釜,是古代的一种锅,盛行于汉代,肚子大,有的有两个耳朵,造型十分可爱。薪,是柴火。成语釜底抽薪的字面意思是用釜烧水时,直接抽去柴火,意为从根本上解决问题。两军交战,粮草先行,这是战争中最朴素的道理。三国时期,袁绍与曹操两军在官渡对峙,展开了战略意义上的大决战。曹操采纳了袁绍归降谋士许攸的建议,偷袭了袁军屯粮之地乌巢,断绝了袁绍的粮草供应,可谓釜底抽薪。袁军见乌巢失手,方寸大乱,最后溃不成军。曹军一鼓作气,拿下了官渡之战。此战成为“以弱胜强”的经典战例,奠定了曹操统一中国北方的基础。癌细胞的“粮草”又是什么呢,我们能否从“吃”上动动脑筋呢?别急,对付癌细胞这个“大胃王”,需要下一番功夫。
俗话说,“人是铁,饭是钢,一顿不吃饿得慌”。癌细胞,作为一种生命形式,它也得吃东西啊!既然如此,我们能否断绝癌细胞的粮草,釜底抽薪,饿死它们呢?在这之前,我们必须要弄清楚一个问题,那就是:癌细胞到底吃什么?这个“吃什么”,就是一种靶向思路,通过特定靶向癌细胞的“食物链”,让癌细胞吃不着赖以生存的粮食,进而乘机将其击溃。
20世纪20年代,德国生理学家瓦尔堡(Otto Heinrich Warburg)发现,与正常细胞不一样,癌细胞通过摄食大量葡萄糖来促进生长,这便是著名的瓦尔堡效应(Warburg Effect)。时隔80多年,直到2011年,癌症领域泰斗温伯格(Robert Weinberg)才将癌细胞特殊代谢方式列入癌细胞新兴特质之一,科学家们也纷纷将干扰癌细胞代谢作为药物开发的新思路。但癌细胞代谢异常复杂,将“饿死癌细胞”这一美好初衷转化为现实任重道远,特别是越来越多证据显示,人体干细胞和免疫细胞在“吃”这件事上,居然和癌细胞有着相似的口味。
说到癌细胞爱吃什么,不得不提到葡萄糖以及被翻来覆去炒作了近百年的瓦尔堡效应,起起伏伏,一路被推崇、忽视、质疑和修改。具体聊瓦尔堡效应前,先来了解一下瓦尔堡这个传奇人物吧。
1883年,瓦尔堡出生于瑞士边境弗莱堡的一个书香之家。父亲老瓦尔堡(Emil Warburg)来自显赫的银行大亨世家。瓦尔堡家族在16世纪是威尼斯最富有的家族之一。然而,老瓦尔堡并没有选择子承父业,而是追随自己对物理的极大兴趣,成为著名的物理学家。老瓦尔堡与爱因斯坦交往颇深,好几位学生与诺贝尔物理学奖有交集。
受父亲的影响和熏陶,瓦尔堡也走上了学术之路,涉猎颇广:他先是考上了柏林大学化学系,师从诺贝尔奖得主费歇尔(Emil Fischer),并拿下了博士学位。之后瓦尔堡又去了海德堡大学,在另一位诺贝尔奖得主能斯特(Walther Nernst)实验室进行研究,获得医学博士学位。
这位年仅28岁就囊获双博士学位、前途无量的学霸,在第一次世界大战爆发后,出乎所有人意料,毅然决然地放弃了科学研究,投笔从戎。作为马术爱好者,瓦尔堡在前线的精锐骑兵部队中担任军官,并因其英勇表现获得勋章。不得不说,天选之子在哪里都能发光发亮。
