還記得“冰桶挑戰”嗎?
2014年,發起冰桶挑戰公益活動火遍全球。去世被點名的冰桶人要么接受挑戰、被冰水澆頭,挑戰要么選擇向研究肌萎縮側索硬化癥(ALS,發起也稱漸凍癥)的去世機構捐出100美元。這場活動讓ALS受到前所未有的冰桶關注,也為ALS籌集了大量研究經費。挑戰
就在昨天,發起這場活動的發起者之一,34歲的ALS患者皮特·弗拉泰斯(Pete Frates)在美國馬薩諸塞州的家中去世。
肌萎縮側索硬化癥,是一類極其兇險的罕見疾病。患者腦部和脊髓的運動神經元陸續死亡,因此其活動能力、敏捷程度、語言能力和吞咽功能下降,只能眼睜睜地在輪椅上看著自己的身體被疾病吞噬。大多數患者會因呼吸衰竭在3~5年內去世。
冰桶挑戰在一開始與ALS無關。直到2014年7月,美國佛羅里達州的高爾夫運動員克里斯·肯尼迪(Chris Kennedy)接受了這項在當時還鮮為人知的挑戰。在考慮下一個目標時,他想到了ALS患者安東尼·塞內爾基亞(Anthony Senerchia)。于是,他點名塞內爾基亞的妻子接受挑戰,希望借此為ALS患者的家庭帶來一些歡樂。很快,挑戰通過帕特·奎因(Pat Quinn)傳到了他的朋友弗拉泰斯那里。
弗拉泰斯曾是波士頓學院棒球隊的隊長。2012年,27歲的弗拉泰斯被診斷患上ALS,不僅告別了棒球場,運動神經元的受損也讓他的身體狀況每況愈下。但在死神的陰霾下,弗拉泰斯依然保持樂觀,他拍攝被澆水的視頻、為ALS協會籌集資金,成了第4位為了ALS進行挑戰的人。
在上傳挑戰視頻至Facebook時,弗拉泰斯添加了#StrikeOutALS的標簽。在那之后,冰桶挑戰開始在網絡上迅速傳播,并引發巨大的轟動。包括馬克·扎克伯格、比爾·蓋茨、萊昂納多·迪卡普里奧、勒布朗·詹姆斯在內的眾多名人也紛紛響應,參加了挑戰。短短8周時間內,Facebook用戶就發布了超過1700萬條挑戰視頻。根據《波士頓環球報》的數據,冰桶活動共募集到1.6億~2.2億美元,用于ALS的科學研究、患者和社會服務等。
這篇原載于《環球科學》2017年7月刊的文章,講述了ALS是如何讓患者逐漸喪失活動能力的,并且介紹了科學家在尋找ALS藥物中的最新進展。基于基因沉默技術、基因測序技術、生物標記物的早期診斷和藥物療法,我們看到了治愈ALS的曙光。
撰文:萊昂納德·彼得魯切利(Leonard Petrucelli)、阿龍·吉特勒(Aaron Gitler)
翻譯:劉曉魯?樊東升
肌萎縮側索硬化癥(ALS)的出現往往悄無聲息。患病初期雖無疼痛,但患者神經細胞支配骨骼肌的能力受到影響。他們會出現一些細微的癥狀,如走路磕絆、行動笨拙和口齒不清。而這些癥狀常常會被忽視。因為著名棒球運動員盧·格里克(Lou Gehrig),這種疾病才走進了公眾視野。盧·格里克曾被譽為鐵馬,連續14年征戰超過2130場比賽。他于1939年6月被確診為ALS,一個月后就在揚基體育場悲壯退役。盧·格里克的病情發展迅速,當年12月就虛弱到無法參加自己入選名人堂的典禮了。隨著病勢加重,他最終臥床不起,并于1941年結束了年僅37歲的生命。
