日本科學(xué)家闡明：絕大多數(shù)抗癌藥物為何藥效低副作用大？
?日本熊本大學(xué)醫(yī)學(xué)院名譽(yù)教授、日本崇城大學(xué)教授前田浩
編者按：
2016年諾貝爾化學(xué)獎已塵埃落定，三位從事分子機(jī)器研究的科學(xué)家獲此項(xiàng)殊榮。不可忽視的是，除這三位之外，還有很多科學(xué)家也做出了卓越成就，其中有些人更被湯森路透預(yù)測為今年諾貝爾化學(xué)獎獲得者。日本熊本大學(xué)醫(yī)學(xué)院名譽(yù)教授、日本崇城大學(xué)教授前田浩（Hiroshi Maeda）便是其中一位。
撰文 | 吳軍（美國希望之城醫(yī)學(xué)中心）
責(zé)編 | 程莉
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2016年的諾貝爾化學(xué)獎已經(jīng)塵埃落地，三位從事納米機(jī)器設(shè)計的科學(xué)家獲得了此項(xiàng)殊榮。
在揭曉前幾天，朋友通過微信告訴我說，我的博士導(dǎo)師、日本熊本大學(xué)醫(yī)學(xué)院名譽(yù)教授前田浩（Hiroshi Maeda）博士（現(xiàn)任日本崇城大學(xué)教授）被湯森路透（Thomson Reuters）預(yù)測為2016年諾貝爾化學(xué)獎獲得者之一。湯森路透是一家國際專業(yè)數(shù)據(jù)分析公司，他們根據(jù)學(xué)術(shù)論文的引用數(shù)量等進(jìn)行預(yù)測，自2002年至2015年共預(yù)測了256名諾貝爾獎得主候選人，其中39人已經(jīng)獲獎。前田教授與松村博士是被預(yù)測獲得2016年化學(xué)獎的三組科學(xué)家之一。
雖然前田教授又一次與諾貝爾獎擦肩而過，但因?yàn)闇吠傅念A(yù)測，前田教授的名字和他的理論通過全球媒體的報道而進(jìn)入公眾視野。鑒于絕大多數(shù)華人讀者不知道前田教授及其科學(xué)研究的成就，我感到有責(zé)任來介紹一下前田浩教授及其科學(xué)貢獻(xiàn)。
我是1994年通過獲得日本政府文部省外國留學(xué)生獎學(xué)金進(jìn)入到前田浩教授實(shí)驗(yàn)室讀博士的。之所以要到前田浩教授那里求學(xué)，是因?yàn)槲以?992年讀了上海醫(yī)科大學(xué)湯釗猷教授編著的一本關(guān)于肝癌治療的書，里面有一章是前田浩教授寫的關(guān)于一種叫SMANCS的藥物，與碘油Lipiodol混合后通過肝動脈注射，這個藥在肝癌組織里能夠選擇性地潴留，而且長達(dá)數(shù)月，從而達(dá)到高效的抗癌效果，同時副作用極小，患者兩天后即可出院，過正常的生活。我當(dāng)時認(rèn)識到，這就是最理想的癌癥治療方法了：療效高、副作用小、傷害小，不影響正常生活質(zhì)量。我因此寫信給前田浩教授，希望到他的實(shí)驗(yàn)室讀書。幸運(yùn)的是，我成為他的三個中國留學(xué)生之一。
早期研究
前田教授1962年本科畢業(yè)于日本的東北大學(xué)。這所大學(xué)位于日本仙臺市，是日本的7所舊帝國大學(xué)之一。大學(xué)畢業(yè)后，前田獲得美國的Fulbright研究生獎學(xué)金，到美國加州大學(xué)戴維斯分校，師從Robert E. Feeney學(xué)習(xí)蛋白質(zhì)化學(xué)及蛋白酶抑制物。那是蛋白質(zhì)化學(xué)和生物化學(xué)最激動人心的大發(fā)展時期。在獲得碩士學(xué)位后，前田回到仙臺的東北大學(xué)，師從石田名香雄教授，進(jìn)行抗生素的研究。石田名香雄是世界知名的微生物學(xué)家，曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)了著名的仙臺病毒，是日本抗生素研究的領(lǐng)導(dǎo)者，曾任東北大學(xué)校長，門下學(xué)生多成為日本各大學(xué)的知名教授。前田的課題是一種新發(fā)現(xiàn)的抗生素-新制癌菌素Neocarzinostatin （NCS）。NCS具有高度敏感的抗細(xì)菌和腫瘤的活性，它的結(jié)構(gòu)非常特殊，由113個氨基酸的蛋白鏈和切斷DNA的色素團(tuán)Chromophore組成。前田負(fù)責(zé)確認(rèn)這個新抗生素的蛋白質(zhì)序列。
