2019拉斯克奖之临床医学研究奖：靶向药赫赛汀的发现

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昨日（9月10日），生命科学领域素有“诺奖风向标”之称的拉斯克奖（Lasker Awards）公布，共设立三个奖项：基础医学研究奖、临床医学研究奖以及拉斯克-布伦伯格公共服务奖。

其中，临床医学研究奖颁给了为“发现赫赛汀”做出重要贡献的三位科学家：美国基因泰克公司的前科学家H. Michael Shepard、加州大学洛杉矶分校的Dennis J. Slamon、德国马克斯•普朗克生物化学研究所的Axel Ullrich。

赫赛汀是一种人源化的单克隆抗体，能够阻断致癌蛋白，主要用来治疗HER2阳性的乳腺癌患者。赫赛汀自1999年被美国FDA批准上市以来，目前已治疗了全球230万名乳腺癌患者。赫赛汀的发现是癌症治疗史上的重要里程碑，本文讲述了这一乳腺癌靶向药的研发历程。

撰文 | 郭晓强（石家庄职业技术学院）

          隋爱霞（河北省人民医院）

乳腺癌是威胁中青年女性健康的主要杀手之一，随着社会步伐的加快和生活压力的增加，乳腺癌发病率也在逐渐增加，形势变得异常严峻。针对这种状况，一方面应积极加强预防，另一方面在于提升癌症治疗效果。靶向药物赫赛汀（Herceptin）的研发成功为众多乳腺癌女性带来巨大福音，也是癌症治疗史上一个重大奇迹。

生长因子及其受体的发现

早在20世纪40年代，意大利女科学家丽塔·莱维·蒙塔尔奇尼（Rita Levi-Montalcini）就以鸡胚胎为材料发现了神经生长因子（nerve growth factor, NGF），50年代她招募美国生物化学家斯坦利·科恩（Stanley Cohen）来纯化这一因子。当时发现肿瘤也可产生神经生长因子（为将来肿瘤研究埋下伏笔，尽管当时尚未意识到这种关联），而科恩在从肿瘤组织纯化过程中意外发现蛇毒含有更多神经生长因子。科恩推测蛇毒可能来自类似唾液腺一类的腺体，因此他随机测试了一只雄性小鼠唾液腺提取物，结果发现它与蛇毒一样也具有诱导神经生长的功能，从而找到一种更为便利的神经生长因子制备方法（小鼠取材比蛇毒容易的多）。

意大利女科学家丽塔·莱维·蒙塔尔奇尼

尽管体外细胞实验表明神经生长因子具有重要的生理功能，但科恩决定进一步研究这一因子对动物神经发育的影响。为此，科恩每天为新生小鼠注射含有神经生长因子的雄鼠唾液腺提取物，一段时间后发现这种处理可有效促进小鼠神经系统发育，进一步证实了体外实验。与此同时，科恩却意外发现幼鼠睁眼时间明显提前，难道神经生长因子在体内还有其他生理功能？为证实这一推测，科恩利用抗体阻断神经生长因子活性的唾液腺提取物重复小鼠实验，结果神经发育促进效应消失，但幼鼠睁眼时间提前现象依然如故，意味着粗提液中存在一种未知的活性物质。

科恩随后独立开展工作，重点在于鉴定这一新的物质，并最终将其纯化，由于这一物质主要促进表皮细胞生长，故命名为表皮生长因子（epidermal growth factor, EGF）。科恩还发现小鼠EGF可促进人成纤维细胞生长，据此推测人身上也应存在类似因子。1975年，科恩从人的尿液发现人EGF，并发现其结构与小鼠EGF非常类似。

表皮生长因子及其受体

EGF是一种可以分泌到细胞外，并具有类似激素功能的小分子量蛋白质。科恩开始考虑它发挥生物功能的机理。当时已知许多激素如胰高血糖素等并不直接进 入细胞，而是和细胞膜上一类被称为受体的分子（特异性感“受”激素的物质）结合，然后受体通过细胞内部结构变化而激活一系列分子事件，最终细胞做出应答。科恩认为，细胞膜上也应该存在感“受”生长因子的受体。1975年，科恩小组证明成纤维细胞表面存在表皮生长因子受体；1978年后，科恩团队又进一步确定表皮生长因子受体特征，从而勾画出生长因子的作用机制。

美国生物化学家斯坦利·科恩

1986年，科恩和蒙塔尔奇尼由于“生长因子的发现”而分享诺贝尔生理学或医 学奖。生长因子的发现开辟了一个全新的研究领域，使人们对多种疾病——包括发育异常、癌症发生、伤口愈合及退行性疾病等——的机制有了全新理解，也为治疗这些疾病带来了新的机遇，而赫赛汀就是典范之一。

