2016年，醫(yī)生邀請Eileen Kapotes參與一款藥物的臨床試驗，這種藥物之前從未用于她所患的疾病。Kapotes是一名50多歲的一年級教師，她正在與體內(nèi)擴散的侵襲性乳腺癌作斗爭。在過去的四年中，她經(jīng)歷了包括全腦放療在內(nèi)的艱苦治療，除此之外，她還一直在服用乳腺癌藥物赫賽汀，但腫瘤仍在增長。現(xiàn)在一種截然不同的治療方法擺在她面前：使用蘆可替尼，這是一種最初用于治療血液和骨髓癌癥的藥物。

“Kapotes對新藥反應(yīng)情況令人驚訝，”西奈山醫(yī)院負責治療Kapotes的腫瘤學(xué)家Amy Tiersten說，“蘆可替尼阻止了她體內(nèi)癌癥的發(fā)展，而且?guī)缀鯖]有副作用。”

蘆可替尼試驗是哥倫比亞大學(xué)系統(tǒng)生物學(xué)家Andrea Califano歷時十年探索的產(chǎn)物。他通過復(fù)雜的計算，對維持癌細胞的分子網(wǎng)絡(luò)進行建模，并精確定位關(guān)鍵的轉(zhuǎn)錄因子蛋白，這些蛋白控制著細胞內(nèi)許多基因的表達。Califano與當時也在哥倫比亞大學(xué)任職的細胞生物學(xué)家José Silva進行合作，對其他赫賽汀耐藥患者組織庫中的乳腺癌樣本進行了分析。結(jié)果表明，轉(zhuǎn)錄因子STAT3在這些患者所患癌癥中起著至關(guān)重要的作用。蘆可替尼正是可以抑制STAT3的藥物。

當時，其他的研究學(xué)者專注于確定個別患者的致病遺傳突變。普遍認為這樣做有助于為每個患者確定最佳藥物。但是人群中致癌突變具有多樣性，按照這種方法可能需要成千上萬種藥物來治療每個人。

相比之下，Califano的方法則與眾不同。他專注于識別一些充當“瓶頸”的轉(zhuǎn)錄因子（下圖）。無論癌癥最初由哪一突變引發(fā)，靶向Califano所說的主要調(diào)節(jié)因子，都可以阻止其進一步發(fā)展。腫瘤學(xué)家仍需分析每個患者的突變，以確定哪些調(diào)節(jié)因子在特定的癌癥中發(fā)揮作用，但這次可能僅需數(shù)十種，而非成千上萬種藥物。這是個性化醫(yī)療的非個性化方法。

擊中癌癥的“瓶頸”。如果靶向的突變在基因網(wǎng)絡(luò)太上游的位置，就很難關(guān)閉癌細胞出錯的基因網(wǎng)絡(luò)。但即使在僅使用一種藥物的情況下，禁用充當細胞遺傳電路中主要調(diào)節(jié)因子的轉(zhuǎn)錄因子也可能會導(dǎo)致癌細胞的死亡。(圖片來源：Nature Review Cancer)

Califano在2015年與他人共同創(chuàng)立了DarwinHealth，通過利用Califano的算法來識別患者腫瘤中的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子，并為疾病推薦靶向藥物。盡管有人指出這種方法僅在人體測試的早期階段，其臨床用途仍不確定，但Califano的工作還是贏得了其他研究學(xué)者的稱贊。Califano的合作機構(gòu)Jackson Laboratory的總裁兼CEO Ed Liu對此持樂觀態(tài)度，他認為這種方法終將獲得回報。“隨著我們開發(fā)用來攻擊這些節(jié)點的方法越來越精確，他的算法將變得更加有用。”

Califano的方法即將進行最大規(guī)模的測試。哥倫比亞大學(xué)已撥款1500萬美元用于對其醫(yī)院未來3年內(nèi)的3000例癌癥患者進行試驗，試驗會使用DarwinHealth的算法分析每個患者的癌癥并推薦治療方法。“這可能是我研究中最激動人心的時刻之一，” Califano說，“因為最終我們能夠在足夠大規(guī)模的試驗中應(yīng)用這一方法論，能夠真正地從患者的藥物反應(yīng)中獲得一些信息。”

算法起源

時間轉(zhuǎn)回1958年秋天，一名年輕的科學(xué)家Fran?ois Jacob帶著關(guān)于遺傳機制如何控制細胞行為的假說前往了他的同事Jacques Monod所在的巴黎巴斯德研究所。這是兩個骨子里帶著叛逆的年輕人，在第二次世界大戰(zhàn)中，Jacob代表流亡的法國政府與納粹作戰(zhàn)并負傷，而Monod這個經(jīng)驗豐富的攀巖者參加了法國抵抗運動的游擊活動。在接下來的幾年中，兩人一起工作，他們首次對遺傳電路進行了概念證明。這項工作最終使他們獲得了1965年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。

