2014年7月暑期，昔日熙熙攘攘的清華校園漸趨安靜。在生命科學(xué)學(xué)院生物膜與膜生物工程國家重點實驗室內(nèi)，顏寧教授和幾位穿著白大褂的年輕研究人員依然與試管、分析儀器、工作臺、書籍為伴。

正是顏寧團隊6月首次解析了人源葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白GLUT1的晶體結(jié)構(gòu)。6月初，科學(xué)期刊《自然》長文刊發(fā)了這一研究成果，同時引發(fā)學(xué)術(shù)界與社會公眾熱議。

這是一個競爭頗強的研究領(lǐng)域。“哺乳動物的膜蛋白結(jié)構(gòu)研究難度遠遠大于對細菌同源蛋白的研究，因此至今獲得的哺乳動物膜蛋白的結(jié)構(gòu)寥寥無幾。但要針對人類疾病開發(fā)藥物，獲得人源轉(zhuǎn)運蛋白結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。”2012年諾貝爾化學(xué)獎得主布萊恩·克比爾卡如此評價，對于GLUT1的結(jié)構(gòu)解析是極富挑戰(zhàn)、極具風(fēng)險的工作，這是一項偉大的成就。

破解GLUT1之謎

顏寧對于團隊獲得GLUT1的晶體結(jié)構(gòu)頗感“驕傲”，“因為完全是按照邏輯一步步拿到的結(jié)構(gòu)，而不是靠‘篩選’?！?/p>

人類對葡萄糖跨膜轉(zhuǎn)運的研究已有約100年的歷史。葡萄糖是生物最重要、最基本的能量來源，為人體各器官系統(tǒng)供給能量。葡萄糖的第一步是進入細胞，但親水的葡萄糖僅溶于水，而疏水的細胞膜就像一層油，擋住了葡萄糖的去路，因此，葡萄糖自身無法穿過細胞膜，必須依靠轉(zhuǎn)運蛋白這個“運輸機器”來完成。

葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白鑲嵌于細胞膜上，如同在疏水的細胞膜上開了一扇一扇的門，將葡萄糖從細胞外轉(zhuǎn)運到細胞內(nèi)。

科學(xué)家在1977年第一次從紅細胞里分離出轉(zhuǎn)運葡萄糖的蛋白質(zhì)GLUT1，八年后鑒定出GLUT1的基因序列。此后，研究人員一直設(shè)法獲取GLUT1的三維結(jié)構(gòu)，以真正認識其轉(zhuǎn)運機理。

三維結(jié)構(gòu)是為了幫助在晶體狀態(tài)下觀察實驗，而蛋白質(zhì)“結(jié)晶”是一道障礙。“迄今對大分子的結(jié)晶是不可預(yù)測的，所以我們總是把這個過程稱為‘藝術(shù)’，而不是‘科學(xué)’。這個復(fù)雜過程的規(guī)律還沒被勘破?！鳖亴幷f。

過去幾十年間，諸多世界頂尖實驗室都曾為此或仍在為此攻關(guān)，始終未能成功。有科學(xué)家嘗試從紅細胞中、動物組織中直接提取GLUT1，或者通過重組表達的方法獲取，還嘗試通過研究GLUT1-4的同源蛋白結(jié)構(gòu)信息來間接理解這些重要的人源轉(zhuǎn)運蛋白。1985年，美國麻省理工學(xué)院Harvey Lodish實驗室首次鑒定出了人體GLUT1蛋白的基因序列，并根據(jù)氨基酸序列預(yù)測其具有12次跨膜區(qū)的拓撲結(jié)構(gòu)。

從2007年組建團隊之初，顏寧的實驗室就將GLUT家族作為主要研究對象。蛋白結(jié)晶所需要的環(huán)境不能預(yù)測，顏寧就想到“搞殘”這個蛋白質(zhì)，讓它的動態(tài)慢一點，“老態(tài)龍鐘一點，我們就可以咔嚓一下截獲其中一個狀態(tài)”。

她的學(xué)生閱讀大量文獻后，終于找到了讓GLUT1慢下來幾千倍的一個突變。以后的事情就水到渠成。2012年，顏寧研究組首次解析了GLUTs的大腸桿菌同源蛋白XylE與葡萄糖結(jié)合的高分辨率晶體結(jié)構(gòu)，并利用同源建模預(yù)測了GLUT1-4的三維結(jié)構(gòu)。

這次人源GLUT1蛋白的晶體結(jié)構(gòu)的捕獲為理解轉(zhuǎn)運蛋白掀開了新的一章。科學(xué)界在經(jīng)過了半個多世紀的探索之后，終于看到了全面認識GLUT1的希望。

