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人类离治愈癌症已越来越近。
2018年的诺贝尔医学奖,就颁给了两位研究用免疫疗法治疗癌症的科学 家。
一位是美国科学家詹姆斯·艾利森(James Allison),他发现免疫细胞—T细胞的表面有一种名为CTLA-4(Cytotoxic T-Lymphocyte Associated antigen 4,细胞毒T淋巴细胞相关抗原)的蛋白分子,它能阻挡T细胞“杀死”癌症。一些肿瘤细胞只要想方设法让CTLA-4发挥作用,就能避免T细胞将它们识别出来,从而逃避追杀。所以反过来,给癌症患者注射CTLA-4的抑制剂,可以帮助免疫细胞重新发挥作用。运用这套理论研发出来的CTLA-4单克隆抗体(简称“单抗”),就能成功将晚期黑色素瘤(Metastatic Melanoma)患者的存活时间从6.4个月延长到10个月。
另一位科学家是来自日本的本庶佑,他的发现和艾利森十分相似—T细胞表面的PD-1(Programmed cell death protein 1,程序性细胞死亡蛋白1)具有和CTLA-4类似的功能。
这类通过改良人体免疫系统治病的方法正成为治疗癌症的新路径,比如随之获得大量关注的CTLA-4抑制剂和PD-1抑制剂等生物药,它们是使用生物工程技术生产的药物—不同于在试管里制造化学反应合成的化学药,生物药是把细胞当成工厂,然后把诸如可以抑制PD-1的蛋白质的基因片段送进这些“工厂”,这些基因片段就可以在适宜的温度、养分和适时的搅拌等正确的“养殖”技术下,快速复制、繁殖出更多的抗PD-1蛋白。
“关注”这个词可能已经不足以描述生物制药领域眼下的火热了。事实上,科研机构的前沿结果刚刚揭开面纱,医疗市场和投资机构已几乎同时蜂拥而至。
2018年,全球排名前十的畅销药中,有8种是生物药—10年前,这个榜单的半壁江山还归化学药所有。它们的名字后缀大多都有“单抗”字样。其中排名第一的是生物药修美乐,主治类风湿关节炎,2018年度全球销售额高达190亿美 元。
资本也在快速跟进。根据生物技术平台ChinaBio的数据,仅中国市场,2016年,生物药所属的中国生命科学领域的投资规模达到53亿美元,较5年前增加近10倍。而2017年,该领域吸收同等规模的资金只用了6个月时间。
生物药通常都以蛋白质的形态存在,因此其分子量通常高达15万dal(道尔顿,原子质量单位,1dal=碳12原子质量的1/12),而化学药的分子量通常不到1000dal,连生物药分子质量的百分之一都不到。
如果把化学药比喻成一个房间,生物药就是结构庞大而复杂的体育场,拥有这种复杂结构的大分子很难通过简单的化学反应加减出来—即便可以,也几乎没有人解得出其中涉及的反应 式。
不过两者的本质区别并不在于药品的分子量大小。药物的投资史,既是技术的演进史,也是人类面对疾病的观念史。它们共同作用,促成了生物药在商业上的“反转”。
化学药的“败走”
20世纪初,凭借合成化学的发展,药学家可以在实验室里合成治愈疾病的化合物。最开始,他们只是人工合成一些自然界已发现的药物—弄懂它们的分子式,然后根据化学反应公式在实验室里合成,比如青霉素。
20世纪后期,药学家的工作变成了发明和创造化合物,因为他们正面临越来越多原先并没有天然药物可以解决的疾病,比如治疗抑郁症的盐酸氟西汀,它是由苯氧基对位引入三氟甲基合成的,其更被大众熟知的名字是百忧解。
