癌細胞大殺器，20年浮沉練就“化骨綿掌”擊退腫瘤
圖片作者：David Parkins /Nature
前段時間，喜劇演員吳孟達因肝癌去世，勾起一代人對達叔和星爺這對黃金組合的追憶?！堵苟τ洝肥怯∠蠛苌畹募炎髦?，電影中達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”。其中達叔和星爺那段精彩的武功傳授著實上頭，每看一次都會笑出豬叫聲。
在癌癥治療領域，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將癌細胞的核心骨干成員“化”掉。沒了骨干撐腰，癌細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。
歡迎閱讀本文作者此前寫的其他癌癥科普文章：1.癌細胞胃口這么好，如何釜底抽薪“餓死”它們？；2.癌細胞也能玩 “特洛伊木馬計”，靠的是什么？；3.在腫瘤治療領域，為何它是半路殺出的黑馬；4.癌細胞的偽裝術：穿上馬甲后，它們就能躲過巨噬細胞的追殺嗎？；5.“瘋狂”抗癌史：從用活菌以毒攻毒，再到用犯人進行試驗，最終成就一個諾獎；6.癌癥研究泰斗苦苦尋找令腫瘤轉(zhuǎn)移、復發(fā)的大Boss，結果碰了一鼻子灰；7.癌癥早診早篩固然重要，但不要迷戀滴血驗癌，華爾街當年也被騙慘。
撰文 | 丁 零（科普作家）
責編 | 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”這么一個神器。當細胞內(nèi)蛋白生產(chǎn)過程中出現(xiàn)次品，或者使用時間過長舊化后，便號召代號為“E3”的清潔工給這些蛋白貼上“垃圾標簽”。帶著“垃圾標簽”的蛋白就會自覺跳進“垃圾回收桶”，被分解成原材料回收再利用。
細胞這套變廢為寶的系統(tǒng)如此精密高效，堪稱環(huán)保界的領軍人物，將“垃圾回收桶”捧紅的以色列科學家Aaron Ciechanover、Avram Hershko以及美國科學家Irwin Rose，也因此一舉摘獲2004年諾貝爾獎桂冠，名利雙收。
既然已經(jīng)登上國際舞臺，再用“細胞回收桶”這種小名難登大雅之堂，于是科學家們給它取了一個高大上的名字：泛素調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)降解，泛素就是“垃圾標簽”的學名。
圖片來源諾貝爾獎官網(wǎng)
一個重大的科學發(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。彼時克魯斯作為耶魯大學新晉教授，躊躇滿志希望能有一番作為。在探索研發(fā)方向時，克魯斯讀到一篇很意思的報道，由細菌產(chǎn)生的環(huán)氧霉素在殺死黑色素瘤細胞方面有驚人優(yōu)勢，更讓克魯斯著迷的是，當時沒有任何科學家可解釋背后的原因究竟是什么。
于是克魯斯便帶領實驗室小伙伴們進行了反反復復的“釣魚”工作。所謂釣魚就是將這環(huán)氧霉素覆蓋在細沙大小的塑料珠上，作為“釣餌”，然后把癌細胞搗碎成漿糊狀倒進去，等著能和環(huán)氧霉素相結合的蛋白上鉤。克魯斯團隊驚喜發(fā)現(xiàn)，被釣上來的就是“細胞回收桶”的組成部分，蛋白酶體。
后續(xù)實驗證明，環(huán)氧霉素可以慫恿“垃圾回收桶”罷工。和健康細胞相比，癌細胞有超高產(chǎn)能，在“垃圾回收桶”罷工后，還是持續(xù)生產(chǎn)，導致蛋白堆積如山，還包括了一些本應該回收處理的有毒蛋白，癌細胞不堪重負日漸消亡。
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發(fā)現(xiàn)，更有潛力成為治療癌癥的重磅藥物。一次學術會議上，克魯斯偶遇加州理工學院教授雷蒙德·德沙伊斯（Raymond Deshaies），兩個人英雄所見略同，一拍即合決定創(chuàng)業(yè)，專門進行環(huán)氧霉素的臨床應用，并最終在2012年交上滿意答卷，環(huán)氧霉素的升級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胞“垃圾回收桶”達到治療效果，但和其他傳統(tǒng)抗癌藥物一樣，終究難逃耐藥性的宿命[1]。
面對挑戰(zhàn)，克魯斯好奇心又開始騷動：硬幣的另一面是什么呢？也就是說，換個思路，不去抑制“垃圾回收桶”，而是利用“垃圾回收桶”快速分解導致疾病的目標蛋白，是不是有可能解決耐藥性這個老大難問題？
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，一端牽著目標蛋白，另一端牽著上文提到的清潔工“E3”，人為地將“E3”和目標蛋白湊到一塊。和目標蛋白親密接觸時，出于職業(yè)習慣，“E3”不自覺給目標蛋白貼上“垃圾標簽”。等E3離開后，目標蛋白受到“垃圾標簽”的控制，還沒等反應過來，已經(jīng)糊里糊涂跳進“垃圾回收桶”被切割得粉碎。
PROTAC示意圖，圖片來源Cell Chem Biol
多么無懈可擊的設計！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蛋白功力，蛋白骨架還在，所以假以時日，狡猾的蛋白又會通過變異恢復功力，進而導致治療失效疾病復發(fā)。
相比之下，PROTAC更加殺伐果斷，以一種非常巧妙的方式調(diào)動純天然資源直接將癌細胞的核心蛋白連皮帶骨都給處理掉，完全不給目標蛋白醞釀詭計的時間。
