解析癌癥饑餓療法

2014年7月暑期，昔日熙熙攘攘的清華校園漸趨安靜。在生命科學(xué)學(xué)院生物膜與膜生物工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，顏寧教授和幾位穿著白大褂的年輕研究人員依然與試管、分析儀器、工作臺(tái)、書籍為伴。

正是顏寧團(tuán)隊(duì)6月首次解析了人源葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白GLUT1的晶體結(jié)構(gòu)。6月初，科學(xué)期刊《自然》長文刊發(fā)了這一研究成果，同時(shí)引發(fā)學(xué)術(shù)界與社會(huì)公眾熱議。

這是一個(gè)競(jìng)爭頗強(qiáng)的研究領(lǐng)域。“哺乳動(dòng)物的膜蛋白結(jié)構(gòu)研究難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對(duì)細(xì)菌同源蛋白的研究，因此至今獲得的哺乳動(dòng)物膜蛋白的結(jié)構(gòu)寥寥無幾。但要針對(duì)人類疾病開發(fā)藥物，獲得人源轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白結(jié)構(gòu)至關(guān)重要?！?012年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主布萊恩·克比爾卡如此評(píng)價(jià)，對(duì)于GLUT1的結(jié)構(gòu)解析是極富挑戰(zhàn)、極具風(fēng)險(xiǎn)的工作，這是一項(xiàng)偉大的成就。

破解GLUT1之謎

顏寧對(duì)于團(tuán)隊(duì)獲得GLUT1的晶體結(jié)構(gòu)頗感“驕傲”，“因?yàn)橥耆前凑者壿嬕徊讲侥玫降慕Y(jié)構(gòu)，而不是靠‘篩選’?！?/p>

人類對(duì)葡萄糖跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)的研究已有約100年的歷史。葡萄糖是生物最重要、最基本的能量來源，為人體各器官系統(tǒng)供給能量。葡萄糖的第一步是進(jìn)入細(xì)胞，但親水的葡萄糖僅溶于水，而疏水的細(xì)胞膜就像一層油，擋住了葡萄糖的去路，因此，葡萄糖自身無法穿過細(xì)胞膜，必須依靠轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白這個(gè)“運(yùn)輸機(jī)器”來完成。

葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白鑲嵌于細(xì)胞膜上，如同在疏水的細(xì)胞膜上開了一扇一扇的門，將葡萄糖從細(xì)胞外轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞內(nèi)。

科學(xué)家在1977年第一次從紅細(xì)胞里分離出轉(zhuǎn)運(yùn)葡萄糖的蛋白質(zhì)GLUT1，八年后鑒定出GLUT1的基因序列。此后，研究人員一直設(shè)法獲取GLUT1的三維結(jié)構(gòu)，以真正認(rèn)識(shí)其轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)理。

三維結(jié)構(gòu)是為了幫助在晶體狀態(tài)下觀察實(shí)驗(yàn)，而蛋白質(zhì)“結(jié)晶”是一道障礙?！捌駥?duì)大分子的結(jié)晶是不可預(yù)測(cè)的，所以我們總是把這個(gè)過程稱為‘藝術(shù)’，而不是‘科學(xué)’。這個(gè)復(fù)雜過程的規(guī)律還沒被勘破?！鳖亴幷f。

過去幾十年間，諸多世界頂尖實(shí)驗(yàn)室都曾為此或仍在為此攻關(guān)，始終未能成功。有科學(xué)家嘗試從紅細(xì)胞中、動(dòng)物組織中直接提取GLUT1，或者通過重組表達(dá)的方法獲取，還嘗試通過研究GLUT1-4的同源蛋白結(jié)構(gòu)信息來間接理解這些重要的人源轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。1985年，美國麻省理工學(xué)院Harvey Lodish實(shí)驗(yàn)室首次鑒定出了人體GLUT1蛋白的基因序列，并根據(jù)氨基酸序列預(yù)測(cè)其具有12次跨膜區(qū)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