人生长因子受体的发现

20世纪70年代末，随着癌症研究的深入和分子生物学技术的成熟，生命科学领域掀起了一场癌基因研究的热潮。几乎所有的癌症研究小组都在寻找新的癌基因，他们的基本思路在于：将外援DNA导入细胞内，观察哪一部分序列可以将正常细胞转化为癌细胞，具有这种转化能力的DNA片段被称为癌基因。

1979年，科学家利用化学诱导的方法成功制备大鼠神经母细胞瘤（neuroblastomas）；1981年，研究人员发现神经母细胞瘤的DNA可将正常细胞转化为癌细胞；进而到1984年，美国科学家罗伯特·温伯格（Robert Weinberg）最终分离出这一诱导细胞癌变的基因，将其命名为neu。但此时人们对这种基因致癌的原因一无所知。

美国科学家罗伯特·温伯格

1982年，美国科学家迈克尔·毕绍普（Michael Bishop）和同事从一种禽类致癌病毒AEV（avian erythroblastosis virus）中鉴定出两种癌基因，分别命名为v-erbA 和v-erbB，其中v-erbB功能最为关键。温伯格团队对neu基因序列的分析表明，neu与v-erbB高度同源，然而在定位人类染色体时却出现差异，neu基因对应的人基因位于17号染色体，这一结果意味着neu与v-erbB不同，因此将人17号染色体上这一基因命名为ERBB2。

1984年，美国基因泰克公司阿克塞尔·乌尔里克（Axel Ullrich）领导的研究小组完成了人表皮生长因子受体（EGF receptor, EGFR）基因的测序。序列比对发 现，EGFR与v-erbB具有极高同源性，说明人的EGFR与癌症发生可能存在密切关联。乌尔里克决定进一步寻找肿瘤细胞中EGFR的突变情况，却意外发现一种EGFR相关基因HER2（human EGFR-related gene 2）。当序列比对时，发现HER2、neu和ERBB2为同一基因，由于三家实验室最初的研究方向存在一定差异（大鼠诱导肿瘤、禽致癌病毒和表皮生长因子受体鉴定），但结果却锁定同一基因，这一著名基因也顺其自然地拥有了三个名称，即HER2/neu/ERBB2，其中HER2应用最为广泛。

阿克塞尔·乌尔里克，现任职于德国马克普朗克研究所。2019年拉斯克奖临床医学研究奖得主。

人类共存在4种生长因子受体，分别命名为HER1（其他名称有EGFR和ERBB1）、HER2、HER3（其他名称有 ERBB3）和HER4（其他名称有ERBB2）。这4种受体的功能异常均与癌症发生有关，其中HER1和HER2最为常见，这里重点介绍HER2的临床应用。

HER2与乳腺癌

1986年，乌尔里希与加州大学洛杉矶分校癌症研究中心的肿瘤学家丹尼斯·斯朗曼（Dennis Slamon）在机场偶然相遇，共同的研究兴趣使他们决定开展合作，以确定HER2与人类癌症的关联，因为早期研究是在细胞系或动物模型中获得，是否适用人类尚不得而知。

丹尼斯·斯朗曼，美国肿瘤学家，任职于加州大学洛杉矶分校。2019年拉斯克奖临床医学研究奖得主。

斯朗曼对近300名乳腺癌患者开展 了研究，结果发现近1/3乳腺癌患者存在HER 2基因异常。和以前发现的基因点突变或染色体异位不同的是，这些乳腺癌患者HER2基因出现扩增现象，即这个基因较正常细胞数量增多。正常情况下一般为2个HER2基因，但癌细胞内却出现2个以上的基因，有时达十余个。这一异常的后果是，细胞内HER2基因表达量较正常水平显著增加，因此癌细胞对相同浓度的表皮生长因子的敏感性急剧增加，从而细胞出现增殖能力强、生长速度快、生存时间长等癌细胞特征。

临床资料还显示HER2基因的过表达与乳腺癌不良预后呈正相关，即HER2表达量越多，患者传统方法（放化疗等）治疗后复发率越高，生存期越短。后续研究还表明，HER2过表达不仅是原发乳腺癌的必要因素，而且还是肺转移的驱动因素。这意味HER2还是乳腺癌恶性程度的一个重要指标，因此可考虑作为临床治疗的药物靶点。丹尼斯发现，除乳腺癌外，卵巢癌细胞也存在大约15%的HER2过表达。

1988年，斯朗曼和乌尔里希向基因泰克公司申请支持针对HER2的进一步研究，但未能获得批准。因为当时基因泰克公司开展的干扰素临床治疗癌症实验宣告失败，癌症研究团队遭解散，公司不再关注癌症治疗。然而，事情不久就出现重大转机，峰回路转。几个月后，基因泰克公司一位副总的母亲被诊断患有乳腺癌。为了母亲的病情，这位副总说服同事相信HER2研究非常值得资助，这次意外事情挽救了赫赛汀。

