從發表論文到斬獲諾獎,他們只用了8年

它曾一度收穫諾貝爾獎的榮光,也曾被認為是醫藥行業的一大泡沫。從論文發表到諾獎折桂,它只用了8年的時間,速度驚人。但在獲得諾獎之後,它在臨床應用上卻陷入了長達12年的沉寂。直到3年前,它才破繭成蝶,浴火重生。

▎葯明康德內容團隊編輯

它就是被簡稱為RNAi的RNA干擾技術。這是少有能從諾獎走出,直接帶來創新藥物的技術。它不僅是諾獎史上的一段佳話,更讓全球病患看到了治療的希望。

“非常驚訝”

2006年10月2日凌晨2:30分,斯坦福大學的Andrew Fire接到了一通來電。電話那頭,一個略帶口音的聲音向他表示祝賀。諾貝爾獎委員會決定,Fire與馬薩諸塞大學的Craig Mello一道,將共享2006年的諾貝爾生理學或醫學獎。

從發表論文到斬獲諾獎,他們只用了8年

▲2006年諾貝爾生理學或醫學獎授予了RNAi機制的發現者(圖片來源:The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2006。 NobelPrize.org。 Nobel Prize Outreach AB 2021。 Sat。 4 Sep 2021。)

和許多諾貝爾獎得主一樣,Fire的第一反應是“非常驚訝”,甚至懷疑對方撥錯了號碼。他的驚訝並不是沒有理由。自上世紀80年代起,諾貝爾生理學或醫學獎得主的平均年齡都超過了60歲。但他當年只有47歲,Mello更是只有45歲。而且,距離他們合作發表的重要論文問世,也只有短短8年的時間。這一切都來得太快,太不真實了。

許多生物學家指出,這些不尋常的數字,恰好反映了他們的工作有多麼不尋常。“他們的發現是一個再明顯不過的諾貝爾獎,”另一位諾獎得主Thomas Cech說道:“它在所有人的諾獎候選名單上。”很少有人質疑他們的貢獻,這些榮譽實至名歸。

這個不尋常的發現,正是RNAi機制的發現。這是一種通過雙鏈RNA對基因進行沉默的方法。諾貝爾獎委員會稱,這是控制遺傳信息流的一個根本性機制,在植物、動物、人類中均存在,在生物技術與醫學領域有着廣闊的應用前景。

意外發現

有趣的是,這兩位科學家並不是首批發現RNAi現象的人。在他們之前,植物學家們就觀察到了一些難以解釋的現象。1990年,兩名植物學家報道了一個令他們大感意外的發現——在矮牽牛花中,查爾酮合成酶(chalcone synthase)是一種在花青素合成通路里起到限速作用的酶。研究人員們猜測,如果提高這種酶的表達量,就能加速花青素的合成,讓矮牽牛花的顏色變得更深。

從發表論文到斬獲諾獎,他們只用了8年

▲植物學家們率先發現了RNAi的現象(圖片來源:By Marjori A。 Matzke, Antonius J。 M。 Matzke; credit Jan Kooter for the left and middle images, and Natalie Doetsch and Rich Jorgensen for the right images [CC BY 2.5  (https://creativecommons.org/licenses/by/2.5)], via Wikimedia Commons)

但實驗結果與他們的預期截然相反。在過量表達查爾酮合成酶后,矮牽牛花的顏色非但沒有變深,反而還變淺了!看着眼前的白色花朵,植物學家們感到無比困惑。後續的研究發現,經過改造的矮牽牛花裡頭,查爾酮合成酶的含量竟要比野生型低上50倍。這也讓研究人員們猜測,從體外引入RNA,會對具有同源序列的基因產生“沉默”。

儘管這些植物學家做出了重要的觀察,並提出了潛在的作用機制,但他們卻一直沒有把這個發現轉化為實際應用的技術。這也正是Fire與Mello的貢獻所在。

這兩名科學家研究的是如何在線蟲體內調控基因。為了了解RNA會對基因表達產生怎樣的影響,他們設計了一個實驗,往線蟲體內注射編碼肌肉蛋白的mRNA。在注射后,線蟲表現一切正常。隨後,他們注射了與這種mRNA序列互補的“反義RNA”,卻得到了一致的結果——線蟲並沒有受到什麼影響。

有趣的是,當他們將mRNA與反義RNA一同注射進線蟲體內后,這些小蟲子展現出了奇特的抽搐動作,就好像它們缺乏這種關鍵的肌肉蛋白一樣。這是為什麼呢?

