科學發(fā)現(xiàn)：得知將患不治之癥后，她決定自救，和丈夫找到革命性新療法

埃里克（左）與索尼婭（右）在他們位于馬薩諸塞州劍橋市的博德研究所研究朊病毒疾病的實驗室里。攝影：伊森·希爾（Ethan Hill）
朊病毒病作為一類發(fā)病速度極快的神經(jīng)退行性疾病，不僅難以確診，而且沒有特效藥，患者發(fā)病數(shù)月后就會死亡。得知自己極有可能在未來患上朊病毒病后，本文作者索尼婭和丈夫放棄之前的工作，轉(zhuǎn)行進入生物研究領(lǐng)域。經(jīng)過多年研究，他們提出了一種針對朊病毒基因的新療法，希望能夠阻止朊病毒病的發(fā)作。
2011年10月9日，索尼婭獲悉她的朊蛋白基因很可能存在一種罕見的核糖核酸突變。這種突變會讓她年輕時就患上朊病毒?。╬rion disease），導致大腦功能紊亂，并且很快就會死去。
通常情況下，我們的大腦中存在一種名為朊蛋白（PrP）的蛋白質(zhì)，當其正常構(gòu)象轉(zhuǎn)變成異常構(gòu)象時，朊蛋白就變?yōu)殡貌《?，引起朊病毒疾病。而當朊病毒接觸到正常構(gòu)象的PrP蛋白，也會使正常蛋白構(gòu)象扭曲變成朊病毒。接著，這種錯誤折疊的蛋白質(zhì)會如水流般擴散到整個大腦，其殺死腦細胞的速度超過了其他任何已知的神經(jīng)退行性疾病。
到了2011年底，我們確認索尼婭確實遺傳了這種可怕的突變。從那時起，我和她就有了一項新任務(wù)：治療這種基因突變帶來的可怕疾病。一旦能完成任務(wù)，就意味著索尼婭和其他患者的大腦能在幾年或幾十年間，甚至一輩子都保持健康和完整的大腦功能。而任務(wù)失敗則意味著在她最好的年華里，索尼婭可能一夜之間就會被疾病擊倒。在出現(xiàn)明顯癥狀的幾周內(nèi)，她將遭受毀滅性的腦損傷。
朊病毒疾病中，朊蛋白是唯一的病發(fā)因素，因此我們希望通過現(xiàn)有的技術(shù)減少大腦中PrP蛋白的數(shù)量，從而消耗朊病毒傳播所需的原料。但麻煩的是朊病毒病進展太快，因此我們想要贏得這場戰(zhàn)斗，最好的辦法就是在疾病發(fā)展之前采取行動。過去8年中，我們?yōu)樗幬镅邪l(fā)付出了大量努力，因為一種有潛力預(yù)防疾病的藥物，不僅要具備延緩疾病進展的能力，還要能長久地維持大腦健康。
改變生活的一年
在得知索尼婭可能會患病前的幾個月，我們已經(jīng)目睹了朊病毒病在她母親卡姆尼（Kamni）身上發(fā)病的整個過程。
2010年2月，卡姆尼的身體狀況良好而且大腦認知功能也沒問題，僅因視力模糊去做過眼科檢查。而到了3月17日，當索尼婭打電話祝媽媽52歲生日快樂時，卡姆尼連一句話都說不完整了。到5月份，她只能通過舌頭發(fā)出聲音來進行交流，且有超過一半的時間認不出家人，也會忘記自己已經(jīng)失去行走能力。到了6月，她開始依賴輪椅生活，并多次住院治療。她仍然可以用眼神交流，但開始害怕觸摸。7月，她已經(jīng)不能說話、吃飯，也不能坐起來，她的臉上寫滿了痛苦。因為在床上不斷地掙扎，為了防止她拔出喂養(yǎng)管和結(jié)腸造瘺管，護士只好將她的手腳束縛在醫(yī)院病床上，此時她除了恐懼已經(jīng)沒什么其他感覺。到了8月份，她只能一直依靠氣管插管和呼吸機輔助通氣，發(fā)不出聲音并且一動不動。然而直到這時，醫(yī)生仍然無法確診她患的是什么疾病。