理想如此豐滿，現(xiàn)實依舊骨感。首先要設計PROTAC此等精致的分子，需要科學家反反復復實驗優(yōu)化。再者，PROTAC千好萬好，卻因為體型太過笨重，理論上來說很難順利穿過細胞表面的微小通道。被擋在細胞外頭的PROTAC，自然毫無用武之地。連克魯斯都曾經(jīng)自嘲，PROTAC興許只是一個科學家可愛的化學好奇心而已。
事實上，PROTAC概念提出后，經(jīng)歷了長達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這個概念并不是癡人說夢[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，遇到一點屏障就打退堂鼓，在穿透細胞這件事情上不夠激進，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任務本是降解目標蛋白，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，全部由小分子構建的PROTAC藥物模式正式出現(xiàn)[4]，標志著歷史性地邁進小分子元年。背后推手依舊是克魯斯先生，這次針對的目標蛋白雄激素受體是前列腺癌等癌癥的罪魁禍首。
時隔兩年后的2010年，東京醫(yī)科大學教授半田宏團隊研究治療孕婦惡心的沙利度胺到底為何會影響嬰兒發(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)錄因子這個傳統(tǒng)上非常難對付的蛋白[6]。
2014年，科學家發(fā)現(xiàn)世界上最暢銷的腫瘤藥物之一來那度胺，其作用機理竟然和PROTAC類似，有本事讓E3清潔工將IKZF1和IKZF3兩個蛋白給當作垃圾處理掉[7]，進一步給PROTAC提供強有力的背書。
到2019年，中國科學家在PROTAC勢不可擋的潮流中也按捺不住，代表人物潘崢嬰教授提出了“光籠”PROTAC的概念。PROTAC最開始在“光籠（Photocaged）”里養(yǎng)精蓄銳待命。時機成熟時，人為給予光照可除掉“光籠”，將PROTAC釋放出來完成它的使命[8]。這樣的設計無疑對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PROTAC的熱情也如同喬布斯對待蘋果手機一樣，20年堅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)控和癌癥相關的蛋白活性。可惜的是，人體蛋白僅有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”，被認為“不可成藥（undruggable）”，讓科學家們望而卻步，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”徹底清除整個目標蛋白避免突變產(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”蛋白靶點密碼，開發(fā)傳統(tǒng)藥物無法觸及的圈外80%廣闊空間。
對傳統(tǒng)小分子來說，需要破壞蛋白功力，工作時間長強度高，往往需要在蛋白上找到一個類似“口袋”位點的工作室后才方便勞作，但PROTAC是速戰(zhàn)速決，不需要和目標蛋白長時間和高強度親密接觸，對工作地點完全不挑剔，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”目標蛋白入手，先證明技術有效性再接受更大的挑戰(zhàn)。不過還是有人愿意第一個吃螃蟹，比如倫敦癌癥研究所的Keith Jones團隊設計的PROTAC小分子可以和轉(zhuǎn)錄因子Pirin結合，這可是從來沒有被嘗試過的目標蛋白[10]。制藥公司安進據(jù)說也在秘密開展難度極高靶點的PROTAC工作[11]。
PROTAC優(yōu)勢，圖片來源：Arvinas官網(wǎng)
再高強的武功也有其命門，PROTAC難免有硬傷：上文提到PROTAC重量級體型導致其穿透細胞膜的能力不甚理想，水溶性和利用度都差強人意，因此確實需要減肥。
如果是靜脈注射還好，要達到口服的終極目標，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，甩競爭對手幾條街的傲嬌姿態(tài)。
此外，PROTAC技術只能用于降解蛋白，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推動首款PROTAC藥物ARV-110 進入了臨床，針對前列腺癌的藥物，3個月之后，針對乳腺癌的藥物ARV-471也開啟臨床研究，同時關懷男性和女性患者。
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的探索還在進行時，短期內(nèi)無法顛覆整個新藥研發(fā)領域，但伴隨更多創(chuàng)新概念和技術的加持，期待在不久的將來會光芒萬丈地照進現(xiàn)實。
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作者簡介
丁零，生物化學博士，青年寫作者。曾就職霍華德·休斯醫(yī)學研究所及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
制版編輯 | Morgan
