癌细胞大杀器，20年浮沉练就“化骨绵掌”击退肿瘤

图片作者：David Parkins /Nature

导读

前段时间，喜剧演员吴孟达因肝癌去世，勾起一代人对达叔和星爷这对黄金组合的追忆。《鹿鼎记》是印象很深的佳作之一，电影中达叔扮演的海公公凭借“化骨绵掌”跻身武林高手之列，并成为韦小宝除掉鳌拜的“秘密武器”。其中达叔和星爷那段精彩的武功传授着实上头，每看一次都会笑出猪叫声。

在癌症治疗领域，近年也出现了类似“化骨绵掌”的武林秘籍，得此真传者可神不知鬼不觉将癌细胞的核心骨干成员“化”掉。没了骨干撑腰，癌细胞自然也就分崩离析。这传说中的“化骨绵掌”英文名为PROTAC，本文就来探探它的虚实。

欢迎阅读本文作者此前写的其他癌症科普文章：1.癌细胞胃口这么好，如何釜底抽薪“饿死”它们？；2.癌细胞也能玩 “特洛伊木马计”，靠的是什么？；3.在肿瘤治疗领域，为何它是半路杀出的黑马；4.癌细胞的伪装术：穿上马甲后，它们就能躲过巨噬细胞的追杀吗？；5.“疯狂”抗癌史：从用活菌以毒攻毒，再到用犯人进行试验，最终成就一个诺奖；6.癌症研究泰斗苦苦寻找令肿瘤转移、复发的大Boss，结果碰了一鼻子灰；7.癌症早诊早筛固然重要，但不要迷恋滴血验癌，华尔街当年也被骗惨。

撰文 | 丁 零（科普作家）

责编 | 叶水送

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细胞“垃圾回收桶”的高光时刻

PROTAC之所以能称霸江湖，离不开“垃圾回收桶”的辅佐。

细胞为了保持健康可持续性发展，发明了“垃圾回收桶”这么一个神器。当细胞内蛋白生产过程中出现次品，或者使用时间过长旧化后，便号召代号为“E3”的清洁工给这些蛋白贴上“垃圾标签”。带着“垃圾标签”的蛋白就会自觉跳进“垃圾回收桶”，被分解成原材料回收再利用。

细胞这套变废为宝的系统如此精密高效，堪称环保界的领军人物，将“垃圾回收桶”捧红的以色列科学家Aaron Ciechanover、Avram Hershko以及美国科学家Irwin Rose，也因此一举摘获2004年诺贝尔奖桂冠，名利双收。

既然已经登上国际舞台，再用“细胞回收桶”这种小名难登大雅之堂，于是科学家们给它取了一个高大上的名字：泛素调节蛋白质降解，泛素就是“垃圾标签”的学名。

图片来源诺贝尔奖官网

一个重大的科学发现背后往往都暗藏了药物开发的新思路，克雷格·克鲁斯（Craig Crews）深谙此道。彼时克鲁斯作为耶鲁大学新晋教授，踌躇满志希望能有一番作为。在探索研发方向时，克鲁斯读到一篇很意思的报道，由细菌产生的环氧霉素在杀死黑色素瘤细胞方面有惊人优势，更让克鲁斯着迷的是，当时没有任何科学家可解释背后的原因究竟是什么。

于是克鲁斯便带领实验室小伙伴们进行了反反复复的“钓鱼”工作。所谓钓鱼就是将这环氧霉素覆盖在细沙大小的塑料珠上，作为“钓饵”，然后把癌细胞捣碎成浆糊状倒进去，等着能和环氧霉素相结合的蛋白上钩。克鲁斯团队惊喜发现，被钓上来的就是“细胞回收桶”的组成部分，蛋白酶体。

后续实验证明，环氧霉素可以怂恿“垃圾回收桶”罢工。和健康细胞相比，癌细胞有超高产能，在“垃圾回收桶”罢工后，还是持续生产，导致蛋白堆积如山，还包括了一些本应该回收处理的有毒蛋白，癌细胞不堪重负日渐消亡。

在克鲁斯看来，环氧霉素已经不是简简单单有趣的科学发现，更有潜力成为治疗癌症的重磅药物。一次学术会议上，克鲁斯偶遇加州理工学院教授雷蒙德·德沙伊斯（Raymond Deshaies），两个人英雄所见略同，一拍即合决定创业，专门进行环氧霉素的临床应用，并最终在2012年交上满意答卷，环氧霉素的升级版本卡非佐米作为治疗多发性骨髓瘤药物成功获批。

