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最初,奇普瑟姆搜尋極端環境中微生物的工作把她帶到了泰國南部的紅樹林沼澤地帶。但她有一種預感,自己在尋找洞穴時會更幸運。唯一的問題是,大多數可以進入的泰國洞穴都向遊客開放,都是修築了水泥路面、有人造燈光並擺著佛像,更不用說每周有數十人徒步出入。換句話說,這與那些稀有而獨特細菌習慣於生長的原始環境正好相反。2001年,她和丈夫喬·多布森(Joe Dobson)一起搬到了他的家鄉不列顛哥倫比亞省,次年在湯姆森·里弗斯(Thompson Rivers)開了家公司。
十年後,她發現了她可以稱之為完美洞穴的東西。奇普瑟姆和她的同事在2016年發表的論文中概述了他們的初步發現,報告了在鐵幕洞穴中發現的100種細菌。其中12.3%是未知的,甚至可能是全新的細菌。迄今為止,其中兩種已被證明對抗多重耐葯微生物菌株是有效的。
早春時節,我坐在一輛卡車的副駕駛座上,羅布·沃爾(Rob Wall)開車帶我們穿過奇里瓦克盆地(Chilliwack Basin)偏僻的鄉間小路前往洞穴。一望無際的樹林從兩旁延伸開來,很容易讓人聯想到隱藏在森林深處的巨大地下洞穴網路。
在充滿生命的森林深處,長滿青苔的土丘一側有一扇一米寬的金屬門,就像某種蒸汽朋克時代霍比特人所居住的洞穴。只有沃爾和斯托羅辛斯基能夠帶人進去。一旦大門打開,你將下降10米(從一對兩端相連的梯子)進入地球的內部。在那裡你會發現半公里長得蜿蜒曲折石灰岩隧道,以及地下水池、幽閉的裂縫和天花板上懸掛的石筍,黑暗是這裡的主人。
作為CRVC的一員,現年四十多歲的沃爾是鐵幕洞穴的管理人,與政府合作控制通道。它的確切位置是保密的。而該地區的其他洞穴常常被周末遊客破壞,這是一個持續存在的問題,令沃爾大為懊惱。保護這種獨特的資源是關鍵,而鐵幕洞穴設置的金屬門保護其不受上面世界的影響,進入者必須嚴格遵循滅菌程序,以防止探洞裝置和科學儀器污染被隔離的細菌。
如果進洞者當天已進入另一個洞穴,則需要使用經過凈化或全新的探洞設備。這是為了防止有機物質的交叉污染,而有機物質的交叉污染反過來又會破壞洞穴細菌特定的棲息地,可能會破壞獨特的(可能有用的)細菌種群。通常情況下,進洞者都穿著一次性的Tyvek工作服,然後設備都密封在塑料袋裡,並且在離開洞穴時噴灑消毒劑。最好穿橡膠底易清洗的靴子,在進入或離開任何洞穴前必須進行更換。當然,在採集樣品時使用的科學設備要麼必須經過消毒,要麼必須以前沒有使用過,並密封在包裝中直到需要時才拿出來。
斯托羅辛斯基帶領我們進入深邃的洞穴。他的工作是確保奇普瑟姆和她的團隊——以及洞穴環境——在樣本收集過程中的安全。雖然從技術上講,鐵幕洞穴並不像附近的其他洞穴那樣具有挑戰性,但洞穴內部也狹窄蜿蜒,需要有經驗豐富的嚮導來帶領前行。
斯托羅辛斯基和沃爾並不是唯一冒著生命危險尋找新細菌的洞穴探險者;不列顛哥倫比亞省洞穴探險聯合會(BCSF)是該省洞穴探險者的聯合組織,該組織旗下的一些洞穴探險者冒險進入區域內的各個地下洞穴,為奇普瑟姆收集樣本。有一個洞穴處在灰熊的棲息地,所以需要洞穴探險者用直升機進入以避免遭到攻擊。另一種洞穴需要探洞者潛水進入——這是大多數微生物學家無法企及的技術壯舉。如果沒有這些洞穴探險家沒有報酬的辛勤付出,奇普瑟姆的研究就會停滯不前,而抗生素耐藥性的問題也會繼續不加控制地發展下去。
在我們呆在洞穴期間,斯托羅辛斯基帶領我們在低矮的洞頂下穿過狹窄的通道,並小心翼翼地不去觸碰那些古老的洞穴牆壁。他還負責維護引導我們穿過洞穴的發光帶條。偏離路徑太遠,不僅有損壞洞穴的風險,還會讓自己處於嚴重的危險之中;在洞的後面,錐形小徑的邊緣有一個一米寬的大洞通向看似無底的黑暗。「它會一直通向地心,」斯托羅辛斯基半開玩笑地說。
