第一个人类癌基因的抑制药为何如此姗姗来迟？
一个重要的领域经过几代人前仆后继的努力之后终于有所成就，这永远是一个励志的故事。所以阿尔茨海默症（早老性痴呆）领域在几十年的奋斗之后，终于推出了一个FDA特批的药Aduhelm，这很快就成了媒体争相报道的宠儿，尽管人们对这个药的疗效相当地存疑。
也正是这个原因，这个药物激发的媒体狂热实际上夺走了另一个真正值得大书特书的新闻的风头：经过40年的奋斗，针对人类的第一个癌基因Ras的抑制药物问世了。它在5月28日得到了FDA的快速特批，用于治疗携带特定突变体的非小细胞肺癌。它叫索托拉西布，Lumakras。
这个批准的依据是来自美国安进（Amgen ）的一个124个晚期肺癌病人的二期临床试验，其有效率达到36%，其中超过一半人的药效持续期超过半年。
请不要小看这个36%的有效率，要知道，这个试验中很多的病人都是在用堪称神药的免疫激活剂PD-1抑制剂治疗失效的情况下，才求助于索托拉西布的。也就是说，本来就是死马当活马医，结果却给很多人带来了生的希望。如果这个药物在肺癌确诊初期就能和PD-1抑制剂联合用药的话，有效率很可能会更高。
媒体上说这是40年的探索终于有所回报，但我却要说这一切成功都可以追朔到100多年前的一只芦花鸡。
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我们曾前在前文写道过，和当前的新冠堪为一比的上一次传染病世界大流行，应该是1918年的大流感。当时在美国应对疫情的，是以纽约洛克菲勒医学研究所为班底一个科学家和医生的明星阵容。可惜的是，这个明星阵容却在抗疫方面交了白卷，因为他们把大流感的病原给搞错了：当年病毒这个概念还没有被建立起来，科学家们就把在严重发炎的肺脏中找到的次生感染的细菌给当成罪魁祸首了，而且还据此分离培养了病菌并制作了灭活疫苗，接种了几十万人，其效果当然是零。
其实，很多人不知道的是，在大流感爆发的10年前，洛克菲勒医学研究所的研究其实已经触摸到了病毒的边缘。
1909年，有人给洛克菲勒研究所的研究员Peyton Rous送来一只芦花鸡，这种鸡肉美味而产蛋多，它的原种来自美国，英文叫barred Plymouth Rock hen。但是Peyton Rous收到的这只芦花鸡与众不同，它身上长了一种巨大的肿瘤。令Peyton Rous称奇的是，当他把芦花鸡的癌组织磨碎溶解，并用一种孔径极为细小的滤膜过滤之后，其匀浆依然能够诱导其他芦花鸡形成肿瘤。
Peyton Rous使用的这种滤膜可以阻挡细小的组织碎片甚至是细菌，后来我们知道，能透过该滤膜的活性生物体只有病毒，也恰恰正是病毒诱发了芦花鸡的癌变，后世把这种病毒用它的发现者的名字来名命：Rous肉瘤病毒（Rous Sarcoma Virus）。但是在当时，Peyton Rous把这微小的肿瘤诱导物称为“可透过滤膜的（致癌）物质”（Filterable Agent）。
1918大流感病毒正是这样一种可以透过细微滤膜的传染性病原 - 病毒。
遗憾的是，当年Peyton Rous对呼吸道传染病没有表现出特别的兴趣，这让美国科学家失去了确定大流感根源的机会（大流感的病毒本质是在20年之后，Peyton Rous的同事Richard Shope发现的），但是，却给人类打开了解密癌症之门。
但是当年的学术界，对Peyton Rous所痴迷的这种传染性物质诱发癌症机理嗤之以鼻，因为证据是明摆着的：癌症是不传染的。在这样的否定和打压之，当时年仅仅30岁的Peyton Rous后半辈子没再取得什么特别突出的科研成就，他后来比较引人瞩目的表现是写了一本洛克菲勒研究所长Simon Flexner的传记，记载了洛克菲勒研究所在20世纪上半叶给医学科学和分子生物学带来的革命，这个人我们在前文中也提到过。