那年12月，卡姆尼去世了，我們竟然感受到了一種解脫感，我從未想過這種感覺會和親人聯(lián)系到一起?？纺崴篮?，我們逐漸地試圖把這件傷心的事情拋在腦后，但其實最糟糕的事離我們僅一步之遙。
2011年10月，索尼婭的父親告訴了她一條完全改變我們生活的消息。尸檢顯示，卡姆尼的患上的疾病是致死性家族性失眠癥，這是一種遺傳型朊病毒病。卡姆尼的朊蛋白基因上有缺陷，因此索尼婭有50%的患病風險。到2011年底，我們得知索尼婭確實從她母親那里遺傳了朊蛋白基因突變，這意味著她幾乎肯定也會患上朊病毒病，而她當時才27歲。
我們立刻決定將畢生精力投入到尋找治療朊病毒病的方法上。我們進入夜校學習生物學，放棄了律師和工程領(lǐng)域的職業(yè)，謀取了一個研究性實驗室的入門職位，并于2014年進入哈佛大學醫(yī)學院攻讀博士學位。現(xiàn)在我們在美國馬薩諸塞州劍橋市的博德研究所運行著一個朊病毒研究實驗室。毫無疑問，如果僅僅只是為了讓索尼婭在朊病毒引起的嚴重癡呆癥狀態(tài)下，從存活6個月延長到12個月，我們根本不需要這樣做。我們的目標自始至終都是讓索尼婭的大腦在未來多年或幾十年保持健康，如果可能的話，我們希望索尼婭的大腦能永遠健康。為此，我們需要預(yù)防朊病毒病的發(fā)生。
致命的畸形蛋白
朊病毒病有多種表現(xiàn)形式，如克雅氏?。–JD，克羅伊茨費爾特-雅各布?。?、致死性家族性失眠癥和牛海綿狀腦?。˙SE，即“瘋牛病”）等。1982年，神經(jīng)學家斯坦利·B·普魯西納（Stanley B. Prusiner）發(fā)現(xiàn)這些疾病都是由單一蛋白引起，而這個蛋白就是朊病毒。這一發(fā)現(xiàn)讓他獲得了1997年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。而這種僅由PrP蛋白構(gòu)象改變引起的疾病就統(tǒng)稱朊病毒病。
大多數(shù)朊病毒病是隨機發(fā)生的，這一類也被稱為散發(fā)型。而除了散發(fā)型朊病毒病，還有大約15%的病例是由編碼朊蛋白的基因突變導致的遺傳型朊病毒病。出于我們尚未完全掌握的原因，這些突變使得朊蛋白更容易發(fā)生錯誤折疊。擁有兩個正常朊蛋白基因拷貝的人，一生中朊蛋白自發(fā)產(chǎn)生畸形的可能性約為五千分之一，而具有卡姆尼那種朊蛋白基因突變的人，患朊病毒病的風險超過90%。
朊蛋白基因位于人類20號染色體的短臂上。它由1.5萬個堿基對組成，其中762個堿基對負責編碼朊蛋白——它的最終形式是由208個氨基酸組成的肽鏈。大多數(shù)引起遺傳型朊病毒病的突變往往只是朊蛋白基因中出現(xiàn)單個堿基的改變，由此導致朊蛋白分子中一個氨基酸產(chǎn)生變化。而也有部分情況是朊蛋白基因中的八肽重復(fù)區(qū)擴張，導致出現(xiàn)一個更長的朊蛋白。
在正常構(gòu)象下，朊蛋白中大約一半長度的肽鏈由“α螺旋”構(gòu)成有序狀態(tài)，這種螺旋結(jié)構(gòu)普遍存在于蛋白質(zhì)中。在這有序部分的末端，朊蛋白通過一個糖基錨將它附著在細胞膜的外表面，這里也是它天然的“棲息地”。朊蛋白的另一半肽鏈是無序的，像一條松弛的尾巴懸掛在細胞外表面，穿插在細胞間隙中。