1968年5月，前田在獲得博士學(xué)位后，應(yīng)哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院教授Sidney Farber的邀請，來到美國波士頓的兒童癌癥研究基金會（CCRF）工作，目的是確認(rèn)NCS的結(jié)構(gòu)。CCRF后來成為目前世界著名的Dana-Farber Cancer Institute。Farber教授是世界癌癥化療的先驅(qū)者之一，曾經(jīng)擔(dān)任美國抗癌協(xié)會主席。前田在這段時間，還到了加州大學(xué)舊金山分校（UCSF）的荷爾蒙研究室的Choh Hao Li（李卓皓）教授的實(shí)驗(yàn)室工作，李卓皓教授是當(dāng)時世界最著名實(shí)驗(yàn)內(nèi)分泌科學(xué)家之一，發(fā)現(xiàn)和純化了多種激素，曾經(jīng)有300多位來自世界各地的科學(xué)家在他的實(shí)驗(yàn)室工作。據(jù)前田跟我說，在李卓皓實(shí)驗(yàn)室短短兩個星期，他受益良多。
在完成了NCS結(jié)構(gòu)分析工作之后，1971年前田博士接受來自日本熊本大學(xué)醫(yī)學(xué)院日沼頼夫（Yorio Hinuma）教授的邀請，來到熊本大學(xué)醫(yī)學(xué)部微生物學(xué)研究室擔(dān)任副教授。熊本大學(xué)醫(yī)學(xué)部是一所老牌的醫(yī)學(xué)院，歷史可以追溯到18世紀(jì)，是日本在7所帝國大學(xué)醫(yī)學(xué)院之后最著名的醫(yī)學(xué)院之一，具有優(yōu)良的研究傳統(tǒng)。日沼頼夫教授也是世界著名的微生物學(xué)家，以發(fā)現(xiàn)成人T細(xì)胞白血病病毒而著名，于2009年獲得日本文化勛章。日沼頼夫教授后來去京都大學(xué)病毒研究所擔(dān)任教授，前田博士隨后成為熊本大學(xué)醫(yī)學(xué)部微生物學(xué)教授。
神奇的SMANCS
在熊本期間，前田教授繼續(xù)研究NCS。NCS雖然有高效的抗癌活性，但是很容易在體內(nèi)被蛋白酶降解而失活，在血液中半衰期極短。前田一直想辦法改善NCS的藥物動力學(xué)特性。有一次，他讀到美國化學(xué)協(xié)會主辦的《化學(xué)與工程新聞》周刊，其中報道說SMA（styrene-co-maleic anhydride）這種兼有水溶/疏水性質(zhì)的多聚物可以用來做汽車打蠟和地板打蠟用。于是，前田想到用這個多聚物來修飾他的NCS。很快，他從美國ARCO公司獲得SMA贈品用來修飾NCS，得到了合成產(chǎn)物。他把這個產(chǎn)物命名為SMANCS。后來他又用n-butyl half-ester的SMA來完善SMANCS。SMANCS的藥物動力學(xué)性質(zhì)比NCS獲得了極大的改善：抗癌活性保持不變，血液中的半衰期大大延長，抗蛋白酶降解的穩(wěn)定性大大提高，也幾乎不引起免疫原反應(yīng)（身體產(chǎn)生抗NCS抗體）。因?yàn)橛辛薙MA的修飾，SMANCS可以增加其疏水性性質(zhì)，同時又能夠與血液中的白蛋白Albumin結(jié)合，成為9萬道爾頓的大分子。
?SMANCS 結(jié)構(gòu)示意圖
