众里寻“他”:关于高血脂的故事(结局/番外)
他汀类尚未远去,我们已经有了PCSK9。 
2015-4-29 17:24:05
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王立铭
本文转载自“以负墒为生”微信公众号


亲爱的读者们,我们关于高血脂的系列故事《众里寻“他”》已经连载完了,希望这个故事没有让你们失望。

不过,用立普妥离去的背影给我们的故事画个句号,作者总觉得于心不忍,总觉得给这段英雄史诗般的历史安排一个宿命般的悲剧结尾,似乎是太过颓唐了。毕竟,人类探索自身奥秘、改善自身生活的努力,从来没有停止。

还好还好,他汀类尚未远去,我们已经有了PCSK9。

这段番外故事就此开始。

科学的目的,和科学的作用

从科学诞生的那天起,对基础研究意义的质疑声从来就未曾消退过。古希腊时代,米利都的泰勒斯用预测橄榄丰收回击商人们对他不能养家糊口的质疑;工业革命的热潮中,法拉第用“婴儿又有什么用处”反驳贵妇人对科学究竟有什么实际用途的诘难;在我们身处的这个时代,尽管科学发现深刻的改变着我们生活中的一切,NASA的科学家仍然需要苦口婆心的回答写信责难他们罔顾许多小孩子仍吃不上饭却仍要花那么多钱月探索火星的赞比亚修女:“太空探索,让人类和地球都变得更美好”。

其实,在这许许多多的捍卫科学价值的答复中,作者本人最喜欢的是1969年,美国著名的费米实验室的创始人罗伯特·威尔逊(Robert Wilson)被来自罗德岛州的国会参议员John Pastore质疑花重金购置的粒子加速器究竟怎样改善了国家安全的时候,作出的注定要名垂千古的回答:“(研究高能物理)和保卫我们的国家没有任何直接的联系;但是,它会让这个国家变得值得保卫!”("It has nothing to do directly with defending our country, except to make it worth defending")。从某种意义上,这个回答代表着人类更好的理解这个世界和自己本身的终极梦想:

朝闻道,夕死可矣。

然而我们还是不得不承认,人类毕竟还是现实的动物。比起仰望星空,填饱肚子才是生存的第一要务。因此也不能责怪人们在上千年里一遍又一遍的追问:花了我们那么多血汗钱的、看起来玄而又玄的科学研究,究竟有什么“用处”,能为我们的日常生活带来什么。

因此,在作者看来,众里寻“他”的故事,除了给读者们分享一段美妙的探索旅程,还有某种特别的意义。这段现代生物医学和制药工业的传奇,生动的展示给我们,实验室里的基础研究,甚至是小众的基础研究,会在广阔的多的尺度上帮助我们理解自身的疾病、并找出战胜疾病的方法。相信读者们已经看到,他汀类药物的发现首先源自我们对胆固醇合成途径、特别是其中的限速因子HMG辅酶A还原酶的深入理解,而对他汀类药物作用机理的理解又离不开我们对一种极端罕见的人类遗传病--家族性高胆固醇血症--的发现和研究。

好像老天还嫌一个故事的说服力不够强,他汀类尚未离开我们的视线,他又给我们送来了另一个绝妙的例证。

家族性高胆固醇血症:多年之后的新发现

2003年,就在人们以为胆固醇的调控途径通过四十年的研究已经接近完工的时候,来自法国尼克尔病童医院(Necker-Enfants Malades Hospital)的科学家们在《自然 遗传学》上报道,他们又发现了一类全新的人类家族性高胆固醇血症。

在之前的故事里我们已经讲到过这种极端罕见又极端危险的遗传病,讲到过著名的病患约翰.戴斯普塔,讲到过小约翰的皮肤细胞如何帮助我们认识到这种罕见病的病因是位于细胞表面的低密度脂蛋白受体发生突变,从而失去了检测血液中低密度脂蛋白(也就是常说的“坏”胆固醇)的能力,导致肝脏永不停息的大量制造胆固醇、血液中胆固醇含量异常升高。金老头和棕老头的学生海伦.霍布斯(Helen Hobbs)在这一发现中居功至伟。