從2007年組建團(tuán)隊(duì)之初，顏寧的實(shí)驗(yàn)室就將GLUT家族作為主要研究對(duì)象。蛋白結(jié)晶所需要的環(huán)境不能預(yù)測(cè)，顏寧就想到“搞殘”這個(gè)蛋白質(zhì)，讓它的動(dòng)態(tài)慢一點(diǎn)，“老態(tài)龍鐘一點(diǎn)，我們就可以咔嚓一下截獲其中一個(gè)狀態(tài)”。

她的學(xué)生閱讀大量文獻(xiàn)后，終于找到了讓GLUT1慢下來幾千倍的一個(gè)突變。以后的事情就水到渠成。2012年，顏寧研究組首次解析了GLUTs的大腸桿菌同源蛋白XylE與葡萄糖結(jié)合的高分辨率晶體結(jié)構(gòu)，并利用同源建模預(yù)測(cè)了GLUT1-4的三維結(jié)構(gòu)。

這次人源GLUT1蛋白的晶體結(jié)構(gòu)的捕獲為理解轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白掀開了新的一章?？茖W(xué)界在經(jīng)過了半個(gè)多世紀(jì)的探索之后，終于看到了全面認(rèn)識(shí)GLUT1的希望。

如何餓死癌細(xì)胞

顏寧團(tuán)隊(duì)的研究成果提供了這樣一種可能：通過控制GLUT1這扇“門”，調(diào)控癌細(xì)胞的葡萄糖，進(jìn)而抑制比正常細(xì)胞需求更多葡萄糖的癌細(xì)胞的生長，使“餓死癌細(xì)胞”成為可能。

癌細(xì)胞多以無氧呼吸為主，耗糖量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于以有氧呼吸為主的正常細(xì)胞，因此采用靶向GLUT1的“饑餓療法”可以讓癌細(xì)胞攝取的葡萄糖急劇減少，能選擇性殺死癌細(xì)胞，而對(duì)正常細(xì)胞影響較小。

廣州中醫(yī)藥大學(xué)教授曾慶平在接受《財(cái)經(jīng)》記者采訪時(shí)表示，“我們可以GLUT1為靶點(diǎn)，通過藥物設(shè)計(jì)開發(fā)出專門針對(duì)GLUT1的抑制劑，這就像控制住葡萄糖進(jìn)入癌細(xì)胞的大門，抑制劑則像一把鎖，將門牢牢鎖住?！?/p>

事實(shí)上，“餓死癌細(xì)胞”的想法很早就有。在學(xué)術(shù)領(lǐng)域，“餓死癌細(xì)胞”通常被稱為“饑餓療法”。“饑餓療法”屬于靶向治療的一種。靶向治療就像“生物導(dǎo)彈”，用藥物“瞄準(zhǔn)”腫瘤細(xì)胞表面的分子標(biāo)記物之后，“定位”殺死腫瘤細(xì)胞，而不會(huì)傷害正常細(xì)胞。但這一過程充滿了偶然與反復(fù)試驗(yàn)。上世紀(jì)70年代佛克曼提出通過抑制腫瘤新生血管達(dá)到治療腫瘤的目的，直到20多年后這一設(shè)想才在臨床實(shí)現(xiàn)。

1971年，哈佛大學(xué)佛克曼教授首次提出切斷腫瘤血管、餓死癌細(xì)胞理論。實(shí)驗(yàn)證明：擁有血管的腫瘤三天就能長到原來體積的1.6萬倍，而沒有血管的腫瘤一個(gè)月的時(shí)間連1毫米都長不到?！澳[瘤”與“血管”的關(guān)系是“樹”與“根”、“魚”與“水”的關(guān)系，“血管”就是腫瘤的“命門”，破壞或者清除腫瘤的血管，腫瘤必然死亡。

曾慶平在上世紀(jì)80年代讀研究生時(shí)，接觸了靶向療法。在那個(gè)年代，佛克曼提出的腫瘤“饑餓療法”設(shè)想讓所有進(jìn)行癌癥相關(guān)研究的科學(xué)家們?yōu)橹膭?dòng)。雖然當(dāng)時(shí)沒有直接參與，“學(xué)校里好多實(shí)驗(yàn)室都在進(jìn)行這方面的研究”。曾慶平說。