有一次,為了給我們的團隊騰出空間,斯托羅辛斯基背靠著洞壁,一塊拳頭大小的鬆動石頭砸在了他的背上。雖然沒有受傷,規則要求他向我們發出危險警告,並下意識地離開了牆邊。幸運的是,洞頂完好無損。
距離奇利瓦克東北約250公里的地方有一座叫做坎盧普斯的大學城。穿過伐木場,越過需要給汽車加防滑鏈的埡口,以及被遠山環抱的半乾旱草原就到了這裡。從2002年開始,奇普瑟姆就在湯普森里弗斯大學科學大樓三樓的一個L形小實驗室里工作。
奇普瑟姆的實驗室裝飾著放大的洞穴細菌黑白照片,就像粉筆上的灰色小頭。沿牆是一組不鏽鋼材質的生物安全櫃,用於處理可能有害的洞穴樣本。空氣壓力、氧氣含量、光照和礦物質都促使細菌適應環境產生進化,但人們認為鈣離子對細菌DNA鏈的侵入可能導致最大的變化,這會迫使細菌在遺傳水平上做出適應,否則就會死亡。因此,奇普瑟姆將她的研究範圍縮小到了由碳酸鈣或硫酸鈣沉澱形成的石吸管洞穴沉積物。
奇普瑟姆使用鑷子或棉簽採集洞穴樣本,然後通過含有瓊脂的安全殼運送到實驗室,並保持在12°C的溫度,模擬洞穴條件以維持微生物的存活。在本科生Richenda McFarlane和Keegan Koning的幫助下,奇普瑟姆嘗試在隔離培養基上培養這些細菌之前,先從洞穴樣本中分離出細菌——這是一個漫長而又遙遠過程的第一步。
但是,要想讓地下細菌在實驗室里茁壯成長,必須精確複製它所形成的條件。用奇普瑟姆的話來說,這是「在黑暗中進行射擊」。
「我們不知道每一種細菌想要在哪種培養基上生長,」 奇普瑟姆承認。「我只能猜測他們喜歡什麼樣的生物、物理和化學因素,然後在實驗室里試著去模仿。這永遠不會是100%的,我們經常會錯過很多東西。」
即使這種營養液被證明足以培養地下生命,也要等上很長時間。通常情況下,一些洞穴細菌需要2到8周的時間才能在實驗室里生長。通過提供豐富的營養來促進洞穴細菌快速生長通常也不起作用。奇普瑟姆將這種方式比作「把沃爾瑪超市堆在它們頭上」。「畢竟在洞穴里,沒有光線,他們獲取的僅有一些有機物質要麼是上方滲出的水,要麼是其他方式。洞穴細菌的獨特之處就在於這種環境。」

如果奇普瑟姆的團隊能夠分離出這種細菌,並且它的代謝產物顯示出開始生長的跡象,那麼就必須通過基因挖掘技術來對細菌基因組進行測序。然而由於資金緊張,奇普瑟姆所在的實驗室沒有能力進行這種實驗。其與遠在4300公裡外的渥太華大學化學和雙分子科學系合作。在那裡,生物化學主任克里斯托弗·博迪(Christopher Boddy)和他的博士生傑西卡·戈斯(Jessica Gosse)正在細菌中尋找一種與抗生素相關的遺傳模式,這種遺傳模式在過去曾被成功用於醫療。如果他們發現了這個序列,他們就會評估細菌對多種病原體的抗生素活性,並試圖更好了解它是如何工作的。「與Ann合作的最大好處之一就是我們可以在技術上互補,」 博迪解釋說。「她是一名出色的微生物學家,在培養細菌方面有著一流的技能。我的實驗室本質上更具分子特性。我們在這次合作中扮演的角色是測序Ann發現細菌的基因組,並利用基因組的信息來指導我們發現新的抗生素和抗真菌藥物。
遺憾的是,對於博迪的團隊來說,研發新型抗菌藥物的任務已經具有個人意義。去年,戈斯失去了一位朋友,原因是患上了一種耐抗生素的細菌感染。
