或许不只我们被DMEM耽误了,还有癌症攻克的进展缓慢

癌症研究的投入与产出一直难成正比,重复性也一直饱受诟病。为了实验更加简便安全,人类将癌细胞放在培养皿里进行研究,但超过60年,体外培养癌细胞的培养基一直没有更换过。许多科学家已经表示这种常规培养基与体液相差甚远,可能改变了癌细胞的性质,这也是癌症研究无法重复的原因,因为实验从一开始就错了…..
撰文丨杨心舟

改变基础研究的液体

1959年,一名叫Harry Eagle的医生制造了一瓶改变整个当代生物医药学研究的试剂,这瓶试剂看起来红得通透,隔远看就像人的血液一样,除了外观,里面的添加成分也在模拟人体的体液,包含了葡萄糖、盐分、必须的维生素以及氨基酸分子。就像神奇魔法一样,这种液体可以用来在体外培养细胞,许多人类和动物的细胞只要放在这种红色液体中就能迅速生长,因此也是生物医学研究者拿来做细胞实验的标杆液体。

这种液体在专业领域被称作EMEM(Eagle’s minimal essential medium),现在已经算得上是祖父辈的产品了,字面意思就是让细胞存活的最精简成分,不负责其他的特殊支持。在它诞生后的60年里,研究者还在不断对其进行更新。无论是研究病毒攻击,还是病理特征,只需要改变里面的一些小成分,EMEM马上就可以在实验室实现更新换代。如今,在实验室最受欢迎的应该是EMEM的二代产品DMEM,这是1975年诺奖得主Renato Dulbecco的改进版本,取名也是非常随意,就在Eagle名字前加上了自己的名字叫Dulbecco’s Modified Eagle’s Medium,这也成了做细胞实验培养液的经典代号,DMEM。

癌症久攻不破,因为全世界科学家都用错了实验材料? | 一瓶可能禁锢了癌症研究60年的液体
培养基常用的DMEM。图片来源:lifenet

当然这两种液体只能说可以维持细胞的基本生理状态,也就是说这两种液体培养基与实际体内的血液环境相差还是非常大的。如果想要更准确地研究细胞的生化性质,还要根据需求进行额外分子的补充。这一点在癌细胞研究中非常重要,因为癌细胞的特性与正常细胞相差很大,用EMEM或DMEM来培养可能会造成极大的数据错误。任职于英国比森癌症研究所的Saverio Tardito就表示,现在90%癌症相关研究都在采用两种基础培养基,这些实验可能一开始就错了,直接对结果产生了影响。但是现在已经有能养活细胞的培养基摆在那,谁又会舍近求远去自己再造一瓶新的呢?



癌症研究的窘境

近些年来,许多基础研究学科都遭受了重复性危机,除开多年饱受诟病的心理学研究,癌症研究也逐渐走入了歧途。在美国,政府每年要在癌症研究上投入将近50亿美金,这还不包括私人企业和其他机构参与支持的研究。但是投入和产出并没有成正比,过去20年癌症死亡率并没有预期的下降快,许多相关研究最终都走进了死胡同。

癌症久攻不破,因为全世界科学家都用错了实验材料? | 一瓶可能禁锢了癌症研究60年的液体
癌症研究离不开在体外进行癌细胞培养。图片来源:broadinstitute

美国在2016年2月开启了耗资10亿美金的“癌症登月计划”,为的就是让癌症研究更科技、更高效。时间过去将近3年,癌症研究却进展迟缓,Slate杂志的评论稿就曾指出这种发展迟缓是不可能靠金钱投入来解决的。因为大多数的癌症研究结果是不可信的,实验数据混乱,实验结果不稳定,实验方法不工作。

全球生物标准研究所的首席主任Leonard P. Freedman,2015年发表了一篇题为“基础实验不可重复中的经济学”的文章,里面指出超过半数的基础研究结果不可信,其他实验室根本重复不出来。癌症研究中常用的癌细胞培养可能就会出现错误,如癌细胞类型错误或者不同癌细胞交叉污染,预计占到癌症研究的15%-36%,但是当时并没有给出造成这种现象的原因。

癌症久攻不破,因为全世界科学家都用错了实验材料? | 一瓶可能禁锢了癌症研究60年的液体
许多癌症研究结果都无法重复。图片来源:Mágoz: Replicate this

在2012年,美国安进癌症研究中心前任主席Glenn Begley就曾领导开展过大批量的往期实验重复,并将结果发表在了Nature上。就结果显示,53项在癌症领域被称作“里程碑”式的研究,只有6项可以重复出来。大多数情况下,癌症研究在发表前都是处于严格保密状态,所有的实验条件都限制在唯一的实验室中,这就形成了只能通过实验室自查来保证实验结果,但许多研究室为了课题多向发展人手往往并不充足,连自查的都可能寥寥无几。

这种反馈机制的深层原因在于生物学家的“坏”习惯,在一切癌症研究中都是效率和金钱至上,至于实验结果的准确性则需要排到第三,为了获得相同的实验结果意味着需要额外增派一个人手以及投入更多的资金来进行重复,这对于任何实验室来说都是效率低下的。因此想要验证癌症研究中到底哪里出了问题就更难了,而所有癌症研究中都为了图方便采用的基础培养基DMEM一直备受科学家的关注。“坏”习惯在这体现得淋漓尽致,正如Saverio Tardito上面所说,没人想再花时间自己去配一瓶新的培养基,认为用一瓶可以养活癌细胞的培养基就足够了。



培养基造成了不可重复?

