【尋找新科技】病毒可成為治療阿茲海默症與帕金森氏症等疾病的選項 R基金會翻譯/NOVA Nex 2004年,英國化學家Chris Dobson提出一個廣效性萬靈藥構想:可用以對抗帕金森氏症的Alpha-syniclein蛋白,與其他許多因蛋白質構型錯誤而引發的疾病。無獨有偶地,同年以色列科學家Beka Solomon也發現了另一個一般認為不太可能成為靈丹的候選人,就是自然界中的微生物,噬菌體。 Solomon教授目前任教於特拉耶夫大學,某天在她進行阿茲海默症治療研究時意外發現這項成果。如果該研究如預期地展開的話,將可能代表著阿茲海默症、帕金森氏症與其他神經退化性疾病的終結。這個令人注目的故事的主角不是Solomon或其他科學家,而是微不起眼的M13病毒。 阿茲海默症會造成人腦組織萎縮,如此圖藍色標記處。 在許多不同病毒中,噬菌體因其只會感染細菌而廣為人知。這些微生物相當古老(大約已有三十億年的歷史)而特殊:它們幾乎可在從海底到人類的胃中的各類環境中被發現。噬菌體M13主要只會感染一種細菌,大腸桿菌,而這種菌則大量地生活在所有哺乳動物中的腸胃道中。正如其他微生物,M13這樣的噬菌體生存的目的就在於將其基因傳遞下去。為了達到這個目標,它們演化出了一種讓它們能入侵、掌控甚至殺害其細菌宿主的武器。在抗生素被發展出來之前,噬菌體甚至是醫師們拿來治療一般束手無策的感染症的常用手段。 要了解Solomon對M13的興趣,我們要先了解一下她的研究背景。Solomon是一位優秀的阿茲海默症學者,並以其前瞻的免疫療法而著名。跟一般療法用的小分子藥物不同的是,免疫療法會利用到特製的抗體精準地指向藥物病灶或成因。如同我們在高中生物學中所學到的,抗體這個Y型的蛋白質是人體中對抗感染的自然防禦系統。這些蛋白會插在入侵者上,使免疫系統能更有效地摧毀它們。自70年代以來,分子生物學家開始可以運用基因工程來設計與創造抗體,甚至新穎到能用來攻擊像癌細胞體這類人體中不受歡迎的入侵者。於是在90年代,Solomon開始試圖證明這樣的人造抗體也能用來有效地對抗阿茲海默症患者中的amyloid-beta斑塊。 到了2004年,她開始利用基轉阿茲海默症小鼠進行試驗。她想要看看這些人造的抗體,是否可經由鼻通道穿過腦血障壁,並消除患病鼠腦中的amyloid-beta斑塊。為了讓更多抗體進入腦中,她決定把抗體轉植到M13噬菌體上,希望如此雙管齊下更能突破腦血障礙,也更能有效地消除斑塊,進而改善小鼠的病狀,而其病情的臨床表徵則會藉由統計小鼠走迷宮的速度或其他類似的方法來測量。 Solomon將這些老鼠分為三組,一組僅施打抗體,第二組是她寄予厚望的噬菌體與抗體組;第三組則是科學上需要的控制組,這組僅給噬菌體治療。 因為M13無法感染大腸桿菌以外的生物,她預期控制組將不可能單由噬菌體上得到甚麼治療結果。但令人驚訝的是,噬菌體證明了靠著自己就能夠有效地消除amyloid-beta斑塊,這些小鼠也在實驗結果上有效地改善了認知與嗅覺能力。她重複了幾次這樣的實驗後,發現所得到的結果都相當一致。「這些小鼠在認知功能上的恢復相當地出色,」Solomon說。此外,在Solomon與其團隊檢視了小鼠的腦之後,發現牠們腦中有相當大程度的amyloid-beta斑塊消失了。她持續了這個實驗一年之久,發現噬菌體治療的小鼠腦中斑塊的量,要比未獲治療的少80%。但對於為什麼單純的噬菌體就能消除阿茲海默患者腦中的斑塊,Solomon卻仍然不明瞭。但為了保險起見,她還是突發奇想地為特拉耶夫大學註冊了M13的治療專利。根據她的兒子Jonathan所述,「她甚至一度開玩笑地想利用這個噬菌體研發成果成立一間稱為NeuroPhage的公司,雖然她其實沒有真的認真考慮過。」 接下來,Jonathan Solomon從服役了十年的以色列特種部隊退役,在服役期間他拿到了物理學學士與電機工程碩士學位。退役後他來到波士頓就讀哈佛商學院。在他攻讀MBA的同時,Jonathan一直思考著他母親曾經研究過的噬菌體研究,與它用來治療像阿茲海默症這樣的難解疾病的潛力。