化学药高度依赖合成化学,也高度依赖人力、物力和财力的堆积,这某种程度上也意味着,其研发效率会越来越低。理论上,化学药的研发过程是先找到“靶点”,再倒推理想的分子結构,然后交给实验室的化学家寻找匹配的物质。但是到了这一环节,研发就陷入到了一种充满偶然性的试错模式中。
其中涉及规模巨大的计算量。所有已知的单步有机化学反应大约有1240万个,每一步化学反应后要再评估最有可能成功发生的下一步反应是什么,而每个“分支”又都有下一个“分支”。整个过程类似于围棋,只不过每个分支对应的下一步的可能性不是固定的。一个最明显的结果就是,报告有新反应类型的出版物数量每10年就会翻一番。
自1960年代以来,化学药公司就试图利用计算机规划有机化学合成,但收效甚微。而且随着被注册为专利的分子越来越多,可拿来直接开发的分子已越来越少:假如A公司的专利公布显示它成功开发了A分子,那么其他公司就要换一种思路重新设计属于自己公司的潜力分子—哪怕它们的潜力分子已走在临床实验的途中。
还有一个致命问题是,化学药很长时间都没有在糖尿病、癌症等危及生命的重要疾病领域取得突破了。以糖尿病为例,早在1889年,两位俄国科学家就发现了胰腺和糖尿病之间的关系,另有一位加拿大医生在1921年成功提取出胰岛素,但直到今天,化学合成胰岛素(5700dal)的成熟方法依然没有出现。
在1982年美国医药公司礼来推出使用基因重组技术生产的“人源”胰岛素之前,市场上销售的胰岛素大多是从猪或牛的胰脏组织中提取的,或者以猪或牛的氨基酸为原料,在体外合成相应的胰岛素。平均7.5公斤新鲜猪或牛胰脏中可提取1克胰岛素,按目前全球的6000万糖尿病患者、每人每年约需1克胰岛素计算,全球每年需要为此准备4.5亿公斤新鲜胰脏。这几乎是办不到的。 而无论是提取,还是氨基酸合成的猪/牛胰岛素,都有一个适应性的问题难以解决。猪胰岛素与人胰岛素存在1至4个氨基酸的不同,注射了这种胰岛素的糖尿病患者基本都会出现过敏反应,导致注射部位的皮下脂肪或萎缩或增生—牛胰岛素也是如此。
差不多同一时期,外科手术和化学疗法相继从抗癌的“战斗”中败下阵来:化学制剂在杀死癌细胞的同时,也杀死了正常细胞;而一停止用药,癌细胞就卷土重来,并且比上次来得更凶猛—那些成功从上一轮抗癌大战中活下来的癌细胞已经演化出了更强的耐药性,癌症治疗因此变成了一场“不停奔跑才能停在原地”的无望战争。
新抗癌“革命”
正当化学家们面临窘境的时候,另一支来自生物学家的队伍显现出了他们在解决这些疑难杂症上的潜力。
1950年代到1980年代的30年,是分子生物学发展的黄金时期。包括基因测序和基因重组在内的基因工程技术都是在这30年完成的。
1950年代,DNA作为遗传物质的特性及其双螺旋结构已经被发现,同时被建立的还有基因和蛋白质之间的关系—通俗点说,就是基因决定蛋白质长什么样。
到了1969年,美国加州大学的生化学家Herbert Boyer注意到了一种普通的内脏细菌—大肠杆菌,这种细菌所携带的一种酶可以将DNA链切断。在一次于夏威夷举办的会议中,Boyer邂逅了斯坦福大学的微生物学教授Stanley Cohen,后者当时正在研究DNA中可以自我复制的结构“质粒”。将这一过程与Boyer发现的DNA剪切技术结合,两人实现了DNA重组和繁殖的完整技术:将DNA片段组合成需要的结构,将之植入细菌细胞中,接着就可以等着这些细胞“工厂”繁殖出满足特殊需要的蛋白质了。
不久后,资本也注意到了这一领域。
