沒有名校光環,他是如何拯救無數生命並拿到諾獎
2018年11月26日09:46
圖片來源:Scott Dalton
圖片來源:Scott Dalton

  來源:科研圈(ID:keyanquan)

  對於公眾來說,擁有諾獎得主這個名號的科學家似乎都是穩重嚴謹、成長於世界級名校的精英學者。不過 2018 年新晉諾貝爾生理學或醫學獎得主詹姆斯·艾利森(James Allison)似乎和這個人設有些不符:他頭上沒有常青藤畢業生的光環,年輕時幾經波折和意外才得到了學界的注意,與他人的學術競爭兩度失利,卻為我們開啟了癌症免疫治療的新時代。

  詹姆斯·艾利森(James Allison)可以說是著名吉他手傑瑞·加西亞(Jerry Garcia)和家喻戶曉的科學家本·富蘭克林(Ben Franklin)的混合體。他經常漏接電話,更別提這個電話是在淩晨 5 點由一個陌生號碼撥過來的。

  所以他順理成章地錯過了那通來自瑞典、告知他獲得 2018 諾貝爾生理學或醫學獎的電話。最後還是他兒子在淩晨 5 點 30 分用一串熟悉的號碼突破了“防線”,把這一喜訊傳遞給了他。自此,艾利森的電話就再沒停過。

  艾利森的突破在於他發現了一種癌細胞用於逃避免疫系統擊殺的“秘密協議”,並且找到了阻止“協議”進行的方法——諾獎委員會對此給予了高度評價,認為這一發現“革命性地改變了癌症治療,從根本上改變了我們對癌症治療的看法”。同艾利森共享本次諾獎的還有京都大學(Kyoto University)的本庶佑(Tasuku Honjo)。這兩位科學家致力研究的癌症免疫療法,幾乎讓癌症治療在一夜間取得了突飛猛進的發展。

  在 5 億年的進化過程中,免疫系統已經成為了我們體內“壞細胞”的清道伕。那麼,為什麼免疫系統不能像抵禦感冒那樣去抵禦癌症呢?一百多年來,科學家們前赴後繼,試圖找出癌症免疫拚圖中缺失的那片關鍵,沒人能確定它是否存在,更沒人能料到,它會被一名彪悍的得克薩斯口風琴手歪打正著地發現。

  初出茅廬

  1965 年到 1973 年這段時間對一名身處奧斯汀(Austin)的年輕音樂愛好者來說可謂是黃金年代,那時這座小小的大學城正在轉型成為牛仔之州的科技首府——艾利森跟這裏很合得來。

圖片來源:Courtesy of Jim Allison
圖片來源:Courtesy of Jim Allison

  家鄉得州埃利斯(Alice)似乎裝不下這個少年。當地高中甚至沒有介紹達爾文理論的高等生物學課程,於是他轉到了得克薩斯大學奧斯汀分校(University of Texas at Austin)進修。課程結束後,他被這所大學錄取了。那時,這個年輕的得州小夥根本對諾貝爾醫學獎沒有任何概念。

  如果想在得州開個音樂酒吧,那你一定需要一個吉姆·艾利森這樣演奏布魯斯口琴的好手。在艾利森眼裡,這樣的生活比當個醫學院的預科生有趣多了。他不願背誦他人的發現與成就,他想學會技術,自己去搞研究。1965 年,他改變方向,進入實驗室攻讀生物化學博士,研究催化體內各種反應的酶。

  艾利森研究的這種酶能夠破壞能夠誘發小鼠白血病的一種化學物,從而使腫瘤組織壞死——他的研究目標就是搞清其中的生化機製。這個選擇,促成了他未來在對抗癌症的戰役中做出的革命性突破。

  在艾利森開始研究免疫系統時,它就像是人體內的深海生態系統,沒有被真正探索過。以當時人們知之甚少的先天免疫系統(也被稱為非特異性免疫)為例,其中包含的樹突狀細胞和巨噬細胞可以擠過體細胞間隙,吞噬該“退休”的體細胞(正常細胞到了報廢期將會自覺地通過凋亡實現自我毀滅),也會吃掉一些壞傢伙——它們大多是入侵體內的病原體。這些異己細胞因“長相”不同而被識別——它們表面如同指紋般的蛋白化學結構與我們自身的細胞不同,巨噬細胞能夠識別這些表面蛋白從而進行吞噬。

