作者:杨云龙,陶灵 来源:澎湃新闻 发布时间:2024/1/29 10:15:30
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50年后,抑制多胺合成治疗肿瘤的策略重回“战场”

 

·从列文虎克发现多胺距今已有350年。50年前科学家们提出抑制多胺合成治疗肿瘤的策略,历经发现新治疗策略的兴奋、临床试验失败的沮丧、在寄生虫疾病上的突破、在逐利目标下险些被放弃、在美容市场上重现、直到如今在一类罕见肿瘤上终于得到应用。这是一个药物的传奇历史。

1671年,荷兰代尔夫特市的一名公务员用业余时间造出了当时世界上最好的显微镜,其中关键的透镜部分由他自己用玻璃球手工打磨制成,分辨率可达1微米,相当于头发直径的1/50。如此高的分辨率直到19世纪才被后人超越。这位掌握着核心科技的科学家叫做列文虎克(Antoine van Leeuwenhoek),他对微观世界进行了包罗万象的观察。

1678年,他在观察人类精液样本时发现了一类结晶物质,直到250年后的1924年,科学家们才阐明了这类晶体的分子结构。列文虎克发现的物质是精胺(spermine),是多胺(polyamine)代谢的重要中间产物。

又经过近50年的研究,科学家们了解到,多胺是一类碱性小分子,是含多个氨基的长链脂肪族化合物,带有正电荷,对核酸有较高亲和力。多胺由鸟氨酸在鸟氨酸脱羧酶的作用下催化合成腐胺,通过S-腺苷甲硫氨酸脱羧酶的参与,进一步合成精脒和精胺。这类来自于氨基酸的阳离子有机物广泛存在于各类生物体中,是重要的代谢物,可以促进细菌和细胞的生长。

列文虎克1678年观察到的磷酸精胺晶体。图片来源:【1】

抑制多胺合成以治疗肿瘤

1971年,巴尔的摩癌症研究所的科学家Diane Russell报道了一项令人惊讶的发现,在各类肿瘤患者的尿液中,都发现多胺浓度显著地增加了。这篇论文发表在《自然》杂志的第一个子刊《自然·新生物学》(后与《自然》重新合并)上【2】。该发现迅速引起了肿瘤医生的关注,他们开始以尿液多胺水平作为标志物用来检测肿瘤。更进一步,他们希望能够阻断多胺的生物合成,期待这种方法能用于治疗肿瘤。

当时,理性的药物设计是药物开发的主流方法。在纽约,乔治·希金斯(George Hitchings)与他的实验室助理格特鲁德·埃利昂(Gertrude Elion)将当时试错式的化学药物研发改进为针对特定目标设计具有特定结构的新分子,从而实现阻断。这种设计思路改变了药学的面貌,因此他们共同获得1988年诺贝尔生理学或医学奖。

理性的药物设计思路强调将基本的生化和生理过程理解为特定的药物靶点。基于这一理念,希金斯和埃利昂设计出了嘌呤的类似物,后续被用于抗肿瘤药和免疫抑制剂。按照类似的理念,当了解到多胺合成源于鸟氨酸经鸟氨酸脱羧酶催化,那么鸟氨酸的类似物就可能结合在重要的代谢酶上,从而不可逆地阻断酶的活性。

二氟甲基鸟氨酸(DFMO),就在这个时期被法国斯特拉斯堡Merrell研究所制造出来,用于阻断哺乳动物细胞中的多胺合成【3】。很快,法国和美国的科学家就发现了DFMO具有体外和体内的抗肿瘤作用,它可以在动物模型上抑制皮肤癌、结肠癌等肿瘤。

受这些结果鼓舞,1980年代学术界开展了一系列DFMO治疗晚期肿瘤的临床试验。然而,从安全性和有效性的角度来看,均告失败。DFMO治疗肿瘤的疗效非常有限,且副作用如腹泻、呕吐、脱发、听觉毒性等纷纷显现。看上去,该药物似乎无法作为抗肿瘤药。

从抗肿瘤药变为“复活药”

