物理学博士,科学传播者,Veritasium频道创始人。出生于澳大利亚,在加拿大长大,拥有悉尼大学物理学博士学位。常通过街头实验和数据分析揭示被忽视的科学真相,频道订阅者超过1500万。本视频由Derek与Casper共同呈现,实地探访帝国理工学院实验室。
1996年,利托那韦(ritonavir)被引入治疗HIV,到1998年已有75,000名患者每天服用多达20粒。它将确诊死刑变成了可控疾病。在连续240个批次的质量检测中,每一粒胶囊都通过了溶解测试——在30分钟内溶解到足以被人体吸收的程度。从未失败。
直到有一天,一名分析员发现了异常:一粒胶囊没有正常溶解。按照规程,他们销毁了整批产品并深度清洁生产线。但第二天,同样的事情再次发生。透明胶囊变成了白色浑浊状,显微镜下充满了无数细小的针状晶体——一种从未有人见过的晶体。
研究人员试图在实验室中重新合成利托那韦作为对照,但结果同样是白色糊状物。他们检查了所有原料、温度、湿度和程序参数——一切都没问题。然而一周之内,无论是工厂还是实验室生产的每一粒药片都变成了浑浊的。Abbott公司不得不立即停止全部利托那韦生产。
他们不知道如何检测它,不知道如何测试它,不知道什么导致了它,不知道如何预防它,也不知道如何消除它。
类似的现象其实早在170年前就引发过激烈争论。在巴黎的实验室中,化学家Justus von Liebig读到一篇由Friedrich Wöhler发表的论文,声称发现了一种由一个银、一个碳、一个氮和一个氧组成的化合物。Liebig愤怒了——因为他自己也发现了完全相同元素组成的化合物,但行为完全不同。
Derek在帝国理工学院实验室中重现了这一对比。Wöhler的化合物——银氰酸盐——加热时只是慢慢变色融化,温和而无趣。而Liebig的化合物——雷银——仅仅几毫克的量就产生了震耳欲聋的爆炸声。两种化合物的元素组成完全相同,却表现出截然不同的化学行为。
Wöhler的银氰酸盐(AgCNO):加热时温和变色融化,稳定无害。
Liebig的雷银(AgCNO):极少量即产生剧烈爆炸,甚至潮湿状态下也可能自爆。
相同元素,不同排列——这就是同分异构体(isomers)的发现。
两人公开争论了两年,终于在法兰克福面对面验证时震惊地发现:两人都对了。这颠覆了当时的化学认知——化合物的性质不仅取决于原子组成,还取决于原子的排列方式。红外光谱学后来揭示了原因:分子中每个化学键对特定频率的光有独特的共振响应,形成了分子的"指纹",不同的键排列产生完全不同的光谱。
利托那韦的光谱显示,针状晶体的所有化学键与原版利托那韦完全相同——它是同一种分子。但光谱上存在微小偏差,意味着分子排列的方式发生了细微变化。这引出了多晶型(polymorphs)的概念。
Derek用巧克力做了解释。好的巧克力光滑闪亮,掰开时有清脆的"啪"声。但如果让巧克力融化再重新凝固,它就变得暗淡、柔软,味道也不同。原料没有任何变化——改变的只是可可脂分子的堆叠方式。巧克力有六种多晶型:暗淡的主要是Form IV(熔点约27°C),闪亮的是Form V(熔点约34°C)。
Derek与三星级餐厅前研发主厨Chris Young一起演示了巧克力调温(tempering)的过程:先加热到45-50°C消除所有晶体记忆,然后冷却到27°C产生大量各种晶型的晶核,最后升温到32°C让Form III和Form IV融化,只留下Form V。放入冰箱20-30分钟后,得到完美的闪亮巧克力条——掰开时发出令人满足的清脆声。
调温的艺术在于管理多晶型——通过精确控制温度和时间,让分子堆叠成我们想要的结构。
巧克力可以从暗淡变回闪亮,但利托那韦却无法从Form II变回Form I。原因在于能量景观的差异。
巧克力的Form IV和Form V之间有一座小"山丘"(活化能),两个"谷底"的深度差不多。加热提供足够的"踢力"让分子越过山丘,就能从Form IV滚到更稳定的Form V。虽然不精确,但可以反复操作。
利托那韦则不同:Form I和Form II之间的山丘更高,而Form II的谷底深得多。一旦分子滚入Form II的深渊,无论加热还是冷却都无法让它爬出来。Abbott公司的科学家们用尽了所有方法,都无法让Form I回归。
Form IV 和 Form V 之间活化能较低,两个状态能量差距小。加热可穿越能垒,反复转换。
Form II 能量远低于 Form I,活化能极高。一旦形成Form II,任何手段都无法逆转。
但为什么Form II会突然出现?生产流程没有改变,活化能应该阻止大量Form II的形成。答案藏在300年前北欧的一个传说中。
寒冷的冬天,教堂管风琴的锡管上出现了黑色疣状生长物,管子开裂,人们以为是魔鬼在惩罚不忠的教众,甚至声称能听到管风琴在"尖叫"。实际上,这是"锡瘟"——锡在低于13°C时从银白色的β锡转变为灰色粉末状的α锡。关键机制是:一旦出现一小点灰色锡,它就作为成核点(nucleation site),大幅降低活化能,让周围的银白锡不断转化为灰色锡。灰色锡密度更低,因此金属膨胀并碎裂。碎片脱落后又去"感染"其他管子。
利托那韦的Form II以完全相同的方式传播。一旦出现一颗微小的Form II晶种,它就作为成核点降低了巨大的活化能,让所有Form I转化为Form II。微小的晶种可以随气流传播,附着在工人的衣服上——当芝加哥团队飞往意大利工厂时,他们身上的晶种"感染"了意大利工厂。这就是为什么意大利在芝加哥团队到访后也迅速沦陷。
它像疾病一样传播,但被感染的不是人,而是药物本身。
利托那韦是"消失的多晶型"最戏剧性的案例。在记者招待会上,Abbott公司的科学家被问及"你们是大公司,科学家显然很聪明,这怎么可能发生?"他的回答是:"公司的规模和科学家的智商与这个问题没有任何关系。这个现象是不可预测的。在某种意义上,我们是厄运的受害者。"
事实上,阿司匹林在130多年中没有人发现过多晶型——直到有人偶然发现了Form II。利托那韦如今已知至少有五种多晶型。多晶型的数量与你在该化合物上投入的时间和金钱成正比。
如今,制药公司花费数十万到数百万美元进行多晶型筛选。利托那韦事件是引发大量监管和科学活动的"红旗"之一。如果某事有1%的概率导致灾难,你就必须有所行动。但这种风险永远不会完全消失——你无法预测它何时发生、发生在哪种药物上。
最终,Abbott公司放弃了恢复Form I的所有尝试,回到了一种较老的液体制剂。虽然液体制剂副作用更严重、并非所有患者都能耐受,但它有效。正如Abbott科学家在记者会上所说:"这一次发生在Abbott身上,好在我们有液体制剂作为安全网。下一次可能发生在另一种没有安全网的药物上。"
某一天你可以制造它,第二天它就永远消失了。