Jacob和Monod的大腸桿菌實驗表明，這些細菌中的基因網(wǎng)絡(luò)可以改變某些酶的產(chǎn)生，具體取決于它們可獲得的食物類型。當環(huán)境中乳糖豐富時，細菌會開啟基因來編碼可代謝乳糖的酶。但是在只能獲取葡萄糖的情況下，細菌就會關(guān)閉編碼乳糖代謝酶的基因。這一發(fā)現(xiàn)開創(chuàng)性地證明了單個基因的活性可以被增強或抑制。

隨后幾十年的實驗逐漸解釋了細胞機制如何發(fā)揮這種控制作用。其中一個關(guān)鍵因素就是轉(zhuǎn)錄因子，一種可以增強或抑制其它基因活性的蛋白質(zhì)。單個細胞的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)要比Jacob和Monod當時所揭示的要復(fù)雜得多。人類基因組包含20 000個基因，其中預(yù)估有1500個基因能產(chǎn)生轉(zhuǎn)錄因子。這也形成了一個復(fù)雜的遺傳開關(guān)網(wǎng)絡(luò)。

Califano認為如果他能確定癌癥的關(guān)鍵開關(guān)，也許能夠關(guān)閉驅(qū)動癌癥生長的基因變化。1986年他在完成物理領(lǐng)域的培訓(xùn)后，加入了IBM的計算機視覺與人工智能先導(dǎo)項目。但是IBM所在處無法建立實驗室供Califano追求他對生物學(xué)的興趣。他于2000年選擇離開IBM，在2003年就職哥倫比亞大學(xué)。他一來到這里就踏上了編寫代碼解決癌癥之謎的道路。

現(xiàn)在Califano算法的底層數(shù)據(jù)來自RNA測序（RNA-seq）。RNA-seq能對標示基因開關(guān)狀態(tài)的RNA分子進行測序來衡量細胞內(nèi)的基因活性。算法會處理大量的RNA-seq數(shù)據(jù)，來揭示與健康組織相比，哪些基因在癌癥中過度活躍或活躍性不足。然后，使用復(fù)雜的方程推導(dǎo)基因相互作用的模式，并瞄準影響最大的轉(zhuǎn)錄因子。

癌癥關(guān)鍵驅(qū)動因素的尋找并不容易。2018年對9000多個樣本的分析就報告了近150萬個突變。基因在錯綜復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)和反饋回路中彼此相互影響，因此這些基因擾動在腫瘤中相互作用的方式是相當多的。“有1000個基因在所有可能引發(fā)癌癥的腫瘤中反復(fù)地發(fā)生突變，因此與地球上的原子相比，人類具有更多可能的癌癥突變組合。”Califano說。

制藥行業(yè)無法為每一種獨特的突變組合制造新藥。因此，確認常見的致癌主要調(diào)節(jié)因子至關(guān)重要。

（圖片來源：The Economist）

在哥倫比亞大學(xué)，Califano與他的前博士后研究員Mariano Alvarez合作開發(fā)了更高效的基因網(wǎng)絡(luò)分類算法。目前的VIPER（virtual inference of protein activity by enriched regulon analysis）算法已被用于數(shù)十項膀胱癌、前列腺癌和肺癌中龐大關(guān)聯(lián)的基因網(wǎng)絡(luò)如何發(fā)生錯誤的相關(guān)研究。

最近Califano及其同事使用VIPER算法對Cancer Genome Atlas（美國政府贊助的數(shù)據(jù)庫）中的10 000多個個體腫瘤樣本的RNA-seq數(shù)據(jù)進行分析后發(fā)現(xiàn)，不同類型癌癥的共同之處比從前所認為的要更多。算法鑒定出了407個轉(zhuǎn)錄因子基因在所有癌癥樣品中均為疑似關(guān)鍵基因，其中只有20到25個與任一種特定癌癥有關(guān)。Califano認為抗癌可能并不需要敲除所有的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子：推翻幾個結(jié)點就足夠了。

商業(yè)化

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6月23日，雙鷺藥業(yè)來那度胺膠囊通過一致性評價，這是繼齊魯制藥、正大天晴之后，第3家該品種通過一致性評價的企業(yè)。 來那度胺作為新一代免疫調(diào)節(jié)劑，原研由新基研發(fā)，具有免疫調(diào)節(jié)、抗血管生成和抗腫瘤特性，臨床廣泛應(yīng)用于多發(fā)性骨髓瘤、淋巴瘤、骨髓增生異...

