用砒霜做p53复活剂!瑞金医院卢敏团队成功摘取靶向抗癌药的“圣杯” | 专访

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用砒霜做p53复活剂!瑞金医院卢敏团队成功摘取靶向抗癌药的“圣杯” | 专访
麻省理工科技评论 2020-12-30

2020-12-30

提到三氧化二砷(Arsenic Trioxide,ATO),普通人可能觉得陌生,但提到另一个名字 —— 砒霜
医疗 生物
提到三氧化二砷(Arsenic Trioxide,ATO),普通人可能觉得陌生,但提到另一个名字 —— 砒霜

提到三氧化二砷(Arsenic Trioxide,ATO),普通人可能觉得陌生,但提到另一个名字 —— 砒霜,大家就 “心领神会” 了。

砒霜是最古老的 “毒物” 之一,因其无臭无味,为白色霜状粉末,故称砒霜。中毒者一般会出现恶心、呕吐、腹痛、四肢痛性痉挛、抽搐等症状,最后呼吸麻痹而死亡。《水浒传》中的武大郎和法国拿破仑被认为是 “史上最著名的两位砒霜中毒者”。

但实际上,ATO 具有很高的医用价值。我国学者利用 ATO 治疗一种致命的白血病,被公认为是我国对世界医学史的重大贡献。此外,ATO 在淋巴瘤、骨髓瘤、胃癌、肝癌、肺癌等恶性肿瘤的治疗上也观察到一定疗效。

近日,上海交通大学医学院附属瑞金医院上海血液学研究所卢敏团队的一项研究再次拓展了 ATO 在医学领域的边界,卢敏团队利用 ATO 成功挽救了 p53 结构性突变。

卢敏告诉 DeepTech,ATO 恢复 p53 突变体抗肿瘤功能的效果高于已报道的同类化合物若干数量级。

用砒霜做p53复活剂!卢敏团队成功摘取靶向抗癌药的“圣杯”

图 | 卢敏论文《三氧化二砷通过神秘的变构位点拯救结构性 p53 突变》

关于此项研究的论文《三氧化二砷通过神秘的变构位点拯救结构性 p53 突变》(Arsenic Trioxide Rescues Structural p53 Mutations through a Cryptic Allosteric Site)被刊载在 Cancer Cell 上。一经上线,就引发了医疗科研领域的广泛关注。

用砒霜做p53复活剂!卢敏团队成功摘取靶向抗癌药的“圣杯”

图 | 卢敏 上海交通大学医学院附属瑞金医院上海血液学研究所课题组长、研究员、博士生导师

发现 ATO 复活 p53,摘取靶向抗癌药“圣杯 ”

基因突变引起的蛋白突变,是导致癌症发生的主要原因之一。经常发生突变的蛋白主要分两类,促进癌细胞增殖的 “促癌蛋白(oncoprotein)” 和抑制癌细胞增殖的 “抑癌蛋白(tumor suppressor)”。前者发生突变后促癌能力大大增加,后者突变后则失去抑癌功能。

用砒霜做p53复活剂!卢敏团队成功摘取靶向抗癌药的“圣杯”

图 | 癌症中最常发生突变的 100 个基因,主要分为促癌基因和抑癌基因

目前针对癌症的药物治疗主要是通过 “靶向促癌蛋白,进而抑制其功能” 达到治疗目的,因此这些靶向药物往往被称为抑制剂。电影《我不是药神》就是围绕一款名为格列宁的抑制剂展开的感人故事。目前,类似格列宁这样的靶向抗癌药物有 100 多个。但据 2016 年 Nature 和 NEJM 文章的统计数据显示,所有这些靶向药物仅适用于 2-13% 的癌症群体。

科学界和药企长期以来还试图研发另一种完全不同的靶向药,即 “靶向抑癌蛋白,进而恢复其功能” 的复活剂。在癌细胞中,抑癌蛋白发生了突变,导致这个抑癌蛋白失效,不能杀死癌细胞。理想的复活剂是一个小分子药物,这个药物可以结合到抑癌蛋白上,使抑癌蛋白重新恢复抗肿瘤能力,可以杀死癌细胞。但在卢敏团队之前,相关研究进展非常有限,尚无复活剂的问世。

