癌細(xì)胞大殺器，20年浮沉練就“化骨綿掌”擊退腫瘤
圖片作者：David Parkins /Nature
前段時(shí)間，喜劇演員吳孟達(dá)因肝癌去世，勾起一代人對(duì)達(dá)叔和星爺這對(duì)黃金組合的追憶。《鹿鼎記》是印象很深的佳作之一，電影中達(dá)叔扮演的海公公憑借“化骨綿掌”躋身武林高手之列，并成為韋小寶除掉鰲拜的“秘密武器”。其中達(dá)叔和星爺那段精彩的武功傳授著實(shí)上頭，每看一次都會(huì)笑出豬叫聲。
在癌癥治療領(lǐng)域，近年也出現(xiàn)了類似“化骨綿掌”的武林秘籍，得此真?zhèn)髡呖缮癫恢聿挥X將癌細(xì)胞的核心骨干成員“化”掉。沒了骨干撐腰，癌細(xì)胞自然也就分崩離析。這傳說中的“化骨綿掌”英文名為PROTAC，本文就來探探它的虛實(shí)。
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撰文 | 丁 零（科普作家）
責(zé)編 | 葉水送
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PROTAC之所以能稱霸江湖，離不開“垃圾回收桶”的輔佐。
細(xì)胞為了保持健康可持續(xù)性發(fā)展，發(fā)明了“垃圾回收桶”這么一個(gè)神器。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)蛋白生產(chǎn)過程中出現(xiàn)次品，或者使用時(shí)間過長舊化后，便號(hào)召代號(hào)為“E3”的清潔工給這些蛋白貼上“垃圾標(biāo)簽”。帶著“垃圾標(biāo)簽”的蛋白就會(huì)自覺跳進(jìn)“垃圾回收桶”，被分解成原材料回收再利用。
細(xì)胞這套變廢為寶的系統(tǒng)如此精密高效，堪稱環(huán)保界的領(lǐng)軍人物，將“垃圾回收桶”捧紅的以色列科學(xué)家Aaron Ciechanover、Avram Hershko以及美國科學(xué)家Irwin Rose，也因此一舉摘獲2004年諾貝爾獎(jiǎng)桂冠，名利雙收。
既然已經(jīng)登上國際舞臺(tái)，再用“細(xì)胞回收桶”這種小名難登大雅之堂，于是科學(xué)家們給它取了一個(gè)高大上的名字：泛素調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)降解，泛素就是“垃圾標(biāo)簽”的學(xué)名。
圖片來源諾貝爾獎(jiǎng)官網(wǎng)
一個(gè)重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)背后往往都暗藏了藥物開發(fā)的新思路，克雷格·克魯斯（Craig Crews）深諳此道。彼時(shí)克魯斯作為耶魯大學(xué)新晉教授，躊躇滿志希望能有一番作為。在探索研發(fā)方向時(shí)，克魯斯讀到一篇很意思的報(bào)道，由細(xì)菌產(chǎn)生的環(huán)氧霉素在殺死黑色素瘤細(xì)胞方面有驚人優(yōu)勢(shì)，更讓克魯斯著迷的是，當(dāng)時(shí)沒有任何科學(xué)家可解釋背后的原因究竟是什么。
于是克魯斯便帶領(lǐng)實(shí)驗(yàn)室小伙伴們進(jìn)行了反反復(fù)復(fù)的“釣魚”工作。所謂釣魚就是將這環(huán)氧霉素覆蓋在細(xì)沙大小的塑料珠上，作為“釣餌”，然后把癌細(xì)胞搗碎成漿糊狀倒進(jìn)去，等著能和環(huán)氧霉素相結(jié)合的蛋白上鉤?？唆斔箞F(tuán)隊(duì)驚喜發(fā)現(xiàn)，被釣上來的就是“細(xì)胞回收桶”的組成部分，蛋白酶體。
