強大者亦有軟肋,“合成致死”當年差點被各大藥廠拋棄
2021年05月06日10:23

  來源:賽先生

 圖片來自yale.edu/Michael S。 Helfenbein
 圖片來自yale.edu/Michael S。 Helfenbein

  希臘神話中的阿基里斯作為“神二代”,母親是海洋女神忒提斯,父親珀琉斯雖是凡人,也自帶英雄光環。

  阿基里斯當年還是個寶寶,就有預言說他會英年早逝。不甘向命運低頭的忒提斯便帶阿基里斯去冥河接受神水洗禮。無奈冥河水流湍急,忒提斯只能緊緊捏住阿基里斯腳踵(腳後跟)將其倒插入河。阿基里斯因此練成了刀槍不入之身,然而露在水外的腳踵卻成為死穴埋下禍根。難逃命運的阿基里斯還是被一箭射中腳踵轟然死去。“阿基里斯之踵”的故事廣為流傳,意為強大者實際上都存在軟肋。

  那麼,對於野蠻生長的癌細胞來說其軟肋又是什麼?這還得從1922年開始說起。

  撰文 | 丁 零(科普作家、生物化學博士)

  責編 | 葉水送

  果蠅效應

  一隻蝴蝶在巴西輕顫翅膀,有可能引起美國德克薩斯州一場龍捲風。歷史上一次果蠅的死亡,同樣也產生了跨越時空的巨大效應,可謂是科學界的“蝴蝶效應”。不過該事件是由果蠅導致的,我們姑且稱之為“果蠅效應”。

  1922年,哥倫比亞大學遺傳學家卡爾文·布里奇斯(Calvin Bridges)研究黑腹果蠅雜交時,發現一個有趣的現象:同時具有兩個特定基因突變的果蠅不能存活,而這其中任何一個基因單獨突變卻不會給果蠅帶來致命傷害。

  20多年後的1946年,同在哥倫比亞大學工作的西奧多·多布讚斯基(Theodore Dobzhansky)在果蠅中再次發現類似現象,於是將其正式命名為“協同/合成致死(synthetic lethality)”。

斯蒂芬·弗蘭德(Stephen Friend),圖片來自childrenshospital.org
斯蒂芬·弗蘭德(Stephen Friend),圖片來自childrenshospital.org

  小果蠅可能段位不夠,合成致死概念提出後並沒有引起很大波瀾,之後又沉寂了將近51年,直到1997年斯蒂芬·弗蘭德(Stephen Friend)在頂級雜誌《科學》上重新提起,並且“口出狂言”:“合成致死”理念可用於抗癌藥物開發。

  在弗蘭德看來,癌細胞攜帶大量基因突變,如果某基因A突變了,再用藥物破壞另一個類似功能的基因B,就能完美複製“合成致死”場景,讓癌細胞和幾十年前布里奇斯養的果蠅一樣走向滅亡。對健康細胞來說基因A沒有突變,哪怕藥物抑製基因B,細胞也能依靠基因A存活,果然是no zuo,no die。

合成致死示意圖
合成致死示意圖

  這看似天方夜譚的想法得到不少業內科學家複議,包括Kaelin,Brummelkamp和Bernards等。道理雖然簡單,將猜想變成現實總共用了整整17年。

  直到2014年,全球第一個按照“合成致死”理念設計的抗癌藥物PARP(多聚ADP核糖聚合酶)抑製劑奧拉帕尼才被批準用於治療卵巢癌,隨後帕尼Family盧卡帕尼、尼拉帕尼和他拉唑帕尼也先後閃亮登場。2020年,PARP抑製劑全球銷售額超過20億美元,還被克利夫蘭診所評選為“2021年度十大醫療創新”之一,穩妥妥的名利雙收。

  PARP抑製劑和“合成致死”理念形成完美碰撞,這冥冥中的緣分還得從幾十年前一次意外發現說起。

埃爾·尚邦(Pierre Chambon)
埃爾·尚邦(Pierre Chambon)