研究人員們發現,這是因為mRNA和能夠與之互補的反義RNA能形成雙鏈RNA結構,而這正是關鍵所在。Fire與Mello後續又做了一系列研究,注射了許多針對不同基因的雙鏈RNA,每一個實驗都清晰地表明,雙鏈RNA能影響到相應基因的表達,就好像這個基因被“沉默”了一樣。因此,這些基因無法生產出所編碼的蛋白質。

從發表論文到斬獲諾獎,他們只用了8年

1998年,兩名科學家將他們的發現發表在了《自然》雜誌上。這一發現能簡潔、清楚地回答過去許多令人困惑,甚至是互相矛盾的實驗結果,也立刻引起了研究領域的重視。

希望之旅

Fire和Mello指出,只有注射與基因序列一致,或是高度接近的雙鏈RNA,才能有效地對基因產生沉默。這原本可能是生物體的抗病毒機制,卻在演化的長河中被用做調控自身基因的手段。

在接下來的幾年裡,科學家們對RNAi的機製做了更詳細的闡述——原來雙鏈RNA會結合一個叫做Dicer的蛋白複合體,然後被它切成碎片。另一個叫做RISC的蛋白複合體會結合這些雙鏈RNA碎片,去掉其中的一條鏈,然後使用另一條鏈去檢測細胞里的其它mRNA。一旦檢測到與之互補的mRNA,就會對其進行剪切,使之降解。基因傳遞出去的遺傳信息就是這樣被沉默的。

機制的闡明讓我們能夠用極為簡便的方法,對生物的基因進行調控。科學家們開始使用雙鏈RNA分子,來沉默特定的基因,從而研究它們的功能。在生物學和生物醫藥領域的基礎研究上,它得到了極為廣泛的應用,加速了科學的發展。

從發表論文到斬獲諾獎,他們只用了8年

▲RNAi的作用機制,讓人們看到了實際應用的潛力(圖片來源:Copyright © The Nobel Committee for Physiology or Medicine。 Illustration: Annika Rohl)

更重要的是,它讓我們看到了通過“基因沉默”治療疾病的希望。正如諾貝爾獎官方新聞稿中所說的那樣,“RNAi已經在基礎科研中得到了廣泛的應用,能用以研究基因的功能。它還有望在未來帶來全新的療法。”

“我相信這個技術會在未來的10年裡,在抗癌療法領域得到非常廣泛的應用。”時任冷泉港實驗室主席,美國科學院院士Bruce Stillman大膽猜測。

一盆冷水

人們的樂觀並不是沒有理由:在諾貝爾獎頒發RNAi技術的5年前,我們就完成了人類基因組草圖的測序工作。許多研究人員早就開始在哺乳動物細胞里嘗試應用RNAi,生物技術公司如雨後春筍般相繼問世,爭當第一款RNAi新葯的發明人。

這背後的邏輯也很容易理解。許多疾病是由於致病蛋白的出現所導致,而常規小分子藥物的作用機理,正是結合這些蛋白,抑制其功能。使用RNAi技術則有望抑制它們的表達,將這些致病蛋白扼殺在萌芽之中。由於雙鏈RNA非常容易合成,倘若這一治療思路能夠成功,人們就不再需要繁瑣的藥物篩選工作,還能規避致病蛋白的“無成藥性”難題。因此,生物醫藥行業對RNAi療法有着極為高漲的研發熱情,一些知名醫藥公司也開始涉足其中。整個領域充滿了熱火朝天的幹勁,首款RNAi療法的問世似乎就在眼前。

但在激情褪去后,問題才逐漸浮現出來。其中,研究人員們無法解決的一大難題,在於如何僅在需要的細胞里啟動RNAi的流程。更糟糕的是,在泛起的泡沫中,許多人誤將高估值當作是成功的保障,一系列療法僅僅在實驗室中做了初步的驗證,就匆忙地進入到人體試驗。

“早期的許多臨床試驗非常不明智,許多人為了搶第一才做臨床試驗,”斯坦福大學的基因療法專家Mark Kay說道:“大部分尚具有理性,同時還了解這一領域的人,都知道這些試驗不會成功。”

