抗癌药研发为何难？新研究发现了一个大问题

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统计显示，97%的癌症药物与其对应适应症的临床试验最终都没能被FDA批准上市[1]。 面对如此高的失败率，人们不禁要问，到底是哪里出了问题？

撰文 | 王承志

责编 | 陈晓雪

 

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冷泉港实验室的研究人员在研究一种乳腺癌细胞时，发现一个奇怪现象。之前的研究显示这种癌细胞的增殖是由于一种 MELK 的蛋白过度表达引起的，但研究人员在使用 CRISPR 基因编辑技术敲除了编码该蛋白的基因后，癌细胞的生长居然没有受到任何影响。

 

更不可思议的是，之前认为靶向 MELK 的药物依然能很好地抑制 MELK 敲除的癌细胞生长，哪怕药物应该针对的靶点已经不存在了。

 

研究人员觉得应该看看别的靶点是否也存在这个问题。由此，他们开展了一项系统研究，并在最近宣告解开了一批癌症药物研发失败的谜底：一种用来降低蛋白表达的实验方法的高脱靶率，在很大程度上影响了科学家对抗癌靶点的判断。

 

这一研究发表了9月12日上线的《科学-转化医学》 （Science Translational Medicine） 杂志。

 

01

什么是药物靶点？

 

这里，需要先解释一下靶点的概念。靶点是我们理解本研究的关键。

 

早期的癌症药物多数为细胞毒性药物，尤其是影响细胞分裂的药物。它们抗癌的原理是癌细胞通常具有比正常细胞更快的分裂速度，因此这些药物对癌细胞的毒性更大。但这类药物对正常细胞毒性也很大，副作用非常明显。

 

随着研究的深入，人们逐渐理解到不同的癌症是由不同的基因突变所导致，其不正常的生物学特性也是由于不同的细胞通路被异常激活或抑制。通过设计小分子药物来特异性地影响这些通路中关键的蛋白 （通常是酶） ，可以精准地杀死或抑制癌细胞，把药物对正常细胞的影响大大降低。这就是通常所说的靶向药物，它们所针对的关键蛋白被称为药物靶点。

 

靶向药物大大增加了人类对抗癌症的武器库，《我不是药神》电影中治疗慢性髓细胞白血病的药物原型格列卫就是一种抑制酪氨酸激酶靶点的靶向药。

 

好了，接下来可以进入我们要介绍的论文了。

 

02

建在“不可靠”基础上的药物研发？

 

冷泉港的研究人员选取了10种不同的靶向药物。这些药物都在之前的研究中被认为抑制了特定肿瘤靶点，而且都有报道这些靶点被抑制后足以阻碍癌细胞的生长。

 

这10种药物中，有7种已经进入临床试验，而另外3种也进入临床前开发阶段。这些药物针对的靶点包括 CASP3，HDAC6， MAPK14，PAK4，PBK 以及 PIM1。

 

为了验证这些靶点确实影响癌细胞生长，研究人员在这些靶点起作用的细胞系中使用 CRISPR-Cas9 基因编辑技术敲除了相应靶点的基因。然而就像 MELK 一样，所有这些靶点敲除了以后，癌细胞的生长都没受到显著的影响。

 

即使所有测试的靶点都恰好碰到不起作用的细胞系可能性很小，研究人员还是扩大了测试范围。例如，HDAC6 被报道对于 ARID1A 突变的卵巢癌细胞生长是必须的，研究人员在4种不同的 ARID1A 突变卵巢癌细胞 （A2780，OVK18，OVTOKO，和TOV-21G） 中敲除了 HDAC6，但卵巢癌细胞的生长没有受到任何影响。

 

类似地，PIM1 被报道在三阴乳腺癌中其重要作用，而研究人员在7种三阴乳腺癌细胞中敲除了 PIM1，都没有发现显著影响。而作为对照，已有成功药物上市的靶点，如 MEK1，在A375黑色素瘤细胞系中敲除则显著影响了细胞的生长，证明了研究方法的可靠性。

 

这么多的癌症靶点敲除后都没有影响，研究人员意识到，筛选靶点的范围可以扩大。

 

接下来，他们在485种不同的癌细胞中进行了 CRISPR 的全基因组范围大规模筛选，结果和之前的数据吻合。一些已知的重要靶点，如 AuroraB，BRAF 和 PIK3A 等，总是可以在相应的细胞系中被筛选到。而之前细胞系测试中不起作用的几个靶点，在大规模筛选中也同样不起作用。

 