我们现在已经知道，当年打压Peyton Rous的传统观点是错误的：其实大概20%的癌症和病毒感染相关。一个典型的例子是人乳头瘤病毒（HPV）诱发的宫颈感染和糜烂，可能会导致宫颈癌。当年的香港巨星梅艳芳据说就是不幸于这种癌症。现在据说九价HPV疫苗目前在中国很热门，排队都不一定能打得上，就是因为它预防宫颈癌的效果。
好在Peyton Rous比较长寿。1966年，86岁的他因为揭示了病毒感染和肿瘤的关系而荣膺诺贝尔奖生理医学奖，这离他做出划时代发现已经半个多世纪了。迄今他依然是最老的诺贝尔奖获得者，同时也是做出获诺奖突破时最年轻的人之一。
在Peyton Rous奠定了基础之后，后辈的科学家开始使用不同的病毒感染动物诱发肿瘤，从鸡到啮齿类动物，比如小鼠大鼠仓鼠和兔子。进入70年代，在Peyton Rous去世几年之后，加州大学旧金山分校的Michael Bishop和他的弟子Harold Varmus，终于发现了让Peyton Rous魂牵梦绕的芦花鸡病毒RSV的致癌机理：这些病毒中含有一个叫做Src的癌基因，这是人类历史上发现的第一个癌基因（Oncogene）。
他俩因为这个成就被授予1989年的诺贝尔奖，后来Harold Varmus被奥巴马任命为国家癌症研究所的所长（NCI）。
从科技史的角度看，DNA在不同物种之间的传递给我们揭示了大量的生命科学的秘密。最早的要算Peyton Rous在洛克菲勒研究所的同事Oswald Avery，他通过致死性肺炎球菌的毒性能通过DNA传递给良性肺炎菌的试验，证明了DNA是遗传物质。但是，DNA在动物细胞之间的转移要难得多了，所以Peyton Rous所发现的Rous肉瘤病毒就成了最有力的工具，病毒的感染成为把外源基因导入动物细胞的捷径。
但是，医学的终极目的在于确定和人癌症直接相关的肿瘤基因，使用动物病毒毕竟是太过间接的手段。所以在如火如荼的病毒癌化细胞研究之后，科学界开始考虑直接使用人类癌细胞的DNA来处理正常细胞，第一次获得成功的是一株人类膀胱癌细胞系。。
这里最大的技术障碍就是：在不借助病毒的情况下，如何让癌细胞的DNA片段进入正常宿主细胞？
科学家幸运地发现了磷酸钙这样一个工具。这是一种溶解性很低的钙盐，它在溶液里形成自身的沉淀小颗粒的时候，能够把DNA的片段吸附包裹起来，然后这样的磷酸钙和DNA的复合物能被细胞膜吸收。通过这样的技术，麻省理工的Robert Weinberg的科研组在上世纪80年代初终于定位了一种能够让正常细胞强烈癌化的人类基因片段，它后来被命名为Ras基因。因为Src是在病毒中被发现的，而Ras是直接来自于人类基因库，所以Ras就成为第一个人类致癌基因（Proto-oncogene）。
这里说一句题外话，磷酸钙转染是把核酸转入人类细胞技术的鼻祖。在40年后的今天，这项技术已经达到了登峰造极的水准，比如用脂纳米颗粒包装mRNA疫苗的技术，这是帮助人类战胜新冠疫情的关键性专利之一，辉瑞和 Moderna疫苗都要借助于它。磷酸钙技术和它相比那简直就是笨拙寒酸到了极点。但是，吃水不忘挖井人，高大上的RNA疫苗传递技术，最终也要朔源于简陋粗笨的磷酸钙。