當(dāng)時在熊本大學(xué)醫(yī)學(xué)院第一外科工作的外科醫(yī)生今野俊光（Toshimitsu Konno）博士建議把SMANCS與血管造影劑Lipiodol溶在一起，看看能否幫助治療癌癥。他們首先在攜帶VX-2腫瘤的兔子身上做實(shí)驗(yàn)，證明SMANCS可以溶解在Lipiodol當(dāng)中并聚集在VX-2腫瘤組織里。因SMANCS在動物身上獲得成功，第一外科教授橫山育三（Ikuzo Yokoyama）問前田教授能否用SMANCS來治療一位56歲的肝癌病人。這位患者的肝癌直徑有13厘米之大，預(yù)料最多只能存活4～5個月。
治療由今野博士實(shí)施，通過肝動脈插管給藥。當(dāng)患者在3個月后復(fù)查時，今野醫(yī)生吃驚地發(fā)現(xiàn)，患者活得好好的，腫瘤大大縮小了。這是前所未有的事情。
今野醫(yī)生興奮地拿著患者的CT片沖進(jìn)前田教授的辦公室，告訴他這個令人振奮的結(jié)果。橫山教授、今野博士、前田教授意識到SMANCS具有奇跡般的能量，他們決定讓更多的患者接受這個SMANCS的治療。1982年，他們的臨床治療結(jié)果發(fā)表在日文的《癌癥與化療》期刊上，1983年發(fā)表在歐洲癌癥臨床腫瘤學(xué)雜志（Eur. J., Cancer Clin. Oncol., 19:1053-1065）上。
隨著SMANCS治療肝癌的成績的陸續(xù)發(fā)表，1993年日本政府批準(zhǔn)SMANCS全面進(jìn)入臨床治療應(yīng)用。日本各地乃至來自美國的患者都爭相到熊本接受SMANCS治療，前田博士因此還收到美國奧斯丁市頒發(fā)的榮譽(yù)市民和美國奧克拉瑪州頒發(fā)的榮譽(yù)居民稱號。大約1999年，我跟今野博士到臨床觀摩SMANCS治療的期間，今野博士告訴我說，他認(rèn)為肝癌如果不是特別的晚期，比如出現(xiàn)全身轉(zhuǎn)移黃疸腹水等癥狀，在他看來，肝癌已經(jīng)是可治愈的疾病。
發(fā)現(xiàn)大分子物質(zhì)在腫瘤血管高滲透及潴留的EPR效應(yīng)
?伊文斯藍(lán)在腫瘤組織的 EPR 效應(yīng)及 SMANCS 利用 EPR 效應(yīng)在肝癌組織中的靶向治療效果
在研發(fā)SMANCS的同時，前田注意到NCS及SMANCS的淋巴系統(tǒng)趨向性。腫瘤也是通過淋巴系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)散的。大分子物質(zhì)、脂質(zhì)體也是通過淋巴系統(tǒng)回流到血液。伊文斯藍(lán)Evans Blue是一種藍(lán)色的染料，用來發(fā)現(xiàn)血管滲透性增高的現(xiàn)象。前田教授在研究細(xì)菌蛋白酶的病理學(xué)機(jī)制時常用這個染料。他們發(fā)現(xiàn)這個染料也可以讓腫瘤組織出現(xiàn)特異性的染色現(xiàn)象。
1980年代末，松村保宏（Yasuhiro Matsumura）來到前田的實(shí)驗(yàn)室讀博士。松村是一名外科醫(yī)生，現(xiàn)任日本國立癌癥中心東醫(yī)院藥物發(fā)展部部長。松村一開始研究癌癥腹水中出現(xiàn)的緩激肽（Bradykinin）的現(xiàn)象。緩激肽是一種強(qiáng)烈的刺激痛覺同時刺激血管滲透性的生理因子。為了研究緩激肽在腫瘤血管滲透性方面的生理作用，他們對腫瘤組織的血管高通透性感到興趣并開展進(jìn)一步的研究。他們用鉻51來標(biāo)記了不同分子量的大分子：IgG（160kDa）、transferrin（90kDa）、albumin（67 kDa）、ovalbumin（47 kDa）和ovomucoid（28.8 kDa）、NCS（12 kDa），然后把這些放射物標(biāo)記的蛋白注射到攜帶腫瘤的小鼠靜脈中去。他們發(fā)現(xiàn)，40 kDa大小以上的大分子，隨著時間的推移，在腫瘤組織里出現(xiàn)了潴留的現(xiàn)象，而在其他任何正常組織當(dāng)中，這些大分子都沒有出現(xiàn)漏出到血管外的現(xiàn)象。這闡明了腫瘤血管對大分子物質(zhì)有獨(dú)特的滲透性增加的現(xiàn)象（enhanced permeability）。更重要的是，這些漏出來的大分子，出現(xiàn)了潴留的現(xiàn)象（retention effect）。這個潴留現(xiàn)象，就是一種我們需要的藥物被動性腫瘤靶向藥物遞呈作用。也就是說，要讓抗腫瘤藥物選擇性地到達(dá)腫瘤組織發(fā)揮抗癌功效，抗癌藥物應(yīng)該在40kDa大小以上，或者能夠主動與血液中的白蛋白結(jié)合，以藥物-白蛋白結(jié)合體的形式在血液中運(yùn)動。
