果蝇“送来”抗癌药:揭秘抗癌药诞生背后的故事

果蝇“送来”抗癌药:揭秘抗癌药诞生背后的故事
2019年04月16日 10:02 新浪科技综合

  来源:奇点网

  有时,看似毫不搭边的两个事物却存在着千丝万缕的联系,比如不招人喜欢的小小果蝇和抗癌药PARP抑制剂。

  这种微妙联系始于90多年前的一个偶然发现。

  伟大预言

  1922年,美国哥伦比亚大学的遗传学家Calvin Bridges在研究黑腹果蝇杂交时,发现了一个有趣的现象:具有某两个特定基因突变的果蝇不能存活,而当这两个基因单独发生突变时,则不会给果蝇造成致命伤害[1]。

  20多年以后,同在哥伦比亚大学工作的Theodore Dobzhansky,在拟暗果蝇中再次发现了类似的现象,并将其正式命名为“合成致死”[2]。

  这个理念在随后的半个世纪差不多被人遗忘了,直到福瑞德·哈金森癌症研究中心的Stephen Friend的出现。

  1997年,Friend在《科学》上大胆预言:“合成致死”的理念可以用于抗癌药物研发[3]。

“合成致死”示意图[1]“合成致死”示意图[1]

  Friend的猜想也不是没有根据的。要知道,癌细胞中存在着大量的基因突变,要是能找到两个能同时发挥相似生物功能的基因,假如其中的一个基因突变了,再用药物让另一个基因的功能也丧失,这不就达到“合成致死”的效果了嘛!

  道理虽如此简单,但把预言变成现实还是需要下一番苦功夫的。此时,故事的主要地点就要转移到大西洋彼岸的欧洲了。

  寻寻觅觅

  首先出场的是法国生物学家Pierre Chambon。

  1963年,Chambon在利用鸡肝核酸提取物研究RNA聚合酶的过程中,无意间发现了一种具有DNA聚合活性的酶[4],这就是PARP(多聚ADP核糖聚合酶)。然而,Chambon依然沉迷于RNA聚合酶的研究,不久之后就将PARP抛之脑后了。

  这时,一群英国科学家开始大显身手了。

  先是在1971年,J.B。 Clark等人为了探究PARP功能,首先找到了可以抑制PARP活性的物质——烟酰胺[5]。

  没过几年,Barbara Durkacz等人首次证明了烟酰胺的类似物(3-氨基苯甲酰胺,3-AB)可以抑制DNA的修复,并能增强DNA损伤剂硫酸二甲酯的细胞毒性[6]。

  然而,3-AB没有选择性,并且只能在毫摩尔浓度下才能发挥对PARP的抑制活性。这意味着,即使拿它在动物身上做实验也是行不通的,更不用说用于临床试验了。

(图源:pixabay.com)(图源:pixabay.com)

  不过这也极大地激发了科学家们的兴趣,有一大批科学家投身到PARP抑制剂的筛选和探索中。他们不断地寻找活性更高、选择性更强的PARP抑制剂。

  与此同时,科学家们也逐渐搞清楚了PARP的功能。

  原来,PARP是一个大家族。时至今日,人们已经发现了17种PARP[7],其中的PARP-1在DNA单链断裂修复中发挥着关键作用。

  PARP-1可以准确识别并结合DNA单链断裂的缺口,同时周围的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)会迅速与PRAP-1的活性位点结合形成复合体,这个复合体会召集来其他参与DNA修复的效应分子,快速填补DNA断裂的缺口[7]。

  在完成DNA修复后,PARP-1又像个不计名利的隐士,从DNA上脱离下来,恢复至游离状态,等待下一次修复单链断裂的使命[7]。

(图源:libbyshope.com)(图源:libbyshope.com)

  除此之外,PARP家族中PARP-2也能准确识别单链断裂,只是它更像个后备军,因为在修复DNA损伤的过程中,PARP-1发挥着90%以上的功能[8]。而对于同样在修复DNA损伤中发挥作用的PARP-3,科学家们还没有彻底搞清其具体机制。

  在研究PARP功能的过程中,科学家还发现了一个奇怪的现象:PARP-1敲除的小鼠发育正常,而且从这种小鼠中分离出来的细胞表现出姐妹染色单体交换水平增加[9, 10]。姐妹染色单体交换被认为是DNA重组或重组修复的结果。这意味着除了PARP-1之外,DNA 损伤还有其他修复方式。

(图源:pixabay.com)(图源:pixabay.com)

  后来,英国科学家Thomas Helleday发现,原来当PARP-1被抑制后,DNA损伤可以通过同源重组的方式修复[11]。

  同源重组是修复DNA双链断裂的方式之一,参与这种修复方式的蛋白有很多,例如BRCA、ATM、RAD51等等,其中最为人所熟知的是BRCA蛋白。

  故事讲到这里,“合成致死”用于癌症治疗的伟大猜想马上就要变成现实了!