1994年8月，哈佛大學(xué)癌癥研究中心開展了名震全球的“l(fā)ewis肺癌小鼠”試驗(yàn)：用天然的“腫瘤血管抑制劑”喂食七只lewis肺癌小鼠兩周，七只小鼠腫瘤全部消失。該試驗(yàn)促使很多科學(xué)家投入餓死癌細(xì)胞的研究中。

美國泛美癌癥治療中心的古維普拉特博士的一項(xiàng)研究表明：在癌癥患者中，約有10%的人會(huì)發(fā)生腫瘤自然消失，這一部分患者極少有復(fù)發(fā)的現(xiàn)象。美國癌癥協(xié)會(huì)對(duì)近6000例自然消退的癌癥病人進(jìn)行研究，結(jié)論是：癌癥自然消退的根本原因在于腫瘤血管被破壞。

靶向治療要求科學(xué)家必須先找到可能抑制的靶。研究人員先從分子、細(xì)胞等入手，研究各個(gè)靶點(diǎn)的具體結(jié)構(gòu)功能，以及它們?cè)谀[瘤發(fā)生發(fā)展過程中所起的作用，并針對(duì)這些靶點(diǎn)開發(fā)新藥，然后在臨床治療中通過療效的評(píng)估來驗(yàn)證。

顏寧團(tuán)隊(duì)對(duì)GLUT1結(jié)構(gòu)的解析之所以引起科學(xué)界的關(guān)注，正是在于提供了一個(gè)新靶點(diǎn)。

新的癌癥療法

顏寧團(tuán)隊(duì)的研究一經(jīng)公布，各大媒體歡呼“餓死癌細(xì)胞”。

從2010年開始，癌癥致死率超過心臟病，成為全球頭號(hào)殺手?！?012中國腫瘤登記年報(bào)》稱，全國每分鐘就有6人被確診為癌癥，每年因癌癥死亡的病例為270萬人，平均每天約7300人、每分鐘有5人死于癌癥。這組驚人的數(shù)字使癌癥研究的每一個(gè)進(jìn)展都引人關(guān)注。

“新聞報(bào)道之后的擴(kuò)展與反應(yīng)是我從來沒有預(yù)料到的。”顏寧對(duì)《財(cái)經(jīng)》記者說。在清華大學(xué)新聞發(fā)布會(huì)上介紹這個(gè)科研成果時(shí)，顏寧提到餓死癌細(xì)胞這一可能的思路，“這五個(gè)字鋪天蓋地成了新聞，我都不太敢看了”。

其實(shí)，從基礎(chǔ)研究到臨床應(yīng)用這一過程異常復(fù)雜。

在生命科學(xué)領(lǐng)域，今天的成果可能被明天的成果推翻，這樣的事時(shí)有發(fā)生。對(duì)于十分復(fù)雜的癌癥研究，從一個(gè)基礎(chǔ)研究思路的萌發(fā)到成果的呈現(xiàn)，再到研發(fā)藥物、創(chuàng)造療法，一般都需要幾十年的時(shí)間。

如何繪制從GLUT1結(jié)構(gòu)解析到臨床應(yīng)用的路線圖？曾慶平認(rèn)為幾乎沒人能給出確切的路線圖，因?yàn)椤吧飳W(xué)研究有很多不確定性，難度極大。明天的發(fā)現(xiàn)可能更新或修改甚至否定今天的結(jié)論。一個(gè)一類新藥從開發(fā)到上市至少需要十年時(shí)間，花費(fèi)10億美元”。

經(jīng)過近百年系統(tǒng)地科學(xué)研究，人類再也不像以前那樣認(rèn)為癌癥“攻不可破”。美國西北大學(xué)癌癥專家帕特爾說，人類近50年內(nèi)在癌癥研究方面取得了令人難以置信的進(jìn)展，了解癌生物學(xué)是過去數(shù)十年里振奮人心的進(jìn)展，“今年美國將有近1400萬人戰(zhàn)勝癌癥，預(yù)測(cè)未來數(shù)十年該數(shù)字還將翻倍”。