除了低密度脂蛋白受体突变之外,人类遗传学家也发现了另一类基因突变也能够导致家族性高胆固醇血症:这类突变位于一个名为载脂蛋白B(ApoB, apolipoprotein B)的基因序列中。载脂蛋白B最重要的功能,就是组装和运输低密度脂蛋白。

因此两个在遗传上毫不相关的基因--低密度脂蛋白受体和载脂蛋白B---其实在功能上有着紧密的关联,都对肝细胞检测胆固醇水平至关重要。因此,理所当然的,如果两者之一出现功能缺失,误以为血液中胆固醇水平降低到了危险程度的肝细胞会加班加点合成更多的胆固醇,疾病由此产生。

在二十世纪最后几十年,遍布全球的内分泌科和心脏科医生接诊和治疗了成百上千的家族性高胆固醇血症的患者。按图索骥的分析发现,这些患者无一例外的在这两个基因序列中存在遗传突变。

但是这次事情起了变化。

尼克尔病童医院的凯瑟琳·布瓦罗(Catherine Boileau)和她的同事们发现,在一个他们后来命名为HC2的法国家庭里,连续三代都有人出现了典型的高胆固醇血症的症状:一个患病的爷爷,把疾病遗传给了自己的两个儿子和三个女儿,还有一个孙子。从遗传分布上,与其他的人类家族性高胆固醇血症完全吻合。然而,布瓦罗随后很快发现,这个大家庭里面并未出现低密度脂蛋白受体或者载脂蛋白B基因的任何遗传缺陷。


HC2家族的分析图,来自布瓦罗1999年的研究。其中黑色色块代表患病者,白色色块代表健康人。我们可以看到,第一代的患病爷爷,将疾病遗传给了五个子女,和一个孙辈。利用这个家族,布瓦罗进行了家系分析,并成功将患病基因锁定在人类一号染色体

很明显,这个家族中潜伏着一类全新的疾病。找到他们患病背后的遗传因素,也许能帮助我们进一步理解,甚至治疗它。于是,布瓦罗和她的同事们花了四年时间,利用一种叫做家系分析(linkage analysis)的技术寻找HC2家族疾病的真凶。

度过本系列瘦素故事的读者们也许还记得,杰弗瑞.弗里德曼是如何通过小鼠家系分析的方法,在八年努力后找到瘦素基因的。因此在这里请允许作者偷偷懒。简单来说,根据基因的连锁与交换定律,在染色体上定位的基因之间物理距离越近,两者发生交换的概率就越低,因此在子孙后代身体内两者“连锁”在一起的概率就越大。因此反过来,知道两个基因之间紧密连锁,就可以判断他们必然紧密相邻,这时候如果我们已经知道其中一个基因的具体位置,就可以顺藤摸瓜的找到另一个基因的位置了。

在瘦素的故事里,为了完成家系分析,弗里德曼需要把ob胖老鼠反复杂交繁殖,之后在它的后代中分析连锁的概率。虽然布瓦罗不可能把人当成小白鼠,但是幸运的是,HC2是个子孙繁盛的大家族,爷爷奶奶养育了九个子女,二十个孙子孙女。如果布瓦罗足够幸运,这些人也许已经足够让她找出人类几万个基因之间连锁和交换的数学规律,从而判断出隐藏在高胆固醇血症阴影里的有一个未知杀手的藏身地点了。

布瓦罗确实是幸运的。在几年的工作中,她的团队不仅仅成功把HC2家族中新的遗传缺陷定位在人类一号染色体的一段狭小空间内,而且还幸运的找到了另外几个携带同一遗传突变的法国家庭(HC92和HC60)。充足的样本保证了基因定位的精确性,于是,在2003年的报道中,她的团队发现了一个名为PCSK9(前蛋白转换酶枯草溶菌素9,proprotein convertase subtilisin/kexin type 9)的基因。正是PCSK9基因序列中的遗传突变,导致了该基因功能的异常增强,从而产生了这几个法国家庭的高胆固醇血症。

从PCSK9的名称上,读者们应该猜想得到,之前的人们应该对这个基因的功能一无所知,所以才会给出一个佶屈聱牙又不带有太多信息量的名称。实际上,即便是这个名字,还是《自然 遗传学》杂志的编辑苦口婆心的说服了布瓦罗,按照一般的基因命名法起的新名字。PCSK9之前的名字是神经细胞凋亡调节转换酶1(NARC-1,Neural Apoptosis-regulated Convertase 1),刚发现这个基因的时候,人们认为它是参与控制我们脑袋里的细胞如何死亡的!