  這些細胞不僅僅是清道伕。當它們發現異己之後,會將它們的“碎片”——外來蛋白質(也就是抗原)帶回淋巴結。這些信息會刺激適應性免疫系統中其他細胞,使它們快速增殖,產生實現特異性免疫應答的細胞軍團。因此,預先向機體展示可能引發疾病的滅活病原體,這能使免疫系統提前搭建起對抗類似病原體的防禦工事。之後,如果病原體再次出現,早有準備的免疫軍團就能立刻“上陣殺敵”。

  艾利森想知道的是,被治癒的患癌小鼠,是否也對癌症“免疫”?

  “純粹是為了好玩,我做了另外一個實驗。因為我把這些患癌小鼠治好了,於是我決定再次給它們注射腫瘤,但這次不再用酶來治療它們,看看會發生些什麼?”艾利森回憶道。他沒爭得許可,也沒做實驗記錄。就是一時興起,結果發現小鼠安然無恙。

  “它們沒得癌症,”艾利森說,“我又給它們注射了 10 倍量的腫瘤細胞,它們還是沒得癌症。於是我又追加了 5 倍劑量,它們還是沒得癌症!這裡面還真有點意思。”艾利森說道。“真是太奇妙了。”

圖片來源:The University of Texas MD Anderson Cancer Center/Courtesy of Jim Allison
圖片來源:The University of Texas MD Anderson Cancer Center/Courtesy of Jim Allison

 

  作為一次偶然事件,這個實驗證明不了什麼。但它已經成功讓艾利森瞥見了免疫系統的奧秘和潛力,以及那時剛發現的新成員——T 細胞。它們有些確實是殺手,但還有一些能幫助實現複雜的免疫應答。

  因此他決定再次轉換方向,去研究這個新課題。

  解密T細胞

  1973 年,艾利森終於結束了他在奧斯汀為期 8 年的求學生涯,拿到博士學位的他想要施展拳腳,在免疫學研究領域開拓新疆域。於是他一路向西,遠赴 1300 英裡外的加利福尼亞,在著名的斯克里普斯研究所(The Scripps Research Institute)進行自己的博士後研究。那時他白天在實驗室工作,而到了晚上則會變成一個西部鄉村樂隊的口風琴手。艾利森是樂隊中唯一的兼職,和全職的音樂家們一起玩樂讓他迅速融入進了當地的音樂圈子,甚至誤打誤撞參加了著名音樂人的慶功宴。

  但與此同時,斯克里普斯研究所的工作並不像他預想得那樣。“我一直在做蛋白純化和測序,研究免疫系統中的關鍵分子。”但艾利森覺得這些不是真的免疫學,他對整個系統如何工作更感興趣。“我想,如果這就是科學研究的樣子,那我並不喜歡它。”他回到了家鄉,事情也出現了轉機。

  在得克薩斯,MD 安德森癌症中心(MD Anderson Cancer Center)在史密斯維爾(Smithville)的一個小鎮附近建立了一個全新的實驗室,僅有 6 名員工在那裡工作,艾利森加入了他們。剛成立的實驗室並不是上級的重點注意對象,這反而讓艾利森覺得如魚得水。他的同事是一群聰明熱情的同輩科學家,最年長的也不到四十歲,這些人經常工作到深夜,樂意為彼此的實驗幫忙。從教學和管理的任務中解放,讓這一切變得更美好了,一輛諾頓突擊隊 850 摩托,配上美國國立衛生研究院(National Institutes of Health,NIH)和美國國家癌症研究所(National Cancer Institute,NCI)的資金支援,艾利森可以追求他真正感興趣的 T 細胞研究了。

  在那時,人們只知道 T 細胞會殺死患病或是感染的體細胞。但 T細胞如何“看”到病變體細胞還依舊是個迷。大多數觀點認為 T 細胞靠表面一種特殊的受體蛋白識別病變細胞表達的特異性抗原,就像是鎖和鑰匙一樣。