很多靶点除了本身的抑癌功能，还能与别的抗癌药物协同作用。例如，HDAC6 能够对微管蛋白去乙酰化，抑制该酶使癌细胞对靶向微管的药物更加敏感。而目前有两个临床试验正在测试 HDAC6 抑制剂与紫杉醇 （一种常用的抗癌药，作用机制为干扰细胞分裂时微管的正常功能） 联合使用的效果。研究人员测试了 HDAC6敲除的癌细胞系，发现 HDAC6 的缺失并不能使细胞对紫杉醇以及其它4种抗癌药物更敏感。作者测试了其它目前在临床试验的靶点，如 MAPK14，得到的结果也类似。这些实验说明，很多通过增强别的抗癌药，从而 “曲线救国” 的可能性也被否定了。

 

这些结果无疑说明，之前的很多抗癌靶点研究结论是不可靠的。而建立在不可靠基础上的药物开发，失败率居高不下也可以理解了。

 

03

RNAi实验是罪魁祸首？

 

如果说某一项研究的结论不可靠，偶然因素可能性比较大。但是如果同类型的研究不可靠性比例都很高，则可能是实验方法的系统性问题。

 

研究人员仔细分析了这类之前研究筛选有效，但敲除后相应靶蛋白却没有影响的靶点，发现它们之前的结论都来自于RNAi实验。

 

RNAi 是一种用小分子 RNA 来降低蛋白表达的实验方法，相比基因敲除，这种方法实验简单且成本较低，在 CRISPR 系统成熟之前，是大规模基因组筛选的主流方法。虽然有很多优点，但这种方法有个很大的缺陷，即脱靶效应比较严重。同一个小分子 RNA 在细胞里，可能同时抑制多种和其序列相似的基因表达。

 

为了验证 RNAi 是否有很高比例造成靶点误读，研究人员选取了一些之前研究中发现的靶点，并使用相同的 RNAi 分子重复了前人的实验。

 

例如，以前的报告发现，PAK4 的 RNAi 分子在 HCT116 结肠癌细胞中抑制癌细胞生长，PIM1 在 MDA-MB-231 乳腺癌细胞中抑制肿瘤细胞生长。经过验证，这些 RNA 分子确实能抑制癌细胞生长。但是，经过靶点的 CRISPR 敲除，研究人员发现，这些RNAi靶点敲除的细胞, 和没有敲除的细胞一样，生长被相应 RNAi 分子所抑制。这确证无误地表明，RNAi 实验的高脱靶率，在很大程度上影响了科学家对抗癌靶点的判断。

 

最后，研究人员选取了一种目前正在临床前研发阶段的药物 OTS964，做进一步的研究。该药物在针对 PBK （TOPK） 靶点的筛选中被发现。同样，在使用 CRISPR 敲除 PBK 的癌细胞中，该药物依然能很好地抑制癌细胞生长。这说明这个化合物还有其它靶点。

 

通过高浓度 OTS964 诱导癌细胞发生耐药突变，研究人员使用全外显子组测序发现 OTS964 的真正靶点不是之前认为的 PBK，而是一种细胞周期激酶 CDK11。同时，研究者发现很多癌细胞的增殖都依赖于 CDK11,这也解释了 OTS964 能够在 PBK 敲除的癌细胞中对癌细胞产生抑制。

 

研究的通讯作者 Jason Sheltzer 博士在冷泉港新闻发布会上表示： “很多抗癌药物在人体试验时很不幸地不起作用。如果在这些药物进入临床试验前，常规地获取和我们的实验类似的证据，我们可能能够更好地将病人分配到最可能收益的试验中。有了这些知识，我相信我们能更好地践行精准医学的承诺。”

 

04

时间会给出答案

 

但也有学者对这项研究提出了不同的意见。美国埃默里大学医学院人类遗传学系教授金鹏认为，作者过度解读了他们的结果。 “ RNAi 实验可能是第一个用来发现这些药物靶点的技术，但肯定不是最后用来决定药物走向临床试验的技术。任何临床实验都需要大量的前期实验才能被FDA批准，只靠RNAi 实验是不可能的。这里肯定有其他因素，不是RNAi 的结果就能全部解释的。”

 

金鹏同时指出，癌细胞基因组出了名的不稳定，因此作者使用的细胞系可能有一些问题。 “这项研究所有的结论都来自体外细胞实验 （in vitro） ，他们应该用活体细胞 （ex vivo） 来验证他们不同寻常的结论。”

 

“另外，作者认为 CRISPR 技术可以产生背景更干净，更好的敲除细胞系。但CRISPR 也存在脱靶和其它我们目前还未知的问题。就像 RNAi 一样，随着时间的推移，人们也逐渐意识到 RNAi 不同的问题，但至少它还是一个不错的实验系统。”

 

“时间会给出答案。” 金鹏说。

  参考文献：

1. Wong C H, Siah K W, Lo A W.Estimation of clinical trial success rates and related parameters[J].Biostatistics, 2019, 20(2): 273-286.

2. Lin et al., Sci. Transl. Med.11, eaaw8412 (2019)

制版编辑  |  皮皮鱼

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