互动科普

研究人员在寻求新的癌症疗法的过程中利用癌症特有的分子异常。

    在本世纪80年代以前，对于癌细胞是如何获得其致命的失控生长和扩散特性的，科学家们几乎是一无所知。研究人员发现了一些对癌症有效的新药，他们主要是通过使癌细胞接触各种不同的化合物并观察它们能否停止细胞分裂，或者是给患有癌症的动物注射一种化合物并确定癌肿的缩减率，来做到这一点的。遗憾的是，许多能够杀伤癌细胞的药剂同时也会损害健康的组织，如正常的骨髓和肠道细胞，从而产生(并再继续产生)不合意的有时甚至是危险的副作用。

最近，将正常细胞转变成痛变恶性细胞的分子缺陷己开始明晰了〔参见本期Robert A. Weinberg所撰“癌症是如何产生的”一文。〕许多这类缺陷都是由以某种方式决定着细胞的繁殖即生长的关键种类的基因的突变构成的。这类突变能够改变由生长调节基因编码的蛋白质的数量或行为，并由此而破坏控制细胞分裂的功能。对突变基因的认识正在使药物研制人员设计出专门对被破坏的基因或由其编码的蛋白质起作用的新型药物。人们希望这类药物能够使恶性细胞恢复正常，或者是在做不到这一点的情况下，杀灭恶性细胞而又不对健康细胞造成重大损害。尽管这类药物中的大多数现在才开始试验，但初步的研究结果使我们相信，它们会带来从分子水平上控制癌症的美好前景。

    据发现，被分子水平的疗法作为靶子的这类缺陷存在于三类基因中。第一类即所谓的致癌基因。它们通过细胞周期——即细胞长大，进行DNA自我复制和分裂的一系列事件——促进细胞发展，并将一整套基因传递给每个子细胞。第二类基因限制细胞的这种生长发展，它们被统称为抑癌基因。第三类基因则负责调控DNA的复制与修复。大多数癌肿都存在着上述三类基因中的一类或更多种类的突变。

    本文将就各类基因进行讨论，并将对所涉及的生物化学机制进行解释，本文还将说明抗癌药物将会如何被物送到癌变细胞以及将如何阻止癌症发展。最后，我们还将简略讨论癌症的治疗前景，尽管事实上任何一种己知的遗传缺陷都有可能提供治疗概念，但本文仍将专门论述有可能在今后10年内付诸临床应用的治疗方法。

致癌基因：触发癌症

致癌基因是驱使细胞增殖的正常基因(有时称为“原致癌基因”)的突变型式。致癌基因与正常基因之间的差别有可能很细微。致癌基因最终产生的突变蛋白质与正常蛋白质的差别有可能仅一个氨基酸之差。然而，这一个变更就有可能根本改变该蛋白质的功能。   

这类致癌突变中最常见的一种见于ras基因。所有人类癌症中约有20-30 %都包含着一个异常的ras基因。由ras基因编码的蛋白质(即Ras蛋白质其行为通常类似于指令细胞分裂的信号通道中的中继开关——为响应从细胞外发送给它的信号刺激，Ras蛋白质激活信号传输通道的其余部分。

    在缺乏外来刺激的情况下，Ras蛋白质通常处于“关闭”状态。然而。已突变的Ras蛋白质其行为则象一直处于“开通”状态的开关。它持续不断地向细胞发出错误指令，在细胞本不该分裂的时候指令其分裂。上述研究结果意味着，能够阻止已突变的Ras蛋白质的行动的化合物有可能成为一种有效的抗癌药物。(这类能起阻断作用的化合物就称为“拮抗药”。)然而，怎样才能使已突变的Ras蛋白质失活呢?

    当研究人员开始了解Ras蛋白质是如何生成的之时一种可能的答案也就昭然若揭了。新近生成的Ras蛋白质分子其功能都是不成熟的。这类分子前体要变成成熟而有活性的型式，还必须经历几次生物化学修饰。然后Ras蛋白质便附着在细胞的外膜的内表面。它们可以在这里同其它的细胞蛋白质相互作用，并促进细胞生长。

    上述变化发生在Ras蛋白质前体的一端。酶在这里作用于称为“CAAX箱”的区段。修饰分三步发生，其中最要紧的是第一步该步骤称为“法尼基化步骤”(farnesylation step)。通过这一步骤，15个碳原子被加到Ras蛋白质前体上。一种称为“法尼基转移酶”(farnesyl   transferase)的特殊的酶催化这一反应。