  不論如何,只要你能找到它,理論上來說你就能操控它。控製 T 細胞的受體就意味著你能控製免疫系統的殺戮機器攻擊哪裡。這結果可能會對人類產生重大的意義,給發現它的人冠以偉大的名號——興許能夠獲得諾貝爾獎。

圖片來源:Scott Dalton
圖片來源:Scott Dalton

  “在史密斯威爾甚至沒有一家圖書館。”艾利森回憶道,不過還好他之後獲得了一家優質圖書館的資源——他在MD安德森癌症中心的休斯頓主校區找到了一份兼職工作,開著一輛翻新的奔馳往返兩地。“我要去那複印一大堆垃圾論文然後再讀完它們。”他想把 T 細胞受體搞得更明白。但這些學術論文沒辦法回答他的問題。

  “搞不懂的原因要麼是他們錯了要麼是你錯了。”艾利森笑道。自然,他最開始會認為是自己錯了。“我認為我就是個白癡。我弄不明白這些。之後,我想‘不,他們才是笨蛋,他們根本不明白自己在說些什麼!’ ”之後他會開車回到圖書館,再複印一堆論文。

  所有閱讀和思考的成果在一天晚上都湧上了艾利森的大腦,當時他正在聽一名來自常青藤聯盟高校的免疫學家作報告,誰知靈光乍現。“我想我知道尋找 T 細胞受體的捷徑了。’”

  如果能整合出一套比較 B 細胞和 T 細胞的方法,設計一個實驗讓兩種細胞膜表面重複的受體相互抵消,那剩下沒有抵消的不就是 T 細胞受體了麼。這就像在尋找一根草垛里的針,艾利森的想法就是燒光乾草,篩去焦灰,剩下的就是他要找尋的鐵針。

  他火速回到了史密斯威爾的實驗室,開始工作。思路相當簡單,但步驟卻很繁瑣,所有的檢測都需要艾利森親自進行。實驗冗長而沉悶,而且還得重複 1000 多次。“大家都笑話我們,但我真沒想到它居然真的有用。”

  實驗成功了,艾利森找到了 T 細胞有而 B 細胞和其他細胞都沒有的東西——那麼它應該就是 T 細胞受體。他還證明了該受體具有雙鏈結構——一條 α 鏈和一條 β 鏈,他將成果整理成了論文,希望發表在頂級的同行評議期刊上。但《細胞》、《自然》等同級別的知名期刊都不願意刊發這篇來自得州的一名初級研究員的發現。“最終,我決定把研究成果發表在一本名叫《免疫學雜誌》(The Journal of Immunology)的新期刊上。”它不是《科學》,也不是《新英格蘭醫學雜誌》,但它確實是個真實存在的學術期刊。

  艾利森的發現吸引了加州大學聖地亞哥分校(UC San Diego)的著名生物學家菲利帕·馬拉克(Philippa Marrack)的注意。她的實驗室還沒有找到 T 細胞受體,但有技術能夠驗證艾利森的發現是否正確。馬拉克重複了艾利森的實驗,鑒定出了艾利森發現的蛋白。艾利森說,馬拉克通知他自己正在籌備戈登會議(Gordon Conference)——學術圈精英們的閉門會議,就像科學界的達沃斯論壇(Davos)。她邀請他在會議上作報告;艾利森感覺自己被邀請進入了學術大聯盟。

  戈登會議幫助這名年輕氣盛的科學家在學術舞台上嶄露頭角,他獲得了一次以訪問學者身份去斯坦福大學工作的機會。他拿到了追尋下一個智慧里程碑的通行證。現在,T 細胞抗原受體已經被確證,其雙鏈的分子結構也被表徵,接下來比賽爭奪的大獎將是繪製這些蛋白的藍圖——印刻在 T 細胞 DNA 中的相應基因。

  “那時,人們剛剛搞明白該怎麼操縱 DNA,所以每個人都想方設法要複製 T 細胞受體蛋白的基因。”艾利森說,“這就像是 20 或 25 年間免疫學領域的聖盃,但沒人能得到它。每個人都意識到了,諾貝爾獎就擺在這個競賽的終點。每個人都想爭奪這一成果。”