每年,美國有超過6000人確診為ALS。患病年齡多為50~60歲,但也有患者是在很年輕或者80歲的時候發病的。發病時,腦部和脊髓的運動神經元會開始死亡,而這些細胞的功能是從大腦經脊髓向肌肉發出信號。因此這將導致患者的活動能力、敏捷程度、語言能力甚至吞咽功能下降。大多數患者腦部高級認知功能并未受損,只能眼睜睜地看著自己的身體一點點地被疾病吞噬。他們很快就被困在輪椅上,逐漸喪失交流、進食或呼吸的功能,大多數患者會因呼吸衰竭在3~5年內去世。美國食品及藥品管理局(FDA)唯一批準用于治療ALS的藥物——谷氨酸阻滯劑利魯唑(glutamate blocker riluzole)——平均也只能延長患者3個月的生命,但尚無方法將其治愈。
法國神經病學先驅讓-馬丁·沙爾科(Jean-Martin Charcot)在1869年首次提出并命名該病,通過“肌萎縮側索硬化”這個名稱概括了此病的特點:“肌萎縮”指肌肉缺乏營養;“側索”是脊髓的一個區域,這是死亡的運動神經元所在的位置;“硬化”則是指神經退化過程中的組織硬化或瘢痕化。沙爾科所描述的疾病特點簡練清晰,但近一個半世紀以來,ALS的復雜性仍使研究人員深感困惑。盡管這是一種致命的疾病,但不知為何,也有約10%的患者生存期達到10年以上。這部分患者中就包括著名物理學家史蒂芬·霍金(Stephen Hawking),他已在ALS的折磨下生活了50余年。近來的研究顯示,環境因素對誘發ALS僅起到很小的作用,可能只是增加了攜帶易感基因的人群的患病風險。最讓人感到困惑的是疾病發生的隨機性,只有不足10%的病例是由父母遺傳給孩子,其余的病例都是非遺傳性或者說散發性的。
在過去10年里,精準的測序技術使我們在生物學層面對疾病有了更深的了解。越來越多的研究顯示,許多不同的基因都跟這種疾病有關,它們單獨表達或共同作用,增加了個體的患病幾率。一些基因突變甚至與70%以上的家族性ALS和約10%的散發性ALS相關。反過來,這些新的基因研究也為更好的治療指出了方向。基因沉默技術是某些ALS潛在的治療手段,作用于特定目標基因的兩種藥物有望在今年進行臨床試驗。與此同時,研究人員也在尋找特異性的生物標記物,包括體液或腦電活動中的可測量成分,這將有助于臨床醫生早期診斷和定量評估疾病進展。這些生物標記物對其他藥物的研發也很有幫助。
早期的遺傳發現
大多數家族性ALS患者有50%的幾率把疾病遺傳給下一代。盡管在患者中只占很小的比例,他們極大地加深了人類對ALS遺傳機制的認知。關于ALS的第一個遺傳學發現,是在1993年確認了SOD1基因突變,約20%的家族性ALS患者都攜帶有這種突變。SOD1基因負責編碼的是抗氧化物超氧化物歧化酶(antioxidant enzyme superoxide dismutase),這種酶的作用是將高反應性超氧化物分子轉化為無害的形式。
起初,研究人員推測SOD1突變可能減弱了酶的抗氧化能力,導致氧自由基對運動神經元造成破壞。二十多年后,我們知道情況并非如此。突變導致酶的作用超出了正常范疇,細胞獲得了一些新的功能,這種情況被科學家稱為毒性功能獲得(toxic gain of function)。
更為嚴重的是,這些新出現的功能導致了神經元內某些蛋白形態的改變。通過對ALS患者進行尸檢,研究人員發現絕大多數患者都有一個典型的腦病理特征,那就是運動神經元內的蛋白聚集。若想讓神經元正常工作,組建細胞結構的蛋白必須要有效地循環起來,但在ALS患者的細胞中,這一循環體系已徹底崩潰。包括酶在內的所有蛋白質,在細胞內合成時都需要保持精準的三維結構才能發揮正常的功能,基因突變則會導致個別蛋白因錯誤折疊而聚集。出現這種情況時,細胞會通過泛素這一分子標記物,將結構異常的蛋白標記出來并清除掉。但如果清除體系的負荷過重,垃圾就會逐漸堆積。在某些家族性ALS患者的運動神經元中,就能夠發現大量泛素標記的SOD1蛋白聚集。
