原因是无法找到样本。与此同时，生物银行的每个人都认为他们的工作完美无缺。”

    在后来的调查中，康普顿的办公室发现，无法获得高品质生物样本是实验室面对的日益普遍的问题，正像潜伏的恶性肿瘤一样蚕食医学的进步。许多科学家反映，残缺的样本让他们不得不放弃最优的研究方法，围绕能够获得的组织碎片重新设计实验。1/5的科学家承认，样本的低品质可能影响到他们的研究数据。

    每年对自闭症、精神分裂症、糖尿病、阿尔茨海默症和其他一些主要疾病的研究耗资几十亿美元，它们都建立在科学家能够获得大量的细胞和组织样本基础上。但康普顿发现，虽然解决生命密码的技术大大提高，收集储存人类组织样本的方式在几十年里丝毫没有进化。与此同时，生物银行领域的进步因为资金和关注度的短缺而受到阻碍。生物保鲜依然被认为是发霉陈旧的专业，更接近标本制作而不是医学。“你可能以为，对癌症基因组图谱这样的大项目，科学会是最大挑战，”康普顿说，“但事实上，最近艰难的部分是获得生物样本。”

    新泽西卡姆登的科里尔医学研究所第一层看上去像个堆满飞碟的忙碌太空港。一排排的装满液氮的不锈钢罐里收藏着各种各样的人体细胞，多样性堪称世界第一。它们装在派热克斯玻璃瓶里，保存在零下127℃的液体里，对取得20世纪的许多重大医学突破扮演了关键角色。

    这家机构成立于1953年。创始人刘易斯·科里尔是一名儿科医生，他发明了在试管中培养病毒和人体细胞的方法。通过把试管和离心分离机变生命工厂，他帮助年轻的乔纳斯·索尔克获得了创造小儿麻痹症疫苗所需的大量脊髓灰质炎病毒。科里尔还发明了第一套实验室无菌空气过滤系统，并把后来成为美国卫生部长的儿科医生C·艾弗斯特·库普捐献的一箱包皮变成了繁殖水痘的介质。

    在那之后，卡姆登变了很多。但科里尔在2001年去世后留下的闪亮的不锈钢罐在几十年里像诺亚方舟一样保护着众多基因组数据。

    这艘方舟的守护者叫克里斯汀·贝斯瓦格纳，是一位细胞培养专家，有着中学科学老师一样的耐心。她不无骄傲地说，哪怕卡姆登停电6周，她的可爱样本依然会保持冷冻。因为他们有一个1.1万加仑的液氮后备箱。科里尔收藏的一部分被分别存放到了多个地方，包括威斯康辛一家自称“牛遗传学领导者”的机构。“其实就是牛精子”，她说，“我们去当地考察了一次。听了太多奶牛人工授精的信息。但至少，我们知道我们的样本是安全的。”

    除了人体细胞，科里尔的仓库里还储存有组织、血浆、血清、尿液和脑脊髓液。贝斯瓦格纳在一个冷冻罐前停下，拿出一只防冻手套，打开盖子，用一条长铁钩钩住一个架子，把它从液氮中拉上来。上面插满了小瓶子。液氮的折射率和空气一样，几乎看不到。只看到升华的白色蒸汽。

    每个瓶子代表人类生命的一点痕迹，上面寄予了找到新疗法的，造福他人的希望。房间里摆放的几十个冷冻罐包含有各种各样的细胞，它们来自患糖尿病的土著印第安人、患自闭症的中国人、患精神分裂症的阿米什人，患莫比斯综合征(一种罕见的神经疾病，导致患者不能笑、皱眉或产生任何面部表情)的拉丁婴儿。

    科里尔研究所只是美国几万家生物银行中的一家。具体数字很难估计，因为规模千差万别：其中既包括外科医生的个人肿瘤样本收藏，也包括美国空军病理学研究所的巨型组织样本仓库。

