果蠅“送來”抗癌藥:揭秘抗癌藥誕生背後的故事
2019年04月16日10:02

  來源:奇點網

  有時,看似毫不搭邊的兩個事物卻存在著千絲萬縷的聯繫,比如不招人喜歡的小小果蠅和抗癌藥PARP抑製劑。

  這種微妙聯繫始於90多年前的一個偶然發現。

  偉大預言

  1922年,美國哥倫比亞大學的遺傳學家Calvin Bridges在研究黑腹果蠅雜交時,發現了一個有趣的現象:具有某兩個特定基因突變的果蠅不能存活,而當這兩個基因單獨發生突變時,則不會給果蠅造成致命傷害[1]。

  20多年以後,同在哥倫比亞大學工作的Theodore Dobzhansky,在擬暗果蠅中再次發現了類似的現象,並將其正式命名為“合成致死”[2]。

  這個理念在隨後的半個世紀差不多被人遺忘了,直到福瑞德·哈金森癌症研究中心的Stephen Friend的出現。

  1997年,Friend在《科學》上大膽預言:“合成致死”的理念可以用於抗癌藥物研發[3]。

“合成致死”示意圖[1]
“合成致死”示意圖[1]

  Friend的猜想也不是沒有根據的。要知道,癌細胞中存在著大量的基因突變,要是能找到兩個能同時發揮相似生物功能的基因,假如其中的一個基因突變了,再用藥物讓另一個基因的功能也喪失,這不就達到“合成致死”的效果了嘛!

  道理雖如此簡單,但把預言變成現實還是需要下一番苦功夫的。此時,故事的主要地點就要轉移到大西洋彼岸的歐洲了。

  尋尋覓覓

  首先出場的是法國生物學家Pierre Chambon。

  1963年,Chambon在利用雞肝核酸提取物研究RNA聚合酶的過程中,無意間發現了一種具有DNA聚合活性的酶[4],這就是PARP(多聚ADP核糖聚合酶)。然而,Chambon依然沉迷於RNA聚合酶的研究,不久之後就將PARP拋之腦後了。

  這時,一群英國科學家開始大顯身手了。

  先是在1971年,J.B。 Clark等人為了探究PARP功能,首先找到了可以抑製PARP活性的物質——煙酰胺[5]。

  沒過幾年,Barbara Durkacz等人首次證明了煙酰胺的類似物(3-氨基苯甲酰胺,3-AB)可以抑製DNA的修復,並能增強DNA損傷劑硫酸二甲酯的細胞毒性[6]。

  然而,3-AB沒有選擇性,並且只能在毫摩爾濃度下才能發揮對PARP的抑製活性。這意味著,即使拿它在動物身上做實驗也是行不通的,更不用說用於臨床試驗了。

(圖源:pixabay.com)
(圖源:pixabay.com)

  不過這也極大地激發了科學家們的興趣,有一大批科學家投身到PARP抑製劑的篩選和探索中。他們不斷地尋找活性更高、選擇性更強的PARP抑製劑。

  與此同時,科學家們也逐漸搞清楚了PARP的功能。

  原來,PARP是一個大家族。時至今日,人們已經發現了17種PARP[7],其中的PARP-1在DNA單鏈斷裂修復中發揮著關鍵作用。

  PARP-1可以準確識別並結合DNA單鏈斷裂的缺口,同時周圍的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)會迅速與PRAP-1的活性位點結合形成復合體,這個復合體會召集來其他參與DNA修復的效應分子,快速填補DNA斷裂的缺口[7]。

  在完成DNA修復後,PARP-1又像個不計名利的隱士,從DNA上脫離下來,恢復至遊離狀態,等待下一次修復單鏈斷裂的使命[7]。

(圖源:libbyshope.com)
(圖源:libbyshope.com)

  除此之外,PARP家族中PARP-2也能準確識別單鏈斷裂,只是它更像個後備軍,因為在修復DNA損傷的過程中,PARP-1發揮著90%以上的功能[8]。而對於同樣在修復DNA損傷中發揮作用的PARP-3,科學家們還沒有徹底搞清其具體機製。

  在研究PARP功能的過程中,科學家還發現了一個奇怪的現象:PARP-1敲除的小鼠發育正常,而且從這種小鼠中分離出來的細胞表現出姐妹染色單體交換水平增加[9, 10]。姐妹染色單體交換被認為是DNA重組或重組修復的結果。這意味著除了PARP-1之外,DNA 損傷還有其他修復方式。

(圖源:pixabay.com)
(圖源:pixabay.com)

  後來,英國科學家Thomas Helleday發現,原來當PARP-1被抑製後,DNA損傷可以通過同源重組的方式修復[11]。

  同源重組是修復DNA雙鏈斷裂的方式之一,參與這種修復方式的蛋白有很多,例如BRCA、ATM、RAD51等等,其中最為人所熟知的是BRCA蛋白。

  故事講到這裏,“合成致死”用於癌症治療的偉大猜想馬上就要變成現實了!