尽管瓦尔堡认为,这段经历为他提供了学术象牙塔之外的现实生活体验,但作为伯父的爱因斯坦却不以为然。在瓦尔堡父母实在没辙的情况下,爱因斯坦写信给瓦尔堡,苦口婆心劝他不要恋战,要尽快回归学术,并断言“对这个世界来说,失去你的才华将是一个悲剧”。
1918年,彼时战争已经接近尾声,瓦尔堡自己也负了伤。收到爱因斯坦的来信后,他听从劝告,回到柏林并启动了“开挂”般的科学之旅,专攻细胞呼吸和肿瘤细胞代谢研究。
1931年,瓦尔堡因发现呼吸酶的性质和作用方式荣获当年的诺贝尔生理学和医学奖。面对成绩和荣誉,他没有停止步伐,继发现铁氧酶后,1932年又和同事们发现了另外一种呼吸酶——黄酶,以及奠定癌症代谢研究百年基础的瓦尔堡效应。
获得诺贝尔奖的同一年,在洛克菲勒基金会的资助下,威廉皇帝学会成立了细胞生理研究所,聘请了瓦尔堡担任所长。两年时间,瓦尔堡大刀阔斧“招兵买马”,使研究所颇具规模。无奈天意弄人,彼时德国政局发生了翻天覆地的变化。作为犹太人,瓦尔堡惶惶不可终日。
最终,他没有离开德国,继续从事科学研究,但是这么做遭到学术界的口诛笔伐。战后瓦尔堡回忆,他能理解铺天盖地的流言蜚语,但他不认为自己做错了什么。
这期间的是非对错只能留给历史去评判。1970年,87岁的瓦尔堡去世,一个辉煌灿烂又充满了争议的生命就此终结。
了解了瓦尔堡的生平,再回过头来看看到底什么是瓦尔堡效应。先敲黑板划两个重点:第一,与正常细胞相比,癌细胞吃掉更多葡萄糖;第二,葡萄糖代谢有两种模式,一种通过糖酵解,将1个葡萄糖分子转化成2个ATP;另一种是通过氧化磷酸化,将1个葡萄糖分子转化成36个ATP。
癌细胞的数学估计是体育老师教的,它居然更喜欢第一种方式。这就意味着,吃同样数量的糖,癌细胞只能输出2个ATP。我们不禁要问:癌细胞是傻吗?恰恰相反,癌细胞其实是布了一盘大局来求生。首先,虽然产生的能量少,但糖酵解的速度快得多。相比于氧化磷酸化,糖酵解可以10—100倍地高速产生能量。其次,在糖酵解的过程中,还会产生副产品(中间代谢物),对癌细胞的生长有帮助。这两个优点对癌细胞也很重要。同时需要强调的是,瓦尔堡效应在不同癌细胞、癌症的不同发展阶段的重要性大有不同,这也是瓦尔堡效应一直被争论的重要原因。
除了葡萄糖,癌细胞和乳酸也有一段不得不说的微妙关系。癌细胞不仅能通过糖酵解产生乳酸,还可以通过食用乳酸来产生能量。可见,癌细胞利用了一切可利用的资源进行顽强地战斗。2017年前,已有大量研究表明乳酸也是癌细胞的食物之一,可毕竟乳酸作为葡萄糖的配角进入癌症研究舞台,一直活在葡萄糖的明星光环下。2017年10月,《自然》杂志和《细胞》杂志不约而同地发表了两篇关于体内癌细胞摄取乳酸的文章,他们发现,和传统的理论相悖,乳酸竟是最大庄家,而不是葡萄糖。至此,乳酸总算扬眉吐气,逆袭成主角。
此外,为了保持青春活力,癌细胞也依赖各种氨基酸。所有氨基酸中研究最多的是谷氨酰胺。除了谷氨酰胺外,几项重磅级研究也发现其他氨基酸,包括精氨酸、天冬酰胺酸、丝氨酸和甘氨酸,这对癌细胞的生长起着关键作用。
这么看,癌细胞是不折不扣的“大胃王”啊!