人类遗传学的魅力在这里展露无疑。如果说大多数生物学家需要在实验室里模拟、假设、和研究一个个复杂的生物学过程,那么人类遗传学家可以说完全不需要模拟和假设,人类遗传学家的实验室是整个地球:大自然已经用一种无坚不摧的力量,在几十亿地球人中构造出了各种各样形形色色的变化。而这些变化,就是人类遗传学家手中的培养皿和显微镜。

PCSK9的发现绝不仅仅是人们又发现了一种罕见病的病因,或者仅仅是关系到世界上几百个不幸的病人的健康。

一石激起千层浪。

完美女人

就在布瓦罗找到PCSK9基因的前后,在牛仔城达拉斯,金老头和棕老头的学生一直在进行着一项工程浩大的研究项目。

这个雄心勃勃的项目开始于1999年。医学博士出身的霍布斯与生物学博士出身的乔纳森.科恩(Jonathan Cohen)合作,希望用一套全新的研究方法重复她两位老师的巨大成功。


达拉斯造就的另一对科学搭档:海伦·霍布斯和乔纳森·科恩

在世纪之交,万众瞩目的人类基因组计划(HGP, human genome project)启动实施。当时的许多政界领袖和科学家,都把基因组计划当成是和曼哈顿工程(美国的原子弹计划)和阿波罗工程(美国的登月计划)比肩的伟大工程。通过对人类24对染色体、30多亿个碱基对的识别和解读,人类也许能够在微观尺度上更进一步的认识自己。用批判的眼光回头审视,也许我们会觉得,知道了人类基因组的全部编码序列,其实距离理解每一个碱基、每一个基因到底发挥了什么样的作用仍然遥遥无期,但是我想谁都不会否认,人类基因组序列的清晰描绘从很大程度上改变了我们理解自身的方式,也极大的促进了临床医学的进化。用奥巴马总统的话说,我们当年花在基因组计划上的每一块钱,在今天已经带给我们超过一百四十块钱的超额回报。

霍布斯和科恩的研究计划也得益于基因组计划的成功。拥有了人类基因组的全部碱基序列之后,他们发现,研究人类遗传疾病的时候,也许不再需要繁琐漫长的家系分析,在黑暗的道路上根据零星分布的分子“路标”,定位疾病背后的遗传突变了;有了基因组的信息和技术,也许他们可以通过比较个体之间的基因组序列直接“看到”遗传突变的位置,就像旭日东升,将道路上的路标在一瞬间全部照亮!

在接下来的三年内,霍布斯和科恩收集了达拉斯附近超过三千人的人群样本。对每一个接受检查的人,他们都需要收集其一整套生理指标:身高体重、血压、体脂含量、血脂含量、低密度脂蛋白含量、高密度脂蛋白含量、等等等等;当然,还有每个人的基因组。

可以想象,这么一个庞大并且随机分布的人群中,遗传多样性是非常高的,就像里面有男有女,有黑人有白人,这个群体里一定也会存在各种各样的遗传突变,使得这些个体的生理指标发生变化,特别的,血脂降低或者升高。如果找到血脂出现异常变化的个体,分析其基因组信息,也许就能找出许许多多影响血脂水平的新基因和新机理。

这就是霍布斯和科恩的计划。

在布瓦罗发现PCSK9的时候,霍布斯和科恩刚刚结束他们的样本收集工作,也已经作出了一些有趣的科学发现。不过HC2家族的严重症状让他们马上意识到,PCSK9也许正是他们一直没有找到的、引导他们走向最重要突破的线索。