  艾利森的團隊複製出了許多基因,但沒一個是對的。最終是其他的團隊找到了 T 細胞受體的基因。“我們輸了。斯坦福大學一個名叫馬克·戴維斯(Mark Davis)的傢伙成功複製了 β 鏈的基因。之後不久,他的實驗室成員和他的妻子又成功複製出了 α 鏈的基因。

  艾利森輸掉了這場競爭,但是上天給他打開了另一扇門:一天他突然接到一個電話,邀請他去伯克利(UC Berkeley)做一次研討會。艾利森說:“那可是伯克利啊,哇哦。”

  “這事兒當時還受到了一些爭議,因為我從沒在大牛實驗室待過。”艾利森說,“我沒去過哈佛,我沒有伯克利那些教授們的榮譽。”因此在兩週後,當伯克利決定給他提供一份附帶霍華德·休斯醫學研究所(Howard Hughes Medical Institute)資金資助的全職工作時,驚喜衝昏了他的頭腦。艾利森能有一間自己的實驗室和能夠聘請博士後的經費,他能做任何他想做的研究。他不需要教學,資金能保持源源不斷。他的義務就是不時做幾次實驗進展報告。

  “到了答辯的時候,感覺糟透了。”艾利森說,“一件屋子裡聚集了50名字全球頂尖的科學家。你得做 25 分鍾的演講,一秒不多。一旦時間到了,馬上就變成‘停,誰有問題?’這實在是太可怕了。一點都不誇張,有時候展示的前一天晚上我會緊張到在衛生間狂吐。”

  第二次失敗

  人體內存在著不同種類的 T 細胞,在免疫應答過程中扮演不同角色。某些細胞通過傳遞化學指令幫助實現免疫應答,其他的諸如殺傷性 T 細胞,則會一對一地殺傷感染細胞。

  這些過程只有在T細胞被“激活”後才會開始。活化是適應性免疫應答的起始步驟,在那之前,T 細胞僅僅處在一種遊蕩待命的狀態。那麼到底是什麼激活了 T 細胞、動員它們對抗疾病呢?

  艾利森認為 T 細胞抗原受體就是激活的開關。這是種自然而然的推論。

  然而在艾利森成功鑒定出 T 細胞受體後,他們才意識到自己錯了。有了 T 細胞受體,意味著能夠“看到”病變細胞的外來抗原,但這並不足以激活 T 細胞。這並不是激發免疫應答的“啟動”信號。

  “當我意識到這事的時候,我說,‘哇哦,太酷了。T 細胞更複雜了’,”艾利森回憶道,“迷題增加了,這讓研究變得更有趣。”

  如果用相應的抗原去結合 T 細胞受體不是激活 T 細胞的唯一信號,這就意味著還應該存在另外的分子,也許還有好幾個,我們管這種作用叫共刺激(co-stimulation)。也許 T 細胞需要兩組信號,就像保險箱需要兩把鑰匙,或者說,當你開動一輛汽車的時候,你不僅需要插上鑰匙,還要踩一腳油門。但 T 細胞的油門在哪呢?短短三年後,他們發現了它,在 T 細胞表面的另一種分子,CD28。CD 是指抗原分化簇(cluster of differentiation),指的是細胞正常分化成為不同譜系,不同階段以及活化過程中,出現或消失的細胞表面標記。

  CD28 是激活 T 細胞所必需的第二信號,他們發現在缺失該分子後,T 細胞無法被激活。這是個重大的發現,但很快艾利森和他的同事們就意識到事情遠沒有這麼簡單。暴露在抗原和 CD28 的共刺激下,T 細胞確實能被激活,但在小鼠模型上進行實驗時,T細胞大多“熄火”了。這就像是找到了鑰匙和油門,但還缺少第三個讓它開動的信號。因此他們開始著手尋找它。