  1963年,法國生物學家皮埃爾·尚邦(Pierre Chambon) 利用雞肝核酸提取物研究RNA聚合酶時,無心插柳發現具有DNA聚合活性的酶,也就是本文的主角PARP。然而,尚邦當時一心關注主營業務RNA聚合酶,並沒在PARP上花費太多功夫,倒是一群日本科學家作為接棒人,初步確定了PARP的化學結構。

  可是,設計出類拔萃的PARP抑製劑並沒有那麼簡單。

  1971年,倫敦大學J.B。 Clark等發現煙酰胺可抑製PARP活性。1980年,Barbara Durkacz等在《自然》雜誌上證明煙酰胺類似物(3-氨基苯甲酰胺,3-AB)可抑製DNA修復。然而,3-AB沒有選擇性,只能在毫摩爾濃度下才發揮對PARP的抑製活性。3-AB儘管沒有達到臨床應用的標準,但鼓舞了一大批科學家投身PARP抑製劑開發的潮流中,為和“合成致死”理論的歷史彙合做好了準備。

  時光荏苒,幾十年尋尋覓覓後,PARP抑製劑才迎來了與“合成致死”的世紀相遇,點燃和成就了彼此:

  2005年,英國兩個獨立研究團隊背靠背在頂級期刊《自然》首次證實PARP抑製劑與BRCA1/2突變存在“合成致死”相互作用。PARP和BRCA之間究竟有什麼千絲萬縷的關係?這就離不開DNA修復這個知識點。

  人體每個細胞每天都會經曆成千上萬次DNA損傷,簡單分類包括單鏈和雙鏈損傷。得益於人體精密複雜高效的DNA修復機製,受損DNA可及時被修復。

  PARP和BRCA都是DNA修復的高手,PARP主要負責單鏈維修。當PARP被抑製劑控制後,細胞單鏈斷裂持續增加逐漸發展成雙鏈斷裂,這個時候就需要BRCA擔負起高保真精密修復(同源重組)雙鏈斷裂的重任,防止DNA不穩定導致的細胞死亡。

 PARP和BRCA合成致死示意圖
 PARP和BRCA合成致死示意圖

  健康細胞有PARP和BRCA這兩大護法,哪怕PARP掉鏈子,還有BRCA保護。但癌細胞就不一樣了,之前系列文章也提過,為了達到快速繁殖進化之目的,癌細胞能省則省,部分乳腺癌細胞等自作聰明乾脆開除(突變)BRCA,只留下PARP來維持基因穩定。

  所以,在BRCA突變癌細胞中,同源重組這條路走不通,再加上PARP功能受到抑製劑的劫持,面對大量雙鏈斷裂,癌細胞聰明反被聰明誤徹底崩盤一命嗚呼。

  多麼無懈可擊的組合,科學家們總算找到了癌細胞“阿基里斯的腳踵”BRAC,於是對“致命毒箭”PARP抑製劑寄予了極大希望。

  在一片歡呼聲中,製藥史上最大烏龍事件之一卻在悄悄發酵。

  製藥史上最大烏龍事件之一

  2009年,在PARP抑製劑選秀中,BiPar Sciences開發的Iniparib驚豔全場:相比於吉西他濱和卡鉑單獨化療,Iniparib聯合治療可將轉移性三陰性乳腺癌患者(TNBC)總生存期從7.7個月延長至12.3個月。由於TNBC一直是製藥界的老大難問題,美國FDA迅速表態準備給Iniparib開通快速審批通道,當時各大平台也意見統一地預測Iniparib一旦上市,絕對是重磅級別的產品。

  一鳴驚人前,國際藥企賽諾菲已經動了心思,大手一揮拋出約5億美金的橄欖枝,興高采烈將Iniparib這名大將納入麾下,於是風光地以Iniparib經紀人的身份參加了新聞發佈會。