從一開始就被埋下的災難種子,很快就結出了惡果。不久后,一些研究中的RNAi療法在人體里展現出了意料之外,卻又在情理之中的危險副作用。由於無法遞送到人體內的正確細胞,這些療法要麼沒有效果,要麼反而對人體有害。

從發表論文到斬獲諾獎,他們只用了8年

整個RNAi領域瞬間跌入到了谷底,包括羅氏、輝瑞、默沙東在內的諸多生物醫藥公司紛紛決定退場。2014年,默沙東將旗下的RNAi技術公司Sirna公司折價出售。而購買它的,則是一家名為Alnylam的生物技術公司。

浴火重生

Alnylam成立於2002年,恰好位於RNAi從科學突破(1998年)到摘獲諾貝爾獎(2006)的中點。它的名字有些難念,背後卻有着有趣的故事——它由“Alnilam”一詞衍生而來,中文名是“參宿二”,指的是夜空中距離我們2000光年外的獵戶座腰帶中點。

如同漫天群星一般,在10多年前,到處都能看到研發RNAi技術的新銳公司,Alnylam看起來與它們沒有什麼不同。但在RNAi療法跌入低谷時,Alnylam卻是少數留存下來的幸運兒。這並不代表它未曾經歷過陣痛。在Alnylam的公司官網上寫道,其成立早期也曾遇到過許多挑戰:合作夥伴的離去、外界對於技術的喪失信心,都給Alnylam帶來了不小的打擊。只有在公司內部,才能看到將RNAi療法變成現實的信念與樂觀。

從發表論文到斬獲諾獎,他們只用了8年

當然,無數案例證明,僅憑信念與樂觀是不夠的。真正推動Alnylam向前進展的,是其在RNAi療法的“至暗時刻”發明的一項關鍵技術。2010年,這家公司發表了一篇足以影響整個RNAi療法領域的論文——他們發現,利用基於配體的技術,人們終於能對RNAi療法進行靶向遞送。橫亘在科學家們前進道路上的最大阻礙被移除了。在他們面前,是通往首款RNAi療法的康庄大道。

找到解決問題的關鍵后,Alnylam迅速建立起了一系列研發管線,針對多種罕見的遺傳疾病。其中,其領先的RNAi療法patisiran所治療的是一種叫做hATTR澱粉樣變性的疾病。這種疾病的根源在於編碼甲狀腺素運載蛋白的基因發生突變,導致澱粉樣蛋白質在人體內的異常積累,對器官和組織造成損傷。這是一種嚴重而致命的罕見病,患者從癥狀發作起,預期壽命只有2年-15年。

而patisiran則能發揮RNAi對基因的“沉默”效果。通過抑制特定mRNA的表達,這款療法能有效阻止變異甲狀腺素運載蛋白的生成,清除組織里的澱粉樣蛋白沉積,恢復組織功能。

2017年9月,Alnylam與其合作夥伴賽諾菲一道,公布了patisiran在3期臨床試驗中的積極頂線結果。研究表明,這款新葯抵達了主要臨床終點,以及所有的次要臨床終點。在18個月的節點上,與安慰劑相比,patisiran顯著減少了患者的神經學病變,提高了他們的生活質量。

從發表論文到斬獲諾獎,他們只用了8年

2個月後,Alnylam遞交了滾動上市申請,以縮短上市所需要的時間。美國FDA也同樣授予patisiran突破性療法認定和孤兒葯資格,加速它的問世。2018年,隨着FDA的正式批准,人類終於迎來了首款RNAi療法的獲批。

後記

熟悉新葯研發的讀者朋友都知道,一項突破性的發現,哪怕是自帶諾貝爾獎的光環,也未必能帶來一款新療法。即便最終能從實驗室出發,來到患者的病床前,這些新療法也往往會經歷漫長的研發之旅。過去的單克隆抗體是這樣的例子,如今的RNAi療法也是這樣的例子。

而或許只有那些最勇敢的戰士,才能從一片質疑的荊棘中,開闢出一條造福患者的道路。正如Alnylam的官網上所說的那樣:對於那些說“不可能、不實際、不現實”的人,我們的回應是“接受挑戰”。在本文的最後,我們也向這些挑戰不可能的勇者致以崇高敬意。

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