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化学试剂在在细胞生物学的所有领域的重要性

文章来源: 贤集网       发布时间:2017-09-13
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Stefan Knapp的研究结果让他感觉自己像在坐翻滚过山车。德国法兰克福大学药剂学家Knapp和同事鉴别出一种使肿瘤生长的重要蛋白。他们还发现了一种可以限制该蛋白的类似药物的分子。他们购买了更多的化合物做进一步实验,但这一次结果并不理想。随后,他们从另一家供应商处买了同样的药物,但实验结果甚至比第一次还要好。


结果表明,出现问题的分子是对映体——彼此之间成镜面效应但性质却不同的化学结构,如左手和右手的手套。Knapp发现,供应商销售的两种化合物中所包含的对映物比例不同,在该团队的文章中,仅有左手性的对映体是有效的。(具有讽刺意味的是,右手性的版本是肺癌药物克里唑蒂尼的有效形式,它会以不同机制发挥作用)


奥地利维也纳分子医学研究中心系统生物学家、该研究领导人之一Guilio Superti-Furga说,该团队的验证工作说明了化学试剂可能是阻碍生物学实验的诸多途径之一。在一些情况下,科学家并不知晓他们手中有什么样的化学物质。而在另一些情况下,分子效应比实验认为的更加笼统。“这两个问题加在一起就会降低利用化学物质探索生物学的精彩的潜在影响。”Superti-Furga说。


美国加州斯克里普斯研究所免疫学家和化学家Kim Janda用更直白的语言描述了这个问题:“如果你不注意化学,那么化学就会咬伤你!”


化学的“咬痕”


在细胞生物学的所有领域,研究人员都需要依赖化学试剂。其中一个用处是将其作为解剖一个蛋白质功能的工具化合物或化学探针。例如,与用遗传技术抑制一种专效酶相比,用小分子限制一个具体的酶会提供蛋白质生物学更加精细的线索。在化工库里有时也会收集一些化合物,它们在那里被大规模检查,以期发现有用的试剂和药物。


在两种情况下,混合物、杂质和意料之外的活动会让没有疑心的科学家像赶野鸭子一样白忙活一番。过去几年,科学家已经在多篇文章中对基于化学物质的人工制品提出了预警,但他们认为这些问题仍然并不广泛。一些网上资源可以提供帮助。专家策划的“化学探针门户”(www.chemicalprobes.org)网站对100多种工具化合物做了评估。“探针和药物淘金者门户”(www.probes-drugs.org)收集了可以公开获得的信息,以帮助研究人员选择使用哪些化学物质。


实际上,评估研究人员购买的化学物质的质量并不容易。试剂经常含有合成的副产物,或是试剂降解形成杂质。马萨诸塞州布罗德研究所带领高通量检测组的化学专家Josh Bittker和团队收集了一个已经在临床试验中被测试过的化合物库,他们发现了这种化学污染存在的程度有多高。


让他们吃惊的是,在该团队验证的8584个分子中,有近29%的分子没能通过质量控制。在一些批次的试剂中,杂质含有量达到15%甚至更高。通常,来自同一个供应商的另一个制造批次的材料会通过审核,尤其当提供的是干粉末而非溶液时(这种形式更方便用于实验但却容易分解)。


问题可能更加严重。Bittker的检测通过分子重量评估了化合物,因此并未检查样本是否含有多种同分异构体——拥有同样化学成分但不同原子序列的分子。


复杂的结构


分子化学家可能会说,药物大小的分子可能存在的结构比宇宙中的恒星还要多。其中,商贩可能会出售1000多万种化合物。寻找特定分子的研究人员可能需要跟踪专门的供应商,从其他感兴趣的研究人员那里得到供货,或者预定合成化合物。然而,如果一个分子的生物学活动在一篇备受关注的文章中被报告,特别是如果它已经通过了临床试验,销售它的商家可能会有十来家甚至更多。制药公司有时会授权售货商生产或分发其药品的试剂级版本,这会带来更加可靠的试剂,但也意味着更高的价格。

在一个臭名昭著的案例中,有近20家供应商提供一种叫作博舒替尼的已获批癌症药物,结果却发现它们实际上销售的仅是一种相关结构,其化学基团排错了。博舒替尼和另一种结构均连接着一组细胞信号蛋白,但其功效却不同,因此这种混合物使数十篇文章受到质疑。


德国多特蒙德Taros合同研究组织首席执行官Dimitrios Tzalis建议,从有声誉的供应商处购买试剂,而非为了省钱从未经来源证实的供应商那里购货。“价格少可能意味着代价高。”他说。有时,文献也会带来困惑。当英国牛津大学生化学家Kilian Huber看到一种叫作SCR7的酶抑制剂能够促进CRISPR-Cas9基因编辑技术之后,他决定在实验室中进行尝试。最终他们放弃了该实验,因为他的研究生不能合成一种可匹配所报告结构的化合物。


怀疑非常重要,明尼苏达大学药物化学研究员Nick Levinson说,他在博士后期间曾花费数月研究博舒替尼如何绑定其蛋白质目标,但最终却表示他研究的博舒替尼根本未起作用,很多其他研究该化合物的研究人员也是如此。“我在实验室中最大的一个不同之处是,我会更加怀疑实验结果。如果我们得到任何看起来像是错误的或是令人吃惊的结果,我们头脑中冒出的第一个想法会是或许化合物不正确。”Levinson说。


不纯的产品


英国伦敦癌症研究所所长Paul Workman建议,任何时候在使用一种新化学探针时,研究人员都至少应该用两篇文章验证其特性,或是寻找能够分辨它的同行求助。“我们在尝试教育生物学界更加尊重对化学知识的需求。”他说,一名好的生物学家在开展一些控制组实验之前绝不会使用一种抗体,或是从一名同事那里拿来一个克隆基因而不加测序就使用它。他们同样应该在用质谱仪、核磁共振或其他方法对一个化学探针进行仔细测试之后再使用它。


即便是所提供的化学物质含有正确的化合物,用它得到的结果也未必正确。很多时候,一瓶试剂的问题是从打开瓶子后开始的。达姆施塔特Merck KgaA公司生命科学试剂部门主任Heather Holement说,反复冷冻和解冻会让化合物性能下降,一些化学物质在冷冻时根本不稳定。有时,溶解在有机溶液中的化学物质在加入基于水的环境中(如在细胞和蛋白质化验中)时也会析出溶液。她建议,研究人员应该考虑到试剂批次的质量,并经常用单独的溶剂进行控制组实验。他们还可以通过不用细胞或蛋白质进行分析排除一切错误信号。


有时,一种化合物的明显活动实际上是因为携带它的“交通工具”。澳大利亚墨尔本莫纳什大学血液病学者Jake Shortt跟踪了一个常见的做法,将抗癌药物溶解在一种叫作NMP(n-甲基吡咯烷酮)的溶剂中,然后将其注射到小鼠体内,他们吃惊地发现在注射了该溶剂却不含有任何测试化合物的控制组中居然看到了肿瘤应答。那些数据表明,NMP本身就有抗癌活性,Shortt正开始在临床上测试它。但他表示,其他人依然将NMP当作一种所谓的惰性液体使用。


“有时,你有了正确的化合物,但它只是不纯的化合物。”Workman说。他表示,资源和教育极为关键,但责任则要看个体科学家。“正确以及恰当地使用任何小分子化合物是每一位研究人员的责任。”当谈到使用化学试剂时,Workman说,有一句简单的格言比任何固定规则都重要:“货物出门概不退换——购者自慎。”


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