1975年,时年29岁的风险投资者罗伯特·斯万森(Robert Swanson)就看到了这种把细胞作为“工厂”制造蛋白质的商业前景,他和Boyer见了面,第二年,两人就创办了全球第一家生物技术公司基因泰克(Genentech)。公司成立后,两人合作研发的第一款产品就是人源胰岛素—使用人体胰岛素的DNA作为复制对象,它根本性地解决了此前的猪/牛源胰岛素在人体内的适应性问 题。
“沒有(基因重组的)技术突破,你都不知道怎么去生产这些药物。”百济神州生物药研发负责人李康对《第一财经》杂志说。
类似的后来居上也在癌症领域上演。1960年代,哈佛医学院的Judah Folkman还是个手拿手术刀“追杀”肿瘤细胞的小儿外科医生。然而到了1971年,这位肿瘤“猎人”已经筋疲力尽了,他开始站到了同行们的“对立面”。
在当年的《新英格兰医学杂志》上,Folkman发表一篇论文称,肿瘤可以分泌一种“肿瘤促血管生成因子”(Tumor Angiogenesis Factor,TAF),这种因子会利用人体的营养物质促成血管在肿瘤细胞内部生成,从而使得肿瘤细胞快速生长和繁殖。那么,想办法阻止这些血管生长就可能“饿死”肿瘤细胞。
“肿瘤促血管生成因子”最终并没有被提纯出来,不过根据Folkman的理论,1989年,基因泰克的研究员发现了另一种促进血管生长的“血管内皮生长因子”(Vascular Endothelial Growth Factor,VEGF),并于同一年完成对VEGF的基因测序—这一技术彼时刚刚在4年前由一位英国生化学家发明出来,即通过向未知顺序的DNA试管引入已知碱基,当该碱基与相应DNA片段结合后就终止化学反应,从而逐个确定DNA碱基顺 序。
刚面世不久的测序技术,加上经由胰岛素生产而日益成熟的基因重组技术,使得基因泰克很快就研发出了对抗VEGF的抗体“安维汀”。有肿瘤细胞的小鼠接受这种抗体注射后,肿瘤生长速度降低了70%至90%。
如果说Boyer奠定的是生物药的生产技术,那么Folkman开创的就是癌症治疗的新思路。这种新思路不再是用化学制剂“毒”死癌细胞,而是了解它的生长机制,然后阻断这种机制。
若向前追溯,Folkman追随的其实是医学界自天花肆虐的19世纪就开始使用的“免疫疗法”,即通过向免疫系统输送它未能自动合成的抗体来治病。
半个多世纪前,诺贝尔生理学或医学奖得主Frank Macfarlane Burnet曾提出“癌症免疫监控”理论。他认为,人体每天都可能会产生肿瘤细胞,但免疫系统的监控与T细胞的杀伤作用,避免了这些肿瘤细胞发展成为真正的癌症,即无法被根除的肿瘤细胞。
T细胞杀死肿瘤细胞或其他进入身体的有害物质的方法很多元,有时候是制造抗体“锁住”肿瘤细胞的手脚,实在不能杀死,T细胞有时候还会制造出一层膜把有害的外来物质隔离起来。
“从治疗疾病的理念上说,生物药与化学药有革命性的不同。简单说,生物制药就是生产抗体。”勃林格殷格翰生物制药负责人罗家立对于《第一财经》杂志说,“相对于化学药,生物药是颠覆性 的。”
硅谷的另一半投资
可以说,20世纪的最后20年,硅谷的风险投资一部分给了互联网,另一部分就给了生物技 术。
基因泰克1976年成立的时候,估值只有40万美元,经过两年的融资之后,其估值飙升至1100万美元。到2009年被罗氏买走全部股份时,它的收购价达到468亿美元,接近比它早100年成立的惠氏。
根据数据统计机构IMS Health的数据,目前全球前十大生物制药公司都是在近一二十年间成立的。基因泰克成立之后的第5年,也就是1980年,另一群科学家和风险投资家合作创建了安进(Amgen),其第一个产品是红细胞生长素。和基因泰克一样,安进的诞生地也是美国西部的加利福尼亚。基因泰克被罗氏收购后,安进成为全球最大的生物技术公司。