    阻断Ras蛋白质活性的一种作法是抑制这种酶，从而停止这种修饰。研究人员已创造出几种这类抑制剂。在细胞培养物中，这类抑制剂阻止Ras蛋白质的成熟并逆转由突变的Ras 基因引起的癌性变异，动物试验也己产生出令人鼓舞的结果，表明法尼基转移酶抑制剂能够防止异常的Ras蛋白质生成新的癌肿。此外，这类抑制剂还能导致现有的这类癌肿退化。

    值得庆幸的是，法尼基转移酶抑制剂似乎非常专一。这类制剂并不影响正常细胞或被其它致癌基因变异的细胞。这类制剂的专一性说明其副作用极其轻微。事实上，以大剂量——足以消除原有癌肿的剂量——给予的许多这类抑制剂没有对动物体内的正常组织显示出任何毒性。

    已可以用作抗癌剂靶子的另一组致癌基因是那些为“蛋白激酶”编码的基因。(已发现其激酶基因发生突变的一些癌症包括慢性骨髓性白血病、乳腺癌和膀胱癌。)在正常的细胞中。蛋白激酶有助于调控许多重要过程。蛋白激酶的一些这类活动包括在细胞膜与细胞核之间发送信号在整个细胞周期中促使细胞发展，以及调控细胞的各种代谢功能。蛋白激酶根据特定的刺激激活其它蛋白质，从而控制上述过程。

    蛋白激酶可以通过两种方式导致癌症，一种是过分增殖。它是由激酶基因的控制区段的突变引起的。与正常细胞不同的是，癌细胞时常产生数量极高的某种蛋白激酶。数量极大的蛋白激酶使细胞在本应停止分裂时继续分裂。癌组织中常见的一种过量的蛋白激酶是表皮生长因子(EGF)受体。

    蛋白激酶的结构若是异常的，也有可能导致癌症。许多癌细胞都具有因某种结构缺陷而永远保持活性的蛋白激酶。因此，它们所导致的一些反应总是不适当地促使细胞分裂。在某些人类癌症起着异常作用的一些蛋白激醉包括Abl蛋白激酶、Src蛋白激酶以及cyclin依赖蛋白激酶。

    显然，对上述一种或更多种蛋白激酶有效的抑制剂有可能成为有效的抗癌剂。因难在于找到一种能将一种蛋白激酶同另一种蛋白激酶区别开的制剂。哺乳动物细胞的近1000种蛋白激酶中有许多种都有着高度相似的结构，尤其是其生化活性区段。因此，任何一种蛋白激酶的抑制剂都有可能破坏其它无关的但对于正常细胞功能却至关紧要的蛋白激酶的活性。

    尽管存在着这一大难题，但在过去几年时间里，药物研制人员已合成和试验过一系列蛋白激酶抑制剂。其中大多数都以蛋白激酶本身为目标。其余的则在遗传水平上起抑制作用(防止蛋白激酶生成)。例如，在所谓的反义法中，遗传物质片断干扰癌细胞的信使RNA，从而阻止蛋白激酶的生成。信使RNA分子实质上是基因的可移动的拷贝。同时也是细胞生成基因编码的蛋白质的物质模板〔参见本刊1996年第4期Jack S. Cohen和Michael E. Hogan所撰“新的基因药物”一文〕。

    值得注意的是，蛋白激酶抑制剂可以具备高度的选择性。在试管中，一些蛋白激酶抑制剂发现预期目标的频度比对无关的蛋白激酶高1000倍，更为重要的是关于培养物中完整细胞的研究结果。它们表明，这类化合物中的几种能够抑制具有突变的蛋白激酶基因的癌细胞的生长。更令人鼓舞的是，实验证明这类蛋白激酶抑制剂中的一些还能阻止动物体内癌细胞的生长。这一迹象表明，它们在人体内也有可能起到抗癌作用。这类抗癌剂给人们带来的希望是，在未来的几年内，将有可能找到治疗人类癌肿的一些蛋白激酶拮抗药。

