第一個人類癌基因的抑制藥為何如此姍姍來遲？

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一個重要的領域經過幾代人前仆后繼的努力之后終于有所成就，這永遠是一個勵志的故事。所以阿爾茨海默癥（早老性癡呆）領域在幾十年的奮斗之后，終于推出了一個FDA特批的藥Aduhelm，這很快就成了媒體爭相報道的寵兒，盡管人們對這個藥的療效相當地存疑。

也正是這個原因，這個藥物激發的媒體狂熱實際上奪走了另一個真正值得大書特書的新聞的風頭：經過40年的奮斗，針對人類的第一個癌基因Ras的抑制藥物問世了。它在5月28日得到了FDA的快速特批，用于治療攜帶特定突變體的非小細胞肺癌。它叫索托拉西布，Lumakras。

這個批準的依據是來自美國安進（Amgen ）的一個124個晚期肺癌病人的二期臨床試驗，其有效率達到36%，其中超過一半人的藥效持續期超過半年。

請不要小看這個36%的有效率，要知道，這個試驗中很多的病人都是在用堪稱神藥的免疫激活劑PD-1抑制劑治療失效的情況下，才求助于索托拉西布的。也就是說，本來就是死馬當活馬醫，結果卻給很多人帶來了生的希望。如果這個藥物在肺癌確診初期就能和PD-1抑制劑聯合用藥的話，有效率很可能會更高。

媒體上說這是40年的探索終于有所回報，但我卻要說這一切成功都可以追朔到100多年前的一只蘆花雞。

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我們曾前在寫道過，和當前的新冠堪為一比的上一次傳染病世界大流行，應該是1918年的大流感。當時在美國應對疫情的，是以紐約洛克菲勒醫學研究所為班底一個科學家和醫生的明星陣容。可惜的是，這個明星陣容卻在抗疫方面交了白卷，因為他們把大流感的病原給搞錯了：當年病毒這個概念還沒有被建立起來，科學家們就把在嚴重發炎的肺臟中找到的次生感染的細菌給當成罪魁禍首了，而且還據此分離培養了病菌并制作了滅活疫苗，接種了幾十萬人，其效果當然是零。

其實，很多人不知道的是，在大流感爆發的10年前，洛克菲勒醫學研究所的研究其實已經觸摸到了病毒的邊緣。

1909年，有人給洛克菲勒研究所的研究員Peyton Rous送來一只蘆花雞，這種雞肉美味而產蛋多，它的原種來自美國，英文叫barred Plymouth Rock hen。但是Peyton Rous收到的這只蘆花雞與眾不同，它身上長了一種巨大的腫瘤。令Peyton Rous稱奇的是，當他把蘆花雞的癌組織磨碎溶解，并用一種孔徑極為細小的濾膜過濾之后，其勻漿依然能夠誘導其他蘆花雞形成腫瘤。

Peyton Rous使用的這種濾膜可以阻擋細小的組織碎片甚至是細菌，后來我們知道，能透過該濾膜的活性生物體只有病毒，也恰恰正是病毒誘發了蘆花雞的癌變，后世把這種病毒用它的發現者的名字來名命：Rous肉瘤病毒（Rous Sarcoma Virus）。但是在當時，Peyton Rous把這微小的腫瘤誘導物稱為“可透過濾膜的（致癌）物質”（Filterable Agent）。

1918大流感病毒正是這樣一種可以透過細微濾膜的傳染性病原 - 病毒。

遺憾的是，當年Peyton Rous對呼吸道傳染病沒有表現出特別的興趣，這讓美國科學家失去了確定大流感根源的機會（大流感的病毒本質是在20年之后，Peyton Rous的同事Richard Shope發現的），但是，卻給人類打開了解密癌癥之門。

但是當年的學術界，對Peyton Rous所癡迷的這種傳染性物質誘發癌癥機理嗤之以鼻，因為證據是明擺著的：癌癥是不傳染的。在這樣的否定和打壓之，當時年僅僅30歲的Peyton Rous后半輩子沒再取得什么特別突出的科研成就，他后來比較引人矚目的表現是寫了一本洛克菲勒研究所長Simon Flexner的傳記，記載了洛克菲勒研究所在20世紀上半葉給醫學科學和分子生物學帶來的革命，這個人我們在中也提到過。