  神之汇合

  这时,推动故事发展的还是英国人。

  2005年4月14日,英国的两个研究团队在同一期《自然》上分别发表了重要的研究成果[12,13],首次证实了PARP抑制剂与BRCA1或BRCA2突变之间存在“合成致死”的相互作用。

  原来,在BRCA功能正常的细胞中,当PARP被抑制之后,细胞中的单链断裂持续增加,而一旦单链断裂遇上了复制叉,DNA损伤就会变成双链断裂。此时,BRCA参与的同源重组就会担负起修复双链断裂的重任,确保DNA的完整性[14]。

PARP抑制剂与BRCA“合成致死”示意图[33]PARP抑制剂与BRCA“合成致死”示意图[33]

  然而,在BRCA突变的癌细胞中,同源重组这条路走不通了,再加上PARP的功能受到了抑制,面对大量的双链断裂,癌细胞“病急乱投医”只能选择一种快速却非常容易出错的DNA双链修复方式,而一旦出错,癌细胞也就“一命呜呼”了。

  这样的组合简直妙极了!

  所以,凭借“合成致死”的绝妙理念,一大批PARP抑制剂奔赴临床试验中。

  躁动不安

  此时的PARP抑制剂临床试验中,已经能看到许多熟悉的身影了。比如AZD2281,也就是后来的奥拉帕利(olaparib)。

  研究团队从2005年6月就开始招募实体瘤患者开展Ⅰ期临床试验了[15],距离《自然》杂志上那两篇论文[12,13]发表不过两个月。PARP抑制剂研发热潮可见一斑。

  在这股热潮中,还有一个“滥竽充数”的PARP抑制剂——iniparib。

  在2009年ASCO会议上,iniparib曾惊艳全场:相比于吉西他滨和卡铂单独治疗,iniparib联合吉西他滨和卡铂治疗,可将转移性三阴性乳腺癌患者的中位无进展生存期(PFS)从3.6个月延长至5.9个月,将总生存期从7.7个月延长至12.3个月[16]!

  如此漂亮的Ⅱ期临床数据,怎能不让业界沸腾!

  然而,好景不长。2011年1月,就在这项Ⅱ期临床完整研究结果发表在《新英格兰医学杂志》[16]1周之后,相关药企就宣布iniparib的Ⅲ期临床试验失败了[17]。

  没过多久,奥拉帕利一项针对卵巢癌的Ⅱ期临床也被宣告失败了:相比于安慰剂,尽管奥拉帕利能使患者的PFS延长3.6个月(8.4个月vs.4.8个月),但并不能延长患者的总生存期[18]。

  接连的失败就像晴空万里下的一盆冷水,PARP抑制剂研发市场的热情瞬间被浇灭。许多药企都对PARP抑制剂失去了信心,甚至还有药企抓紧倒手转卖在研产品。

(图源:gratisography.com)(图源:gratisography.com)

  当然,也不是所有人都对PARP抑制剂失去了热情。

  2012年,梅奥诊所的Anand Patel、Scott H。 Kaufmann等人证实iniparib并不是真正的PARP抑制剂,不能指导PARP抑制剂的研究工作[19],这才重振了PARP抑制剂研发市场。

  这项研究让奥拉帕利的研究团队重新分析了前文提到的Ⅱ期临床试验[18]数据,他们惊喜地发现,在携带BRCA突变的患者群组中,相比于安慰剂,奥拉帕利的PFS延长了6.9个月(11.2个月vs.4.3个月)[20],这近乎是整个患者群组(3.6个月)的两倍。

  受此鼓舞,奥拉帕利单药维持治疗携带BRCA1/2突变的卵巢癌患者的Ⅲ期临床试验在2013年再次被启动了。

  最终的结果显示:携带有BRCA1/2突变的铂类敏感复发性卵巢癌患者,与安慰剂相比,使用奥拉帕利维持治疗,中位无进展生存期(PFS)延长至19.1个月(安慰剂组为5.5个月),疾病进展或死亡风险降低了70%[21]。