  神之彙合

  這時,推動故事發展的還是英國人。

  2005年4月14日,英國的兩個研究團隊在同一期《自然》上分別發表了重要的研究成果[12,13],首次證實了PARP抑製劑與BRCA1或BRCA2突變之間存在“合成致死”的相互作用。

  原來,在BRCA功能正常的細胞中,當PARP被抑製之後,細胞中的單鏈斷裂持續增加,而一旦單鏈斷裂遇上了複製叉,DNA損傷就會變成雙鏈斷裂。此時,BRCA參與的同源重組就會擔負起修復雙鏈斷裂的重任,確保DNA的完整性[14]。

PARP抑製劑與BRCA“合成致死”示意圖[33]
PARP抑製劑與BRCA“合成致死”示意圖[33]

  然而,在BRCA突變的癌細胞中,同源重組這條路走不通了,再加上PARP的功能受到了抑製,面對大量的雙鏈斷裂,癌細胞“病急亂投醫”只能選擇一種快速卻非常容易出錯的DNA雙鏈修復方式,而一旦出錯,癌細胞也就“一命嗚呼”了。

  這樣的組合簡直妙極了!

  所以,憑藉“合成致死”的絕妙理念,一大批PARP抑製劑奔赴臨床試驗中。

  躁動不安

  此時的PARP抑製劑臨床試驗中,已經能看到許多熟悉的身影了。比如AZD2281,也就是後來的奧拉帕利(olaparib)。

  研究團隊從2005年6月就開始招募實體瘤患者開展Ⅰ期臨床試驗了[15],距離《自然》雜誌上那兩篇論文[12,13]發表不過兩個月。PARP抑製劑研發熱潮可見一斑。

  在這股熱潮中,還有一個“濫竽充數”的PARP抑製劑——iniparib。

  在2009年ASCO會議上,iniparib曾驚豔全場:相比於吉西他濱和卡鉑單獨治療,iniparib聯合吉西他濱和卡鉑治療,可將轉移性三陰性乳腺癌患者的中位無進展生存期(PFS)從3.6個月延長至5.9個月,將總生存期從7.7個月延長至12.3個月[16]!

  如此漂亮的Ⅱ期臨床數據,怎能不讓業界沸騰!

  然而,好景不長。2011年1月,就在這項Ⅱ期臨床完整研究結果發表在《新英格蘭醫學雜誌》[16]1周之後,相關藥企就宣佈iniparib的Ⅲ期臨床試驗失敗了[17]。

  沒過多久,奧拉帕利一項針對卵巢癌的Ⅱ期臨床也被宣告失敗了:相比於安慰劑,儘管奧拉帕利能使患者的PFS延長3.6個月(8.4個月vs.4.8個月),但並不能延長患者的總生存期[18]。

  接連的失敗就像晴空萬里下的一盆冷水,PARP抑製劑研發市場的熱情瞬間被澆滅。許多藥企都對PARP抑製劑失去了信心,甚至還有藥企抓緊倒手轉賣在研產品。

(圖源:gratisography.com)
(圖源:gratisography.com)

  當然,也不是所有人都對PARP抑製劑失去了熱情。

  2012年,梅奧診所的Anand Patel、Scott H。 Kaufmann等人證實iniparib並不是真正的PARP抑製劑,不能指導PARP抑製劑的研究工作[19],這才重振了PARP抑製劑研發市場。

  這項研究讓奧拉帕利的研究團隊重新分析了前文提到的Ⅱ期臨床試驗[18]數據,他們驚喜地發現,在攜帶BRCA突變的患者群組中,相比於安慰劑,奧拉帕利的PFS延長了6.9個月(11.2個月vs.4.3個月)[20],這近乎是整個患者群組(3.6個月)的兩倍。

  受此鼓舞,奧拉帕利單藥維持治療攜帶BRCA1/2突變的卵巢癌患者的Ⅲ期臨床試驗在2013年再次被啟動了。

  最終的結果顯示:攜帶有BRCA1/2突變的鉑類敏感複發性卵巢癌患者,與安慰劑相比,使用奧拉帕利維持治療,中位無進展生存期(PFS)延長至19.1個月(安慰劑組為5.5個月),疾病進展或死亡風險降低了70%[21]。