于是很快,霍布斯和科恩把他们档案袋里所有低密度脂蛋白显著低于常人的“异常健康”样本重新翻了出来。如果PCSK9的功能增强是HC2家族的梦魇,那么霍布斯和科恩预测,这些超级健康人也许会呈现PCSK9的缺陷。而相比HC2家族的信息,PCSK9功能缺陷会导致胆固醇下降,本身显然是更有临床意义的发现:这意味着也许我们可以通过药物抑制PCSK9的活性,治疗普罗大众中的高血脂问题。

接下来的故事就显得顺理成章水到渠成了。霍布斯和科恩发现,低密度脂蛋白显著低于常人的大约100多个人里面,有相当比例(约三成)的PCSK9基因出现了功能缺陷,而这些突变在正常的黑人群体中的频率不过2%,白人中更是凤毛麟角。这个数据与布瓦罗的发现相辅相成,并且直接提示了PCSK9可能的临床意义:如果通过药物抑制这个蛋白的活性,也许可以有效的降低低密度脂蛋白的水平,从而降低心脏病的发病。

更有说服力的,是在进一步的研究中,霍布斯和科恩发现了他们某位研究对象的小女儿,当时刚过而立之年的一位身体健康的黑人女性,携带另一种PCSK9突变,导致她体内PCSK9蛋白的水平低到可以忽略不计,而她的低密度脂蛋白水平更是低到14毫克每100毫升,仅有普通人群的十分之一!这个后来被海伦和科恩称为“莎琳·翠西(Sharlayne Tracy)”的完美女人,将人类利用PCSK9治病救人的最后一点障碍一鼓荡平。这个完美女人的存在本身就不言而喻的证明,用药物抑制PCSK9本身应该不存在任何副作用---因为莎琳.翠西从出生那天起,体内就完全不存在PCSK9蛋白,但这丝毫不影响她拥有健康的身体(事实上,她本人还是一名专职健身教练)!

就像作者刚刚说过的,对于人类遗传学家,整个人类群体就是他们的实验室,几十亿人的参差多态就是大自然给他们准备的培养皿和显微镜。正是这样伟大的力量帮助我们找到了PCSK9。

好运气挡都挡不住

于是在短短数年时间内,大西洋两岸的两个独立的研究项目机缘巧合的碰撞在一起,将PCSK9从连名字都没有的无聊基因变成了治疗高血脂症的新希望。

事实上,PCSK9的好运气还不止于此。

就在2003年,布瓦罗的团队刚刚报道了HC2家族中的PCSK9遗传突变之前,美国纽约洛克菲勒大学的简.布莱斯勒(Jan Breslow)实验室也在一项小鼠研究中偶然发现了这个基因的身影。他们发现,如果给小鼠大量喂食胆固醇,小鼠肝脏中的许多基因的活动性出现了明显的下降,其中包括PCSK9这个当时布莱斯勒一无所知的基因。因此,在几个月后看到布瓦罗的发现后,布莱斯勒实验室立刻转向这个之前已经给过他们提示、却被他们忽略掉的神秘基因,并在短短几个月时间内在老鼠身上令人信服的证明了PCSK9能够降解老鼠肝脏的低密度脂蛋白受体。

我们已经知道,低密度脂蛋白受体对于肝脏监测体内胆固醇水平至关重要,损害受体功能的遗传突变是家族性高胆固醇血症的首要病因。因此,布莱斯勒的发现完美解释了布瓦罗和霍布斯/科恩在人体中发现的现象:PCSK9缺失之所以会带来胆固醇的继续下降,正是由于PCSK9缺失之后,低密度脂蛋白受体不会被降解,从而保持了对血液中胆固醇分子的极端敏感性。这种敏感性的结果就是肝脏细胞中合成胆固醇的机器---包括HMG辅酶A还原酶的活动---被强有力的抑制。胆固醇的制造,被强行停止了。

因此尽管整个图片上还存在这样那样的小缺陷和小漏洞,PCSK9的功能和临床意义在2003到2006年间被迅速揭示。相比胆固醇合成及其调控的机制,人们对PCSK9的理解快得惊人。