ALS研究領域最重要的里程碑出現在2006年,科學家將目光轉移到不攜帶SOD1突變的ALS患者身上。他們發現了另一種被稱為TDP-43的蛋白。這種蛋白聚集在幾乎每一位患者的運動神經元內。TDP-43蛋白的功能是調節信使RNA的活性,而信使RNA既是基因信息的復制者,又是編碼合成蛋白質的模板。TDP-43與信使RNA結合,指導后者在細胞核內的轉錄過程,隨后將信使RNA運送到細胞內的相關區域,在RNA翻譯成蛋白質的過程中發揮重要作用。然而,在ALS患者體內,TDP-43不知為何離開了細胞核。它們聚集在細胞質中,有時還會吸引更多的這類蛋白進入細胞質。科學家仍在探索,這一過程中的TDP-43究竟是導致了功能缺失(因其離開細胞核)還是毒性功能獲得(因其在細胞質中聚集),還是兩者兼而有之。
科學家發現大多數患者體內都會出現TDP-43的聚集后,他們便著手研究這種蛋白的基因TARDBP,并在一些遺傳家系中發現了罕見突變。這一重要突破從理論上確定了RNA結合蛋白的這一行為可能導致ALS。隨后,更多參與RNA調節的蛋白被確定為ALS致病因素,預計還會有更多的發現。21世紀頭十年,ALS的遺傳學發現呈現出井噴之勢,每年都約有1~2個疾病基因被確認,但最振奮人心的發現此時還仍未到來。
重復序列
這一發現源于對遺傳家系的研究。2011年,兩個研究團隊分別報道了同一個特殊的突變基因,該基因的名稱也同樣特殊——C9ORF72。這是指9號染色體上第72個開放讀碼框(open reading frame,DNA序列中可編碼蛋白質的一段無終止密碼子打斷的堿基序列)。在健康人群中,C9ORF72所包含的一段DNA序列GGGGCC的重復次數為2~23次,但在C9ORF72發生突變的人群中,這個片段的重復次數可達數百次甚至上千次。
隨后的研究顯示,這些過度重復的序列可以解釋40%~50%的家族性ALS病例和5%~10%的散發性病例。更為有趣的是,這一突變的發現使ALS和另一種疾病——一種名為額顳葉變性(frontotemporal degeneration, FTD)的癡呆癥,建立起了遺傳學上的聯系。FTD表現為顯著的人格改變和決策混亂。C9ORF72突變可引起ALS或FTD,甚至是二者相結合的ALS-FTD。在C9ORF72突變患者的神經元中也可以發現TDP-43蛋白的聚集,這兩種疾病因此建立起了另外一種聯系。這種關聯性意味著,ALS和FTD可能是相關疾病譜系的一部分,但是同一個基因的突變為何會導致如此不同的癥狀仍不得而知。
研究人員提出了3種細胞機制來解釋這個神秘基因的突變是如何導致ALS的。第一種解釋是,DNA重復片段會干擾信使RNA,使其無法完成遺傳密碼的正常轉錄和翻譯,影響了蛋白的合成。雖然這些蛋白的確切功能尚不清楚,但這無疑會導致其功能的降低;第二種解釋是,重復序列可能會引起RNA的聚集。它們在神經元的細胞核內形成聚集物,捕獲RNA結合蛋白(RNA-binding protein),從而使其無法發揮正常功能,導致了毒性功能獲得;第三種解釋是,當一個人的C9ORF72基因發生突變,擴增的重復序列被翻譯為易在核內聚集的異常蛋白,這種分子生物學改變最終導致了毒性功能獲得。