我們現在已經知道，當年打壓Peyton Rous的傳統觀點是錯誤的：其實大概20%的癌癥和病毒感染相關。一個典型的例子是人乳頭瘤病毒（HPV）誘發的宮頸感染和糜爛，可能會導致宮頸癌。當年的香港巨星梅艷芳據說就是不幸于這種癌癥。現在據說九價HPV疫苗目前在中國很熱門，排隊都不一定能打得上，就是因為它預防宮頸癌的效果。

好在Peyton Rous比較長壽。1966年，86歲的他因為揭示了病毒感染和腫瘤的關系而榮膺諾貝爾獎生理醫學獎，這離他做出劃時代發現已經半個多世紀了。迄今他依然是最老的諾貝爾獎獲得者，同時也是做出獲諾獎突破時最年輕的人之一。

在Peyton Rous奠定了基礎之后，后輩的科學家開始使用不同的病毒感染動物誘發腫瘤，從雞到嚙齒類動物，比如小鼠大鼠倉鼠和兔子。進入70年代，在Peyton Rous去世幾年之后，加州大學舊金山分校的Michael Bishop和他的弟子Harold Varmus，終于發現了讓Peyton Rous魂牽夢繞的蘆花雞病毒RSV的致癌機理：這些病毒中含有一個叫做Src的癌基因，這是人類歷史上發現的第一個癌基因（Oncogene）。

他倆因為這個成就被授予1989年的諾貝爾獎，后來Harold Varmus被奧巴馬任命為國家癌癥研究所的所長（NCI）。

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從科技史的角度看，DNA在不同物種之間的傳遞給我們揭示了大量的生命科學的秘密。最早的要算Peyton Rous在洛克菲勒研究所的同事Oswald Avery，他通過致死性肺炎球菌的毒性能通過DNA傳遞給良性肺炎菌的試驗，證明了DNA是遺傳物質。但是，DNA在動物細胞之間的轉移要難得多了，所以Peyton Rous所發現的Rous肉瘤病毒就成了最有力的工具，病毒的感染成為把外源基因導入動物細胞的捷徑。

但是，醫學的終極目的在于確定和人癌癥直接相關的腫瘤基因，使用動物病毒畢竟是太過間接的手段。所以在如火如荼的病毒癌化細胞研究之后，科學界開始考慮直接使用人類癌細胞的DNA來處理正常細胞，第一次獲得成功的是一株人類膀胱癌細胞系。。

這里最大的技術障礙就是：在不借助病毒的情況下，如何讓癌細胞的DNA片段進入正常宿主細胞？

科學家幸運地發現了磷酸鈣這樣一個工具。這是一種溶解性很低的鈣鹽，它在溶液里形成自身的沉淀小顆粒的時候，能夠把DNA的片段吸附包裹起來，然后這樣的磷酸鈣和DNA的復合物能被細胞膜吸收。通過這樣的技術，麻省理工的Robert Weinberg的科研組在上世紀80年代初終于定位了一種能夠讓正常細胞強烈癌化的人類基因片段，它后來被命名為Ras基因。因為Src是在病毒中被發現的，而Ras是直接來自于人類基因庫，所以Ras就成為第一個人類致癌基因（Proto-oncogene）。

這里說一句題外話，磷酸鈣轉染是把核酸轉入人類細胞技術的鼻祖。在40年后的今天，這項技術已經達到了登峰造極的水準，比如用脂納米顆粒包裝mRNA疫苗的技術，這是幫助人類戰勝新冠疫情的關鍵性專利之一，輝瑞和 Moderna疫苗都要借助于它。磷酸鈣技術和它相比那簡直就是笨拙寒酸到了極點。但是，吃水不忘挖井人，高大上的RNA疫苗傳遞技術，最終也要朔源于簡陋粗笨的磷酸鈣。