Weinberg后来成为癌症机理研究的权威，他在本世纪初发表的经典综述the Hallmark of Cancer，纠正了很多人对癌症的一些传统误解，比如一想到肿瘤就单单只想到细胞的无限增殖。我们如何解释这样一个现象呢：即使是非常好的生长抑制剂也会很快在抗癌治疗中遇到抗性。Weinberg指出，晚期的癌症经常伴随染色体复制纠错机制的失灵，这就意味着癌细胞在增殖和扩散中会形成大量随机的突变，然后在药物的抑制和环境打压下优胜劣汰，形成最致命的那一种株系。有时候我们会惊讶于癌细胞繁殖自身并逃脱药物毒性巧夺天工的机制，几乎会想到这就像是人工巧妙的设计。
并非如此，分子密集的自然演化胜过任何人工智能的智慧。
Ras基因的名字是怎么来的？
原来，在Peyton Rous于1910年的发现之后，病毒诱导肿瘤研究在在60年代有了一个大爆发，成果颇丰，也成为Peyton Rous荣膺诺贝尔奖的助力。这期间英国的女学者Jennifer Harvey使用鼠类逆转录病毒(MRV）让大鼠得了“大鼠肉瘤”病（Rat Sarcomas）。这里的致癌因子的基因序列和80年代初Robert Weinberg找到的是一个东西，所以这第一个人类致癌基因的名字就来自这个大鼠肉瘤（ Rat Sarcoma）的缩写，Ras。
Jennifer Harvey发现的Ras基因被名命为H-Ras，后来一个在二战后移居美国的德国学者Werner Kristen发现了另一种Ras变体，被名命为K-Ras。正是这个KRas, 在目前30%的人类肿瘤中有突变，本文的主角，这个专门针对K-Ras突变的Lumakras的名字也就是这么来的。
从现代的观点看，80年代的癌基因筛选技术是比较落后的，而Ras在那个落后的技术平台中能第一个脱颖而出，本身就证明了其突变体的致癌能力非常凶猛。在后来的癌症研究中，这一点也得到了证实：如果癌症病人体内含有包括K-Ras在内的多种基因变异，那么针对其他癌基因的药物就几乎不起作用，因为K-Ras引发的致癌性基本上压倒一切。
所以说，K-Ras应该是癌症研究中一个首当其冲的靶点，为什么我们花了40年才等到了Lumakras的问世呢?
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我对这个问题的最先体验，是20年前第一次进入博士生研究课题的时候。当时Ras被发现已经快20年了，我们在教科书上已经学到了在Ras下面有一条Ras -> Raf -> Mek -> Erk的细胞信号途径。我的工作是研究Ras途径中一个上游组分在癌细胞中的功能与调控。当时一种比较便捷的生化研究工具，是信号分子的各种特异性抑制剂：用这些小分子把相应的信号分子熄火之后，再根据细胞的生理变化来推测被抑制分子可能的功能。
我们当时有针对Raf, Mek和Erk的化学抑制剂，但是针对这个途径的总源头Ras却是一无所有。我问老师，答案是Ras这个东西比较古怪。
后来我进入了制药工业，专注于肿瘤药的研究。我看到了我们有针对Ras上游分子的特异性药物，比如世界上第一个靶向药物格列卫，Gleevec，它的性能之一就是能特异性地抑制Ras的上游分子，比如血小板衍生生长因子受体（PDGFR）和KIT酪氨酸激酶受体等等，这个药物在几年前的热门电影《我不是药神》中是主角，是慢性粒細胞白血病患者的救命药，可能很多人都熟悉。
世界上第一个所谓个性化的治癌药物赫赛汀（Herceptin），是一个针对人表皮生长因子受体的单克隆抗体，也是瞄准了Ras的一个上游信号途径，它在某种乳腺癌亚型中特别重要。
Ras的下游分子叫Raf，10年前FDA批了一个叫威罗菲尼（vemurafenib）的药物，专门针对一种存在于恶性黑色素瘤中的Raf亚型突变体。我还记得在这个药批准的那一天，全公司放假一天，邀请了厨师班子马戏团魔术师到公司园区来，大宴宾客犒赏三军，那个喜庆欢乐的日子仿佛就在昨天一样。