  艾利森的一位博士後馬修·克魯梅爾(Matthew Krummel)將 CD28 的結構和其他分子進行比對,在基因文庫中尋找類似物。如果你找到了一個結構類似的分子,從進化上來說也許它們就是相似或相關的事物。克魯梅爾很快發現了另一個和 CD28 伸出膜外的受體結合部位具有相似性的分子。皮埃爾·戈斯汀(Pierre Goldstein)在第四個被鑒別出的殺傷性 T 細胞表面發現了它,因此被命名為細胞毒性T淋巴細胞相關抗原 4(cytotoxic T-lymphocyte-associated protein #4)——CTLA-4。(幾年後這串字母印在了艾利森敞篷保時捷的車牌上。)

圖片來源:The University of Texas MD Anderson Cancer Center/Courtesy of Jim Allison
圖片來源:The University of Texas MD Anderson Cancer Center/Courtesy of Jim Allison

 

  與此同時,百時美-施貴寶公司(Bristol-Myers Squibb)的傑弗里·萊德貝特(Jeffrey Ledbetter)和彼得·林斯利(Peter Linsley)也在研究 CTLA-4,他們發現弄清它的作用機製更加關鍵。阻斷信號觀察結果是最為常用的方法。林斯利製做了一種阻斷 CTLA-4 的抗體,他們的課題組馬上發表了論文,指出 CTLA-4 是第三個啟動信號,活化 T 細胞產生免疫應答的另一個油門。

  艾利森又被競爭對手擊敗了,這實在讓人沮喪。特別是克魯梅爾:他花費了三年時間來研究抗體,本想將它作為論文項目。但艾利森沒有放棄,總有些東西可研究——另外艾利森不完全相信林斯利等人的研究真的解開了 T 細胞激活的秘密。艾利森說:“我知道有兩種方法能讓車子跑的更快:踩下油門,或者鬆開刹車。”

  艾利森指出林斯利團隊的研究只設計了印證 CTLA-4 是另一個啟動信號的實驗,證明它本質上是第二個 CD28。“我們應該做個驗證 CTLA-4 能給出停止信號的實驗——這就是我們的發現,CTLA-4 是個分子刹車。”

  首先,T 細胞需要通過特異的蛋白指紋識別病變細胞;也就是說,抗原需要被呈遞給具有相應受體的 T 細胞,與抗原的結合就像是轉動汽車鑰匙點火的過程。

  另外兩個信號(CD28 和 CTLA-4)就像是油門和刹車。CTLA-4 是刹車——是作用更強的那個。你可以同時踩下兩個(克魯梅爾通過實驗發現這是一種控製活化率的野蠻方式),刹車就會起到主要作用,無論如何 T 細胞都不會被啟動。

  或者更準確地說,不管 T 細胞被抗原刺激的程度如何,只要激活足夠的 CTLA-4 就能抑製免疫應答。

  艾利森的實驗室發現了一套精密的安全機製,能防止免疫系統失控攻擊自身健康的細胞。這就像是在T細胞轉變為殺戮機器前反複問詢它“你確定要這麼做麼?”

  適當地活化免疫系統對抗病原體正是你的身體保持健康的原因。但是,如果把免疫系統的油門踩到底,使其對抗自體正常的細胞,就會造成自身免疫病。

  那些 T 細胞上的“免疫檢查點”之前從未進入過人們的視野。但現在,艾利森的實驗室和芝加哥大學(University of Chicago)的傑夫·布魯斯通(Jeff Bluestone)實驗室發現了它們。

  布魯斯通關注如何將這一新發現應用於器官移植和糖尿病,抑製不想要的免疫反應。但艾利森卻堅持著一個不同的想法。

  他的腦中醞釀著另外一個實驗,他要走的這條路也正通向諾貝爾獎。

  諾獎之路

  艾利森在夏末寫好了實驗計劃,把它託付給了新來的博士後達納·利奇(Dana Leach),他有癌症研究經驗。“我想讓你製作一些小鼠腫瘤模型,然後給其中一些注射 CTLA-4 的阻斷抗體,另一些不要注射,看看會發生什麼。”幾個月後,利奇彙報說:注射 CTLA-4 阻斷抗體小鼠的腫瘤完全消失了,而沒給藥的小鼠腫瘤還在生長。

