解析癌症饥饿疗法.doc

1、1解析癌症饥饿疗法2014 年 7 月暑期，昔日熙熙攘攘的清华校园渐趋安静。在生命科学学院生物膜与膜生物工程国家重点实验室内，颜宁教授和几位穿着白大褂的年轻研究人员依然与试管、分析仪器、工作台、书籍为伴。 正是颜宁团队 6 月首次解析了人源葡萄糖转运蛋白 GLUT1 的晶体结构。6 月初，科学期刊自然长文刊发了这一研究成果，同时引发学术界与社会公众热议。 这是一个竞争颇强的研究领域。 “哺乳动物的膜蛋白结构研究难度远远大于对细菌同源蛋白的研究，因此至今获得的哺乳动物膜蛋白的结构寥寥无几。但要针对人类疾病开发药物，获得人源转运蛋白结构至关重要。 ”2012 年诺贝尔化学奖得主布莱恩?克比尔卡如此

2、评价，对于 GLUT1的结构解析是极富挑战、极具风险的工作，这是一项伟大的成就。 破解GLUT1 之谜 颜宁对于团队获得 GLUT1 的晶体结构颇感“骄傲” ， “因为完全是按照逻辑一步步拿到的结构，而不是靠筛选 。 ” 人类对葡萄糖跨膜转运的研究已有约 100 年的历史。葡萄糖是生物最重要、最基本的能量来源，为人体各器官系统供给能量。葡萄糖的第一步是进入细胞，但亲水的葡萄糖仅溶于水，而疏水的细胞膜就像一层油，挡住了葡萄糖的去路，因此，葡萄糖自身无法穿过细胞膜，必须依2靠转运蛋白这个“运输机器”来完成。 葡萄糖转运蛋白镶嵌于细胞膜上，如同在疏水的细胞膜上开了一扇一扇的门，将葡萄糖从细胞外转运到

3、细胞内。 科学家在 1977 年第一次从红细胞里分离出转运葡萄糖的蛋白质GLUT1，八年后鉴定出 GLUT1 的基因序列。此后，研究人员一直设法获取GLUT1 的三维结构，以真正认识其转运机理。 三维结构是为了帮助在晶体状态下观察实验，而蛋白质“结晶”是一道障碍。 “迄今对大分子的结晶是不可预测的，所以我们总是把这个过程称为艺术 ，而不是科学 。这个复杂过程的规律还没被勘破。 ”颜宁说。 过去几十年间，诸多世界顶尖实验室都曾为此或仍在为此攻关，始终未能成功。有科学家尝试从红细胞中、动物组织中直接提取 GLUT1，或者通过重组表达的方法获取，还尝试通过研究 GLUT1-4 的同源蛋白结构信息来间

4、接理解这些重要的人源转运蛋白。1985 年，美国麻省理工学院Harvey Lodish 实验室首次鉴定出了人体 GLUT1 蛋白的基因序列，并根据氨基酸序列预测其具有 12 次跨膜区的拓扑结构。 从 2007 年组建团队之初，颜宁的实验室就将 GLUT 家族作为主要研究对象。蛋白结晶所需要的环境不能预测，颜宁就想到“搞残”这个蛋白质，让它的动态慢一点， “老态龙钟一点，我们就可以咔嚓一下截获其中一个状态” 。 她的学生阅读大量文献后，终于找到了让 GLUT1 慢下来几千倍的一个突变。以后的事情就水到渠成。2012 年，颜宁研究组首次解析了3GLUTs 的大肠杆菌同源蛋白 XylE 与葡萄糖结合