1974年,美国佩斯大学(Pace University)的赛勒斯·巴奇(Cyrus Bacchi)致力于研究可以导致锥虫病的非洲锥虫。锥虫病是一种通过采采蝇传播的寄生虫病,流行于非洲地区,可侵犯中枢神经系统,俗称“昏睡症”。在研究锥虫的酶活性时,巴奇发现一种阳离子化合物可以取代镁等金属离子,提升酶的活性。这种天然存在的含氮阳离子化合物正是多胺。在那时,锥虫的多胺代谢尚无人了解。

在导师Seymour H. Hutner的鼓励下,巴奇开始研究锥虫中的多胺合成及其功能。1977年,巴奇在会议上得知DFMO已成功合成,他设法联系到了致力于将DFMO开发为抗肿瘤药的Merrell制药公司。经过沟通,Merrell研究所的主任同意给他25克DFMO用于锥虫实验。实验结果令人振奋,携带布氏锥虫的小鼠被治愈了。这项工作引起了寄生虫学家的极大兴趣,为缺乏新疗法的锥虫病提供了一项全新的解决方案。1980年,巴奇在Science(《科学》)杂志发表文章,介绍他们在寄生虫病治疗领域的重要发现【4】。在文章发表之前,DFMO已经发往日内瓦的世界卫生组织(WHO),准备开展进一步的临床研究。

1984年,肯尼亚内罗毕。在肯雅塔中心的礼堂后面,巴奇见到了在苏丹南部开展锥虫病治疗的临床医生西蒙·范·尼文霍夫(Simon Van Nieuwenhove),尼文霍夫从日内瓦带着DFMO来到苏丹,开展了该药物第一次对锥虫病患者的临床试验。在1983年的典型案例中,一名55岁的妇女因锥虫感染导致昏睡。使用DFMO仅1天,她血液中的锥虫就消失了,3天后她就从昏睡中醒来,7天后完全清醒。DFMO因此被非洲人民誉为“复活药”【5】。1990年,FDA(美国食品药品监督管理局)授予DFMO上市许可和孤儿药资格,成为40多年来第一个用于治疗锥虫病(布氏冈比亚锥虫)的新药。

赛勒斯·巴奇,1977-2006年任Haskins实验室主任,美国纽约佩斯大学。图片来源:【6】

“复活药”的复活

1990年代,随着大批制药公司开始整合,一些新的药企巨无霸诞生了。陶氏化学下属的Merrell Dow与美国Marion Laboratories合并。新成立的Marion Merrell Dow又在1995年与Hoechst Marion-Rousseau进行合并,建立了Aventis,后归入法国跨国药企赛诺菲旗下。

从盈利的角度考虑,DFMO作为治疗锥虫病的商品是不成功的。这种含氟的化合物的合成需要大量资源,制作过程还具有腐蚀性,药物的制作成本高昂。而受锥虫病影响的国家每年人均卫生支出可能仅有10美元不到。所以在FDA批准DFMO治疗锥虫病后,Marion Merrell Dow提出过渡性方案,将以成本价给WHO供药,直到该药物在非洲国家获批。在这段时间,希望能找到第三方接手生产该药。然而,没有其他生产商愿意接手生产DFMO。1995年公司再次合并后,决定停产DFMO以降本增效。最后的药物库存转让给了无国界医生组织,专利权被转让给了WHO,而这两个组织尽最大努力也无法找到接手的生产商。到2000年底,世界上的DFMO预计还有6个月将耗尽。非洲的锥虫病患者将再次陷入无药可用的境地。

无论是研究肿瘤多胺的Russell,还是研究锥虫多胺的巴奇,都想不到多胺合成抑制剂的断供问题竟然是被脱毛膏解决的。

据调查,超过4100万美国女性希望去除过多的面部毛发,这创造了一个潜力巨大的市场。而DFMO的重要副作用之一就是脱发。研究提示,局部外用DFMO可以抑制细胞功能,抑制毛发生长。百时美施贵宝(Bristol-Myers Squibb)据此开发了新的脱毛膏产品。2000年,FDA批准其用于抑制毛发过度生长,是该适应证的第一款处方药。百时美施贵宝对该药物进行了大规模广告宣传,30克的面霜售价为54美元。