Weinberg后來成為癌癥機理研究的權威，他在本世紀初發表的經典綜述the Hallmark of Cancer，糾正了很多人對癌癥的一些傳統誤解，比如一想到腫瘤就單單只想到細胞的無限增殖。我們如何解釋這樣一個現象呢：即使是非常好的生長抑制劑也會很快在抗癌治療中遇到抗性。Weinberg指出，晚期的癌癥經常伴隨染色體復制糾錯機制的失靈，這就意味著癌細胞在增殖和擴散中會形成大量隨機的突變，然后在藥物的抑制和環境打壓下優勝劣汰，形成最致命的那一種株系。有時候我們會驚訝于癌細胞繁殖自身并逃脫藥物毒性巧奪天工的機制，幾乎會想到這就像是人工巧妙的設計。

并非如此，分子密集的自然演化勝過任何人工智能的智慧。

Ras基因的名字是怎么來的？

原來，在Peyton Rous于1910年的發現之后，病毒誘導腫瘤研究在在60年代有了一個大爆發，成果頗豐，也成為Peyton Rous榮膺諾貝爾獎的助力。這期間英國的女學者Jennifer Harvey使用鼠類逆轉錄病毒(MRV）讓大鼠得了“大鼠肉瘤”病（Rat Sarcomas）。這里的致癌因子的基因序列和80年代初Robert Weinberg找到的是一個東西，所以這第一個人類致癌基因的名字就來自這個大鼠肉瘤（ Rat Sarcoma）的縮寫，Ras。

Jennifer Harvey發現的Ras基因被名命為H-Ras，后來一個在二戰后移居美國的德國學者Werner Kristen發現了另一種Ras變體，被名命為K-Ras。正是這個KRas, 在目前30%的人類腫瘤中有突變，本文的主角，這個專門針對K-Ras突變的Lumakras的名字也就是這么來的。

從現代的觀點看，80年代的癌基因篩選技術是比較落后的，而Ras在那個落后的技術平臺中能第一個脫穎而出，本身就證明了其突變體的致癌能力非常兇猛。在后來的癌癥研究中，這一點也得到了證實：如果癌癥病人體內含有包括K-Ras在內的多種基因變異，那么針對其他癌基因的藥物就幾乎不起作用，因為K-Ras引發的致癌性基本上壓倒一切。

所以說，K-Ras應該是癌癥研究中一個首當其沖的靶點，為什么我們花了40年才等到了Lumakras的問世呢?

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我對這個問題的最先體驗，是20年前第一次進入博士生研究課題的時候。當時Ras被發現已經快20年了，我們在教科書上已經學到了在Ras下面有一條Ras -> Raf -> Mek -> Erk的細胞信號途徑。我的工作是研究Ras途徑中一個上游組分在癌細胞中的功能與調控。當時一種比較便捷的生化研究工具，是信號分子的各種特異性抑制劑：用這些小分子把相應的信號分子熄火之后，再根據細胞的生理變化來推測被抑制分子可能的功能。

我們當時有針對Raf, Mek和Erk的化學抑制劑，但是針對這個途徑的總源頭Ras卻是一無所有。我問老師，答案是Ras這個東西比較古怪。

后來我進入了制藥工業，專注于腫瘤藥的研究。我看到了我們有針對Ras上游分子的特異性藥物，比如世界上第一個靶向藥物格列衛，Gleevec，它的性能之一就是能特異性地抑制Ras的上游分子，比如血小板衍生生長因子受體（PDGFR）和KIT酪氨酸激酶受體等等，這個藥物在幾年前的熱門電影《我不是藥神》中是主角，是慢性粒細胞白血病患者的救命藥，可能很多人都熟悉。

世界上第一個所謂個性化的治癌藥物赫賽汀（Herceptin），是一個針對人表皮生長因子受體的單克隆抗體，也是瞄準了Ras的一個上游信號途徑，它在某種乳腺癌亞型中特別重要。

Ras的下游分子叫Raf，10年前FDA批了一個叫威羅菲尼（vemurafenib）的藥物，專門針對一種存在于惡性黑色素瘤中的Raf亞型突變體。我還記得在這個藥批準的那一天，全公司放假一天，邀請了廚師班子馬戲團魔術師到公司園區來，大宴賓客犒賞三軍，那個喜慶歡樂的日子仿佛就在昨天一樣。