迄今為止,奇普瑟姆和她的湯普森里弗斯大學團隊已經在鐵幕洞穴中發現了100種新的細菌分離物,但目前只能對其中最有希望的兩種進行研究。「這是一種迫不得已的策略,」 奇普瑟姆嘆了一口氣。「我沒有足夠的學生或資金來進一步研究這種細菌。我們必須重點關注那些具有良好殺滅能力的細菌,並且是最穩定的。換句話說,每次我對其進行培養它們,都需要產生有用的代謝物。
然而,儘管奇普瑟姆尚不確定它們的用途,但在當前的危機中,即使是兩種新的抗生素也似乎是一種有價值的援助。但是抗生素的開發過程遠不是那麼簡單。「可能需要10到25年的時間才能在貨架上買到一種新的抗生素,」 奇普瑟姆說。「你認為會有大型製藥公司會資助我們嗎?這是一項枯燥乏味的工作,而且是一種冒險。我們可能在洞穴中發現100種細菌,但其中一些可能對某些細胞有毒。有些可能會同時殺死太多東西。想想製藥公司以利潤為導向的本質。研發一種新的抗生素需要10億美元,而且每一劑抗生素的療程只有7到10天。從效益上講這對他們沒有任何好處。」
儘管現實中存在奇普瑟姆的擔憂,但對新葯的研究還遠遠沒有結束。自2014年以來,創新基金會Nesta已經為對抗生素研究做出傑出貢獻的研究人員提供了高達800萬英鎊的獎勵。既然奇普瑟姆存在資金問題,為什麼基金會不給他們資助呢?
「實際上我們自己也存在資金問題,」Nesta挑戰獎中心獎項負責人丹尼爾·伯曼(Daniel Berman)解釋說。500萬英鎊的獎金來自私人投資者。其他300萬來自英國政府的英國創新計劃。因此,獎金僅限於在英國活動的機構。即便他們能夠在全球範圍內提供資金,伯曼預測,另一個問題是,「資助者並不喜歡長期演技。如果你現在看看受資助藥物的渠道,重點是幫助那些已經發現了可能新葯的人,讓他們為臨床試驗做好準備。
伯曼指出了AMR評論背後經濟學家吉姆·奧尼爾的建議。奧尼爾提倡一種「市場准入獎勵」制度,即政府提供「數十億美元」的獎勵基金。這些資金將被獎勵給那些找到新抗生素的公司,從而讓公司以較低的價格銷售抗生素,而不是公司通過銷售每一種抗生素來獲得利潤。但是,伯曼認為,這其中也存在固有的問題。廣譜抗生素的廣泛應用只會導致同樣的問題:免疫系統不斷弱化,從而為新的超級細菌打開大門。為了解決這個問題,伯曼認為新的抗生素只能通過嚴格控制的處方來獲得。
即使在一個滿足所有這些條件的樂觀世界里,為什麼說開發新的抗生素可能永遠只是一個臨時解決方案也另有原因。撇開極端微生物不談,對研究過的細菌進行基因控制是開發新抗生素的唯一可能途徑。這也是我們目前的做法。但這遠不可靠。「從1928年青霉素的引入,到1943年鏈黴素的引入,再到1980年代的達托黴素,通常在一兩年內細菌就會產生耐藥性,」 奇普瑟姆說。「歷史告訴我們,我們製造出任何藥物,細菌都將繼續存在,並將繼續流行。今天,我們的抗生素是對最初的核心抗生素的輕微改進。這就是為什麼藥劑師會談論青霉素G, K, N, O, V等等。問題是人們只能在抗生素完全失效之前不斷調整配方。」
儘管依舊面臨著看似不可克服的困難,但奇普瑟姆和博迪仍然樂觀地認為,他們會在某個地方發現一種新的細菌,至少能在一段時間內幫助人類。至少目前來看,我們只觸及到了極端微生物的表面。
「任何環境都可能很有趣,」 博迪說。「我們的研究集中在從古代考古遺址到海洋等許多獨特的地方。我們能夠從海洋環境中培育出細菌只有15年的時間,而現在大量的新抗生素和抗癌藥物正在進行臨床試驗。
奇普瑟姆仍然不知道能否在她退休前找到新的抗生素。她說:「作為一名母親,我至少會覺得我已經為我的兒子和未來幾代人對抗多種耐藥性感染盡了最大努力。」不管怎樣,她仍然充滿希望,解決全球日益嚴重抗生素危機的答案或許一直就在我們的腳下。
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