?大分子化合物對腫瘤組織的高滲漏和潴留特性
這也同時闡明了絕大多數(shù)抗癌藥物的藥效低副作用大的原因：絕大多數(shù)抗癌藥物，其分子量只有區(qū)區(qū)2kDa以下。它們在患者身體里以自由擴(kuò)散原則分布到身體中的各個部分去，“自由擴(kuò)散”使得在腫瘤組織中的藥物濃度極低，也就意味著抗癌效果低；“到處都去”導(dǎo)致副作用大。1986年，前田與松村把這個現(xiàn)象稱之為enhanced permeability and retention effect（簡稱EPR effect），他們將研究論文發(fā)到美國的《癌癥研究》（Cancer Research）雜志后，兩位論文評議員中一位評論說：這個是令人振奮的發(fā)現(xiàn)，馬上付??！（Fantastic findings! Send to the press immediately?。?/span>。
我在前田實(shí)驗(yàn)室的研究課題，就是進(jìn)一步闡明EPR effect的機(jī)制。我們用不同分子量大小的HPMA多聚物，再次證明了EPR effect。同時，我們也證明了除緩激肽之外，一氧化氮（nitric oxide）、前列腺素類（prostaglandins）、膠原蛋白酶／金屬蛋白酶（collagenases/MMPs）都是促進(jìn)/維持EPR效應(yīng)的病理因子。
?分子量在4萬道爾頓以上的 HPMA 多聚物才表現(xiàn)出 EPR 效應(yīng)
EPR effect理論很快得到世界著名科學(xué)家的認(rèn)同和支持，其中有英國倫敦大學(xué)的著名科學(xué)家Ruth Duncan教授、德國Mainz大學(xué)的Helmut Ringsdorf教授、美國Virginia Commonwealth 大學(xué)William Regelson教授、美國哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院的Juldah Folkman教授等一大批世界著名學(xué)者。
從2002年開始，關(guān)于EPR effect概念的引用率開始增加，到2006年以后出現(xiàn)井噴現(xiàn)象，全世界幾乎所有用納米材料、多聚物、抗體、脂質(zhì)體等大分子作為抗癌藥物研發(fā)的學(xué)者，都在引用EPR effect作為他們的設(shè)計理論基礎(chǔ)。湯森路透這次之所以推測前田和松村獲得諾貝爾化學(xué)獎，就是因?yàn)镋PR effect的高引用率。湯森路透社因此授予前田教授2016年度最具影響力和論文引用獎（Thomson Reuter Award for most influential and cited paper for 2016）。
?EPR 效應(yīng)的引用率令人矚目
1997年，日本最著名的癌癥學(xué)術(shù)榮譽(yù)獎——高松宮妃癌研究基金學(xué)術(shù)獎，頒發(fā)給了前田教授，以表彰他的SMANCS研發(fā)和EPR effect理論的卓越成就。2003年，美國控制釋放學(xué)會（Controlled Release Society）／東京永井紀(jì)念藥學(xué)基金會（Nagai Foundation）授予前田CRS Nagai Innovation Award。2007年，英國皇家藥學(xué)會授予前田終身成就獎（Life Time Achievement Award）。2010年，前田獲得著名的第70屆西日本文化功勞獎。2011年，前田獲得日本藥物遞呈學(xué)會最高獎－－Nagai獎，同年獲得日本癌癥學(xué)會的最著名的Tomizo Yoshida獎。