    生物银行是一个昂贵的行业：一个低温冷冻机每年的电费就高达2000美元。出于科学利益考虑，在某项研究热情消退后最好也把相关样本继续保存几十年。由于这个原因，很多生物银行资金短缺。院校实验室的资金通常是从政府拨款或科系开支中挪用，科里尔之类的大型非营利机构则要每年申请联邦拨款。

    越来越多的生物银行现在在网上直接向科学家出售他们的产品。外行人在这样的生物市场上逛一圈会有难以置信的感触。不久前，一家叫A sterand的公司“最受欢迎”的细胞产品是从一位死于乳腺癌的45岁非裔女子的乳腺采集的纤维原细胞。一瓶细胞样本售价875美元(包括邮费)，其中装有约100万个细胞。

    多产的精子捐献者只靠定期卖精子就可以过上舒适的生活。由于1984年颁布的防止器官走私法，组织捐献者却不能获得任何报酬。在目前，技术上说，出售人体组织盈利是非法的，但Asterand和BioServe等公司通过收取高额处理费和运费绕过法规。在这个分子医学的年代，人体组织贸易蓬勃发展。2008年，A sterand的年收入增加82%，达到2200万美元。

    刘易斯·科里尔如果知道他的细胞收藏会催生出一个繁荣的全球行业绝不会感到吃惊。毕竟，他曾试图说服美国政府建立一个庞大的人体细胞仓库，以支持科学研究。但如果他知道，他和他的同辈们使用的原始的生物保鲜技术在21世纪今天依然被普遍使用，这一点肯定会让他大吃一惊。

    科学家用了很长时间才学会如何让人体组织冷冻解冻，并不会把样本变成一团肉泥。冷冻保鲜领域的一位先锋是天主教牧师巴塞尔·吕耶特。他的《低温下的生死》一书在1940年出版。几十年里，他记录了几十次试图让被冷冻的猴子、狗、猫、兔子复苏的残酷实验。几乎没有动物完好无损地经过这些实验；它们的器官由于盐分和冰晶的堆积遭到破坏。在去世前，吕耶特终于不情愿地承认：“让死尸起死回生也要比结冻的身体复苏更容易。”

    人们期待的突破诞生于一次巧合。1947年，英国科学家克里斯托夫·波吉正在寻找一种冷冻、储存、再让鸡精子复苏的方法。他尝试把精子放在一种果糖溶液中，但效果不理想，有一天却突然奇迹般地奏效了。分析溶液后才发现，原来是标签贴错了，瓶子里装的是甘油并非果糖。

    甘油似乎是一非常有效的冷冻保护剂，今天，生物银行仍然用它来保存血液细胞、尿液和唾沫等液体样本。今天依然在使用的二甲基亚砜也是在几十年前发现的。这是一种无色、无味的溶液，从木浆中提取而来。

    组织需要不同的保存方法，这需要维多利亚女王时代的两大发现：甲醛和石蜡。通常在肿瘤手术中，医生切除一块恶性组织，护士将它送到病理学分析室。在这里样本被放到玻璃片上，让病理学家进行诊断。如果病人签署同意书，剩余的组织将被送进生物银行。但首先，它要被浸泡在稀释的甲醛溶液福尔马林中，目的是终止细胞的新城代谢。然后，再用石蜡包裹，防止氧化。

    这种储存手段一直沿袭下来，因为在相当长的时间里，这已能够满足研究者的需要。“过去，研究规模相对较小，只需要咨询本地生物银行就可获得所需样本，”N CI的临床调查者史蒂芬·休伊特说，“没有必要变革。”

    如果你想冷冻解冻红血球，少许甘油就能达到效果。精子可以用5%的二甲基亚砜溶液。毛囊、淋巴细胞也一样。1999年，据估计，美国生物银行储存了超过3亿份组织样本，每天还在以2000万的速度增加。新样本的增加，依然沿用传统配方，只做稍微改动。