盡管研究人員并不完全了解朊病毒的結(jié)構(gòu)，但我們確實知道錯誤折疊的朊蛋白通常由更多的“β折疊”和較少的“α螺旋”組成。在錯誤折疊時，朊蛋白更能抵抗蛋白酶的降解。這個錯誤折疊的朊蛋白之所以成為朊病毒或感染性蛋白質(zhì)顆粒，是因為它可以作為模板來連接正常形態(tài)的朊蛋白，并促使它們出現(xiàn)錯誤折疊。朊病毒的級聯(lián)放大效應(yīng)會在大腦中擴散，從而形成纖維絲和聚集體，并通過目前尚不清楚的機制殺死神經(jīng)細胞。
另外，朊病毒有不同的毒株，而各毒株具有不同的特性。更為復(fù)雜的是，每種毒株事實上可能由一系列不同錯誤折疊的朊蛋白所組成，即一種朊病毒毒株的構(gòu)成是可變化的。當我們討論朊病毒感染時，我們會發(fā)現(xiàn)這就像一個遺傳背景多樣化的細菌群體，當感染環(huán)境發(fā)生變化時，某些個體會占優(yōu)勢從而顯現(xiàn)出來。
為了治療朊病毒病，研究人員會傾向于尋找減少細胞中朊病毒數(shù)量的化合物。然而由于朊病毒毒株構(gòu)成的可變性，這種單一藥物治療策略往往注定是失敗的。
消耗疾病原料
由于朊病毒以指數(shù)級的速度復(fù)制，甚至在癥狀出現(xiàn)之前，數(shù)十億的朊病毒就已經(jīng)填充了大腦，一旦它們開始殺死腦細胞，殺傷速率會變得非?？臁Ｒ虼?，臨床試驗需要篩查出有“早期癥狀”的患者，但在早期篩查出這種疾病是非常困難的。但患者到了如卡姆尼那樣不能說話的階段時，就算病情進展能被阻止，藥物治療對已經(jīng)出現(xiàn)的腦損傷也已無能為力了。
為此我們需要開發(fā)一種新的藥物：這些藥物不僅能延緩疾病進展，而且能讓大腦維持更長時間的健康狀態(tài)。
但由于發(fā)病年齡的差別很大并且患者人數(shù)較少，追蹤遺傳型朊病毒病患者到其發(fā)病幾乎是不可行的。此外，我們和同行對朊病毒病的風險人群進行的追蹤研究，沒有發(fā)現(xiàn)朊病毒病患者會出現(xiàn)可檢測的病理進展性標記分子。事實上，在出現(xiàn)癡呆癥狀之前，朊病毒病幾乎都無法檢測：它不像是你能聽到貨運列車駛近的隆隆聲，由遠至近；更像是你抬頭看到了小行星撞擊，瞬間就發(fā)生了。
索尼婭、埃里克和他們的女兒道魯卡（Daruka）
這時，我們?nèi)绾巫C明一種藥物可以拯救索尼婭的生命？事實上在我們開始探索這個問題時，答案就已經(jīng)擺在我們面前，它就存在于改變我們生活的基因檢測報告中。我們已經(jīng)知道導致朊病毒病的只有一種基因和一種蛋白，所以解決之道就是在朊蛋白出現(xiàn)折疊錯誤之前，靶向這些可能會出錯的正常朊蛋白。
如果我們能降低大腦中朊蛋白的產(chǎn)量，那么我們就可以延緩疾病的發(fā)生。例如，如果小鼠大腦只產(chǎn)生一半的朊蛋白，相比于產(chǎn)生正常朊蛋白量的小鼠，它們在被同樣數(shù)量的朊病毒感染后，顯現(xiàn)出朊病毒病癥的時間延長了一倍以上。這是因為在周邊朊蛋白較少的情況下，朊病毒復(fù)制所需的時間要長很多。幸運的是，朊蛋白似乎對大腦行使正常功能并不重要?！扒贸绷穗玫鞍谆虻男∈?、山羊和奶?？雌饋硎墙】档?，同時只擁有單拷貝朊蛋白基因活性的人也同樣健康。