迄今為止,已有的證據更支持“C9ORF72突變引起ALS是毒性功能獲得所致”這樣的推斷,但尚不清楚的是,RNA聚集和蛋白聚集誰是更關鍵的致病因素。不過這也不要緊,正在研發的治療策略將同時阻斷突變基因產生RNA和蛋白質的能力。
反義藥物
基因沉默技術是治療神經退行性疾病最有前景的技術之一,這項技術使用了合成的反義寡核苷酸(antisense oligonucleotide,ASO)。
ASO分子可以識別特定基因的信使RNA,并與之結合。ASO與RNA結合后,會激活一種核酸酶,攻擊RNA-ASO復合體。實際上,ASO可以選擇性地破壞任何突變基因的RNA。在針對C9ORF72突變的嚙齒動物的研究中,科學家合成了反義分子(antisense molecule),用它來破壞運動神經元中RNA聚集而成的團塊。結果發現,這種反義分子不僅可以破壞RNA團塊,也能破壞異常蛋白的團塊,甚至可以避免新的蛋白聚集體的形成。
靶向作用于C9ORF72基因的反義藥物(antisense drug)正在進行臨床試驗。研究人員也為SOD1突變導致的家族性ALS患者設計了反義藥物,這項研究的早期臨床試驗顯示鞘注給藥是安全的(鞘注給藥是指,通過腰椎穿刺,直接向患者腦脊液給藥的一種治療手段),藥物可以通過腦脊液的流動分布在腦周圍并進入運動神經元。
ASO治療另一種神經退行性疾病——脊髓性肌萎縮癥的成功,讓研究人員稍微樂觀了一些。這種遺傳性運動神經元疾病出現在嬰幼兒中,與ALS非常相似,患兒很少能夠活過3歲。在近期的兩項臨床試驗中,研究人員利用反義藥物糾正基因缺陷所導致的信使RNA異常,結果驚喜地發現患兒的運動能力顯著改善。FDA于是對這些試驗進行快速跟蹤,并于2016年12月正式批準了該藥物的上市申請。
尋找突變基因
研究有明確遺傳規律的家族性ALS,為我們更好地理解這類疾病的生物學機制打下了基礎。但這類病例畢竟只占少數,目前最大的挑戰是研究散發性ALS患者,確定是哪些突變,讓這些患者的患病風險升高了。目前全世界的科研人員都在積極收集ALS患者的DNA樣本,對海量的基因組數據進行分析。
為了加快這項工作,遺傳學家開發了一種微芯片來協助研究,該方法可以輕易地完成ALS患者和健康人群的基因組比對,在全基因組關聯分析(genome-wide association studies, GWAS)的研究中發揮了重要作用。芯片主要分析的是基因組中包含單核苷酸多態性(single nucleotide polymorphisms,SNP)變異的區域,這些區域的DNA信息或核苷酸在個體間的差異很大。雖然GWAS是相關性研究,并不能確定是什么導致了ALS,但它可以發現可疑的差異,以進行下一步的觀察。近來多項國際性的GWAS研究比對了超過10 000例ALS患者和超過20 000例正常人,在基因組層面發現了很多差異,這些發現目前都進入了新的研究階段。新技術也使收集遺傳數據變得更加簡單,一天之內完成一個人的全基因組測序已成為現實,而且花費不會超過1000美元。如果只測定所有外顯子(基因組中編碼蛋白的部分)的序列,則會更加便宜快捷。
一旦列出了與ALS易感性相關的基因突變的黑名單,研究人員就可以探索ALS相關遺傳突變為什么能夠增加患病風險。這些探索包括:多個基因如何相互作用?某些形式的ALS是否存在多個突變基因?環境因素是如何誘發某些患者的疾病的?