5、的高分辨率晶体结构，并利用同源建模预测了 GLUT1-4 的三维结构。 这次人源 GLUT1 蛋白的晶体结构的捕获为理解转运蛋白掀开了新的一章。科学界在经过了半个多世纪的探索之后，终于看到了全面认识GLUT1 的希望。 如何饿死癌细胞 颜宁团队的研究成果提供了这样一种可能：通过控制 GLUT1 这扇“门” ，调控癌细胞的葡萄糖，进而抑制比正常细胞需求更多葡萄糖的癌细胞的生长，使“饿死癌细胞”成为可能。 癌细胞多以无氧呼吸为主，耗糖量远远大于以有氧呼吸为主的正常细胞，因此采用靶向 GLUT1 的“饥饿疗法”可以让癌细胞摄取的葡萄糖急剧减少，能选择性杀死癌细胞，而对正常细胞影响较小。 广州中医药大

6、学教授曾庆平在接受财经记者采访时表示， “我们可以 GLUT1 为靶点，通过药物设计开发出专门针对 GLUT1 的抑制剂，这就像控制住葡萄糖进入癌细胞的大门，抑制剂则像一把锁，将门牢牢锁住。 ” 事实上， “饿死癌细胞”的想法很早就有。在学术领域， “饿死癌细胞”通常被称为“饥饿疗法” 。 “饥饿疗法”属于靶向治疗的一种。靶向治疗就像“生物导弹” ，用药物“瞄准”肿瘤细胞表面的分子标记物之后，“定位”杀死肿瘤细胞，而不会伤害正常细胞。但这一过程充满了偶然与反复试验。上世纪 70 年代佛克曼提出通过抑制肿瘤新生血管达到治疗肿瘤的目的，直到 20 多年后这一设想才在临床实现。 1971 年，哈佛大

7、学佛克曼教授首次提出切断肿瘤血管、饿死癌细胞4理论。实验证明：拥有血管的肿瘤三天就能长到原来体积的 1.6 万倍，而没有血管的肿瘤一个月的时间连 1 毫米都长不到。 “肿瘤”与“血管”的关系是“树”与“根” 、 “鱼”与“水”的关系， “血管”就是肿瘤的“命门” ，破坏或者清除肿瘤的血管，肿瘤必然死亡。 曾庆平在上世纪 80 年代读研究生时，接触了靶向疗法。在那个年代，佛克曼提出的肿瘤“饥饿疗法”设想让所有进行癌症相关研究的科学家们为之心动。虽然当时没有直接参与， “学校里好多实验室都在进行这方面的研究” 。曾庆平说。 1994 年 8 月，哈佛大学癌症研究中心开展了名震全球的“lewis 肺

8、癌小鼠”试验：用天然的“肿瘤血管抑制剂”喂食七只 lewis 肺癌小鼠两周，七只小鼠肿瘤全部消失。该试验促使很多科学家投入饿死癌细胞的研究中。 美国泛美癌症治疗中心的古维普拉特博士的一项研究表明：在癌症患者中，约有 10%的人会发生肿瘤自然消失，这一部分患者极少有复发的现象。美国癌症协会对近 6000 例自然消退的癌症病人进行研究，结论是：癌症自然消退的根本原因在于肿瘤血管被破坏。 靶向治疗要求科学家必须先找到可能抑制的靶。研究人员先从分子、细胞等入手，研究各个靶点的具体结构功能，以及它们在肿瘤发生发展过程中所起的作用，并针对这些靶点开发新药，然后在临床治疗中通过疗效的评估来验证。 颜宁团队对

9、 GLUT1 结构的解析之所以引起科学界的关注，正是在于提供了一个新靶点。 新的癌症疗法 颜宁团队的研究一经公布，各大媒体欢呼“饿死癌细胞” 。 5从 2010 年开始，癌症致死率超过心脏病，成为全球头号杀手。2012 中国肿瘤登记年报称，全国每分钟就有 6 人被确诊为癌症，每年因癌症死亡的病例为 270 万人，平均每天约 7300 人、每分钟有 5 人死于癌症。这组惊人的数字使癌症研究的每一个进展都引人关注。 “新闻报道之后的扩展与反应是我从来没有预料到的。 ”颜宁对财经记者说。在清华大学新闻发布会上介绍这个科研成果时，颜宁提到饿死癌细胞这一可能的思路， “这五个字铺天盖地成了新闻，我都不太