看來對腫瘤來說，這是一條重要的途徑，但是幸運女神仿佛把Ras這個核心角色給跳過去了。

我的老板所說的Ras之古怪，是因為這是一個分子量非常小的蛋白質，有人把他的三維結構的表面比喻成好像是一個光滑的保齡球，不論是什么樣的有機小分子都在上面掛不住，也就是說，多年來盡管有機藥化學家絞盡腦汁，也非常難于找到針對Ras的特異性抑制劑。

這個領域的第一個轉折發生在2013年。就在第一個致癌基因Src誕生的搖籃，加州大學舊金山分校，一個叫Kevan Shokat的化學家課題組發現了K-Ras的一種常見的突變，一個特定位點上的甘氨酸被變成了半胱胺酸。這個變化讓原本光滑的KRas蛋白表面產生了一道裂痕，剛好有一類有機小分子能卡進去，淬滅KRas蛋白的活性，從而抑制癌細胞的生長。

這讓我想到《射雕英雄傳》里梅超風的老公“銅尸”陳玄風，他有金鐘罩鐵布衫的功夫，渾身刀槍不入，這倒是非常類似于正常K-Ras光滑的表面百毒不侵。但是陳玄風在神功練成之后，固然是威力無窮，但是全身卻留下一個最柔弱的部位，武林中人稱“練門”，如被擊中非死即傷。

其實突變后的K-Ras, 也很象練成神功的武林高手，其致癌活性大增，但是也產生了一個脆弱的“練門”，那就是甘氨酸被半胱氨酸取代后，除了蛋白表面產生了一個凹槽之外，這個半胱氨酸上還有一個活潑的硫原子。Kevan Shokat設計了一個類型有機小分子，能夠牢固地結合這個新生的硫原子，同時巧妙地卡入K-Ras突變蛋白的凹槽中，把這個癌蛋白牢牢地鎖定在失活的狀態。

小分子刺中K-Ras突變蛋白的“練門”

在《射雕》中，陳玄風的肚臍眼，也就是他的練門，是被6歲的郭靖無意中刺中的，用的是丘處機在牛家村賜給父親的匕首，鋒利無比。如果把Kevan Shokat設計的小分子比成刺中KRas練門的匕首的話，它還遠談不上鋒利。因為，用這套小分子固然可以做出很漂亮的機理研究，但是從入藥的實際要求來衡量，他們的差距還非常大。

不過這一突破畢竟給全世界的藥化學家開啟了希望之門，于是世界上好幾個高水平的組在Kevan Shokat分子的基礎上做修修補補的工作，希望某個細微的結構變化給他們帶來意外之喜。而接下來的兩年對這些化學家來說基本上是屢戰屢敗和屢敗屢戰的兩年，因為他們的嘗試都失敗了。

從某種意義上，Kevan Shokat的工作既給這個領域開了一扇門，同時也把同行們領進了一個死胡同。

因為他的分子采用的是一種叫“丙烯酰胺”的骨架。這種物質的純化形態是一種強烈的神經和致癌毒劑。在日常生活中，快餐店炸薯條用的油如果換的不勤加熱過度，就會積累過量的丙烯酰胺。在生物化學中，聚合的丙烯酰胺是一種多孔的凝膠狀態，非常適用于電泳，分離核酸和蛋白質等生物大分子。我們生化學家在配制這樣的凝膠的時候，會看到裝著丙烯酰胺的大瓶子上印著一個巨大的骷髏頭。

當然，在制藥的有機合成中，丙烯酰胺的骨架上添加了其他成分之后，就不會那么有毒了。但總的來說這不是一個很好的藥物備選骨架，化學家們是在黑暗中摸索。

黑夜中的一縷曙光出現在2015年。

這一年，有一個叫Wellspring的小公司發表了一個專利，提出使用喹啉（Quinoline）取代糟糕的丙烯酰胺為K-Ras抑制劑的骨架，這樣不僅分子的效能提高了，而且這一系列的喹啉衍生物還會有比較好的入藥的特性。于是幾大藥廠又如同千軍萬馬過獨木橋一般，在這條小徑上沖殺。