  奥拉帕利在2014年先后获得欧洲药监局EMA和美国FDA上市批准,用于BRCA1/2突变的卵巢癌的治疗。

  在这条艰辛又波折的药物研发路上,有一款PARP抑制剂虽是后起之秀,却能步步为营、后发制人。

  扶摇直上

  2009年,当芦卡帕利(rucaparib)、奥拉帕利都已经迈入临床研究之时,一个代号为MK-4827的化合物才第一次登上学术期刊[22]与世人见面,这就是后来的尼拉帕利(niraparib)。

  药物研发者Philip Jones等人发现,MK-4827在10-100nM浓度范围内就可以抑制BRCA-1和BRCA-2突变癌细胞的增殖;在BRCA-1缺陷肿瘤移植模型中,单独使用MK-4827就能获得很好的抗癌效果并且该药的耐受性良好。

  更重要的是,在体外试验中,MK-4827对PARP-1、PARP-2和PARP-3的抑制活性IC50分别是3.8nM、2.1nM和1300nM,也就是说MK-4827对PARP-1和PARP-2有更高的选择性,这也是尼拉帕利为何能后来居上的关键。

尼拉帕利结构式尼拉帕利结构式

  在正式进入临床研究之前,尼拉帕利的研发团队采用了许多临床前模型进行验证,不但有不同的细胞系药物验证研究,还有各种动物模型研究[23]。总之,确保了尼拉帕利可以采用每日一次口服给药的方式,实现其PARP抑制的药效学目标。

  一切妥当之后,尼拉帕利才按部就班地进入临床试验。

  2013年,《柳叶刀·肿瘤学》上的一篇论文[24]公布了尼拉帕利的Ⅰ期临床试验结果,这个涉及100名晚期实体瘤患者(一部分患者携带BRCA1或BRCA2突变)剂量递增试验,给出了之后临床试验的建议剂量,并且建议在同源重组缺陷的患者中进一步评估尼拉帕利的治疗效果。

  接下来的临床试验结果可以说不负众望,甚至出乎意料。

  2016年12月1日,尼拉帕利针对铂敏感复发卵巢癌的Ⅲ期临床试验结果揭晓,这项重磅临床研究结果刊登在《新英格兰医学杂志》上[25]。

  相比于安慰剂,尼拉帕利使携带BRAC胚系(gBRCA)突变的患者的PFS从5.5个月一下子延长到21.0个月。

尼拉帕利让gBRCA突变患者的PFS延长[25]尼拉帕利让gBRCA突变患者的PFS延长[25]

  这样的结果着实让人欢呼!

  更令人叫好的是,就连没有BRCA突变的患者也能从尼拉帕利治疗中获益。

  相比于安慰剂,尼拉帕利将不携带gBRCA突变的患者的PFS从3.9个月延长至9.3个月;其中,同源重组缺陷阳性患者的PFS从3.8个月延长至12.9个月。

非BRCA突变患者也能获益[25]非BRCA突变患者也能获益[25]

  这意味着,尼拉帕利的使用不需要考虑BRCA突变了。

  凭借这样的好结果,尼拉帕利在2017年3月迅速获得美国FDA的上市批准,用于经铂类化疗后肿瘤完全或部分缓解(完全或部分反应)的成人复发性上皮性卵巢癌、输卵管或原发性腹膜癌的维持治疗[26]。

  尽管尼拉帕利比奥拉帕利和芦卡帕利,上市时间晚了几年,但这依然不妨碍尼拉帕利成为闪耀的新星,因为它是首个无需考虑BRCA突变或同源重组缺陷状态,就可用于治疗的PARP抑制剂。随后,奥拉帕利和芦卡帕利分别在2017年8月[27]和2018年4月[28]经美国FDA批准,获得了同样的适应症。

  未来可期

  半个世纪过去了,从PARP首次被发现,到几款用于卵巢癌治疗的PARP抑制剂获批上市,PARP抑制剂给我们带来的惊喜依然在继续。

  2018年10月,尼拉帕利在中国香港获批上市[29],用于所有铂敏感复发卵巢癌患者维持治疗。

  在其他癌症的联合治疗中,比如三阴性乳腺癌,一项Ⅱ期临床试验显示,尼拉帕利联合PD-1单抗(pembrolizumab)治疗的客观缓解率达到了29%,高于pembrolizumab单独治疗5–18%的客观缓解率,患者显著获益[30];此外,针对非小细胞肺癌、前列腺癌,PARP抑制剂联合化疗或放疗治疗的临床试验正在开展中[31]。

  除了癌症之外,PARP抑制剂在一些非肿瘤疾病的临床前研究中也表现出很大的潜力,比如心肌梗死、中风、慢性神经炎等[32]。

  相信,未来PARP抑制剂还会带来更多好消息。

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