同样,相比他汀类药物,人类利用PCSK9治病救人的速度也快得惊人。

这次是单克隆抗体

制药公司的目标很明确,在他汀类纷纷失去专利保护、降脂药市场一片混战的情形下,他们需要更新、更好、更有说服力的新药来重新抢占市场制高点。

制药公司的手段也很简单,找出一个办法来抑制PCSK9的活性。

读了他汀的故事的读者们会很容易的想到,一个方法就是寻找天然的、或者是人工合成的小分子化合物,与PCSK9蛋白结合,抑制其活性。然而起码到目前为止,这个思路并没有取得太好的进展。如果让作者猜测的话,也许一个原因是我们人体中类似PCSK9的蛋白质太多了(至少,名字叫PCSK1-8的那几个蛋白质,结构和功能应该和PCSK9有类似之处),这样的话,设计一个小小的化合物,实现其和PCSK9的特异结合而不影响其他类似蛋白质的功能是件非常困难的事情。

这也是整个小分子制药面临的一大挑战。尽管对于许多人类疾病,特别是遗传疾病,我们已经知道了不少可以用于药物开发的目标蛋白(或者叫“靶点”),我们也知道如果能够成功的激发或者抑制这些目标蛋白,就可以有效的治疗疾病。但是,想要找到或者设计一个几百个原子组成的微型化合物,在广袤无垠的细胞海洋中目不斜视的拒绝其他一切蛋白的诱惑,百折不回的找到这些散落各处的目标蛋白,然后如胶似漆的与之结合不离不弃,难度是非常、非常大的。也正是这个原因,在现实的药物开发中,许多已经在实验室的培养皿里被证明可以有效识别并影响目标蛋白的化合物,一旦进入动物和人体试验,就会出现这样那样的问题并导致最终的失败:化合物无法顺利在体内溶解进入循环、化合物被无情的降解排泄、化合物找不到要进入的细胞甚至找到了也无法进入、化合物与无关蛋白大量结合带来的副作用、等等等等。

事实上,在典型的小分子药物开发中,每250个通过科学实验的验证、进入动物实验的小分子,最终仅有1个会顺利的通过临床试验的检验进入市场。相比小分子制药工业,悬崖蹦极、高空跳伞、酗酒之后在高速公路上骑着哈雷摩托车狂奔,看起来都是无比安全的选择!

于是这一次,制药巨头们不约而同的选择了另外一条道路:利用单克隆抗体(monoclonal antibody)技术,抑制PCSK9的活性。


抗体的结构模型。大家可以看到,其比典型的小分子药物(例如他汀类)复杂了许多。抗体利用两条侧链(上方)结合并识别各种各样的外来物质。侧链蛋白质序列千变万化,随之产生了抗体蛋白高度的多样性和特异性

限于篇幅,作者不能在这里展开讨论单克隆抗体的来龙去脉。只能简单交代和文章相关的前因后果。简单来说,抗体(antibody)是动物身体内存在的一种多样性极其广泛的蛋白质。不同种类的抗体可以特异性的结合来自外来病原生物的危险物质是(所谓抗原/antigen),并引发身体的免疫反应与之对抗。我们熟知的各种疫苗,即是通过为人体注射致病性很弱或者消除了致病性的抗原,引发身体的免疫反应并产生抗体,从而起到预防各种传染病的功能的。

所谓单克隆抗体药物,就是在培养皿里模拟这个过程,人工筛选和制造出能够结合疾病目标蛋白的抗体,然后利用这种抗体在病人体内清除目标蛋白,治疗疾病。

抛开技术细节,单克隆抗体药物至少有两个小分子药物难以比拟的优势:在技术上,由于单克隆抗体蛋白分子本身来源于人体,而且具备极高的特异性,其被人体接受利用和避免副作用的能力要远远强于小分子化合物;而在商业上,尽管单克隆抗体药物也存在专利失效的影响,但是由于生产单克隆抗体对一家公司乃至整个国家的生物技术能力有极高的要求,而且其对工艺和质量控制的潜在要求也无形中塑造了使用者的粘性和忠诚度,因此客观上阻止了仿制药厂家利用低成本优势抢占市场。