6月初，在芝加哥召開的美國臨床腫瘤學(xué)會(huì)（ASCO）第50屆年會(huì)上，腫瘤靶向治療成為與會(huì)專家們熱議的焦點(diǎn)之一。手術(shù)、放療與化療這些針對(duì)癌癥的常規(guī)治療手段都不盡如人意，放、化療在殺死癌細(xì)胞的同時(shí)往往連同正常細(xì)胞一起“絞殺”，且副作用讓患者難以承受；手術(shù)治療則不易徹底清除癌細(xì)胞，難逃癌細(xì)胞擴(kuò)散的風(fēng)險(xiǎn)。因此，研究人員把目光鎖定在靶向療法，如今，諸如“抗腫瘤血管生成+抗腫瘤細(xì)胞增殖”的“A+治療方案”已在許多醫(yī)院普及。

很多基于作用機(jī)制設(shè)計(jì)的靶向藥物已用于臨床，有些按照循證醫(yī)學(xué)的原則進(jìn)入了國際腫瘤學(xué)界公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)治療方案和規(guī)范。伊馬替尼、吉非替尼、艾羅替尼等激酶抑制劑就是在基礎(chǔ)研究的推進(jìn)下相繼問世。

于2011年被美國食品和藥品監(jiān)督管理局（FDA）批準(zhǔn)用于治療十個(gè)不同癌癥的伊馬替尼，被廣泛用于治療慢性粒細(xì)胞性白血?。–ML）、胃腸道間質(zhì)瘤和其他一些疾病。研發(fā)該藥物的瑞士諾華公司在當(dāng)年就憑借該藥創(chuàng)造了40億美元的營業(yè)額，使前期花費(fèi)巨大的研究收到回報(bào)。

此外，使用病人本身的免疫系統(tǒng)來對(duì)付腫瘤的免疫療法也受到關(guān)注，它與靶向療法為治療黑色素瘤、白血病和其他約五種癌癥帶來希望。過去十年，美國的癌癥死亡率每年下降1.5%；現(xiàn)在被診斷患癌的人，未來五年存活的機(jī)會(huì)超過66%。

不過，癌癥的饑餓療法也存有隱患?！鞍┘?xì)胞本來就處于一個(gè)缺營養(yǎng)和缺氧氣的環(huán)境，饑餓療法有可能會(huì)加速癌細(xì)胞向營養(yǎng)及氧氣更加豐富的部位移行，加速癌細(xì)胞的轉(zhuǎn)移與擴(kuò)散?！痹鴳c平稱，不管是傳統(tǒng)療法，還是靶向治療的“A+治療方案”，治療過程中的癌細(xì)胞擴(kuò)散都是不好控制的。

不僅如此，靶向藥物長期使用的不良反應(yīng)也受到科學(xué)家們的重視。越來越多的臨床應(yīng)用證實(shí)，埃羅替尼的使用有發(fā)生遷延不愈的皮疹的風(fēng)險(xiǎn)；不少報(bào)道顯示患者在長期應(yīng)用吉非替尼后可能出現(xiàn)傷口愈合困難的狀況。

中國工程院院士、國家新藥（抗腫瘤）臨床研究中心主任孫燕認(rèn)為，人們應(yīng)該理性地認(rèn)識(shí)到靶向治療剛剛開始應(yīng)用，還處于入門階段，“雖然它很有潛力，但并不能代替手術(shù)、化療、放療等傳統(tǒng)的腫瘤治療方法，不要盲目使用”。

孫燕說：“靶向治療藥物應(yīng)用臨床經(jīng)驗(yàn)還不多，觀察時(shí)間不長。盡管其潛力巨大，也需要對(duì)病人、腫瘤、藥物三方面特別深入了解，謹(jǐn)慎試用?！?/p>