▎药明康德/报道

当走进Slava Epstein教授位于东北大学的实验室，里面的设施简单到令人不敢相信。这些普通设备背后存在着伟大的想法。就是在这里，Epstein教授和同事研发出一种新型抗生素，是该领域近30年来的首次重大发现。

▲Epstein教授的实验室，位于东北大学

自然界的细菌能生产抗生素，如果能在实验室培养出新的细菌，就有可能研发出新的抗生素药物。可惜过去了一个世纪，微生物学家都没有掌握大规模培养细菌的秘诀。

很多人认为解决细菌培养的难题可能要依赖高科技，但事实恰好相反。经过15年的探索，Epstein教授和同事们终于找到了一条思路，实现了大多数细菌的人工培养，他们做的仅仅是让细菌在舒适培养皿或盒子的环境下生长。

Epstein教授的成功也许是因为他曾经是药物开发的局外人。生于苏联的Epstein教授于1980年获得莫斯科大学海洋生物学博士学位，不久他的论文就被苏联情报机构克格勃审查，他也被禁止海洋探险，因为当局担心这位犹太人会趁机逃到国外。

在现年56岁的Epstein教授看来，当初这段禁足反而给了他一个研究海滩生物的机会，因为“这只需要两只脚走上海滩就能进行。”刚开始他研究无脊椎动物，后来转而对微生物感兴趣，比如原生生物和细菌。

1989年，政局的变化导致Epstein教授的科研生涯也被迫停止。苏联解体后，犹太人纷纷离开苏联，他选择去了波士顿。这个决定在当时看来可谓糟糕透顶，初来乍到美国，Epstein教授又不会说英语，找到海洋生物学研究的工作前景渺茫。为了养家糊口，他只能选择去干刷油漆和修理屋顶这样的体力活，挣每小时5美元的报酬。

但是Epstein教授很快就通过听广播新闻学会了英语，他白天在麻省大学的微生物实验室做志愿者，晚上兼职做泊车小弟。机会终于来了，在一位朋友的帮忙下，Epstein教授把遗留在俄国的原始研究资料秘密转移到美国，并且靠着这些数据发表了海滩生态学的研究成果，从而获得在麻省大学做兼职博士后研究的机会。1992年，Epstein教授到了东北大学任职，就一直干到现在。

刚开始，他还是继续原来在俄国的研究方向，研究海洋生态。但他对海滩上的小居民——细菌越来越感兴趣。当时微生物学家面临的一个重大挑战就是：绝大多数细菌都没法在实验室条件下生长，研究细菌更无从谈起。Epstein教授对解决这个挑战充满执着。

平板接种的问题

1870年培养皿发明之后，科学家们通过在培养皿上生长出细菌来进行研究。但是微生物学家很快发现采用平板菌落计数会出现误差，培养基上形成的菌落数量只是样品中微生物细胞的数量的很小一部分。除了大肠杆菌，99%的细菌都很难在平板上生长。1985年，一些科学家提出，平板培养菌落计数与自然环境中微生物实际数量之间存在显著差异，甚至可以差上几个数量级。

1990年代，Epstein教授对解决细菌平板接种的问题十分着迷。他觉得自己正在接近前人未发现的重大突破。这时候，通过朋友的介绍，他认识了在离他不远的塔夫斯大学（Tufts University）工作的微生物学家Kim Lewis教授。虽然Epstein教授是生态学背景，Lewis教授学的是分子生物学，但是两人对解决微生物培养的难题一样抱着浓厚兴趣，而且彼此的研究思路也很接近。2001年，Lewis教授来到东北大学跟Epstein教授一起合作开展研究。

两名科学家猜测，细菌在实验室环境没法生长可能是因为实验室的条件对人类而言“舒适”，对细菌却是“毒性的”。他们决定还原出细菌在自然界的生长环境。2000年，Epstein教授和他的学生将马萨诸塞州海滩的泥块带回东北大学实验室进行研究。

最开始他们希望细菌可以安处在沙地环境中愉快的生长。很快Epstein教授意识到，即使能够生长，仍需要分离出特定菌落才能开展研究。因此细菌培养不是问题，问题是如何让不同的细菌隔离开来。

于是，Epstein教授和同事开始研究能够分离细菌的办法。经过多次失败之后，他们发现带膜的金属圈很凑效。研究员设计了一个金属圈，把金属圈放进很低浓度的细菌液里，就可以使每个圈里平均只有一个细胞。

通过这样的方式，研究员获得了分隔开的的细菌，用上下两层膜封闭住金属圈之后放回沙子中。氧气和营养水可以透膜进入金属圈里跟细菌接触，细菌的代谢物也透膜排出。而细菌则不能从膜的孔径中穿过。