基因泰克公司(Genentech)的细胞培养和发酵工厂。和小分子药物不同,单克隆抗体药物本身是体型巨大的蛋白质,人类目前尚无高效手段在实验室人工合成。所幸我们也并不需要:人们可以利用重组DNA技术,让在培养皿里大规模成长的细胞为我们源源不断的合成所需的单克隆抗体,之后分离纯化后用于治疗。值得指出的是,单克隆抗体药物的设计、选择、大规模生产、纯化、后期修饰,都是极端复杂的系统工程,其中仍有许多环节极端依赖经验和对工艺的优化

疗效和安全性上可控,商业上有竞争优势,于是在短短数年间,读者们在前面故事里听到的制药巨头们蜂拥进入了这片希望的田野。进入临床试验的产品已经有四个,分别来自辉瑞、礼来、安进、和赛诺菲(与再生元公司合作)。就在这篇文章写作的时候,全球正在进行着数十项和这四种产品相关的临床试验。而就在几个月前,其中的先行者,安进和赛诺菲已经前后脚向美国食品药品监督局提交了上市申请,而这时距离PCSK9基因被发现,才过了仅仅十年!


四个PCSK9单克隆抗体药物都取得了相当耀眼的临床试验效果。因此,谁先完成试验和数据分析、通过上市审查,谁就可能抢到这篇蓝海市场的第一桶金,并建立难以撼动的先发优势。目前安进和赛诺菲已经抢先提交了上市申请。而赛诺菲公司更是花费6750万美元天价买到了一张美国食品药品监督局的“快速通道”审评资格,有望提前安进半个身位进入市场

从HMG辅酶A还原酶被发现到第一个他汀类药物美降脂上市,科学家和产业界的接力跑进行了足有三十多年。而美降脂本身,仅仅通过临床试验上市就耗费了九年的漫长时光。

看到这个,不知道我们该庆幸PCSK9惊人的好运气和单克隆抗体药物的美好前景,还是该再一次为刚刚离去的小分子化合物黄金时代,送上我们深切的致敬和感激,还有同情。

当然,真正进入市场后,PCSK9单克隆抗体药物还有很长很长的路要走。相比小分子药物,以蛋白质为主要成分的单克隆抗体药物不能做成药片或者糖浆,必须通过注射进入人体,这从很大程度上会限制其使用范围。另外,单克隆抗体的制造成本显著的高于小分子药物,导致其定价会高出许多。尽管还未上市,分析家预测PCSK9单克隆抗体药物的使用成本可能会在每月1000美元左右,这一数字是他汀类仿制药的100倍!因此,PCSK9单克隆抗体药物的市场表现,仍然需要我们擦亮眼睛等待。

科学有什么用:这是我的回答

然而毋庸置疑的是,在PCSK9的故事里,科学发现又一次带给我们改善自身健康的全新希望。不管是布瓦罗和饱经病魔摧残的HC2家族,还是霍布斯/科恩和他们多达三千五百人的“人口普查”,或者是布莱斯勒实验室在小鼠模型上进行的PCSK9的最初研究,在科学家埋头工作的时候,普罗大众似乎很难从他们身上看到自己的血汗钱有没有被利用的物有所值。

事实上,科学家们早在十九世纪末就已经发现了这种名叫抗体的蛋白质,并且猜测它可能参与了动物身体抵御外来病菌的侵袭。而那个时候,谁又会想到,抗体会在百年后成为整个制药工业界的赌注,成为千千万万身患恶性疾病的患者的希望呢?

是啊,不就是几十口人的罕见遗传病,不就是几千个人的血脂调查,不就是几只小老鼠身上的基因调控么?比起救助穷孩子们上学、帮流浪汉们填饱肚子、建几座金碧辉煌的大厦、主办一场普天同庆的体育盛会、到底有什么样的实际意义,我又为什么要为此打开腰包呢?

希望众里寻“他”的故事,能给您一个满意的回答。

从某种意义上,像是在追随本文开始时那些名声显赫的科学家前辈,这个故事也是我这个不起眼儿的科学工作者,为“科学到底有什么用”这个问题,交上的一份属于我自己的回答。

全文完。

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