在今年1月2日发表在Science Advance上的一篇文章,Tardito展示了应该如何改进培养癌症细胞的培养基,他通过数年的配制和比较选择,选出了一种真正适合癌细胞生长的培养基,它称其为Plasmax,该培养基里面含有血液中常见的60种营养和化学分子。“我们并没有把制造培养基当做一个课题来做,” Tardito表示,“但是从改变使用培养基的一开始,我们就发现细胞状态不一样了。”

目前实验室普遍采用DMEM培养癌细胞系,但是并没有完全地模拟体内的环境,DMEM里面有一种被称作丙酮酸盐的成分是正常血液中的10倍。把癌细胞放在DMEM中培养意味着让癌细胞强行适应了一种新环境,即使实际氧气充足,但对癌细胞来说其就类似生存在缺氧条件下。

最显著的是,不同于DMEM,新配制的Plasmax里面添加了硒,体内一种重要的矿物元素。Tardito在培养乳腺癌细胞时比较了这两种培养基,在癌细胞低密度状态下,DMEM不含有硒,癌细胞全部死亡,但是在含有硒的Plasmax中能顺利发展壮大。这种结果非常出乎意料,许多保健品都宣称补充硒元素能够抗癌,尽管没有任何研究直接支持这种说法。但Plasmax中的实验结果似乎说明,硒元素在密度极低的癌细胞生长过程中起着重要作用。如果是这样的话,人体内过量的硒元素可能是造成肿瘤转移的可能成因,因为肿瘤迁移后细胞数目都不会太多,硒元素可能助力了这一过程。“我们还需要更多的实验来验证这一现象。” Tardito表示。

癌症久攻不破,因为全世界科学家都用错了实验材料? | 一瓶可能禁锢了癌症研究60年的液体
Tardito的实验显示,Plasmax对低密度癌细胞生长有明显促进作用,而DMEM则没有。图片来源文献。

Tardito也并不是第一个发现培养基对癌细胞生长有影响的人,2017年美国麻省理工白头研究所的David Sabatini就自己配制了类似血液成分的培养基,他发现在自制培养基中生长的肿瘤细胞与在DMEM中的相比,对化疗药物敏感度明显下降。Tardito认为癌症研究不能重复的很大原因,正是由于实验所用的培养基,其没有完全模拟体内的环境,可能直接导致不同实验室之间使用的癌细胞已经不太一样了。

值得一提的是,几十年前就开始流水生产的人类癌细胞系许多都培养在DMEM中,然后进行收获再出售给全球各地的实验室。也就是说随着实验用癌细胞一代又一代的传播,这些癌细胞可能已经变得适应起DMEM的环境,展现出的理化性质已经和人体内完全不一样,现在的癌症相关实验对象更像是DMEM癌细胞,而不是人类癌细胞。如果是这样的话,实验还没有开展,就已经走向了错误的方向,因此不同实验室最后会得出千奇百怪的数据也就不奇怪了。

癌症久攻不破,因为全世界科学家都用错了实验材料? | 一瓶可能禁锢了癌症研究60年的液体
DMEM与Plasmax的成分表,plasmax添加了更多血液中存在的分子,能更好地模拟体内环境。图片来源文献。

Tardito配制的Plasmax算是跨出了重要的第一步,但是距离Plasmxa的商业化应用还很远。商业化生产对于科学研究也是不可缺少的一环,商业培养基比各自实验室配制的培养基更标准化和产业化,其实是利于提升癌症研究的可重复性的。即使有实验室会自行尝试对培养基进行配制或者在DMEM里添加其他营养剂,但是在投入商业应用之前都不能为其他科学家带来显著作用。由于商业化的培养基一直没有更新换代,研究者只能用DMEM作为不完美的替代品,可以说研究者目前依赖于DMEM也是一种无奈之选。此外,不同厂商之间供应的DMEM也可能会对癌细胞生长状况造成影响,更不用说市场上还充斥大量的伪造产品。

Plasmax仅仅只是一个开始,其还缺乏血液里重要的一些组分,包括脂肪酸和蛋白质等。把癌细胞拿出来放置在培养皿里是无法完全模拟人体环境的,但这也是目前癌细胞研究最简便、安全的方法,任何癌症研究都离不开这种基础实验。因此如何将这项实验带上正确的轨道是科学家需要不断精进的事,Tardito说,“想制造出一种完美液体很难,我们能做的只能是不断缩小培养基与人体环境的差别。”

参考链接:
https://www.theatlantic.com/science/archive/2019/01/cancer-culture-media-plasmax/579283/
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/28388410
http://advances.sciencemag.org/content/5/1/eaau7314/tab-pdf
https://www.theatlantic.com/science/archive/2017/01/what-proportion-of-cancer-studies-are-reliable/513485/
http://www.slate.com/articles/health_and_science/future_tense/2016/04/biomedicine_facing_a_worse_replication_crisis_than_the_one_plaguing_psychology.html
https://journals.plos.org/plosbiology/article?id=10.1371%2Fjournal.pbio.1002165
https://en.wikipedia.org/wiki/Eagle%27s_minimal_essential_medium

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