Carifano是最早推出利用復(fù)雜算法分析抗癌方法的科學(xué)家之一，隨后又有其它研究者進行效仿。冷泉港實驗室癌癥中心主任David Tuveson認為Carifano算法的優(yōu)勢在于其可以查看包括RNA和蛋白質(zhì)在內(nèi)的整個基因產(chǎn)物網(wǎng)絡(luò)。他也在自己的研究中使用VIPER來尋找胰腺癌的治療方法。

Califano也希望將他的算法應(yīng)用于患者。商業(yè)化的想法始于2013年，在英屬維爾京群島的海灘上他遇到了來度假的Gideon Bosker，他是一名急診科醫(yī)生，后來創(chuàng)立了一家成功的醫(yī)學(xué)教育公司。兩人一見如故，兩年后他們決定組建DarwinHealth。哥倫比亞大學(xué)將VIPER技術(shù)授權(quán)給DarwinHealth，Bosker將自己的140萬美元投入其中。自那時起，DarwinHealth的合作機構(gòu)已使用公司的算法贊助了十多個研究項目。

Andrea Califano（右）和Gideon Bosker（左）創(chuàng)立了DarwinHealth（圖片來源：DarwinHealth）

DarwinHealth將Califano的算法與數(shù)據(jù)庫結(jié)合，數(shù)據(jù)庫信息來源于藥物如何影響多個基因的試驗，編譯自公司的文獻綜述和其它資料。現(xiàn)在只要遵循患者組織轉(zhuǎn)交的相關(guān)規(guī)定，世界各地的醫(yī)生就可以將組織樣本發(fā)送至哥倫比亞大學(xué)的病理部門進行RNA的提取。DarwinHealth為患者癌癥中可能作用最大的主要調(diào)節(jié)因子生成了“OncoTarget”，同時還對現(xiàn)有能抑制腫瘤中25種最活躍的轉(zhuǎn)錄因子的藥物和能增強這25種被抑制的轉(zhuǎn)錄因子的藥物生成了更為復(fù)雜的“OncoTreat”。該產(chǎn)品于2018年推出，售價1600美元。

沙利度胺的指引

俄勒岡健康與科學(xué)大學(xué)奈特癌癥研究所的精密腫瘤學(xué)主任Gordon Mills在自己的研究數(shù)據(jù)中應(yīng)用了Califano的算法，他認為Califano的抗癌算法仍需克服許多障礙。“有關(guān)我們是否能夠預(yù)測人類疾病復(fù)雜性的懷疑一直存在，已有的數(shù)百種算法未能真正抓住癌癥的復(fù)雜性和異質(zhì)性，也未能將其成功地運用于臨床。”

雖然這看似是個不太可能成功的方向，但是Califano覺得他對癌癥關(guān)鍵因子的尋找將會取得成功，因為他看到了希望：沙利度胺。

在上世紀50年代中期，沙利度胺被用作鎮(zhèn)靜劑來幫助人們改善睡眠和焦慮癥。醫(yī)生也會為孕期嘔吐的孕婦使用沙利度胺，然而用藥結(jié)果令人難以承受，沙利度胺造成了胎兒包括四肢缺失和心臟問題在內(nèi)的嚴重先天缺陷。但是后來沙利度胺又作為一種麻風病治療藥物而再度興起。1997年，醫(yī)生開始測試沙利度胺在抗多發(fā)性骨髓瘤中的作用。

后來，科學(xué)家們對沙利度胺的作用機理有了更多的了解。2018年的一項研究發(fā)現(xiàn)沙利度胺會促使細胞內(nèi)的泛素連接酶cereblon為清除某些轉(zhuǎn)錄因子做標記。在多發(fā)性骨髓瘤中，被標記的轉(zhuǎn)錄因子IKZF1和IKZF3在基因網(wǎng)絡(luò)中起關(guān)鍵作用，兩者都會使癌癥在體內(nèi)肆意生長。對Califano而言，沙利度胺的成功表明尋找現(xiàn)有可以靶向癌癥主要調(diào)節(jié)因子的藥物是有價值的。

候選藥物很是稀缺。許多藥物都靶向一些具有酶活性和有易于靶向的活性位點的蛋白質(zhì)，但是轉(zhuǎn)錄因子缺乏這種位點，許多研究人員認為它們是不可成藥的。