看来对肿瘤来说，这是一条重要的途径，但是幸运女神仿佛把Ras这个核心角色给跳过去了。
我的老板所说的Ras之古怪，是因为这是一个分子量非常小的蛋白质，有人把他的三维结构的表面比喻成好像是一个光滑的保龄球，不论是什么样的有机小分子都在上面挂不住，也就是说，多年来尽管有机药化学家绞尽脑汁，也非常难于找到针对Ras的特异性抑制剂。
这个领域的第一个转折发生在2013年。就在第一个致癌基因Src诞生的摇篮，加州大学旧金山分校，一个叫Kevan Shokat的化学家课题组发现了K-Ras的一种常见的突变，一个特定位点上的甘氨酸被变成了半胱胺酸。这个变化让原本光滑的KRas蛋白表面产生了一道裂痕，刚好有一类有机小分子能卡进去，淬灭KRas蛋白的活性，从而抑制癌细胞的生长。
这让我想到《射雕英雄传》里梅超风的老公“铜尸”陈玄风，他有金钟罩铁布衫的功夫，浑身刀枪不入，这倒是非常类似于正常K-Ras光滑的表面百毒不侵。但是陈玄风在神功练成之后，固然是威力无穷，但是全身却留下一个最柔弱的部位，武林中人称“练门”，如被击中非死即伤。
其实突变后的K-Ras, 也很象练成神功的武林高手，其致癌活性大增，但是也产生了一个脆弱的“练门”，那就是甘氨酸被半胱氨酸取代后，除了蛋白表面产生了一个凹槽之外，这个半胱氨酸上还有一个活泼的硫原子。Kevan Shokat设计了一个类型有机小分子，能够牢固地结合这个新生的硫原子，同时巧妙地卡入K-Ras突变蛋白的凹槽中，把这个癌蛋白牢牢地锁定在失活的状态。
小分子刺中K-Ras突变蛋白的“练门”
在《射雕》中，陈玄风的肚脐眼，也就是他的练门，是被6岁的郭靖无意中刺中的，用的是丘处机在牛家村赐给父亲的匕首，锋利无比。如果把Kevan Shokat设计的小分子比成刺中KRas练门的匕首的话，它还远谈不上锋利。因为，用这套小分子固然可以做出很漂亮的机理研究，但是从入药的实际要求来衡量，他们的差距还非常大。
不过这一突破毕竟给全世界的药化学家开启了希望之门，于是世界上好几个高水平的组在Kevan Shokat分子的基础上做修修补补的工作，希望某个细微的结构变化给他们带来意外之喜。而接下来的两年对这些化学家来说基本上是屡战屡败和屡败屡战的两年，因为他们的尝试都失败了。
从某种意义上，Kevan Shokat的工作既给这个领域开了一扇门，同时也把同行们领进了一个死胡同。
因为他的分子采用的是一种叫“丙烯酰胺”的骨架。这种物质的纯化形态是一种强烈的神经和致癌毒剂。在日常生活中，快餐店炸薯条用的油如果换的不勤加热过度，就会积累过量的丙烯酰胺。在生物化学中，聚合的丙烯酰胺是一种多孔的凝胶状态，非常适用于电泳，分离核酸和蛋白质等生物大分子。我们生化学家在配制这样的凝胶的时候，会看到装着丙烯酰胺的大瓶子上印着一个巨大的骷髅头。
当然，在制药的有机合成中，丙烯酰胺的骨架上添加了其他成分之后，就不会那么有毒了。但总的来说这不是一个很好的药物备选骨架，化学家们是在黑暗中摸索。
黑夜中的一缕曙光出现在2015年。
这一年，有一个叫Wellspring的小公司发表了一个专利，提出使用喹啉（Quinoline）取代糟糕的丙烯酰胺为K-Ras抑制剂的骨架，这样不仅分子的效能提高了，而且这一系列的喹啉衍生物还会有比较好的入药的特性。于是几大药厂又如同千军万马过独木桥一般，在这条小径上冲杀。
既然写到了2015，就不能不提到，这一年也是Ras细胞信号途径领域中令人悲哀的一年。