  可惜好景不長,2011年初賽諾菲沮喪地宣佈iniparib在三期臨床中並不能延長TNBC患者生存期。由於Iniparib之前頻頻曝光,萬眾矚目,該結果的公佈幾乎澆滅了整個製藥行業對PARP抑製劑的熱情。屋漏偏逢連夜雨,年底另一巨頭阿斯利康也宣佈奧拉帕尼針對卵巢癌患者的二期臨床試驗失敗,加潑了一大盆冷水。不淡定的輝瑞和默克紛紛停止開發PARP抑製劑,輝瑞將未來的明星分子蘆卡帕尼拱手相讓給Clovis,默克也轉手倒賣給了Tesaro。

  PARP抑製劑遭遇滑鐵盧第二年,梅奧診所Anand Patel等發現Iniparib的失敗竟然是一場狗血的烏龍,因為Iniparib並不是真正的PARP抑製劑!PARP抑製劑總算得以沉冤昭雪,再次回到聚光燈下。

  二期臨床“失敗”陰影下低迷不振的阿斯利康也受到鼓舞,重新分析了臨床數據[15],並驚喜發現和對照組相比,雖然奧拉帕尼患者組無進展生存期(PFS)只延長了3.6個月(8.4 個月vs。 4.8個月),BRCA突變患者分組PFS卻延長了6.9個月(11.2個月vs.4.3個月),於是皆大歡喜重新啟動臨床,也再次認證了PARP抑製劑這個法寶正確的打開方式是利用“合成致死”原理專攻BRAC突變癌症。

 奧拉帕尼臨床數據
 奧拉帕尼臨床數據

  贏在起跑線的阿斯利康一路披襟斬棘,順利將奧拉帕尼捧為全球第一個上市的PARP抑製劑,用於BRCA1/2突變的卵巢癌治療。2018年,奧拉帕尼在國內獲批,成為幾十年來中國第一個上市的卵巢癌靶向新藥。

  奧拉帕尼的征途並沒有止步於此。

  2018年,奧拉帕尼因為臨床效果完勝化療(PFS 7.0個月 vs。 4.2個月),副作用也更小,被FDA開綠燈加速上市,用於治療BRCA基因突變的乳腺癌患者。

  更為轟動的是,奧拉帕尼在治療最危險腫瘤類型胰腺癌也頗有建樹:奧拉帕尼可使患者PFS直接翻倍(7.4 個月 vs。 3.8個月),成為第一個在胰腺癌三期臨床試驗有顯著療效的PARP抑製劑,給患者帶來巨大福音。值得指出的是,目前仍未能確定奧拉帕尼的生存獲益,留下了些許遺憾。當然臨床方案中並沒有設置生存獲益為主要終點,這可能嚴重限製生存獲益的可能性。

奧拉帕尼胰腺癌臨床數據
奧拉帕尼胰腺癌臨床數據

  從卵巢癌,乳腺癌,到胰腺癌,PARP抑製劑反複證實了自己在刺殺BRAC突變腫瘤的價值,也給“合成致死”做了很好的背書,未來可期。

  基因配對盛典

  PARP抑製劑和BRAC成功配對後,國內外大量資源投入到“合成致死”理論研究當中,以期利用更多這樣的黃金組合來開發全新腫瘤藥物。其中比較大手筆的是葛蘭素史克(GSK)以及吉利德,在2020年“一擲億金”分別和專攻“合成致死”的IDEAYA Biosciences以及Tango Therapeutics建立戰略合作夥伴關係,摩拳擦掌挖掘下一個PARP,再創傳奇。

  “合成致死”配對如果換在幾十年前幾乎是要付出愚公移山的決心,畢竟合成致死基因比較罕見,當時的工具還停留在酵母模型,從海量突變基因組合篩選出來難度非常大,因此發展緩慢。

  然而,二十一世紀初,RNAi(RNA干擾,目標是干擾特定基因的表達)技術橫空出世,允許在特定致癌突變驅動的癌細胞中進行高通量篩選。但RNAi技術容易產生脫靶效應,也就是說針對基因A的RNAi,有可能誤傷到基因B。導致的結果就是辛辛苦苦開發基因A抑製劑,後來發現之前產生“合成致死”效應的也許是基因B,白忙乎一場。