癌细胞胃口这么好,简直就是饿不死的“小强”(指蟑螂)。秉持对“吃货们”的负责态度,让大家享受美食的同时不让“小强”得逞,便有了针对癌细胞代谢特征展开的各项药物研发。第一个思路,就是破坏癌细胞的瓦尔堡效应。
要破坏瓦尔堡效应,最传统的方法莫过于开发和糖酵解相关的药物。借助人工智能的东风,BERG Health脱颖而出,这家公司打破了以假设和生化机理为指导的传统思路,而是让癌症患者数据来引导新药的研发。BERG Health的联合创始人伯格(Carl Berg)是硅谷房地产亿万富翁,破圈投资了BERG Health,希冀它能引发医疗界的一场革命。这种破圈的背景,给BERG Health带来了不一样的发展思路。
作为第一个享受从美国国防部获取人体组织信息的公司,BERG Health通过其Interrogative Biology技术平台对患者样品进行高通量分析,从中获得基因组、蛋白组、代谢组等多维信息,通过人工智能深度分析描绘癌症“航空地图”。BPM31510便是BERG Health人工智能比较健康细胞与病变细胞数据而发现的先导药物,其主要活性物质是辅酶Q10。购买过保健品的读者应该对辅酶Q10不陌生,它是抗氧化剂,也是对细胞代谢起关键作用的小分子。
相关体外实验显示,BPM31510在不影响正常组织的同时可改变癌细胞的代谢特征,逆转瓦尔堡效应,使癌细胞“代谢正常化”。鉴于BPM31510在人体中天然存在,临床Ⅰ期试验结果显示其耐受性良好,至于是否能在疗效上也拿捏得住,拭目以待。
既然癌细胞是这么个“吃货”,那怎么才能攻击这个短板?
第一招是阻断进口供应链。
癌细胞仗着可获取充分的外源营养,便任性地开除(变异)了精氨酸琥珀合成酶(ASS),导致ASS掌控的精氨酸生产线无法工作,依赖进口精氨酸支持内需。所谓聪明反被聪明误,针对癌细胞这个小伎俩,新型癌症药物精氨酸脱亚胺酶(ADI-PEG20),将精氨酸转为瓜胺酸,可阻断癌细胞对精氨酸的进口,而正常细胞却可以通过ASS实现自给自足。
第二招是夺其所好。
癌细胞的心头好之一是谷氨酰胺,那如果夺其所好,没有谷氨酰胺的癌细胞会不会难过得无法生存?
早在20世纪50年代,科学家就开始研究如何利用谷氨酰胺代谢化合物阻断癌细胞对谷氨酰胺的代谢,包括阿西维汀等。虽然动物体内有一定程度的抗癌作用,但其副作用阻止了科学家对这些药物的进一步开发。近年来,随着对谷氨酰胺在癌症代谢中的进一步认识,新一波的药物开发策略陆续制订,其中就包括谷氨酰胺酶抑制剂。谷氨酰胺酶在谷氨酰胺代谢中起到关键作用,因此迄今为止,它作为在谷氨酰胺代谢途径中研究最广泛的药物靶标。只可惜最为突出的选手CB-839在临床上遭遇滑铁卢,其开发企业Calithera只能在2013年年初关门大吉。可见,癌细胞虽然贪吃,但也总有自己的法子把握住度,让这贪吃的本性不至于祸及生命。
既然癌细胞胃口那么好,患者是不是应该改变饮食结构,争取早日“饿死癌细胞”呢?
相信这个疑惑很多患者都有过,包括苹果创始人乔布斯(Steven Jobs),也曾严格实行素食饮食,作为和癌症斗争的一部分。再比如从北京大学毕业的学霸魏延政,2011年罹患透明细胞肉瘤,这是一种罕见的癌症。化疗失败后,他不愿坐以待毙,在网络上翻阅到生酮饮食可让体内产生大量酮体,让身体被动依靠分解脂肪来维持正常功能。于是,魏延政开始实施生酮饮食,寄希望于体内脂肪消耗完毕,癌细胞便无能量可摄入而饿死。令人唏嘘的是,坚持一段时间后,癌细胞并没有被打败,魏延政的身体反倒由于长期无法摄入足够的营养而变得瘦骨嶙峋,最后在2016年遗憾离世。
难道“饿死癌细胞”就是一场骗局?也不见得。只不过癌细胞的饮食比我们想象中的要更灵活,也更难去捕捉到其真正的致命点。干扰癌细胞代谢之路能否走通,我们尚需时间来检验。