在哈佛的時候,他遇到了許多相當出色的準企業家,其中一位便是甫從瑞士蘇黎世University of St. Gallen畢業,並曾在歐洲著名的生技創投公司HealthCap中工作過的Hampus Hillerstorm。 在第一年的商學院課程結束後,這兩個學生都獲得了暑期實習的機會:Solomon的公司是醫療器材製造商Medtronic,而Hillerstrom則是在醫藥巨人AstraZeneca裡實習。但Hillerstrom事後回憶,他們兩位在回到了哈佛以後似乎想要的更多:「我們兩個都度過了…..,我想我會稱之為大企業中的奇特暑假,總之後來我們就跟彼此說:『好,我們應該來做點更刺激更有趣的事。』」 在他們MBA的第二年,Solomon與Hillerstrom選修了一堂所有學生都要虛擬地在紙上成立一間公司的課。Solomon說:「我們稱之為實地研究,整個概念就是你得拓展一個新科技或新商機,但是是在哈佛商學院教授的指導之下。所以我與Hampus就把運用M13噬菌體的研究成立一間新創公司來當作我們的課程計畫。在那個學期結束,我們就擬定了一個小型的計畫。而且我們進行的是如此順利,所以後來我們決定這絕對值得於把它付諸實現。」 2007年,帶著家族成員提供的15萬美元資金,新創公司NeuroPhage Pharmaceuticals成立了。在與特拉耶夫大學協商過幾次智財移轉後,Solomon與Hillerstrom找到了幾個願意把賭注下在M13的治療潛力上的投資人。到了2008年一月,他們就增資超過700萬美金,並開始招募員工。 他們的第一個員工是NeuroPhage的研發長,Richard Fisher,一位曾經參與五間生技公司草創的老手。Fisher回憶他當初甫聽到這個不可思議的噬菌體的不信任感,「但我一直以來我的方式就是先觀察對方再說,而我第一次遇到Jonathan與Hampus時,我就非常喜歡他們。那時我就想,大概一年內我們就大概可以知道這究竟只是一個沒用的東西還是真的有搞頭了,但我那時可是真的非常懷疑。」 Fisher開始重複Beka Solomon的小鼠試驗,在經過一些努力之後,他發現在將M13噬菌體送入鼻通道後,確實能藉此消除小鼠腦中的amyloid-beta斑塊。但兩年後,Fisher跟他的夥伴們隨即有了完全不同的發現:這些微不起眼的M13病毒,也可以消除其他amyloid聚積體,像是阿茲海默症患者中的tau tangles與不同疾病相關的其他amyloid斑塊,包括了alpha-synuclein(帕金森氏症)、huntingtin(杭丁頓舞蹈症、超氧化物歧化酶(漸凍人症)等。這個噬菌體甚至能夠用來對付Prion引發的amyloids斑塊(含庫雅氏症)。Fisher跟他的夥伴們首先在in vitro實驗中證實了這個發現,後來又在一系列的動物實驗中驗證了這個成果。驚人的是,這一切都僅是所謂的「泛治療」理論,即一開始化學家Chris Dobson所提出的廣效性萬靈藥的概念。 2010年,這個噬菌體多重應用的的特殊能力在第二輪吸引了新的投資人投資。Solomon回憶當時驚喜參半的感受:「我們對於它的廣泛應用產生無比興趣,這也讓我們非常興奮。但從另一個角度來說,我們對於這些噬菌體的機制可是一點概念都沒有。」 關鍵 只是他們的產品是活生生的病毒,一旦考慮到生產就會十分困難,這也不儘是他們獨有的問題。此外,那時還不明瞭究竟要拿多少的病毒分子送入人體才足夠產生藥效。藉由鼻腔吸入或直接打入腦中這種應用動物實驗中的方法顯然無法應用在人體上,所以最佳的選項看來就是脊椎穿刺注入法。如同Hillerstrom所述,「有點類似硬膜外注射;總之這就是我們當時決定用來施打我們的病毒的方式。」 在Solomon與Hillerstrom煩惱最好的施打途徑時,Fisher花了很長的時間試著找出噬菌體背後的機制。「為什麼噬菌體會對這些amyloid纖維有這樣的行為呢?我們完全沒有頭緒;我們知道的就只有噬菌體在電顯下看起來就像amyloid纖維一樣;它們的構型非常類似。」 波士頓是一個擁有許多生技資源的城鎮。