一項新的研究顯示,部分ALS甚至可能與一種逆轉錄病毒有關。這種病毒的DNA序列長期潛伏在患者的基因組內,通常處于休眠狀態,一旦“蘇醒”,病毒會在大腦內的神經元間傳播,損害神經元,誘發疾病。
生物標記物
越來越多的研究顯示,導致ALS的真兇不僅僅是運動神經元的死亡,膠質細胞在其中也起到了重要作用。
膠質細胞在腦內和中樞神經系統中數量眾多,甚至超過了神經元。它們可以發揮多種功能:有的為神經元提供物理上的支撐,有的可調節腦內環境,特別是神經元和突觸周圍的液體。近期關于SOD1突變小鼠的研究又有了驚人的發現:盡管運動神經元中存在毒性SOD1蛋白,但只要阻斷膠質細胞中突變基因的合成,就可以延長小鼠的生存期。運動神經元似乎是疾病的緣起,而前者與膠質細胞之間的信號傳導,則促進了疾病的發展。膠質細胞可能也會通過產生毒性因子加劇ALS,但科學家尚不清楚這種因子是什么,也不知道它們是如何發揮作用的。一旦這種(或這些)因子被探明,我們就可以阻止其產生,或者阻止它們向運動神經元傳遞異常信號,這樣就能延緩或治愈ALS了。
在破譯ALS成因的研究中,科研人員也一直在尋找能夠幫助醫生評價疾病進展的生物標記物。比如,目前已經有研究試圖在易獲取的體液(如血液或腦脊液)中檢測C9ORF72基因編碼產生的異常重復蛋白。2017年,本文作者彼得魯切利曾發表文章報道稱,他在ALS、ALS-FTD患者以及無癥狀的突變基因攜帶者的腦脊液中,檢測到了這些異常蛋白。這些檢測手段將有助于疾病的早期診斷。這個領域的其他研究則著眼于開發影像技術,以便在ALS患者腦內的TDP-43蛋白團塊攻擊運動神經元之前及時檢測到它們。所有這些生物標記物都可以作為評價臨床試驗有效性的標準。
遺傳學和基因組學的快速發展以及新的生物標記物的開發,使ALS研究進入了精準醫療的時代。在不遠的未來,患者將依據ALS類型分組,接受特定的治療或預防。
社交媒體的力量
過去十年,ALS研究領域的大多數進展要歸功于患者的配合,他們自愿為大規模的基因組研究貢獻時間和DNA。ALS患者和他們的家人也通過社交媒體提高了公眾對該病的認知;他們還募集資金,支持科學研究,為患者服務。
2014年,“ALS冰桶挑戰”掀起互聯網風暴。2012年,波士頓學院棒球隊前隊長皮特·弗拉泰斯(Pete Frates)被診斷為ALS,之后他在Facebook上發布視頻向他的朋友們發出挑戰——把冰水澆在頭上,為ALS協會籌集資金。此舉引發了巨大的轟動并得到大量名人的響應,包括馬克·扎克伯格(Mark Zuckerberg)、比爾·蓋茨(Bill Gates)、奧普拉·溫弗里(Oprah Winfrey)、萊昂納多·迪卡普里奧(Leonardo DiCaprio)和勒布朗·詹姆斯(LeBron James)在內的眾多知名人士都參加了挑戰。短短8周時間,Facebook用戶就發布了超過1700萬條挑戰視頻。支持者共捐出超過115 000 000美元(根據《波士頓環球報》的數據,冰桶活動募集的經費達到1.6億~2.2億美元),其中67%用于科研,20%用于患者和社會服務,9%用于公眾及專業教育。
ALS是一種殘酷無情的疾病。盧·格里克曾在紐約揚基體育場發表振奮人心的退役演講,他把自己稱為“地球上最幸運的人”。而在這場演講和他患病的消息傳出之前,大多數患者都只能默默承受。
現在公眾意識的日益提高,源自弗拉泰斯這樣的人的努力。他幫助發起的社會媒體行動極大地推動了ALS協會的發展,幫助這個機構把年度科研預算翻了三倍。我們對ALS生物學機制的認知會持續爆發式地增長,這將有助于科學家鋪設對付致病基因的天羅地網,并在此基礎上形成更好的治療方案,最終有效控制ALS這個隱形殺手。科學家們對此非常樂觀。
譯者介紹:
劉曉魯是北京大學第三醫院神經內科的主治醫師。
樊東升是北京大學第三醫院神經內科主任,主要研究領域為神經退行性疾病及腦血管疾病。
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