10、敢看了” 。 其实，从基础研究到临床应用这一过程异常复杂。 在生命科学领域，今天的成果可能被明天的成果推翻，这样的事时有发生。对于十分复杂的癌症研究，从一个基础研究思路的萌发到成果的呈现，再到研发药物、创造疗法，一般都需要几十年的时间。 如何绘制从 GLUT1 结构解析到临床应用的路线图？曾庆平认为几乎没人能给出确切的路线图，因为“生物学研究有很多不确定性，难度极大。明天的发现可能更新或修改甚至否定今天的结论。一个一类新药从开发到上市至少需要十年时间，花费 10 亿美元” 。 经过近百年系统地科学研究，人类再也不像以前那样认为癌症“攻不可破” 。美国西北大学癌症专家帕特尔说，人类近 50 年内

11、在癌症研究方面取得了令人难以置信的进展，了解癌生物学是过去数十年里振奋人心的进展， “今年美国将有近 1400 万人战胜癌症，预测未来数十年该数字还将翻倍” 。 6 月初，在芝加哥召开的美国临床肿瘤学会（ASCO）第 50 届年会上，6肿瘤靶向治疗成为与会专家们热议的焦点之一。手术、放疗与化疗这些针对癌症的常规治疗手段都不尽如人意，放、化疗在杀死癌细胞的同时往往连同正常细胞一起“绞杀” ，且副作用让患者难以承受；手术治疗则不易彻底清除癌细胞，难逃癌细胞扩散的风险。因此，研究人员把目光锁定在靶向疗法，如今，诸如“抗肿瘤血管生成+抗肿瘤细胞增殖”的“A+治疗方案”已在许多医院普及。 很多基于作用机

12、制设计的靶向药物已用于临床，有些按照循证医学的原则进入了国际肿瘤学界公认的标准治疗方案和规范。伊马替尼、吉非替尼、艾罗替尼等激酶抑制剂就是在基础研究的推进下相继问世。 于 2011 年被美国食品和药品监督管理局（FDA）批准用于治疗十个不同癌症的伊马替尼，被广泛用于治疗慢性粒细胞性白血病（CML） 、胃肠道间质瘤和其他一些疾病。研发该药物的瑞士诺华公司在当年就凭借该药创造了 40 亿美元的营业额，使前期花费巨大的研究收到回报。 此外，使用病人本身的免疫系统来对付肿瘤的免疫疗法也受到关注，它与靶向疗法为治疗黑色素瘤、白血病和其他约五种癌症带来希望。过去十年，美国的癌症死亡率每年下降 1.5%；现

13、在被诊断患癌的人，未来五年存活的机会超过 66%。 不过，癌症的饥饿疗法也存有隐患。 “癌细胞本来就处于一个缺营养和缺氧气的环境，饥饿疗法有可能会加速癌细胞向营养及氧气更加丰富的部位移行，加速癌细胞的转移与扩散。 ”曾庆平称，不管是传统疗法，还是靶向治疗的“A+治疗方案” ，治疗过程中的癌细胞扩散都是不好控制的。 7不仅如此，靶向药物长期使用的不良反应也受到科学家们的重视。越来越多的临床应用证实，埃罗替尼的使用有发生迁延不愈的皮疹的风险；不少报道显示患者在长期应用吉非替尼后可能出现伤口愈合困难的状况。 中国工程院院士、国家新药（抗肿瘤）临床研究中心主任孙燕认为，人们应该理性地认识到靶向治疗刚刚开始应用，还处于入门阶段， “虽然它很有潜力，但并不能代替手术、化疗、放疗等传统的肿瘤治疗方法，不要盲目使用” 。 孙燕说：“靶向治疗药物应用临床经验还不多，观察时间不长。尽管其潜力巨大，也需要对病人、肿瘤、药物三方面特别深入了解，谨慎试用。 ”