赫赛汀的研发

由于HER2数量过多是造成癌症发生的基本原因，治疗策略自然就是想方设法特异性降低这种蛋白的数量或活性。靶向治疗精髓所在就是尽量避免“伤及无辜” 前提下实现对“敌人”（即癌细胞）的精准杀伤。能实现这一目标有两种策略：单克隆抗体和小分子抑制剂。HER2的药物应用更多是单克隆抗体（HER1则常用小分子抑制剂，如易瑞沙和特罗凯等）。

1987年，基因泰克公司迈克尔·谢泼德（Michael Shepard）和乌尔里希领导的团队采用杂交瘤技术开发出针对人HER2的特异性小鼠单克隆抗体，然后利用体外培养的乳腺癌细胞和动物模型的抗癌效果而筛选到一种高活性单克隆抗体——4D5。尽管体外实验非常理想，但临床实验却遇到巨大麻烦。原来，应用的单克隆抗体是从小鼠免疫细胞制备而来，进入人体后可被作为外源蛋白质而激发机体免疫反应（体外细胞实验及动物模型实验不存在这一问题），一方面出现剧烈副反应，另一方面抗体被人体破坏，无法发挥抗癌效果。

迈克尔·谢泼德，现任Halozyme Therapeutics生物制药公司首席科学家，2019年拉斯克奖临床医学研究奖得主

研究人员意识到这一问题后，决定对小鼠单克隆抗体进行人工改造，在保留最关键的HER2识别区域——一小部分小鼠抗体片段基础上，将其他大部分片段替换为人的成分。这一改造称为抗体人源化，可在保留抗体活性基础上最大程度减少机体副作用。改造后的抗体被命名为曲妥珠单抗（Trastuzumab）。在随后开展的研究中，曲妥珠单抗显示出明显的安全性，同时还发现放射性标记的抗体主要聚集在乳腺癌病人HER2阳性癌细胞周围，而全身其他组织含量极低，说明这种抗体具有极高靶向性，可减少对正常组织的损伤。1993年，曲妥珠单抗开始Ⅱ期临床，一个为单独抗体实验，另一个与传统化疗联合应用。1996年3月，一个研究小组显示对HER2过表达的转移性乳腺癌具有重要作用，可使肿瘤显著缩小。

赫赛汀的应用

1998年5月，曲妥珠单抗被美国FDA以绿色通道的方式快速批准，其联合紫杉醇用于HER2阳性转移乳腺癌的治疗，商品名赫赛汀。与此同时，DAKO公司借助荧光原位杂交技术鉴定HER2阳性乳腺癌的诊断试剂亦被批准临床应用。如此，可首先鉴别出HER2阳性乳腺癌患者，然后使用赫赛汀加紫杉醇治疗。赫赛汀是第一个批准应用于实体瘤治疗的单克隆抗体（1997年批准了第一个治疗淋巴瘤的单克隆抗体美罗华）。赫赛汀在乳腺癌治疗中的应用是癌症治疗领域的一项重大革新，显著改变了癌症研究和治疗状况，作为一种新的治疗模式（单克隆抗体治疗）扩展了癌症临床治疗手段，目前已有七十多种单克隆抗体应用于特定类型癌症的治疗。

赫赛汀本身极大延长了乳腺癌患者的生存期，提升了患者的生存质量，并将乳腺癌这一致死疾病转化为可有效干预措施的疾病。赫赛汀也成为21世纪几大畅销药之一。当然，多家公司还对赫赛汀的治疗措施进行了进一步完善，以提升治疗效果，如基因泰克公司（已并入罗氏公司）开发的帕妥珠单抗（Pertuzumab，商品名Perjeta）和Trastuzumab emtansine（商品名Kadcyla）也被美国FDA批准用于乳腺癌治疗。Perjeta与赫赛汀靶向的位点存在差异，因此赫赛汀初次治疗无效或者长期治疗产生耐药性的HER2阳性乳腺癌患者可进一步应用Perjeta治疗。Kadcyla是一种二合一药物，将赫赛汀与细胞毒性药物DM1（主要抑制细胞微管系统，药效类似于紫杉醇）连接在一起，一方面利用赫赛汀特 异结合HER2阳性乳腺癌而抑制细胞生长，另一方面可精准携带DM1进入HER2阳性细胞进一步杀死细胞，以实现治疗效果最大化。

药物研发是一件极其艰难的事情，往往要经过长时间的辛苦探索历程。从HER2的发现到乳腺癌患者HER2基因扩增的阐明,再到小鼠单克隆抗体4D5的筛选与人源化改造、赫赛汀的临床实验及FDA批准、赫赛汀的临床应用与改进等，前后近几十年时间，许多科研人员参与其中并付出艰辛的劳动。赫赛汀研究过程的这一精神也将鼓舞更多研究人员努力探索，以寻找更多、更好的癌症治疗药物。

本文来源于《生命世界》 2016, Vol. 0  Issue (7): 74-79 ，经作者授权转载并作修改。

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