    这一行业似乎准备好了应对医学领域的任何进步。上世纪50年代初，当科里尔开始准备他的人体样本方舟时，DN A在遗传学上的角色才刚刚露出端倪。到90年代中期，医生们开始计划用病毒劫持基因，用于治疗先天性疾病。为跟上科学发展的步伐，科里尔之类的机构也开始扩充样本，提供的产品从肾脏到牙髓应有尽有。

    2003年，随着人类基因组图谱的排序完成，一切都发生了改变。我们探索细胞内部原理的能力跳了几个级别。但是传统的生物保鲜法会极大破坏遗传材料。正如高通量DN A测序需要批量人体组织一样，它让我们收集储存人体样本的方式显得陈旧古老。

    麻烦始于手术室。切除肿瘤的第一步是切断血液供给。但肿瘤不会轻易死亡。2001年，佛罗里达研究者发现，就在肿瘤被切除几分钟后，它的基因开始不断开启关闭，与此同时，细胞则在尝试适应没有氧的世界。就在每个人的注意力都放在病人身上时，这些基因迅速地改变了它们的表达模式。当医生准备缝合切口时，被切下的那团致命DNA还在辛勤工作。

    通常，组织在被浸泡进福尔马林之前，要在室温下挣扎两个小时。在忙碌的医院里——— 比如康普顿担任胃肠道疾病科主任的波士顿麻省综合医院——— 一段染病的结肠可能会在冰箱里放上一个周末，再被处理。N CI调查发现，动脉被切断的第1个小时里，结肠肿瘤中就有460个基因关闭或开启。

    换句话说，被储存进生物银行的肿瘤已经和刚从病人身上切除下的肿瘤不一样了。越来越多的关键诊断决定取决于对那片组织的分析——— 包括哪种药对某一位病人会起到拯救生命还是威胁生命的作用——— 不可靠的数据可能变成糟糕的药物。

    在冷冻和解冻过程中又有新的问题产生。在90年代末，研究者约翰·G·包斯特发现了为什么一些看似保存完好的样本在解冻一两天后变成了黑色。他发现甘油和二甲基亚砜的防冷冻效果被夸大其辞。是的，它们确实可以减少对细胞的结构破坏，在显微镜还是实验室最强工具的年代，这已经足够。但它们无法阻止样本再被装进冰柜时基因组受到损坏。一些压力巨大的细胞，在解冻几小时后，经过一系列“程序性细胞死亡”，永远脱离基因库。

    过去，部分细胞的死亡被认为是冷冻区里残酷的生命现实。但包斯特和其他人的研究发现，那些没有死亡的细胞，在冷冻解冻过程中也会经历基因表达变化。事实上，通过让可见细胞结构保持完整，冷冻保护剂会导致对生物样本质量的高估，从而更可能腐蚀基因组数据。

    此外，福尔马林会导致细胞RN A(破解肿瘤遗传机制的关键)的巨大变化。二甲基亚砜可能增强肿瘤的转移潜能，把肿瘤变成超级肿瘤。

    当这些发现慢慢出现在生物保鲜专业杂志上时，治疗医学取得了突飞猛进的发展。许多新疗法———比如用干细胞修复被化疗放疗破坏的骨髓———需要储存的细胞解冻后立刻注入病人体内。这些原生态细胞非常脆弱，由于害怕损失，在治疗前不会经过漂洗，因此，部分防腐剂也进入了病人的血液。

    二甲基亚砜会导致可怕的副作用———恶心、肾衰竭、甚至心脏停止跳动。所以，病人在和肿瘤搏斗时还有忍受化疗、放疗和二甲基亚砜的可怕副作用。

    这些新发现，生物银行进行了一系列的谨慎改进。在防腐剂中添加酶抑制剂可以减少细胞死亡，但无法消除二甲基亚砜的毒性。在收获组织后，立刻以小心控制的速度对其进行冷却(采用冷冻食品之父克拉伦斯·伯兹艾从爱斯基摩人那里学来的技术)可以减少有毒防冻剂的使用，但会干扰医院员工的正常工作。