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他们很快就成为这个领域的两大领军人物，我在前面描述的Ras丰富而庞杂的下游途径，Chris Marshall的科研组就是这个体系的奠基者之一。Alan Hall后来确立了和Ras途径平行的细胞信号途径，他俩都在40多岁就当选英国皇家学会会员。Alan Hall后来应邀来到纽约著名的Memorial Sloan Kettering Cancer Center当系主任，令人悲痛的是，他2015年在例行晨跑的时候心脏病突发故去了。
Alan Hall葬礼上的悼词是Chris Marshall致的，他们是在同一个实验室并肩作战长达12年的好朋友。3个月后，Chris Marshall也跟随好友仙去了，原因的发现多年的结肠癌扩散恶化了。他们去世的时候都才60多岁。
我读到这个新闻的时候，除了伤感，另一个感觉是这个领域里英国人实力最强，他们却最是祸不单行。就在2013，我的导师的导师，对发现生长因子受体激活Ras途径有重大贡献，和发现SH2结构域的的Tony Pawson，也是一个英国人，我坚信的诺贝尔奖的热门候选人，在60岁的时候因故自杀离世了。
此外，K-Ras的发现者，德国人Werner Kristen也是60多岁就去世。
这是一个充满转折和悬念的科学领域，这也是历代科学家们的人生写照，他们探自然之无穷，识盈虚之有数。
Peyton Rous早年的惊人成就虽然被人遗忘，但是他在创造力巅峰之后又活了半个多世纪，才得已见证自己超越时代的真知灼见终于被时代所承认；两位N-Ras的发现者虽然英年早逝，但是他们的生命早已写进了他们的科学成就，写进了教科书，写进了他们后辈门生的学术生涯，也融进了这救死扶伤的药片中。
再回到2015这个有悲剧也有突破的一年，对K-Ras抑制剂设计思路的全新突破，加快了整个领域的发展。安进Amgen在竞争中走在最前面，从他们设计出分子到该分子进入临床病人用了3年。这个换了骨架的分子显示了极好的安全性，因为它只攻击突变体的“练门”，而对正常的K-Ras功能影响很小，所以临床剂量可以达到很高，以便于最大程度地杀伤癌细胞，目前的剂量达到每日0.96克（一般药物的剂量是以毫克论）。
安进的临床试验，从第一个病人服药到该药得到FDA特批用了2年，这也是一个工业界罕见的速度。但是安进合成Lumakras的化学团队说：“尽管我们已经最快了，但是对很多病人来说还是太晚了”。
对Chris Marshall来说，这正是如此。他所患的结肠癌，流行病学调查发现其中45%都含有Ras突变，只可惜他没有等到Lumakras。
但是三种Ras各有突变，单单在K-Ras里的第12位点，原生的甘氨酸也可以有多种不同类型的改变，Lumakras只能帮助从甘氨酸到半胱氨酸的突变型病人。有几家药企已经表态他们已经在着手设计针对Ras的其他突变型。
薪火代代相传，探索永不止息。
参考文献：
https://cen.acs.org/pharmaceuticals/oncology/Notorious-KRAS-Taking-down-cancer/97/i37
https://www.fiercepharma.com/pharma/amgen-s-lumakras-becomes-first-fda-approved-kras-inhibitor-for-lung-cancer-patients
https://link.springer.com/article/10.1007/s10555-020-09919-1
https://www.nature.com/articles/1208077
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