大型药企过度关注高收益的治疗“生活方式”的药物,而忽视了无法盈利的发展中国家的疾病治疗。这引起了社会的关注和关于企业责任感的讨论。

2001年2月,《纽约时报》著名科学新闻记者Donald G. McNeil Jr.在头版对当前DFMO生产现状及百时美施贵宝与WHO的接洽状况进行了报道【7】。2天后,美国电视史上最长寿、最成功的调查类新闻节目《60分钟》采访了在肯尼亚首都内罗毕的国际医疗队医疗协调员Mickey Richer博士,讲述了医生们在那里延续着尼文霍夫的工作以及所面临的困境。非洲锥虫病患者无药可用,而发达国家正在用同样的成分追求美丽。

《纽约时报》与《60分钟》将发展中国家迫切的医疗诉求与发达国家的美容市场用一种多胺合成抑制剂联系起来。新闻媒体的良知促进了企业对社会责任的追求,百时美施贵宝与WHO达成协议,同意向无国界医生和WHO免费捐赠药物。Aventis也同意继续供应DFMO和其他抗锥虫病药物,并向WHO进行捐助。在新闻媒体的监督之下,私营公司、非政府组织、与政府机构开展了合作,联手解决急迫的公共卫生问题【6】【8】。

《60分钟》报道引起了社会关注。图片来源:alexanderstreet.com

治疗神经母细胞瘤

如今,多胺合成抑制剂似乎已经找到了它们的适应证,DFMO在药物列表中的位置也好像早已被固定。但有意思的是,2023年底,DFMO在一种罕见肿瘤的治疗中找到了它的位置。五十多年后,Russell和肿瘤学家们提出的靶向多胺合成治疗肿瘤的心愿得到了回应。

神经母细胞瘤(Neuroblastoma,NB)是一种罕见的儿童神经内分泌肿瘤。在白人群体,发病率为每百万人9.7例。NB发病年龄很早,绝大多数都发生在儿童时期,确诊时的年龄中位数仅为18个月。神经母细胞瘤受很多遗传因素影响,常见的有转录因子MYCN的扩增、ALK激酶的突变、以及一些染色体改变。肿瘤可以被分为不同的风险类别,许多低危的NB无需治疗即可自行消退,但高危的NB转移率高,预后很差。

在胚胎发育过程中,神经管关闭后形成神经嵴,神经嵴细胞可以分化并迁移。大部分神经嵴细胞会迁移到背部,并分化为交感神经-肾上腺前体细胞,再进一步形成外周神经系统。NB起源于神经嵴分化异常,因此肿瘤可发生于交感神经系统的任何部位,大多发生在肾上腺髓质和交感神经节。高级别的肿瘤常常发生浸润和转移。由于发病位置比较隐蔽,患者年龄又太小,NB常常由于腹部过大或高血压而偶然发现,这可能导致治疗延误。

神经母细胞瘤的临床表现。图片来源:【9】

目前NB的诊断有一套基于影像学、病理、年龄、分化程度、基因组分析的成熟的风险分级系统。分级后再开展进一步治疗。对于高风险NB,当前的治疗方式有化疗(包括清髓性化疗)、自体干细胞移植、分化治疗、以及免疫治疗等等。这些方案已将NB的5年生存率从不到20%提高到50%。

这里的免疫治疗与常被报道的免疫检查点抑制剂不同,是NB特异性的。由于在几乎所有NB细胞表面都鉴定出二唾液神经节苷脂 GD2 的高表达,而在正常组织中表达水平很低,科学家利用抗 GD2 单克隆抗体开展对NB的靶向治疗,疗效十分显著,将无事件生存率提高了20%【10】。2021年,中国抗GD2单抗也获批上市,目前已有两款抗GD2单抗药物可供使用。

尽管生存率得到了显著提高,仍有许多NB患者会进展为复发和/或难治性NB。这些患者的治疗极度困难,长期治愈非常罕见,目前仅有一些化疗方案。因此,科学家们致力于通过将各类靶向治疗与这些化疗相结合,希望能够进一步延长这些患者的寿命。

在这些尝试中,DFMO再次现身了。接近一半的高危神母患者伴有原癌基因MYCN的高表达,引发NB肿瘤代谢模式的改变,导致这种类型的NB在一定程度上依赖于多胺合成【11】。在临床前试验中,DFMO被证明能够联合多种临床用药物协同杀伤NB【12】。因此,科学家们提出在常规治疗后,用DFMO联合化疗方案,可能进一步延长这些复发和/或难治性NB患者的寿命。2023年10月,《临床肿瘤学杂志》发表了一项研究,在抗GD2单抗免疫治疗后持续口服DFMO显著降低了高危神经母细胞瘤患者的复发风险,改善了患者的无事件生存期【13】。由于高危神经母细胞瘤是一种罕见的难治性疾病,DFMO的申请获得了FDA的优先评审、突破性疗法认定和孤儿药认定。