研究员欣喜地发现，这样能使细菌快速生长。富集的细菌落可以用来进行科研，从中还能发现新的细菌。

成功之后，Epstein教授和同事又开始给细菌设计新的房子。他们开始尝试培养口腔里的菌群。人体口腔内存在着几百种细菌，对保障我们的牙龈，心脏健康十分重要。

研究人员找到一批大学生志愿者，在他们的上颚放入设计好的支架。每个支架都做了一个小孔，可以放入微小的细菌培养盒。盒子里的细菌处于口腔内环境，获得生长所需的营养成分。一到两天之后，研究人员将支架取出，发现盒子里生长出菌落，其中不乏一些新发现的细菌类型。

虽然在很多研究中获得成功，但是Epstein教授和Lewis教授还是认为这种技术有存在缺陷：太依赖手工操作。他们想要大规模生产这样的装置，这样才能一次培养许多不同的细菌。

通过跟材料学家合作，Epstein教授发明了一种小的塑料盒子，他称为隔离芯片（isolation chips， iChip）。每张iChip含有192个孔，孔径1毫米。利用这样的芯片，一次可以培养192种不同的细菌。

在堆满各种东西的实验台，Epstein教授开始演示iChip。他拿出一个啤酒杯垫大小的金属片，中间有个洞被双层薄膜上下密封住。然后拿出三个像口香糖一样的黑色盒子，上面有许多孔。将垫片和盒子像三明治组合在一起，这就是Epstein教授和他的同事用来创造科学头条的试验装置，成本够低，一个盒子才不到10美元。Epstein教授说“你可以在自己家里面制造出来。”

▲隔离芯片（iChip）的原理，可以用来进行细菌的高通量原位培养

这种芯片可以用来研究自然界的细菌生态。最近，Epstein实验室的研究员把iChip埋在格陵兰冻土里研究北极的细菌。但是Epstein教授和Lewis教授开始研究细菌培养问题的时候，他们就希望该技术能够用来寻找新的抗生素。

全新的抗生素

通过培养细菌发现抗生素有古老的历史。1930年，美国罗格斯大学的Waksman教授尝试在土壤中寻找抗生素。他在罗格斯大学校园里挖了一些土，把土烘干后，只有生命力最顽强的放线菌类能存活。给存活的放线菌孢子提供水分和营养后，它们开始生长。通过几年的研究，Waksman教授就从放线菌中分离出一系列抗生素，其中包括链霉素和新霉素，链霉素至今仍是治疗肺结核的用药。Waksman教授也因此获得了1952年诺贝尔生理学或医学奖，被誉为抗生素之父。

之后的科学家扎堆投入到放线菌中进行抗生素研发，对其他种类的细菌鲜有关注。然而，这些研究只是在Waksman教授的发现上得到微小的改进，新抗生素方面基本没有新的发现。就像那个著名的寓言故事说的，醉汉在夜晚的路灯下找钥匙，其实钥匙并没有丢在街上，只是因为那里的光线比较亮。

显然，发现新的抗生素更有科学价值。为此，Epstein教授和Lewis教授共同成立了一家名为NovoBiotic公司，专门研究新型抗生素药物。

NovoBiotic的研究人员采用iChip培养新的细菌，试图发现新的抗生素。 他们首先从土里分离出细菌，放进iChip，然后重新放回土里让它们生长一个月。当菌落成熟后，就可以用来研究抗生素。研究员把致病菌加到iChip的孔里，测试致病菌是否会被杀死。通过深入研究一些能够杀死致病菌的菌落，目前他们已发现25种全新的抗生素。

Lewis教授负责其中两种抗生素的研究，分别是lassomycin和teixobactin。这两种抗生素发挥作用的原理跟以往的抗生素完全不同。lassomycin能吸取细菌的能量，teixobactin会干扰细菌细胞壁的生长。动物实验结果表明，teixobactin在小鼠体内可以治愈感染疾病。该成果发表在2015年的《自然》杂志上。

NovoBiotic公司目前正在对teixobactin进行分子优化，为人体临床试验做准备。Epstein教授希望能和大型制药公司合作，证明teixobactin在临床试验中的效果，最终能够获得FDA批准。同时，他也在继续改进细菌培养技术。目前的装置由于操作原因会在薄膜上累积微小划痕，最后会使细菌产生泄露，因此iChip还不能用很长时间。

现在还很难说teixobactin是否能够代替链霉素，成为细菌耐药之后的另一选择。但比起发明一种药物，发现一个新的药物开发平台显然更重要。仅有少数几名科学家的小型生物公司能够在这么短的时间内开发出有潜力的候选药物，这给了创始人很大的信心，Lewis教授相信这套药物开发系统潜力巨大。

同行这样形容Epstein教授的工作，“在他发现新抗生素之前，没有人愿意在抗生素领域冒险。他为我们找到了一盏新的路灯，从此可以在灯底下寻找丢失的钥匙。”

参考资料：

[1] A radically simple idea may open the door to a new world of antibiotics

[2] Promising antibiotic discovered in microbial ‘dark matter’

[3] Epstein Lab website

[4] novobiotic官网