世界知名的科學技術研究重鎮MIT就距離NeuroPhage的辦公室不到一哩。2010年Fisher召募了印度籍的博士後研究員Rajaraman Krishnan來研究M13的謎題,他曾在MIT實驗室裡致力於蛋白質的不正確摺疊研究。Krishnan說他馬上就對這個課題產生了興趣,這位年輕的科學家開始設計出一連串生化試驗分析來研究病毒的作用機轉,也涉獵了不少關於噬菌體的文獻。其實近年來,病毒學家們已就M13做出了各式不同的突變種。Krishnan也進行了一連串的試驗來測試究竟是哪一個突變種會結合在amyloid上,最後終於發現這些噬菌體的能力是來自於病毒末端的一組蛋白,稱為GP3。「我們測試了一些擁有或缺乏這個尖端蛋白的病毒變異株,結果發現如果我們把這個蛋白破壞的話,就會降低這個噬菌體對amyloids結合的能力。」Krishnan說。 病毒學家們接著利用X-ray繞射與核磁造影技術分析該噬菌體的結構影像。根據他們的分析,微生物學家們得以推測在自然界中這些噬菌體乃是利用這些病毒末端作為分子生物鑰匙,藉以打開並入侵大腸桿菌,注入病毒的DNA。2011年的時候,Krishnan已經可以確信這些噬菌體就是利用類似的機轉與amyloid聚積體結合。他簡述,整個噬菌體獨特的能力,就是來自於GP3蛋白。 Fisher回憶起這個偶然。僅僅就是「單純的幸運,M13的鑰匙不只可以解開大腸桿菌,也可以用在誤折疊的蛋白質上。這種機率實在非常的小,Fisher回憶,「病毒的分子機制擁有相當高的專一性,畢竟它們還要彼此競爭……,然後還得在天時地利人和的情況下,讓這樣的專一性同時完美地作用在細菌與會在今日引發許多急症的amyloid斑塊上。」 證明了病毒的秘密就在於末端的少數蛋白上後,Fisher跟Krishnan與夥伴們開始思考是否能將噬菌體消除amyloid的能力改成對病人更友善的藥品,讓這樣的治療不必再經由硬膜外注射投藥。所以,接下來的兩年,NeuroPhage的科學家們開發了一個新的抗體(因為基因來源不同,故被稱為融合蛋白),這個蛋白上表現了關鍵的GP3蛋白,故可像以往的噬菌體一樣具有消除amyloid斑塊的能力。Fisher希望這個新合成出來的產品可以跟噬菌體一樣可以牢牢地黏在那些有毒的蛋白聚積體上。 2013年,NeuroPhage在in vitro試驗與包含了在靈長類上進行的動物實驗上測試了這個新合成出來的NPTo88物質,結果發現它的表現十分良好。這個化合物可以結合在許多誤摺疊的蛋白上,如amyloid beta、tau與amyloid各種階段的衍生alpha-synuclein蛋白上。根據Fisher的實驗,NPTo88不會結合在正常摺疊的單一蛋白上;它會放過正常的alpha-synuclein蛋白,只針對誤摺疊的蛋白。而且NPTo88不但會直接分解這些蛋白,還會阻斷它們猶如prion一樣的細胞間感染能力。「NPTo88會鎖定小蛋白聚集,譬如那些一般科學家咸認為有毒性的寡聚體。此外NPTo88鎖定的目標是聚積的amyloid纖維,而不是正常摺疊的單一蛋白。」另外還有一個優點,它可以經由靜脈投予。 試驗 我在2014年夏天參訪在麻州劍橋的NeuroPhage時,辦公室的空氣中充斥著興奮的火花。包含Solomon、Hillerstrom、Fisher與Krishnan的18位員工,正期待著它們的新發現,泛用amyloid作用構型(GAIM, general amyloid interaction motif),能夠改變歷史。在母親偶然的偉大發現的10年之後,Jonanthan Solomon終於能夠把產品付諸臨床應用。正如同Solomon所述,「我們現在有了一個有潛力的藥,它具有當初那個噬菌體的所有能力,而且可以系統性的給藥,也能夠簡單地生產。」 但是它在人體上也可行嗎?NPTo88由大分子構成,所以相對地較難穿越腦血障壁。這個藥物可以穩定地留存在體中數周,Fisher推斷這樣的時間應足以讓藥物進入腦中,消除斑塊。所以給藥的方式最後便設計為病人得每個月接受一或兩次經由靜脈給予的藥物治療。 