    这些逐步的改变根本不足以弥补长期的停滞不前。“我们落后了20年，”明尼苏达大学的冷冻保存专家阿丽森·胡贝尔说，“人们以为二甲基亚砜之类的东西是百试不爽的万金油。如果你认为该领域的所有问题都解决了，当然也就无法筹集到继续研究的经费。”

    生物银行在建立标准操作程序方面一直拖延，很大程度上是因为他们没有这样做的压力。为研究服务的生物银行在监管机构(比如食品药品管理局)的管辖范围之外。这个行业完全靠自我约束，自愿性地遵从国际生物和环境信息库协会等机构的建议。但只有一小部分美国生物银行是该组织成员，直到2005年，这个组织才发表第一套行业指导规则。

    科里尔的首席执行官遗传学家迈克尔·克里斯曼承认，整个行业需要新的统一标准，以便能够跟上研究领域的技术进步。“尤其是人体组织的储存，从未被系统研究过，从医院获取样本的方法也不规则。”他说，“有的医生也许能确保立刻把摘除的样本冷冻，其他大多数人只是给银行打个电话说，‘OK，现在派个人过来。’在同一个生物资料库里，两份相邻存放的样本的获取方式可能截然不同。

    与此同时，数据驱动科学向生物银行提出了更大的信息技术需要。除了分子分析产生的海量信息之外，一个注解完善的样本库需要提供组织所属病人的病历信息，还有一个能够支持合作研究项目的网络基础设施。许多生物银行依然把多年留下的纸张档案堆积在地下室里，难怪会觉得跟不上时代。

    最后，要想在不经过生物银行的情况下直接向实验室提供大量细胞和组织障碍重重。研究者们都非常讨厌分享样本，因为，不同于数据，样本用了就没有了。虽然早期诊断是治疗癌症的关键，但也减少了可供研究的肿瘤的大小和数量。只有在生物银行家们的聚会上才会听到有人忧愁地感叹，“大肿瘤的时代一去不返。”

    这天早上，卡罗琳·康普顿看上去有点匆忙，有点疲惫，这可以理解。这位N CI的生物资料库主管刚从北京回来，一下飞机就赶来费城参加生物银行业会议，午餐后又要回到华盛顿。

    这位62岁的女士踏上讲台，对生物银行业现状进行了一番尖锐的评估，她的智慧和精力似乎马上就恢复了。“我们现在可能以空前的速度得到错误的答案，我们已经具备这个技术能力，”她说，“如果把错误的东西放进分析渠道的前端，可能因此输掉和癌症的战争。我们将用错误的数据污染科学刊物，这些错误需要很长时间才能被清理出来。这是一场危机，需要大刀阔斧的革新。”

    房间里的生物银行家们唯恐听漏了每个单词，因为她也是他们中的一员。2005年加入N CI之前，康普顿是一名病理学家兼一家生物银行的经理。现在，她掌握着几百万美元的联邦拨款，正是给这个混乱无章的行业带来秩序的理想人物。

    很多年里，她曾满足于简单地行医看病。她在哈佛和麦吉尔大学任教，同时为几家大医院管理生物资料库。业余时她还在健身中心教家庭主妇们跳有氧体操。没有人知道这位娇小的金发女士的专业是研究肿瘤。

    2002年，在一次会议上，她听一些研究者和政府官员承认，对抗癌症的战争停滞不前。她辞掉了学术工作。她说，“当时所有与会者一致认为，高品质生物样本的短缺是研究新疗法的头号路障。这让我猛然惊醒。我意识到，看看病人，搞搞自己的研究，绝不比除掉这个大路障重要。”就在那次会议上，她碰到了N CI副所长巴克尔，他专门为她创建了生物资料和生物样本研究办公室。