2023年12月13日,基于这项研究,FDA批准DFMO用于降低成人和儿童高危神经母细胞瘤患者的复发风险【14】。在50多年后,DFMO重回肿瘤治疗的战场。从列文虎克发现多胺距今已有350年。50年前科学家们提出抑制多胺合成治疗肿瘤的策略,历经发现新治疗策略的兴奋、临床试验失败的沮丧、在寄生虫疾病上的突破、在逐利目标下险些被放弃、在美容市场上重现、直到如今在一类罕见肿瘤上终于得到应用。这是一个药物的传奇历史,也是一代代科学家和临床医师们不懈努力的结果。DFMO是一个有趣的例子,在神经母细胞瘤这个罕见肿瘤的治疗上,还有很多前沿疗法在不断探索中。

(作者杨云龙,系复旦大学基础医学院细胞与遗传医学系教授、副主任,在中国细胞生物学会医学细胞生物学分会、中国优生科学协会基因诊断与精准医学分会兼职;作者陶灵,系复旦大学公共卫生学院研究员。疾病不断地改变着每个人的人生轨迹,但除了医生与医学研究者,人们很少有机会了解各式各样的疾病。“识病寻源”专栏将以一文一病的形式,介绍对疾病的认识进程,疾病的病因及其治疗。跟随医学科学的进步,理解现代医学。)

参考文献:

1. Bachrach, U., The early history of polyamine research. Plant Physiol Biochem, 2010. 48(7): p. 490-5.

2. Russell, D.H., Increased polyamine concentrations in the urine of human cancer patients. Nat New Biol, 1971. 233(39): p. 144-5.

3. Metcalf, B.W., et al., Catalytic irreversible inhibition of mammalian ornithine decarboxylase (E.C.4.1.1.17) by substrate and product analogs. Journal of the American Chemical Society, 1978. 100(8): p. 2551-2553.

4. Bacchi, C.J., et al., Polyamine metabolism: a potential therapeutic target in trypanosomes. Science, 1980. 210(4467): p. 332-4.

5. Ebikeme, C., The death and life of the resurrection drug. PLoS Negl Trop Dis, 2014. 8(7): p. e2910.

6. DFMO Story. Available from: https://www.kidsforworldhealth.org/dfmo-story/.

7. Cosmetic saves a cure for sleeping sickness. Available from: https://www.nytimes.com/2001/02/09/world/cosmetic-saves-a-cure-for-sleeping-sickness.html.

8. Coyne, P.E., Jr., The eflornithine story. J Am Acad Dermatol, 2001. 45(5): p. 784-6.

9. Maris, J.M., Recent advances in neuroblastoma. N Engl J Med, 2010. 362(23): p. 2202-11.

10. Yu, A.L., et al., Anti-GD2 antibody with GM-CSF, interleukin-2, and isotretinoin for neuroblastoma. N Engl J Med, 2010. 363(14): p. 1324-34.

11. Hogarty, M.D., et al., ODC1 is a critical determinant of MYCN oncogenesis and a therapeutic target in neuroblastoma. Cancer Res, 2008. 68(23): p. 9735-45.

12. Tao, L., et al., CHAF1A Blocks Neuronal Differentiation and Promotes Neuroblastoma Oncogenesis via Metabolic Reprogramming. Adv Sci (Weinh), 2021. 8(19): p. e2005047.

13. Oesterheld, J., et al., Eflornithine as Postimmunotherapy Maintenance in High-Risk Neuroblastoma: Externally Controlled, Propensity Score-Matched Survival Outcome Comparisons. J Clin Oncol, 2024. 42(1): p. 90-102.

14. FDA approves eflornithine for adult and pediatric patients with high-risk neuroblastoma. Available from: https://www.fda.gov/drugs/resources-information-approved-drugs/fda-approves-eflornithine-adult-and-pediatric-patients-high-risk-neuroblastoma.

 
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