如此看來，我們能利用反義寡核苷酸（ASOs）靶向大腦中的朊蛋白，降低其含量。所謂反義寡核苷酸就是短的、經(jīng)過化學修飾的核苷酸序列，這些序列可以靶向目標脫氧核糖核酸分子并觸發(fā)其降解，從而阻止生成相應(yīng)的蛋白。最近，位于加利福尼亞州卡爾斯巴德的伊奧尼斯制藥公司（Ionis Pharmaceuticals）已經(jīng)開發(fā)出反義寡核苷酸試劑，并發(fā)現(xiàn)了向人的中樞神經(jīng)系統(tǒng)給藥的方法。通過和伊奧尼斯合作，我們在過去5年中發(fā)現(xiàn)，使用反義寡核苷酸可以降低大腦中朊蛋白的水平，從而使被朊病毒感染的小鼠健康存活更久。
根據(jù)這些臨床前實驗結(jié)果，再加上我們收集的臨床、基因和其他數(shù)據(jù)以及啟動的臨床試驗注冊，我們已經(jīng)說服了伊奧尼斯公司著手開發(fā)一種基于反義寡核苷酸的藥物來治療朊病毒病。我們的目標是在未來幾年進行首例人體試驗。這是首次有行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)決定開發(fā)一種合理的、靶向朊病毒病的療法。
如果最終能證明，通過反義寡核苷酸降低朊蛋白可以幫助有癥狀的朊病毒病患者，我們會非常興奮。但我們還需要找到一種方法，使這種藥物讓潛在的朊病毒病患者受益，即使它只能起預(yù)防作用。我們認為脊髓液中朊蛋白的濃度可以作為藥效的生物標志物，也能作為衡量藥物是否具有預(yù)期效果的分子指標。也就是說，我們建議治療那些仍然健康的潛在患者，并通過檢測脊髓液中朊蛋白濃度是否降低來判斷治療是否有效。
在2017年的一次會議上，我們向美國食品藥品監(jiān)督管理局的官員提交了這一計劃，他們對我們提出的治療朊病毒病的預(yù)防性方法表現(xiàn)出極大的熱情。過去兩年中，我們學會了如何精確定量脊髓液中的朊蛋白，并收集證據(jù)證明它來自中樞神經(jīng)系統(tǒng)。我們還知道朊蛋白的水平在相當長的時間內(nèi)能保持足夠穩(wěn)定，因此如果藥物治療有效的話，我們就可以檢測到脊髓液中朊蛋白濃度的下降。
對于朊病毒病，我們可能別無選擇。但這同時意味著我們有機會開辟一條以預(yù)防疾病為目標的道路。盡管現(xiàn)代神經(jīng)科學取得了巨大的進步，但每個人的大腦都保持著無法用語言表述的、不可知的復(fù)雜性，它是由1000億個神經(jīng)元相互聯(lián)系所組成的網(wǎng)絡(luò)，對于這個網(wǎng)絡(luò)，我們尚不能理解、不能修復(fù)，也不可能用其它東西取代。如果你要問，能為自己、你的親人和伴侶的大腦健康做些什么，你可能會發(fā)現(xiàn)你的答案和我們的一樣：預(yù)防大腦疾病的發(fā)生。
撰文：索尼婭·米尼克爾·瓦拉布、埃里克·瓦拉布·米尼克爾
翻譯：祝岸凱?張哲?師潤?高振興
審校：李朝陽，廣州醫(yī)科大學附屬腫瘤醫(yī)院教授，呼吸疾病國家重點實驗室成員。
文章來源：環(huán)球科學


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