NeuroPhage現在必須了解FDA的相關法規,並證明他們的產品是安全又有效的。到目前為止,NPTo88已經證明了它在靈長類試驗上是安全無虞的,但是最大的考驗還是預計會在今年執行的Phase 1A臨床試驗。這第一個人體試驗將會是在健康受試者上進行的單一劑量試驗,用以調查任何可能的不良反應。如果一切都順利的話,NeuroPhage將會展開另一個預計招募50位阿茲海默症患者的Phase 1B試驗來證明藥品的能力。這些病人的腦部將會在試驗開始時接受造影,確定他們一開始腦中的amyloid-beta與tau的含量。並在服藥六個月後再造影一次,以調查這個藥物是否能夠降低蛋白聚積的量。 「如果我們的藥物有效的話,我們將會在這個試驗看到成果。」Hillerstrom說「然後我們就可以直接進行到Phase II試驗,在阿茲海默症與帕金森氏症患者上一同試驗。」目前的試驗設計沒有針對alpha-synuclein的造影診斷,這是因為這個藥物在動物實驗會同時降低amyloid-beta、tau與alpha-synuclein的含量。他們希望以一個成功的1B試驗來說服FDA,「在小鼠上,這個藥物能夠同時降低amyloid beta、tau與alpha-synuclein的含量,」Hillerstrom說,「因此,如果我們在人體試驗上能夠證明NPTo88能夠降低amyloid-beta與tau的量,那根據動物實驗的結果,我們應該能預期它在人體上也能夠降低alpha-synuclein的含量。」 接下來,這個公司將必須證明他們的GAIM系統是有競爭性的。目前已有一些藥廠與生技公司開始針對阿茲海默症的amyloid-beta (Lilly、Pfizer、Novartis與Genetech)或tau (TauRx)蛋白進行測試。也有一些公司針對的是帕金森氏症的alpha-synuclein蛋白(AFFiRiS與Prothena/Roche)。但Solomon與Hillerstrom認為他們有兩個優勢:多方面應用的彈性(這是唯一一個可以同時針對不同amyloids的產品)與有效性(他們認為NPTo88可以比其他競爭者削去更多的有毒聚積體)。藥效是個大問題,藉由PET顯影,我們可以發現目前既有的阿茲海默症藥品,譬如crenezumab,降低amyloid的能力只能算是乏善可陳,大約只有10%。「現有產品的弱點,」Solomon說,「就是只能防止新的蛋白聚積生成。我們需要更有潛力的商品,因為腦中的病灶實在太多,相對地我們卻沒有太多時間能治療它。」 未來目標 NeuroPhage為科技企業建立了一個傑出的典範。當我在Solomon、Hillerstrom與其他員工們在一起的時候,我發現我很樂意於當他們試驗的受試者(我在2011年時被診斷出患有帕金森氏症)。NeuroPhage的前程還會有許許多多的挑戰,生技產業是一個血淋淋又高風險的產業,或許到最後,NPTo88沒有辦法證明它的安全性,或是藥效不夠出色。甚至很有可能即使NPTo88能夠顯著地降低amyloid beta、tau與alpha-synuclein的含量,它最終還是被證明無法像在動物模型上表現出對人類的臨床療效。 但如果它成功了,根據Solomon的說法,這個藥物將改變世界:「一個可以同時有效地治療阿茲海默症與帕金森氏症的簡單化合物可能會是一個具有兩百億市場的藥物」而在未來,稍作修改將可能同時作用在huntingtin(杭丁頓舞蹈症、超氧化物歧化酶(漸凍人症)、Prion引發的amyloids斑塊(含庫雅氏症)與其他更多的疾病。 我向Jonathan探詢了他那在2004年展開了這個驚人故事的母親的後續,根據他的說法,他母親後來把注意力轉移到其他目標去了。「我的母親,Beka Solomon是一個真正的科學家。她發現了這個令人興奮的成果,卻樂意地將接下來有趣的其他事務留給我們,就是那些要把這個發現搬上臨床的工程與市場等工作。她正在尋找她的下個大發現。」
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