但是Califano的實驗室正在嘗試增加潛在藥物的清單。通過癌細胞樣本的高通量篩選，來研究候選藥物如何改變細胞的RNA-seq表達譜以及藥物是否能逆轉(zhuǎn)主要調(diào)節(jié)因子的活性。

生產(chǎn)FDA批準的治療多發(fā)性骨髓瘤的沙利度胺的百時美施貴寶也加入了這一行列，現(xiàn)已與DarwinHealth簽約來系統(tǒng)地對其化合物庫進行搜索，來尋找其它可能靶向主要調(diào)節(jié)因子的化合物。

臨床驗證

西奈山伊坎醫(yī)學(xué)院的Samir Parek等人最近進行的一項臨床試驗為DarwinHealth的抗癌方法提供了支持。這項試驗的目的是測試地塞米松和selinexor這兩種藥物的組合對多發(fā)性骨髓瘤的治療效果。僅有約四分之一的患者在使用該藥物組合后血液中骨髓瘤蛋白的水平發(fā)生了下降。而在回顧性分析中，DarwinHealth的算法工具預(yù)測了哪些患者會有反應(yīng)。在對12例患者的RNA-seq數(shù)據(jù)進行評估后，確定了受益于藥物的5例患者中的4例以及未受益于藥物的7例患者中的6例。這項分析結(jié)果于去年發(fā)表在《新英格蘭醫(yī)學(xué)雜志》上。

蒙特利爾大學(xué)的Morgan Craig也使用計算方法來確定新藥，他認為對癌癥分子網(wǎng)絡(luò)的探索工作可能會改善個性化醫(yī)學(xué)。像DarwinHealth所使用的算法或許不會立即取代臨床方法，但絕對是向著嘗試更加系統(tǒng)地進行靶點識別邁進的一步。

過去三年來，Carifano實驗室已在哥倫比亞大學(xué)的試驗中測試了DarwinHealth的算法。研究人員對100多個癌癥患者活檢樣中的RNA-seq數(shù)據(jù)進行分析，確定了主要調(diào)節(jié)因子。算法所推薦的藥物是通常并不會被考慮使用的藥物。隨后研究人員在移植有患者腫瘤的小鼠中測試了這一藥物，確認藥物是否如預(yù)期一樣會影響主要調(diào)節(jié)因子。醫(yī)生認為其中的5例患者可以大膽嘗試使用算法建議的藥物。這些患者皆為癌癥晚期，已經(jīng)不會對可用治療產(chǎn)生響應(yīng)。

這5例患者中有4例在給藥后產(chǎn)生了一次以上的反應(yīng)。算法推薦其中一位患有腦膜瘤的患者使用依托泊苷，這款藥最初主要用于治療肺癌和卵巢癌。用藥后患者的腫瘤停止生長了一年多。后期出現(xiàn)輕微反彈，他接受了另一項臨床試驗。此后，他的腫瘤又開始迅速生長。

Califano希望以這些軼聞病理結(jié)果為基礎(chǔ)進行正式的臨床試驗。據(jù)悉，哥倫比亞大學(xué)系統(tǒng)中的3000例患者將進行DarwinHealth的Oncotarget和Oncotreat測試。醫(yī)生委員會最終將根據(jù)傳統(tǒng)測序或基于VIPER的算法所檢測到的突變信息選擇患者所用的藥物。

Califano和Bosker還向世界各地的其他研究人員授予DarwinHealth工具的使用權(quán)來進行癌癥測試。今年1月，北京大學(xué)腫瘤醫(yī)院確認將使用DarwinHealth的工具為臨床試驗中的患者提供指導(dǎo)治療。領(lǐng)導(dǎo)這項新研究的腫瘤學(xué)家張小田說：“這些臨床研究都將集中在胃腸道腫瘤，特別是胃癌和食道癌上。如果早期結(jié)果有希望的話，這項研究將擴展到其它醫(yī)院。”

隨著DarwinHealth的方法在多地進入臨床測試，更多像Kapotes這樣的患者將會接受從未用于他們所患疾病的藥物進行治療。這可能會為癌癥治療贏得寶貴的時間。在參與蘆可替尼試驗后兩年多的時間內(nèi)，Kapotes的病情保持穩(wěn)定。在掃描顯示她的腫瘤又開始生長時，Tiersten為她轉(zhuǎn)用了另一種剛獲FDA批準的藥物。

這些天，Kapotes享受著她的退休生活和與家人共度的時光。她現(xiàn)在服用的新批藥物通過不同的機制發(fā)揮抗癌作用，但是如果之前沒有使用蘆可替尼，Kapotes將永遠沒有機會服用這個藥。