闡明細(xì)菌蛋白酶致病機(jī)制
前田教授是一個研究興趣廣泛的科學(xué)家，實(shí)際上他在細(xì)菌蛋白酶的病原機(jī)制研究上也有很大的建樹。他和他的研究生闡明細(xì)菌的蛋白酶是引起炎癥破壞的主要元兇之一，抑制細(xì)菌蛋白酶的破壞作用是治療惡性細(xì)菌感染（例如眼角膜感染）的重要方法。細(xì)菌蛋白酶還可以促進(jìn)病毒（例如流感病毒）的增殖、入侵和引發(fā)病變。細(xì)菌蛋白酶通過激活激肽（Kinin）連鎖反應(yīng)導(dǎo)致炎癥和血管滲透性改變，是其中重要的病理機(jī)制之一。因?qū)?xì)菌蛋白酶和激肽的研究成就，他在1995年獲得日本細(xì)菌學(xué)會頒發(fā)的最高獎Asakawa獎、1998年獲得德國E.K. Frey-E.Werle基金會頒發(fā)的Commemorative Gold Medal Award。
闡明流感病毒感染過程中的超氧自由基病理損傷機(jī)制
在研究細(xì)菌蛋白酶的致病機(jī)制的同時，他和他的研究生赤池孝章（Takaaki Akaike，現(xiàn)為日本東北大學(xué)教授）一道，闡明了超氧陰離子自由基（superoxide anion radicals， ROS，O2˙ˉ）在流感病毒導(dǎo)致的致死性病理損傷中的重要機(jī)制。他們發(fā)現(xiàn)，在流感病毒感染的第4～5天，病毒數(shù)量達(dá)到頂峰。到第8天，被感染的小鼠開始死亡，這個時候，小鼠血液里已經(jīng)檢測不到流感病毒的存在。這個現(xiàn)象，是對德國細(xì)菌學(xué)家羅伯特科赫提出的“在感染部位必然找到微生物致病源的法”的極大補(bǔ)充。他們還發(fā)現(xiàn)，在被感染的小鼠肺部有大量的超氧自由基（ROS）產(chǎn)生，這些ROS是破壞小鼠肺功能、導(dǎo)致小鼠死亡的原因，因?yàn)樗麄兪褂媒?jīng)吡喃復(fù)聚物（pyran copolymer）修飾的超氧化物歧化酶SOD，可以讓98%的被感染的小鼠免于死亡。
這個發(fā)現(xiàn)其實(shí)揭示一個重大的醫(yī)學(xué)原則，即很多病毒性的疾病，比如SARS病毒和流感病毒，其治療的關(guān)鍵點(diǎn)在于抑制過量自由基的產(chǎn)生導(dǎo)致的呼吸系統(tǒng)損傷，而不是用濫用大量激素。
他們還發(fā)現(xiàn)一氧化氮（nitric oxide）也隨ROS的發(fā)生而同步產(chǎn)生，惡化病理損傷。他們因此對nitric oxide、peroxynitride等一系列自由基離子進(jìn)行了系列研究，獲得諸多研究成果。前田與赤池因此成為日本一氧化氮研究領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，先后擔(dān)任日本一氧化氮學(xué)會主席和國際一氧化氮學(xué)會的主席。
諾貝爾獎實(shí)在是可遇而不可求。前田教授雖然沒有獲得2016年諾貝爾獎，但他的科學(xué)成就深受國際學(xué)術(shù)界同行尊敬。
我去年7月專程去探望前田教授時，年近80歲的前田教授，依然精神矍鑠，拿出他最新的研究開發(fā)的高分子抗癌藥物，希望我能夠幫他在國際上找到合作伙伴，共同進(jìn)行臨床試驗(yàn)。他對研究的充滿活力的熱情、淵博的知識、對學(xué)術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)的敏感，對創(chuàng)新的激情和勵行，一直都在鼓勵我從事科學(xué)研究。
參考文獻(xiàn)：
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