如何餓死癌細胞

顏寧團隊的研究成果提供了這樣一種可能：通過控制GLUT1這扇“門”，調(diào)控癌細胞的葡萄糖，進而抑制比正常細胞需求更多葡萄糖的癌細胞的生長，使“餓死癌細胞”成為可能。

癌細胞多以無氧呼吸為主，耗糖量遠遠大于以有氧呼吸為主的正常細胞，因此采用靶向GLUT1的“饑餓療法”可以讓癌細胞攝取的葡萄糖急劇減少，能選擇性殺死癌細胞，而對正常細胞影響較小。

廣州中醫(yī)藥大學(xué)教授曾慶平在接受《財經(jīng)》記者采訪時表示，“我們可以GLUT1為靶點，通過藥物設(shè)計開發(fā)出專門針對GLUT1的抑制劑，這就像控制住葡萄糖進入癌細胞的大門，抑制劑則像一把鎖，將門牢牢鎖住?！?/p>

事實上，“餓死癌細胞”的想法很早就有。在學(xué)術(shù)領(lǐng)域，“餓死癌細胞”通常被稱為“饑餓療法”?！梆囸I療法”屬于靶向治療的一種。靶向治療就像“生物導(dǎo)彈”，用藥物“瞄準”腫瘤細胞表面的分子標記物之后，“定位”殺死腫瘤細胞，而不會傷害正常細胞。但這一過程充滿了偶然與反復(fù)試驗。上世紀70年代佛克曼提出通過抑制腫瘤新生血管達到治療腫瘤的目的，直到20多年后這一設(shè)想才在臨床實現(xiàn)。

1971年，哈佛大學(xué)佛克曼教授首次提出切斷腫瘤血管、餓死癌細胞理論。實驗證明：擁有血管的腫瘤三天就能長到原來體積的1.6萬倍，而沒有血管的腫瘤一個月的時間連1毫米都長不到?！澳[瘤”與“血管”的關(guān)系是“樹”與“根”、“魚”與“水”的關(guān)系，“血管”就是腫瘤的“命門”，破壞或者清除腫瘤的血管，腫瘤必然死亡。

曾慶平在上世紀80年代讀研究生時，接觸了靶向療法。在那個年代，佛克曼提出的腫瘤“饑餓療法”設(shè)想讓所有進行癌癥相關(guān)研究的科學(xué)家們?yōu)橹膭?。雖然當(dāng)時沒有直接參與，“學(xué)校里好多實驗室都在進行這方面的研究”。曾慶平說。

1994年8月，哈佛大學(xué)癌癥研究中心開展了名震全球的“l(fā)ewis肺癌小鼠”試驗：用天然的“腫瘤血管抑制劑”喂食七只lewis肺癌小鼠兩周，七只小鼠腫瘤全部消失。該試驗促使很多科學(xué)家投入餓死癌細胞的研究中。

美國泛美癌癥治療中心的古維普拉特博士的一項研究表明：在癌癥患者中，約有10%的人會發(fā)生腫瘤自然消失，這一部分患者極少有復(fù)發(fā)的現(xiàn)象。美國癌癥協(xié)會對近6000例自然消退的癌癥病人進行研究，結(jié)論是：癌癥自然消退的根本原因在于腫瘤血管被破壞。

靶向治療要求科學(xué)家必須先找到可能抑制的靶。研究人員先從分子、細胞等入手，研究各個靶點的具體結(jié)構(gòu)功能，以及它們在腫瘤發(fā)生發(fā)展過程中所起的作用，并針對這些靶點開發(fā)新藥，然后在臨床治療中通過療效的評估來驗證。

顏寧團隊對GLUT1結(jié)構(gòu)的解析之所以引起科學(xué)界的關(guān)注，正是在于提供了一個新靶點。

新的癌癥療法

顏寧團隊的研究一經(jīng)公布，各大媒體歡呼“餓死癌細胞”。

從2010年開始，癌癥致死率超過心臟病，成為全球頭號殺手?！?012中國腫瘤登記年報》稱，全國每分鐘就有6人被確診為癌癥，每年因癌癥死亡的病例為270萬人，平均每天約7300人、每分鐘有5人死于癌癥。這組驚人的數(shù)字使癌癥研究的每一個進展都引人關(guān)注。

“新聞報道之后的擴展與反應(yīng)是我從來沒有預(yù)料到的?！鳖亴帉Α敦斀?jīng)》記者說。在清華大學(xué)新聞發(fā)布會上介紹這個科研成果時，顏寧提到餓死癌細胞這一可能的思路，“這五個字鋪天蓋地成了新聞，我都不太敢看了”。