克雷格·克鲁斯（左）和雷蒙德·德沙伊斯（右），图片来源：安进官网

除卡非佐米外，硼替佐米等药物同样也是利用破坏癌细胞“垃圾回收桶”达到治疗效果，但和其他传统抗癌药物一样，终究难逃耐药性的宿命[1]。

面对挑战，克鲁斯好奇心又开始骚动：硬币的另一面是什么呢？也就是说，换个思路，不去抑制“垃圾回收桶”，而是利用“垃圾回收桶”快速分解导致疾病的目标蛋白，是不是有可能解决耐药性这个老大难问题？

克鲁斯陷入了沉思，PROTAC的雏形慢慢浮现在脑海中。

02

给PROTAC疯狂打Call的克鲁斯

克鲁斯设想的PROTAC（Proteolysis Targeting Chimera；蛋白靶向降解嵌合）形状和哑铃类似，一端牵着目标蛋白，另一端牵着上文提到的清洁工“E3”，人为地将“E3”和目标蛋白凑到一块。和目标蛋白亲密接触时，出于职业习惯，“E3”不自觉给目标蛋白贴上“垃圾标签”。等E3离开后，目标蛋白受到“垃圾标签”的控制，还没等反应过来，已经糊里糊涂跳进“垃圾回收桶”被切割得粉碎。

PROTAC示意图，图片来源Cell Chem Biol

多么无懈可击的设计！有此技能在手，简直可以横扫江湖，看谁不顺眼就让谁消失。更让人兴奋的是，传统抗癌药物往往只能压制目标蛋白功力，蛋白骨架还在，所以假以时日，狡猾的蛋白又会通过变异恢复功力，进而导致治疗失效疾病复发。

相比之下，PROTAC更加杀伐果断，以一种非常巧妙的方式调动纯天然资源直接将癌细胞的核心蛋白连皮带骨都给处理掉，完全不给目标蛋白酝酿诡计的时间。

理想如此丰满，现实依旧骨感。首先要设计PROTAC此等精致的分子，需要科学家反反复复实验优化。再者，PROTAC千好万好，却因为体型太过笨重，理论上来说很难顺利穿过细胞表面的微小通道。被挡在细胞外头的PROTAC，自然毫无用武之地。连克鲁斯都曾经自嘲，PROTAC兴许只是一个科学家可爱的化学好奇心而已。

事实上，PROTAC概念提出后，经历了长达20年的起起落落。2001年，两位老搭档克鲁斯和雷蒙德首次亮相了第一代PROTAC，成功降解2型蛋氨酸氨肽酶。虽然离理想产品差距很大，但初步证明PROTAC这个概念并不是痴人说梦[3]。第一代PROTAC基于多肽（10-100氨基酸分子脱水缩合而成）。和小分子相比，多肽过于娇气，遇到一点屏障就打退堂鼓，在穿透细胞这件事情上不够激进，也就不能很好地完成KPI。更头疼的是，多肽不稳定很容易被降解掉。PROTAC任务本是降解目标蛋白，到头来自己先降解了，很好诠释了什么叫杀敌一千，自损八百。

第二代PROTAC出品于2008年，全部由小分子构建的PROTAC药物模式正式出现[4]，标志着历史性地迈进小分子元年。背后推手依旧是克鲁斯先生，这次针对的目标蛋白雄激素受体是前列腺癌等癌症的罪魁祸首。

时隔两年后的2010年，东京医科大学教授半田宏团队研究治疗孕妇恶心的沙利度胺到底为何会影响婴儿发育。他们发现沙利度胺可能是通过抑制泛素连接酶“清洁工”抓手[5]，影响了肢体生长和发育。

作者无意，读者有心。正在苦苦找寻泛素连接酶抓手的詹姆斯·布拉德纳（James Bradner）看到这篇报道后，有着敏锐嗅觉的他灵感大发：沙利度胺既然可以抓住泛素连接酶，不就是很好的PROTAC候选者？真是踏破铁鞋无觅处。2015年，布拉德纳成功发布了新一代基于沙利度胺类似物的PROTAC分子，并成功降解了dBET转录因子这个传统上非常难对付的蛋白[6]。