抑瘤基因

    对癌症起着决定作用的第二大类基因包括那些在正常发挥作用的情况下能够抑制癌肿生长的基因。许多癌症皆起因于这类基因所编码的关键的调控蛋白质的缺失或机能失常。pRB蛋白质和p53蛋白质是两种主要的抑癌蛋白质。

    pRB蛋白质(得名于”retinoblastoma"(成视网膜细胞瘤)，人们最初是从这种肿瘤中鉴别出其称为“pRB”的基因的)有助于调控细胞周期。具体说来，其活性型式起着DNA复制阻断器的作用。在约占40%的人类癌症中，pRB基因的突变使其蛋白质失去活性。结果，这类细胞便无休无止地分裂下去。

    另一种具有深远的重要性的调节分子是p53蛋白质。这种蛋白质时常被称为基因组的护卫者，它们能够阻止正常细胞中受损的DNA的复制，并导致带有异常DNA的细胞自灭(apoptosis)。有缺陷的p53分子使带有缺损DNA的细胞在正常情况下本应死亡的时候继续存活，并在正常情况下本应停止复制的时候继续复制。这类功能紊乱的细胞会将任何现有的突变传递给其子代细胞而子代细胞随后就有可能将形成致命的癌肿所必需的另外的突变累积起来。在大多数人类癌肿中，p53基因都是有缺陷的。

    什么样的癌症疗法能够解决pRB基因和p53基因的机能失常问题目前已对几种普通的方法作过研讨。从理论上讲，最简单的方法就是用正常的基因来置换有缺陷的基因。这种所谓的基因疗法已在细胞培养物实验中显示出令人鼓舞的迹象——引入启细胞的正常RB基因或p53基因阻止了启细胞的生长。目前，研究人员正在设计供临床试验使用的药物原型。他们希望能将正常的p53基因引入人体内的癌细胞中。

    目前研究人员正在积极探索各种将基因导入癌细胞中的方法。减毒的病毒可以携带一种正常的基因并只将其导入癌细胞（参见本页左侧框内文字〕。然而，这种以病毒为媒介的方法还缺乏经验，并且面临着一些困难。其中比较严重的是，它可能受到免疫系统的优先打击。这种打击有可能在这些病毒有机会抵达癌细胞之前杀灭它们。

调节基因产物

    鉴于基因疗法面临着上述困难，许多研究抑癌剂的肿瘤学家转而探索起一种更为传统的方法。它需要确定起源于细胞中的遗传缺陷的一系列事件并设计出处理上述事件之一的药物。例如，在健康雌细胞中P蛋白质阻断另一种称为“E2F”的蛋白质的活性，后者在自由的情况下，促进DNA的合成。因此，pRB蛋白质的缺失就会导致无控制的E2F行动和猛烈的细胞增生。由此可见，能够抑制E2F的药物就可以阻止癌肿因pRB蛋白质缺失而扩展。

    目前，尚难预料这种蛋白质抑制剂会对正常细胞产生什么样的效果。然而，最近的一些实验(如对E2F基因已被专门“破坏”掉的小鼠的研究) 如今已使得模拟其潜在的副作用成为可能。通过将这类研究结果推广到人类。我们就可以先于临床试验数年预铡这类药物的有害副作用并且或许还能找到避免这类副作用的方法。

    研究人员知道pRB基因所调控的生物化学通道。然而却不知道p53所调控的生物化学通道。我们并不砚切知道起源于p53基因缺失的一系列分子事件。结果我们至今没能发现p53下游的潜在抗癌药靶子。

    然而p53蛋白质失活的一个奇妙特点却为此提供了一个机会。一些试管实验表明，正常的p53机能可以用一些小分子恢复。当这些小分子附着在突变的失活的p53蛋白质上时，就能重新激活它。若是同样的功能恢复作用能在癌细胞中实现，我们就可以指望癌细胞停止生长甚或死亡。因为p53的机能之二是促使异常的细胞自灭，鉴于许多癌肿都具有缺损的p53基因，因而尽管这种方法的技术可行性充满挑战。但其潜在价值却是无限巨大的。目前，许多实验室正在努力探索这种方法。

监测DNA修复的基因

    有可能作为分子靶的第三大类基因包括那些有助于监测和维持DNA完整性的基因。这些DNA在复制过程中时常受到损伤。若是没有这些机制受到损伤的基因得到修复的可能性便会大大减少，而这种损伤作为一种永久的突变最终被传递给该细胞的子代的可能性则会增加。事实上，癌细胞在其DNA修复过程中时常会出现缺陷。例如，10%—20%的人类结肠癌在通常有助于修复DNA的基因(如MLH1，MSH2，PMS1和PMS2等基因)中出现突变。