后續(xù)實(shí)驗(yàn)證明，環(huán)氧霉素可以慫恿“垃圾回收桶”罷工。和健康細(xì)胞相比，癌細(xì)胞有超高產(chǎn)能，在“垃圾回收桶”罷工后，還是持續(xù)生產(chǎn)，導(dǎo)致蛋白堆積如山，還包括了一些本應(yīng)該回收處理的有毒蛋白，癌細(xì)胞不堪重負(fù)日漸消亡。
在克魯斯看來，環(huán)氧霉素已經(jīng)不是簡簡單單有趣的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，更有潛力成為治療癌癥的重磅藥物。一次學(xué)術(shù)會(huì)議上，克魯斯偶遇加州理工學(xué)院教授雷蒙德·德沙伊斯（Raymond Deshaies），兩個(gè)人英雄所見略同，一拍即合決定創(chuàng)業(yè)，專門進(jìn)行環(huán)氧霉素的臨床應(yīng)用，并最終在2012年交上滿意答卷，環(huán)氧霉素的升級(jí)版本卡非佐米作為治療多發(fā)性骨髓瘤藥物成功獲批。
克雷格·克魯斯（左）和雷蒙德·德沙伊斯（右），圖片來源：安進(jìn)官網(wǎng)
除卡非佐米外，硼替佐米等藥物同樣也是利用破壞癌細(xì)胞“垃圾回收桶”達(dá)到治療效果，但和其他傳統(tǒng)抗癌藥物一樣，終究難逃耐藥性的宿命[1]。
面對(duì)挑戰(zhàn)，克魯斯好奇心又開始騷動(dòng)：硬幣的另一面是什么呢？也就是說，換個(gè)思路，不去抑制“垃圾回收桶”，而是利用“垃圾回收桶”快速分解導(dǎo)致疾病的目標(biāo)蛋白，是不是有可能解決耐藥性這個(gè)老大難問題？
克魯斯陷入了沉思，PROTAC的雛形慢慢浮現(xiàn)在腦海中。
克魯斯設(shè)想的PROTAC（Proteolysis Targeting Chimera；蛋白靶向降解嵌合）形狀和啞鈴類似，一端牽著目標(biāo)蛋白，另一端牽著上文提到的清潔工“E3”，人為地將“E3”和目標(biāo)蛋白湊到一塊。和目標(biāo)蛋白親密接觸時(shí)，出于職業(yè)習(xí)慣，“E3”不自覺給目標(biāo)蛋白貼上“垃圾標(biāo)簽”。等E3離開后，目標(biāo)蛋白受到“垃圾標(biāo)簽”的控制，還沒等反應(yīng)過來，已經(jīng)糊里糊涂跳進(jìn)“垃圾回收桶”被切割得粉碎。
PROTAC示意圖，圖片來源Cell Chem Biol
多么無懈可擊的設(shè)計(jì)！有此技能在手，簡直可以橫掃江湖，看誰不順眼就讓誰消失。更讓人興奮的是，傳統(tǒng)抗癌藥物往往只能壓制目標(biāo)蛋白功力，蛋白骨架還在，所以假以時(shí)日，狡猾的蛋白又會(huì)通過變異恢復(fù)功力，進(jìn)而導(dǎo)致治療失效疾病復(fù)發(fā)。
相比之下，PROTAC更加殺伐果斷，以一種非常巧妙的方式調(diào)動(dòng)純天然資源直接將癌細(xì)胞的核心蛋白連皮帶骨都給處理掉，完全不給目標(biāo)蛋白醞釀詭計(jì)的時(shí)間。
理想如此豐滿，現(xiàn)實(shí)依舊骨感。首先要設(shè)計(jì)PROTAC此等精致的分子，需要科學(xué)家反反復(fù)復(fù)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化。再者，PROTAC千好萬好，卻因?yàn)轶w型太過笨重，理論上來說很難順利穿過細(xì)胞表面的微小通道。被擋在細(xì)胞外頭的PROTAC，自然毫無用武之地。連克魯斯都曾經(jīng)自嘲，PROTAC興許只是一個(gè)科學(xué)家可愛的化學(xué)好奇心而已。