卢敏介绍,癌症中最常发生突变的蛋白是 p53。p53 是分子生物学诞生以来最有名的一个蛋白。作为一个抑癌蛋白,p53 可通过诱导癌细胞凋亡、衰老等杀死癌细胞。然而一旦发生突变,p53 就会失去抗肿瘤功能。

资料显示,在全球 50% 癌症群体中都发生了 p53 突变。因此,p53 复活剂被西方科学界及制药界广泛地称为癌症靶向药物的 “圣杯”。

卢敏阐释了自己对“ 圣杯 ”的解读,他认为 “圣杯的另一层含义是难以获得、无法企及。p53 是一个抑癌蛋白,想要获得 p53 复活剂在科学上和技术上都存在巨大挑战。”

在科学上,研究抑制剂比复活剂更为容易。两者之间的难度就如同弄坏一个手表和修复一个手表的难度。“即使我们没完全搞清楚手表内部是怎么运转的,我们也有可能成功把手表弄坏,但我们几乎做不到修复坏掉的手表。”卢敏表示。

同理,用药物结合一个蛋白,如果结合的位置对蛋白功能比较重要,那么这个蛋白的功能就会被药物抑制掉;但很难想象药物结合一个蛋白后可以恢复其功能,目前科学界和制药界尚无恢复蛋白功能的先例。

在总结了过去几十年来几十个团队关于 p53 复活剂研发经历后,卢敏提出了一种具有逻辑性的 p53 研究策略,即先想通药物如何靶向 p53 并恢复其功能,再针对性制定药物筛选流程(即先想好怎么修复手表,再动手修复)。

研究中,卢敏团队发现:

1)癌细胞中,p53 这个蛋白上面会发生 1000 多个不同类型的突变,该团队认为可能不存在能复活所有突变型 p53 的 “全能化合物”,所以把 p53 突变分成不同类型,并针对不同类型制定了专门的药物筛选模型;

2)p53 上有一类导致蛋白不折叠进而失去抑癌功能的突变(又叫结构型突变),该团队逻辑性地提出了恢复这类突变体抑癌功能的原理,即增加蛋白热力学稳定性,使结构型突变体重新折叠并恢复抑癌功能。由于该原理只适合于复活结构型 p53),他们还基于该原理设计了药物筛选流程。

用砒霜做p53复活剂!卢敏团队成功摘取靶向抗癌药的“圣杯”

图 | ATO 在肿瘤中使结构型 p53 突变型重新折叠的效果高于同类化合物若干数量级

(来源:Cancer Cell)

基于以上逻辑,团队进行了大规模筛药,耗时 6 年、通过湿实验和干实验筛选约 1.1 亿个化合物、使用 4000 余块蛋白电泳胶,筛到并证实了包括临床使用的 ATO 在内的一系列 p53 复活剂。

寻找“神秘的口袋”,攻克 ATO 结晶难题,证明复活剂存在

其实早在 6 年前,卢敏就发现并确定了 ATO 对 p53 的复活效果。

回忆发现 ATO 是 p53 复活剂的那一天,卢敏直言,第一反应是加错样品了,怀疑把野生型的 p53 混进了突变型之中。48 小时内卢敏又重新试验了一次,结果还是一样的。之后的一个月,团队通过不同的实验去验证,结果都毫无意外的证实了 ATO 高效促进 p53 折叠。

“那时我就确认获得了靶向药物的圣杯。”卢敏表示。

但他并没有急于将结果公开,因为在没有解开共结晶机制的情况下声称获得了 p53 复活剂,有可能被人当成笑柄,于是接下来的 5 年时间例,卢敏一直潜心在研究 ATO 和 p53 的共结晶结构,有了共结晶,才可以眼见为实的看到p53如何被ATO复活,这也是靶向药物研发中最关键的一环。

用砒霜做p53复活剂!卢敏团队成功摘取靶向抗癌药的“圣杯”

图 | 砷化合物鉴定(来源:卢敏)

在靶向药物研发领域,获得药物和蛋白的共结晶结构至关重要。通过共结晶可以看到药物如何结合到蛋白上,进而可以推测出药物如何恢复或抑制该蛋白功能,还可根据共结晶结构进行有目的的药物化学结构优化,进而来提高药物疗效。

最初几年,卢敏团队做了很多尝试,但总是以失败告终,这让卢敏有些着急,甚至开始“病急乱投医 ”,开始测试手头上所有的含砷的化合物,结果“ 意外”获得了碘化砷和 p53 的共结晶。