  因此“合成致死”藥物開發在RNAi時代並沒有取得重大進展,零零星星有些成功案例,比如PRMT5-MTAP等CP。

  數年前,一種新型的黑科技註定要打開“合成致死”研究新篇章,那就是赫赫有名的CRISPR基因編輯技術。CRISPR可以完美克服RNAi技術高誤檢率,提高效率和準確度,再加上大數據分析的不斷髮展,更是如虎添翼。CRISPR不但在“合成致死”領域大放異彩,也成就了整個生物醫藥新的拐點,因此當之無愧斬獲了諾貝爾獎。

 CRISPR先驅以及諾貝爾獎得主Emmanuelle Charpentier(左) 和Jennifer A。 Doudna(右),圖片來源:諾貝爾獎官網
 CRISPR先驅以及諾貝爾獎得主Emmanuelle Charpentier(左) 和Jennifer A。 Doudna(右),圖片來源:諾貝爾獎官網

  技術在進步,“合成致死”的定義也一直在演化,比如近些年頗受關注的PRMT5-MTAP以及ME2-ME3組合,就不是傳統意義上的“合成致死”,更準確來說叫做“旁系致死”(collateral lethality)。如果將腫瘤抑製基因比作成“機長”的話,臨近基因就是“副駕”,當癌細胞撤銷機長營業執照(基因缺失)時,往往也會捆綁開除副機長,“旁系致死”就是找到能和副駕配對的基因,作為藥靶。

  放到PRMT5-MTAP場景,MTAP是腫瘤抑製基因CDKN2A的副駕,而副駕缺失的癌細胞(所有癌症中約有15%MTAP缺失,膠質母細胞瘤和胰腺癌高達50%和25%)對PRMT5有明顯依賴性,因此PRMT5抑製劑就成為專攻MTAP缺失癌細胞的新一代靶向藥物。

  自從2016年發表在《科學》雜誌上的報導公開PRMT5-MTAP這對新組合後,各大藥企爭先搶後進入賽道,比如Agios的AG-270,IDEAYA Biosciences的IDE387,Mirati MRTX9768,Preclude Therapeutics 的PRT543,以及輝瑞PF-06939999等,在剛過去的2021年AACR腫瘤年會上頻頻出鏡。

PRMT5-MTAP旁系致死機製
PRMT5-MTAP旁系致死機製

  雖然前景無量,PRMT5抑製劑設計門檻很高,最理想的抑製機製是能和MTAP缺失引發的MTA聚集有協同作用,這樣才能更好區分正常細胞和癌症細胞。可以想像,找到配對基因只是萬里長征第一步。

  結語

  近一百年前,首次在果蠅中發現“合成致死”現象,彼時沒人能預想一個世紀後,“合成致死”對癌症療法如此深遠的影響。

  2003年人類基因組計劃完成,隨後測序技術的發展加速了對人類腫瘤的分析,使得第一代癌症靶向療法蓬勃發展,期間誕生了靶向酪氨酸激酶、BRAF、HER2、EGFR等一批明星藥物。

  然而,並非所有和癌症相關的基因都可以成藥,部分可通過PROTAC技術解決(參考閱讀:癌細胞大殺器,20年浮沉練就“化骨綿掌”擊退腫瘤),但癌症突變中有一半是腫瘤抑製基因的缺失,比如BRCA、RB1、TP53等。好比無法叫醒一個裝睡的人,靶向缺失的基因也格外挑戰。

  靶向療法遇到瓶頸時,腫瘤免疫療法剛好登上歷史舞台,因其出色臨床效果搶走了靶向療法的風頭。但“合成致死”為間接靶向腫瘤抑製基因提供了新思路,又有CRISPR基因組篩選技術的加盟,靶向療法有望重回江湖再次駛航。

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