事實(shí)上，PROTAC概念提出后，經(jīng)歷了長達(dá)20年的起起落落。2001年，兩位老搭檔克魯斯和雷蒙德首次亮相了第一代PROTAC，成功降解2型蛋氨酸氨肽酶。雖然離理想產(chǎn)品差距很大，但初步證明PROTAC這個(gè)概念并不是癡人說夢(mèng)[3]。第一代PROTAC基于多肽（10-100氨基酸分子脫水縮合而成）。和小分子相比，多肽過于嬌氣，遇到一點(diǎn)屏障就打退堂鼓，在穿透細(xì)胞這件事情上不夠激進(jìn)，也就不能很好地完成KPI。更頭疼的是，多肽不穩(wěn)定很容易被降解掉。PROTAC任務(wù)本是降解目標(biāo)蛋白，到頭來自己先降解了，很好詮釋了什么叫殺敵一千，自損八百。
第二代PROTAC出品于2008年，全部由小分子構(gòu)建的PROTAC藥物模式正式出現(xiàn)[4]，標(biāo)志著歷史性地邁進(jìn)小分子元年。背后推手依舊是克魯斯先生，這次針對(duì)的目標(biāo)蛋白雄激素受體是前列腺癌等癌癥的罪魁禍?zhǔn)住?/span>
時(shí)隔兩年后的2010年，東京醫(yī)科大學(xué)教授半田宏團(tuán)隊(duì)研究治療孕婦惡心的沙利度胺到底為何會(huì)影響嬰兒發(fā)育。他們發(fā)現(xiàn)沙利度胺可能是通過抑制泛素連接酶“清潔工”抓手[5]，影響了肢體生長和發(fā)育。
作者無意，讀者有心。正在苦苦找尋泛素連接酶抓手的詹姆斯·布拉德納（James Bradner）看到這篇報(bào)道后，有著敏銳嗅覺的他靈感大發(fā)：沙利度胺既然可以抓住泛素連接酶，不就是很好的PROTAC候選者？真是踏破鐵鞋無覓處。2015年，布拉德納成功發(fā)布了新一代基于沙利度胺類似物的PROTAC分子，并成功降解了dBET轉(zhuǎn)錄因子這個(gè)傳統(tǒng)上非常難對(duì)付的蛋白[6]。
2014年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)世界上最暢銷的腫瘤藥物之一來那度胺，其作用機(jī)理竟然和PROTAC類似，有本事讓E3清潔工將IKZF1和IKZF3兩個(gè)蛋白給當(dāng)作垃圾處理掉[7]，進(jìn)一步給PROTAC提供強(qiáng)有力的背書。
到2019年，中國科學(xué)家在PROTAC勢(shì)不可擋的潮流中也按捺不住，代表人物潘崢?gòu)虢淌谔岢隽恕肮饣\”PROTAC的概念。PROTAC最開始在“光籠（Photocaged）”里養(yǎng)精蓄銳待命。時(shí)機(jī)成熟時(shí)，人為給予光照可除掉“光籠”，將PROTAC釋放出來完成它的使命[8]。這樣的設(shè)計(jì)無疑對(duì)藥物有了更多地把控。
“光籠”PROTAC示意圖，圖片來源Cell Chem Biol
除上述經(jīng)典模式PROTAC分子外，其它形式的蛋白降解策略如分子膠（Molecular glue）和LYTAC等也層出不窮。先驅(qū)克魯斯對(duì)PROTAC的熱情也如同喬布斯對(duì)待蘋果手機(jī)一樣，20年堅(jiān)持不懈不斷推陳出新，是開辟者，也是耕耘者。
傳統(tǒng)癌癥藥物研發(fā)主要通過調(diào)控和癌癥相關(guān)的蛋白活性?？上У氖牵梭w蛋白僅有20%左右可被傳統(tǒng)小分子藥物或者抗體調(diào)控，比如近些年比較火熱的奧拉帕尼（Olaparib）和帕博利珠（Pembrolizumab）等。剩下80%的蛋白都是難搞的“釘子戶”，被認(rèn)為“不可成藥（undruggable）”，讓科學(xué)家們望而卻步，比如控制蛋白質(zhì)生產(chǎn)的車間主任“轉(zhuǎn)錄因子”等。