    她的第一个重大成就是让肿瘤基因图谱计划重上轨道。为了寻找适合做分子的样本，康普顿的小组访遍了大小医院、癌症研究中心、病人权益组织、外科医生协会和世界各地的人体组织档案库。经过3年的努力，终于在去年冬天见到了效果，NCI向研究者公布了超过300个脑肿瘤和卵巢肿瘤样本的基因源代码。在未来两年里，还将对至少20种肿瘤的基因组图谱排序，结果也将被免费公布到网上。最近NCI宣布，它发现了4种新的神经胶质母细胞瘤亚型。幸运的是，治疗其他种类肿瘤的正在临床试验阶段的药物碰巧也能对付这些变异的胶质母细胞瘤。如果一切实验顺利，治疗这种不治之症的第一种有效药物不久将投放市场。

    康布顿的重启生物银行计划也正在成型。今年年末，她将启动caH UB——— 一个专门向肿瘤实验室批量提供基因组等级肿瘤和其他生物样本的网络控制中心。凭借6000万美元的启动资金，这个中心将让病理学家、肿瘤学家、样本提供者、保存专家、病人权益捍卫者、伦理学家和计算机专家一起为把生物银行推进21世纪共同努力。

    caH U B将不会有漂亮的仓库。样本储存将被分包给严格遵守N CI标准的公司。这一标准建立在多年调查基础上，试图摆脱冷冻保鲜链条上的所有薄弱环节。

    康普顿的一些规则似乎很基础。多数生物银行在把样本寄给研究者之前才第一次检查它的质量。在接受样本入库时进行检查将减少不必要的浪费和不愉快的意外。康普顿告诉生物银行经理，在这个新的时代，如果他们想要获得拨款，就必须按规则办事。

    改革的难点在于改变外科医生、病理学家和医院工作人员的思维方式。康普顿说，“要纠正这一点，需要让人们知道，采集的样本是病人身上最重要的部分之一，因为对那块组织的分析将决定之后的所有治疗。”

    康普顿可能与之合作的一家生物银行是德国的新公司Indivum ed。公司创始人是汉堡肿瘤学家哈特穆特·朱尔。除了样本储存之外，Indivum ed还向欧洲和美国的10家医院提供基因组分析服务。为了确保其分子数据的质量，公司给每位病人指派一名护士，确保样本离开身体后12分钟之内进行冷冻。护士们对每个步骤每个方面进行详细记录(朱尔形容说，“非常的德国化。”)因为甚至连病人麻醉的时间都可能影响分析结果。这样高级的生物储存方式绝不便宜，但花费由辉瑞和赛诺菲安万特之类的大制药公司支付，用以换取帮助它们开发新产品的优质组织样本和数据。

    显然，并非caH U B的每个样本都能配备一个专职德国护士。但NCI的指导方针将成为生物银行的金质标准。康普顿的努力也带动了远离华盛顿权力中心的其他同行机构的改革。有些针对N C I标准无法解决的问题，比如摒弃甘油，发明一种更适合基因组和细胞基础医学研究的冷冻防腐剂。今年，胡贝尔和她的明尼苏达大学同时启动了名为生物保鲜核心资源的智囊团，目的是开发储存细胞和组织的新方法。

    胡贝尔已经为不用二甲基亚砜的脆弱细胞冷冻方法申请了专利。“有时候，仅仅是规范的行为还不够，”胡贝尔说，“我们的目的是突破局限。”

    随着个性化医疗成为现实，赌注变得更加巨大。3月，约翰·霍普金斯大学的研究者宣布，他们正根据个人线粒体D N A变异开发血液肿瘤测试法。制药公司当然是欢迎基因测试的，这样一来他们的一些因为罕见基因缺陷导致副作用而被从市场撤销的药物将获得新生。整体而言，美国个性化基因测试和治疗的市场到2015年可能翻倍。

    肿瘤在人类疾病这块大地图上只是一片大陆。有一天，糖尿病、高血压等高产杀手也许会屈服于线粒体R N A或其他我们还不知道的细胞分子的诊断威力。但是，实现这样的未来首先需要解冻一个被冰封在过去的行业。　　


编译：宇

来源：南方都市报