  艾利森震驚了——通常情況下的實驗數據不該這麼漂亮。“但是數據告訴他,這是個完美的實驗,100% 的存活 VS 100% 的死亡。“天哪,我確實期待能得到些什麼,但這可是 100% 啊。要麼我們真的治癒了癌症,要麼我們真的把實驗搞砸了。”艾利森這樣回憶道。

  艾利森決定重複一遍實驗,而且他們需要立刻動手——因為實驗大概會花費數月的時間,但利奇可不會為了一堆老鼠而放棄聖誕節假期的歐洲旅行。

  艾利森催促他趕快再開始。“馬上給小鼠們注射,之後你愛幹嘛幹嘛。”他讓利奇只給籠子編號。“我來檢測這些小鼠,你什麼也別告訴我。”艾利森會檢測每籠老鼠腫瘤生長的情況,但在實驗完成前,他也不知道哪籠小鼠是 CTL-4 阻斷劑處理過的。

  “這個過程有點磨人。”艾利森每天都會來實驗室查看腫瘤的生長情況。A 籠老鼠,腫瘤增大;B 籠老鼠,腫瘤增大;C 籠 D 籠老鼠,腫瘤增大。這麼多的老鼠,這麼多的數據,都向著同樣的方向發展。看來這回是 100% 失敗了。

  是他正在歡渡假期的博士後也把實驗搞砸了麼?艾利森覺得是自己在退步。最終,在聖誕節前夜,他來到實驗室,盯著四籠老鼠,它們體內的腫瘤都在持續增長。“艸,我再也不要測這些破東西了。我需要離開休息一下。”

  但 4 天后,當艾利森回到實驗室時,老鼠們的腫瘤發生了戲劇性的轉變。兩籠老鼠的腫瘤正在萎縮,而另外兩籠老鼠的腫瘤還在持續增長。當他知道處理情況時,更加確定了。就像疫苗一樣,免疫系統需要時間來做出反應。很快結果出來了——和之前的實驗一樣,又是 100% 死亡 VS 100% 無瘤存活,真是完美。

  從前,他一直不曾意識到自己做的這麼多實驗,究竟有什麼意義。現在,突然之間他擁有了舉世矚目的實驗結果,搞清了其中的生物學機製。他成功找到了癌症免疫拚圖的關鍵一片,它讓數十年間令人迷惑的數據得到瞭解答。CTLA-4 是體內的免疫檢查點,防止免疫系統攻擊自身細胞和發育中的胚胎。腫瘤正是靠著T細胞這些安全機製的庇護而存活壯大。這就是癌細胞的生存技巧(之一),至少在老鼠體內是這樣的。如果艾利森能阻斷老鼠體內的 CTLA-4,或許也能阻斷人體內的。

  鼠籠中的結果並不是突破;實驗數據帶給我們的重新看待世界的方式才是真正的突破。“尤里卡”時刻並不會像電影中那樣經常發生,人們能在瞬息間領悟事物的真諦。但艾利森這次確實做到了。

  所有工作並非艾利森一人完成。但毋庸置疑,這名七十歲科學家的工作打破了 100 年來科學爭議的天平。他的工作敲開了癌症免疫療法的大門,後續的突破讓大門更加敞開。其結果從根本上糾正了癌症研究和治療的方向,防止了科研人才和研究開發資金的浪費。

  2015 年,美國食品藥品監督管理局(FDA)批準通過了 CTLA-4 抑製劑易普利姆瑪(Ipilumimab),這是“免疫檢查點抑製劑”的伊始,也是科學家口中全新癌症療法風暴的開端。

  艾利森回到了得克薩斯的家,在 MD 安德森癌症中心繼續工作。他的工作還在世界範圍內傳播,並且改變著世界。現在他還在演奏布魯斯口琴,時常收到原來的癌症患者的消息,告訴艾利森他的工作是如何改變他們生活的。這些被癌症免疫療法治癒的病人遍及各地,他在禮堂中、飛機上無數次遇到過他們。不僅因為他們的人數已成千上萬,更因為他們就是我們。

  艾利森會為他們流淚,每次都是。

關注我們Facebook專頁
    相關新聞
      更多瀏覽