PROTAC的牛氣一方面體現(xiàn)在能用“化骨綿掌”徹底清除整個(gè)目標(biāo)蛋白避免突變產(chǎn)生耐藥性，有名的例子便是克魯斯推出的ARCC-4可克服前列腺癌恩雜魯胺耐藥[9]。更牛的地方在于，PROTAC還有希望破解“不可成藥”蛋白靶點(diǎn)密碼，開發(fā)傳統(tǒng)藥物無法觸及的圈外80%廣闊空間。
對(duì)傳統(tǒng)小分子來說，需要破壞蛋白功力，工作時(shí)間長強(qiáng)度高，往往需要在蛋白上找到一個(gè)類似“口袋”位點(diǎn)的工作室后才方便勞作，但PROTAC是速戰(zhàn)速?zèng)Q，不需要和目標(biāo)蛋白長時(shí)間和高強(qiáng)度親密接觸，對(duì)工作地點(diǎn)完全不挑剔，在蛋白任何犄角旮旯和縫隙隨便坐下來就能開工，誘導(dǎo)蛋白徹底降解一勞永逸。
迄今為止，大部分PROTAC研究還是從“可成藥”目標(biāo)蛋白入手，先證明技術(shù)有效性再接受更大的挑戰(zhàn)。不過還是有人愿意第一個(gè)吃螃蟹，比如倫敦癌癥研究所的Keith Jones團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的PROTAC小分子可以和轉(zhuǎn)錄因子Pirin結(jié)合，這可是從來沒有被嘗試過的目標(biāo)蛋白[10]。制藥公司安進(jìn)據(jù)說也在秘密開展難度極高靶點(diǎn)的PROTAC工作[11]。
PROTAC優(yōu)勢(shì)，圖片來源：Arvinas官網(wǎng)
再高強(qiáng)的武功也有其命門，PROTAC難免有硬傷：上文提到PROTAC重量級(jí)體型導(dǎo)致其穿透細(xì)胞膜的能力不甚理想，水溶性和利用度都差強(qiáng)人意，因此確實(shí)需要減肥。
如果是靜脈注射還好，要達(dá)到口服的終極目標(biāo)，要走的路就更長了。不過克魯斯創(chuàng)立的明星公司Arvinas已官宣其重磅PROTAC藥物就是口服產(chǎn)品，有一覽眾山小，甩競爭對(duì)手幾條街的傲嬌姿態(tài)。
此外，PROTAC技術(shù)只能用于降解蛋白，治療某些疾病需要提高特殊蛋白的產(chǎn)量，在這種情況下，PROTAC就奈何不了。
2019年，PROTAC先行者Arvinas推動(dòng)首款PROTAC藥物ARV-110 進(jìn)入了臨床，針對(duì)前列腺癌的藥物，3個(gè)月之后，針對(duì)乳腺癌的藥物ARV-471也開啟臨床研究，同時(shí)關(guān)懷男性和女性患者。
2020年底，Arvinas宣布兩款藥物在臨床中均取得了積極結(jié)果：ARV-471顯著降低患者腫瘤組織雌激素受體水平，平均降低62%，最多降低接近90%；在12名可評(píng)估臨床獲益患者中，5名（42%）有臨床獲益。值得指出的是，這些病人在接受ARV-471前已平均接受過5種療法，屬于治療門檻極高的群體。
PROTAC的探索還在進(jìn)行時(shí)，短期內(nèi)無法顛覆整個(gè)新藥研發(fā)領(lǐng)域，但伴隨更多創(chuàng)新概念和技術(shù)的加持，期待在不久的將來會(huì)光芒萬丈地照進(jìn)現(xiàn)實(shí)。
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作者簡介
丁零，生物化學(xué)博士，青年寫作者。曾就職霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所及MD安德森癌癥中心，現(xiàn)從事咨詢行業(yè)。
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參考文獻(xiàn)
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