    其它一些基因则间接地参与DNA修复。事实上，这些基因的突变要更为常见得多。这些基因中有一些是为“检查站”蛋白质编码的。这类蛋白质在整个细胞周期中监测细胞的发展。并在早期的阶段末被成功通过的情况下，防止下一阶段的发生。例如，在DNA未被精确复制的情况下，最值得注意的检查站蛋白质是ATM和再一次被包括在内的多功能的p53。缺乏正常的ATM或p53基因的癌细胞会失去这些监测机制，任何受到损伤的DNA都会被仓促通过复制过程。从而提高在子代细胞中发生随机突变的频率。

    正如突变的抑癌基因的情况一样，基因疗法可用于置换为DNA修复蛋白质或相关的蛋白质编码的缺失的或受损的基因。一项更为根本的方法可能是让一些癌细胞导致自身突变直至死亡。提高自身突变率的癌细胞要付出代价——许多突变都是致死性的。并且会导致子代细胞死亡。癌肿损失得起许多子代细胞。只要己获得的一些突变能够提高至少一些该癌肿的子代细胞的存活率。然而。若是所产生的突变过多。则该癌肿的任何子代细胞都不可能存活下去。

促使癌细胞产生不能存活的子代细胞的一种方法是同时抑制几种检查站机制。接触到损害DNA的X射线的普通酵母细胞只有受到大剂量放射才会死亡。然而，若是其检查站基因之一发生了突变，则该酵母细胞对放射就会更为敏感。事实上，若是两种或更多的检查站基因同时发生了突变。则该酵母细胞就会对放射超敏感。这时，即使放射剂量很低，也可以致其死亡。

目前，肿瘤学家们正在根据上述研究结果设计药物筛选试样，以找到能够抑制检查站蛋白质的抗癌剂。这些药物可以对在一种检查站基因中具有一种已知缺陷(例如，一种突变的p53基因)的癌细胞生效。在有许多这类缺陷的情况下癌细胞就很容易死亡，或至少很容易屈服于其它治疗。有几种化合物己在细胞培养物中显示出几分希望、尽管临床试验或许要到世纪之交之后才能开始。

 除了涉及细胞生长的靶子以外，分子疗法还可以用来针对其它一些重要的分子，这类疗法中的一些有可能在今后4年内实现。例如。各种蛋白质将细胞保持在体内的某个部位。由于有了这一知识。研究人员已发现了一些有可能防止癌症细胞在体内转移即扩散的药物。如蛋白酶抑制剂之类〔参见本期Erkki Ruoslahti所撰“癌症的扩散方式”一文〕，其它一些药物则将用于阻断端粒酶。这种酶可以重建能够复制染色体的端粒。从而使得癌细胞在其它一些细胞会死亡的情况下保持不灭，一些化合物（如所谓的“TNP - 474"）有可能阻止为癌肿提供养分的新血管的生成〔参见本期Judah Folkman所撰“破坏供血的抗癌法”一文。〕   

尽管本文概述的抗癌药物的靶子只代表了过去10年中癌症生物学上所取得的最令人振奋的进展的一部分。但我们仍应指出，对于上述研究结果转化为临床疗法的速度，人们不可过于乐观。根据这些现代研究结果开发出来的新药必须克服许多与一般的化学疗法所须克服的相同的障碍。这类药物不仅必须找出致癌目标，而且还必须找到一种以充足的有效剂量渗透到癌细胞中的方法。固态癌肿给药物输送带来了许多障碍，不仅有许多血液在瘤肿深处流动，而且一些药物很难注满给癌肿提供养分的血管以外的组织。因而也就难以找到进入癌肿本身的途径〔参见本刊1991年第11期Rakesh K. Jain所撰“固态肿瘤内药物传递的障碍“一文〕。当然，还有毒性、副作用以及癌细胞中出现抗药性等间题。

    制药科技的一些最新方法可以用来促进药物开发。这些方法之中包括产生化合物的重组遗传学技术、用作模型系统的遗传工程动物、化合物的大量自动筛选、组合化学工艺以及计算机辅助药物设计。即使这些工艺方法都应用上了，但根据从分子靶初次被发现到针对该靶的新药被发现、得到改进和获得临床应用批准的时间来衡量，大多数抗癌药物要能投入临床应用也至少还要10年时间。