2014年，科学家发现世界上最畅销的肿瘤药物之一来那度胺，其作用机理竟然和PROTAC类似，有本事让E3清洁工将IKZF1和IKZF3两个蛋白给当作垃圾处理掉[7]，进一步给PROTAC提供强有力的背书。

到2019年，中国科学家在PROTAC势不可挡的潮流中也按捺不住，代表人物潘峥婴教授提出了“光笼”PROTAC的概念。PROTAC最开始在“光笼（Photocaged）”里养精蓄锐待命。时机成熟时，人为给予光照可除掉“光笼”，将PROTAC释放出来完成它的使命[8]。这样的设计无疑对药物有了更多地把控。

“光笼”PROTAC示意图，图片来源Cell Chem Biol

除上述经典模式PROTAC分子外，其它形式的蛋白降解策略如分子胶（Molecular glue）和LYTAC等也层出不穷。先驱克鲁斯对PROTAC的热情也如同乔布斯对待苹果手机一样，20年坚持不懈不断推陈出新，是开辟者，也是耕耘者。

03

PROTAC到底牛在哪？

传统癌症药物研发主要通过调控和癌症相关的蛋白活性。可惜的是，人体蛋白仅有20%左右可被传统小分子药物或者抗体调控，比如近些年比较火热的奥拉帕尼（Olaparib）和帕博利珠（Pembrolizumab）等。剩下80%的蛋白都是难搞的“钉子户”，被认为“不可成药（undruggable）”，让科学家们望而却步，比如控制蛋白质生产的车间主任“转录因子”等。

PROTAC的牛气一方面体现在能用“化骨绵掌”彻底清除整个目标蛋白避免突变产生耐药性，有名的例子便是克鲁斯推出的ARCC-4可克服前列腺癌恩杂鲁胺耐药[9]。更牛的地方在于，PROTAC还有希望破解“不可成药”蛋白靶点密码，开发传统药物无法触及的圈外80%广阔空间。

对传统小分子来说，需要破坏蛋白功力，工作时间长强度高，往往需要在蛋白上找到一个类似“口袋”位点的工作室后才方便劳作，但PROTAC是速战速决，不需要和目标蛋白长时间和高强度亲密接触，对工作地点完全不挑剔，在蛋白任何犄角旮旯和缝隙随便坐下来就能开工，诱导蛋白彻底降解一劳永逸。

迄今为止，大部分PROTAC研究还是从“可成药”目标蛋白入手，先证明技术有效性再接受更大的挑战。不过还是有人愿意第一个吃螃蟹，比如伦敦癌症研究所的Keith Jones团队设计的PROTAC小分子可以和转录因子Pirin结合，这可是从来没有被尝试过的目标蛋白[10]。制药公司安进据说也在秘密开展难度极高靶点的PROTAC工作[11]。

PROTAC优势，图片来源：Arvinas官网

再高强的武功也有其命门，PROTAC难免有硬伤：上文提到PROTAC重量级体型导致其穿透细胞膜的能力不甚理想，水溶性和利用度都差强人意，因此确实需要减肥。

如果是静脉注射还好，要达到口服的终极目标，要走的路就更长了。不过克鲁斯创立的明星公司Arvinas已官宣其重磅PROTAC药物就是口服产品，有一览众山小，甩竞争对手几条街的傲娇姿态。

此外，PROTAC技术只能用于降解蛋白，治疗某些疾病需要提高特殊蛋白的产量，在这种情况下，PROTAC就奈何不了。

04

结语

2019年，PROTAC先行者Arvinas推动首款PROTAC药物ARV-110 进入了临床，针对前列腺癌的药物，3个月之后，针对乳腺癌的药物ARV-471也开启临床研究，同时关怀男性和女性患者。

2020年底，Arvinas宣布两款药物在临床中均取得了积极结果：ARV-471显著降低患者肿瘤组织雌激素受体水平，平均降低62%，最多降低接近90%；在12名可评估临床获益患者中，5名（42%）有临床获益。值得指出的是，这些病人在接受ARV-471前已平均接受过5种疗法，属于治疗门槛极高的群体。

PROTAC的探索还在进行时，短期内无法颠覆整个新药研发领域，但伴随更多创新概念和技术的加持，期待在不久的将来会光芒万丈地照进现实。

作者简介

丁零，生物化学博士，青年写作者。曾就职霍华德·休斯医学研究所及MD安德森癌症中心，现从事咨询行业。