“我清楚地记得,那时我在上海儿童医学中心和一位国内的教授以及一位远程连线的德国女性教授讨论儿童白血病患者 p53 突变的情况,当时我在开小差摆弄 p53 结构上的砷结合口袋,结果出来发现砷结合口袋不是自己念念叨叨猜想了几年的 C176-C238-C242 口袋,而是 C124-C135-C141 口袋。当时我一下子懵掉了,第一反应是解析出来的这个结合口袋可能是人工条件下的结合口袋(意思是在人体内砷并不结合这个口袋),那这样的话几年时间白干了。”

后来团队又重新开始做 ATO 结晶,然而解出来结晶结构再次指向 C124-C135-C141 这个口袋。加上当时团队已经完成了 C124-C135-C141 口袋功能的体内验证,所以确认了这是真正的砷结合口袋。

卢敏表示,团队因此把它称之为 “神秘(cryptic)的口袋”。采访中,他还特别感谢了资深结构领域科学家陈硕的重要贡献。

6 年时间里,卢敏团队获得了共结晶,基于共结晶结构进行了进一步湿实验和干实验,验证并完成了扩大化筛选以及 SAR(structure-activity relationship)改造研究。

让子弹再飞一会

目前,业内针对 p53 靶向药物的研究有很多。阻止 MDM2 降解野生型 p53 达到治疗效果的药物实际上是 MDM2 抑制剂,而不是 p53 靶向药物;结合突变型 p53 并恢复其功能的药物才是 p53 靶向药物。

卢敏强调了 ATO 作为 p53 靶向药物的三个突破:

1)ATO 对 p53 功能的恢复效果比目前已知的同类化合物高若干个数量级;

2)该团队有共结晶结构,所以能说清楚 p53 的抑癌功能是如何被恢复的(Y220C 系列研究因为特殊,不在讨论之列);

3)因为超高的 p53 恢复效果和共结晶机制,团队明确知道哪些突变型 p53 可以被 ATO 恢复功能,哪些不行,因此该团队可对癌症患者进行更精准的治疗,即个体化治疗;

检测 ATO 恢复 p53 最为关键的转录功能的实验,往往是荧光酶报告实验、免疫共沉淀这些绝大多数实验室都在使用且技术门栏比较低的实验,有些科学家和药企在 48 小时内就独立观察到 ATO 可以高效复活 p53,比如有的团队发现 ATO 可以提高 V272M 等突变体的转录活性高达 200 倍以上。

卢敏指出,在学术界,科学数据有独立的第三方重复或者评价,并在学术期刊上公开发表出来,才是最具信服力的,所以还是让子弹再飞一会。

用砒霜做p53复活剂!卢敏团队成功摘取靶向抗癌药的“圣杯”

图 | 卢敏团队在实验中

资料显示,卢敏从事 p53 以及 p53 调节蛋白 SOD、iASPP、MDM2 研究超过 20 年。代表性论文发表在 Cell、Cancer Cell(2 篇)、Nat Rev Mol Cell Biol、PNAS 等知名学术刊物上,作为第一发明人的若干 p53 靶向药物底层专利已经进入欧美 33 个国家并进入药企转化和临床试验。

回顾对 p53 20 年的研究历程,卢敏太多次听到否定的声音,比如“p53 复活剂不可能存在,不要去碰这个东西 ”,但即便如此,他还是坚持了下来。也正是这种 20 年来锲而不舍地专注研究一个蛋白的求知精神,让他取得了今天的成果。

卢敏透露,目前研究正在精准入组 p53 突变白血病患者进行临床试验,同时还在规划不限癌种的实体瘤上的 “篮子临床试验”。但需要指出的是,进入临床试验的抗癌药物需要经过严格审批流程,即使进入临床试验后,最终也是往往 “九死一生”,只有不到 10% 进入临床试验的药物能够最终被获批,所以除非在大规模随机双盲临床试验中观察到统计学显著的疗效,否则 ATO 仅仅是一个用于科学研究的高效的 p53 靶向化合物,而不是一个可以临床使用的 p53 靶向药物。

从回国组建团队到摘取靶向抗癌药物的“圣杯”,卢敏花了 6 年时间。但关于抑癌蛋白的靶向治疗研究远没有止步。他透露:“ 也许很快,我们就将获得不含砷的 p53 复活剂,以及 Rb1、APC、PTEN 等抑癌蛋白的复活剂。”

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