    首先，要证实一种靶子对于人类癌症的发生发展确实起着关键作用，还必须用2至3年时间进行的分子的、遗传学方面的以及细胞生物学方面的研究。此后，要找到有希望的化合物，还必须花一到二年进行生化筛选试验。一旦发现了一种优良有效的药物样品，药物化学家还必须对这种药物进行改进，以使其效力、专一性和药理学特性最优化，这些工作一般还要再花3到5年时间，并且需要合成数百种到数千种相关化合物。而一旦进人临床阶段。要确定药物的安全性、效力和适当剂量。传统的药物三步评估过程就有可能还要再花3到5年甚或更长的时间。

关于抗癌药物发现改进的上述时间表使基础癌症研究人员和临床肿瘤学家都面临着一个严峻的现实。尽管如此，但在抗癌药物的开发进程中。几种以分子为靶子、基于抑制的癌症疗法仍取得了很大进展。抑制蛋白激酶的反义抗癌药已在去年早些时候开始临床试验。法尼基转移酶抑制剂以及其它几种激酶抑制剂应能在今后2至4年内开始临床试验。旨在以正常基因置换突变基因的基因疗法则还需要更长的时间(至少是10年以后）才能问世。  

除了具有激光束的高度精确性以外。以分子为靶子的癌症疗法可能还有另一个有利于治疗的特征。出于至今尚未明了的一些原因，在癌细胞带有多个分子缺陷而又只有其中的一个缺陷得到治疗的情况下，癌细胞似乎也能显示出疗效。因此，癌症患者要获得疗效，可能就没有必要同时服用几种药物。

    尽管前面还存在着一些难以克服的障碍，但下一代癌症疗法仍然有着高效低毒的潜力。由于分子癌症疗法可以针对的靶子为数众多，我们有充分的理由相信，一些化合物将为人类征服癌症之战提供强有力的新式武器。

利用病毒导入抗癌药物

    或许病毒是将药物导人癌细胞的最有希望的手段。在基因疗法中，减毒的病毒可以起到媒介作用。将正常的基因导入癌细胞中。就其将起治疗作用的基因输送到癌细胞中的潜在能力而论，这些病毒中最适合作药物传播媒介的当数腺病毒。腺病毒含有DNA(某些病毒，如反转录病毒，仅含有RNA)。若是一种适用于治疗的基因被拼接到病毒的DNA中，则这种病毒将把所需要的基因送入它所侵袭的任何细胞中。只要在插入新基因时病毒自身的赋予毒性的基因被去除了，这种病毒便不会损害机体。

    腺病毒还可以专门杀灭癌细胞。当某种病毒进人正常细胞中时。所谓的P53蛋白质的反应便是指令受感染的该细胞停止生成DNA，从而阻止该病毒复制。腺病毒蛋白质可以直接同p53蛋白质结合。从而使之失去活性。随后。该病毒便可以利用该细胞的机构进行自我复制。

腺病毒可以用遗传工程方式加以改变。使之只能对癌细胞而不能对健康细胞发出指令。明确地说就是，腺病毒的同p53结合的蛋白质可作特殊处理，使之不再能同p53结合。结果，该病毒便不能阻断p53的活性。因此。它就只能在缺乏正常的P53的细胞中复制。也就是说，只能在多种癌细胞中复制。事实上多项研究已经证明，这类经过修饰的病毒可在癌细胞中进行有效复制，并转而生成相同的子代病毒。从理论上讲，这类病毒随后可以继续侵袭邻近的癌细胞，并进而在整个癌肿中扩散。癌肿中的所有细胞都可以通过这种方式而被感染和杀灭。

    病毒媒介治癌法目前尚处于萌芽状态，并且还有几个技术障碍有待克服。或许其中最关键的是要确保足够比例的癌细胞受到感染，并确保任何新导入的基因能够产生足够的正常蛋白质以阻止癌细胞生长，并改善和维持患者的健康。还有可能出现针对病毒媒介蛋白质的免疫反应。例如，免疫系统有可能在病毒抵达其目标之前对其进行攻击并使之失效。这种方法在癌症治疗上的最终投入使用可能取决于治疗期间人们能在多大程度上控制免疫反应。一种减毒的腺病毒目前正在朝临床试验发展，并且理应在今后两年内开始初步在患者中试用。研究人员还在探索其它的抗癌剂导入法，所采用的是多种可替换的病毒(如反转录病毒)和脂质，它们想必不会引起免疫反应。