其實，從基礎(chǔ)研究到臨床應(yīng)用這一過程異常復(fù)雜。

在生命科學(xué)領(lǐng)域，今天的成果可能被明天的成果推翻，這樣的事時有發(fā)生。對于十分復(fù)雜的癌癥研究，從一個基礎(chǔ)研究思路的萌發(fā)到成果的呈現(xiàn)，再到研發(fā)藥物、創(chuàng)造療法，一般都需要幾十年的時間。

如何繪制從GLUT1結(jié)構(gòu)解析到臨床應(yīng)用的路線圖？曾慶平認為幾乎沒人能給出確切的路線圖，因為“生物學(xué)研究有很多不確定性，難度極大。明天的發(fā)現(xiàn)可能更新或修改甚至否定今天的結(jié)論。一個一類新藥從開發(fā)到上市至少需要十年時間，花費10億美元”。

經(jīng)過近百年系統(tǒng)地科學(xué)研究，人類再也不像以前那樣認為癌癥“攻不可破”。美國西北大學(xué)癌癥專家帕特爾說，人類近50年內(nèi)在癌癥研究方面取得了令人難以置信的進展，了解癌生物學(xué)是過去數(shù)十年里振奮人心的進展，“今年美國將有近1400萬人戰(zhàn)勝癌癥，預(yù)測未來數(shù)十年該數(shù)字還將翻倍”。

6月初，在芝加哥召開的美國臨床腫瘤學(xué)會（ASCO）第50屆年會上，腫瘤靶向治療成為與會專家們熱議的焦點之一。手術(shù)、放療與化療這些針對癌癥的常規(guī)治療手段都不盡如人意，放、化療在殺死癌細胞的同時往往連同正常細胞一起“絞殺”，且副作用讓患者難以承受；手術(shù)治療則不易徹底清除癌細胞，難逃癌細胞擴散的風(fēng)險。因此，研究人員把目光鎖定在靶向療法，如今，諸如“抗腫瘤血管生成+抗腫瘤細胞增殖”的“A+治療方案”已在許多醫(yī)院普及。

很多基于作用機制設(shè)計的靶向藥物已用于臨床，有些按照循證醫(yī)學(xué)的原則進入了國際腫瘤學(xué)界公認的標準治療方案和規(guī)范。伊馬替尼、吉非替尼、艾羅替尼等激酶抑制劑就是在基礎(chǔ)研究的推進下相繼問世。

于2011年被美國食品和藥品監(jiān)督管理局（FDA）批準用于治療十個不同癌癥的伊馬替尼，被廣泛用于治療慢性粒細胞性白血病（CML）、胃腸道間質(zhì)瘤和其他一些疾病。研發(fā)該藥物的瑞士諾華公司在當(dāng)年就憑借該藥創(chuàng)造了40億美元的營業(yè)額，使前期花費巨大的研究收到回報。

此外，使用病人本身的免疫系統(tǒng)來對付腫瘤的免疫療法也受到關(guān)注，它與靶向療法為治療黑色素瘤、白血病和其他約五種癌癥帶來希望。過去十年，美國的癌癥死亡率每年下降1.5%；現(xiàn)在被診斷患癌的人，未來五年存活的機會超過66%。

不過，癌癥的饑餓療法也存有隱患?！鞍┘毎緛砭吞幱谝粋€缺營養(yǎng)和缺氧氣的環(huán)境，饑餓療法有可能會加速癌細胞向營養(yǎng)及氧氣更加豐富的部位移行，加速癌細胞的轉(zhuǎn)移與擴散。”曾慶平稱，不管是傳統(tǒng)療法，還是靶向治療的“A+治療方案”，治療過程中的癌細胞擴散都是不好控制的。

不僅如此，靶向藥物長期使用的不良反應(yīng)也受到科學(xué)家們的重視。越來越多的臨床應(yīng)用證實，埃羅替尼的使用有發(fā)生遷延不愈的皮疹的風(fēng)險；不少報道顯示患者在長期應(yīng)用吉非替尼后可能出現(xiàn)傷口愈合困難的狀況。

中國工程院院士、國家新藥（抗腫瘤）臨床研究中心主任孫燕認為，人們應(yīng)該理性地認識到靶向治療剛剛開始應(yīng)用，還處于入門階段，“雖然它很有潛力，但并不能代替手術(shù)、化療、放療等傳統(tǒng)的腫瘤治療方法，不要盲目使用”。

孫燕說：“靶向治療藥物應(yīng)用臨床經(jīng)驗還不多，觀察時間不長。盡管其潛力巨大，也需要對病人、腫瘤、藥物三方面特別深入了解，謹慎試用。”