  奧拉帕利在2014年先後獲得歐洲藥監局EMA和美國FDA上市批準,用於BRCA1/2突變的卵巢癌的治療。

  在這條艱辛又波折的藥物研發路上,有一款PARP抑製劑雖是後起之秀,卻能步步為營、後發製人。

  扶搖直上

  2009年,當蘆卡帕利(rucaparib)、奧拉帕利都已經邁入臨床研究之時,一個代號為MK-4827的化合物才第一次登上學術期刊[22]與世人見面,這就是後來的尼拉帕利(niraparib)。

  藥物研發者Philip Jones等人發現,MK-4827在10-100nM濃度範圍內就可以抑製BRCA-1和BRCA-2突變癌細胞的增殖;在BRCA-1缺陷腫瘤移植模型中,單獨使用MK-4827就能獲得很好的抗癌效果並且該藥的耐受性良好。

  更重要的是,在體外試驗中,MK-4827對PARP-1、PARP-2和PARP-3的抑製活性IC50分別是3.8nM、2.1nM和1300nM,也就是說MK-4827對PARP-1和PARP-2有更高的選擇性,這也是尼拉帕利為何能後來居上的關鍵。

尼拉帕利結構式
尼拉帕利結構式

  在正式進入臨床研究之前,尼拉帕利的研發團隊採用了許多臨床前模型進行驗證,不但有不同的細胞系藥物驗證研究,還有各種動物模型研究[23]。總之,確保了尼拉帕利可以採用每日一次口服給藥的方式,實現其PARP抑製的藥效學目標。

  一切妥當之後,尼拉帕利才按部就班地進入臨床試驗。

  2013年,《柳葉刀·腫瘤學》上的一篇論文[24]公佈了尼拉帕利的Ⅰ期臨床試驗結果,這個涉及100名晚期實體瘤患者(一部分患者攜帶BRCA1或BRCA2突變)劑量遞增試驗,給出了之後臨床試驗的建議劑量,並且建議在同源重組缺陷的患者中進一步評估尼拉帕利的治療效果。

  接下來的臨床試驗結果可以說不負眾望,甚至出乎意料。

  2016年12月1日,尼拉帕利針對鉑敏感複發卵巢癌的Ⅲ期臨床試驗結果揭曉,這項重磅臨床研究結果刊登在《新英格蘭醫學雜誌》上[25]。

  相比於安慰劑,尼拉帕利使攜帶BRAC胚系(gBRCA)突變的患者的PFS從5.5個月一下子延長到21.0個月。

尼拉帕利讓gBRCA突變患者的PFS延長[25]
尼拉帕利讓gBRCA突變患者的PFS延長[25]

  這樣的結果著實讓人歡呼!

  更令人叫好的是,就連沒有BRCA突變的患者也能從尼拉帕利治療中獲益。

  相比於安慰劑,尼拉帕利將不攜帶gBRCA突變的患者的PFS從3.9個月延長至9.3個月;其中,同源重組缺陷陽性患者的PFS從3.8個月延長至12.9個月。

非BRCA突變患者也能獲益[25]
非BRCA突變患者也能獲益[25]

  這意味著,尼拉帕利的使用不需要考慮BRCA突變了。

  憑藉這樣的好結果,尼拉帕利在2017年3月迅速獲得美國FDA的上市批準,用於經鉑類化療後腫瘤完全或部分緩解(完全或部分反應)的成人複發性上皮性卵巢癌、輸卵管或原發性腹膜癌的維持治療[26]。

  儘管尼拉帕利比奧拉帕利和蘆卡帕利,上市時間晚了幾年,但這依然不妨礙尼拉帕利成為閃耀的新星,因為它是首個無需考慮BRCA突變或同源重組缺陷狀態,就可用於治療的PARP抑製劑。隨後,奧拉帕利和蘆卡帕利分別在2017年8月[27]和2018年4月[28]經美國FDA批準,獲得了同樣的適應症。

  未來可期

  半個世紀過去了,從PARP首次被發現,到幾款用於卵巢癌治療的PARP抑製劑獲批上市,PARP抑製劑給我們帶來的驚喜依然在繼續。

  2018年10月,尼拉帕利在中國香港獲批上市[29],用於所有鉑敏感複發卵巢癌患者維持治療。

  在其他癌症的聯合治療中,比如三陰性乳腺癌,一項Ⅱ期臨床試驗顯示,尼拉帕利聯合PD-1單抗(pembrolizumab)治療的客觀緩解率達到了29%,高於pembrolizumab單獨治療5–18%的客觀緩解率,患者顯著獲益[30];此外,針對非小細胞肺癌、前列腺癌,PARP抑製劑聯合化療或放療治療的臨床試驗正在開展中[31]。

  除了癌症之外,PARP抑製劑在一些非腫瘤疾病的臨床前研究中也表現出很大的潛力,比如心肌梗死、中風、慢性神經炎等[32]。

  相信,未來PARP抑製劑還會帶來更多好消息。

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