既然寫到了2015，就不能不提到，這一年也是Ras細胞信號途徑領域中令人悲哀的一年。

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本文的主角是Lumakras，針對的是K-Ras, 人類還有另外兩種類似的Ras基因，分別是Jenny Harvey于60年代發現的H-Ras, 和80年代被發現的N-Ras。H-Ras與K-Ras都用發明者的姓氏首字母來命名，而N-Ras的這個N來自于這個基因的來源，一種神經瘤細胞，它的發現人是兩個英國人，Chris Marshall和Alan Hall。

他們很快就成為這個領域的兩大領軍人物，我在前面描述的Ras豐富而龐雜的下游途徑，Chris Marshall的科研組就是這個體系的奠基者之一。Alan Hall后來確立了和Ras途徑平行的細胞信號途徑，他倆都在40多歲就當選英國皇家學會會員。Alan Hall后來應邀來到紐約著名的Memorial Sloan Kettering Cancer Center當系主任，令人悲痛的是，他2015年在例行晨跑的時候心臟病突發故去了。

Alan Hall葬禮上的悼詞是Chris Marshall致的，他們是在同一個實驗室并肩作戰長達12年的好朋友。3個月后，Chris Marshall也跟隨好友仙去了，原因的發現多年的結腸癌擴散惡化了。他們去世的時候都才60多歲。

我讀到這個新聞的時候，除了傷感，另一個感覺是這個領域里英國人實力最強，他們卻最是禍不單行。就在2013，我的導師的導師，對發現生長因子受體激活Ras途徑有重大貢獻，和發現SH2結構域的的Tony Pawson，也是一個英國人，我堅信的諾貝爾獎的熱門候選人，在60歲的時候因故自殺離世了。

此外，K-Ras的發現者，德國人Werner Kristen也是60多歲就去世。

這是一個充滿轉折和懸念的科學領域，這也是歷代科學家們的人生寫照，他們探自然之無窮，識盈虛之有數。

Peyton Rous早年的驚人成就雖然被人遺忘，但是他在創造力巔峰之后又活了半個多世紀，才得已見證自己超越時代的真知灼見終于被時代所承認；兩位N-Ras的發現者雖然英年早逝，但是他們的生命早已寫進了他們的科學成就，寫進了教科書，寫進了他們后輩門生的學術生涯，也融進了這救死扶傷的藥片中。

再回到2015這個有悲劇也有突破的一年，對K-Ras抑制劑設計思路的全新突破，加快了整個領域的發展。安進Amgen在競爭中走在最前面，從他們設計出分子到該分子進入臨床病人用了3年。這個換了骨架的分子顯示了極好的安全性，因為它只攻擊突變體的“練門”，而對正常的K-Ras功能影響很小，所以臨床劑量可以達到很高，以便于最大程度地殺傷癌細胞，目前的劑量達到每日0.96克（一般藥物的劑量是以毫克論）。

安進的臨床試驗，從第一個病人服藥到該藥得到FDA特批用了2年，這也是一個工業界罕見的速度。但是安進合成Lumakras的化學團隊說：“盡管我們已經最快了，但是對很多病人來說還是太晚了”。

對Chris Marshall來說，這正是如此。他所患的結腸癌，流行病學調查發現其中45%都含有Ras突變，只可惜他沒有等到Lumakras。

但是三種Ras各有突變，單單在K-Ras里的第12位點，原生的甘氨酸也可以有多種不同類型的改變，Lumakras只能幫助從甘氨酸到半胱氨酸的突變型病人。有幾家藥企已經表態他們已經在著手設計針對Ras的其他突變型。

薪火代代相傳，探索永不止息。

（圖片來自網絡）
參考文獻：

https://cen.acs.org/pharmaceuticals/oncology/Notorious-KRAS-Taking-down-cancer/97/i37

https://www.fiercepharma.com/pharma/amgen-s-lumakras-becomes-first-fda-approved-kras-inhibitor-for-lung-cancer-patients

https://link.springer.com/article/10.1007/s10555-020-09919-1

https://www.nature.com/articles/1208077

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