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近一段时间,国际科学共同体关注的一个话题是纪念“人类抗癌之战40年”,全球最知名的两本科学刊物——英国的《自然》和美国的《科学》在三月底四月初先后刊登与癌症有关的专题报道,《自然》的专题重在讲癌症的预防;《科学》则比较全面,除刊发社论外,还约请了一批当今活跃在癌症基础研究和临床治疗一线的研究专家和医生评价介绍人类与癌症为期40年的较量后,人们对癌症的认识及由此认识带来的在药物和临床治疗上可能的新进展。
抗癌之战有喜有忧
1971年,当时的美国总统尼克松在致国会的国情咨文中首次正式提出“美国人医治这种该死的疾病(癌症)的时机成熟了,我们应该集中像研究核裂变以及登陆月球所付出的力量一样来做这件事。让我们的人民都为实现这个目标而奋斗”。同年12月,尼克松签署《国家癌症法案》,宣布实施国家癌症行动计划。该项法案的核心内容是扩大国家癌症研究所(NCI)的规模、职责和范围,规定该研究所的所长由总统,而非国立健康研究院(NIH)任命,给予国家癌症研究所以相对的独立,同时大大增加了对癌症研究经费的支持,国家癌症研究所的经费几乎在一夜之间上涨23%,达到2.3亿元,自从那时以来持续攀升,每年超50亿美元,即使近年来通货膨胀仍有增无减。自1971年以来,国立癌症研究所已经在癌症科学研究、癌症治疗和预防方面斥资900亿美元。
尽管人类同癌症的抗衡已有久远的历史,但是以国家立法的形式,投入巨资来做这件事,而且是科学实力最强的国家来推动,这在既往的人类文明史上并不多见,这也是1971年美国通过的癌症法案在人类抗癌史上具有重要意义的原因。
但是平心而论,尽管美国自上世纪90年代以来总的癌症发病率和死亡率都在缓慢下降,7种主要癌症的死亡率也已有明显的下降(见下图:“美国癌症发病趋势”),但总体而言,这场抗癌之战并未取得预想的成功,人们研究得越多、越深入,发现牵扯到的问题越多,加上从研究成果到临床应用还有很长一段路要走,因此围绕这场与癌之战的得失之争一直没有停息过。1986年,生物统计学家约翰·拜勒在《新英格兰医学杂志》上发文提出,15年来癌症的发生率和死亡率基本上没有什么变化,美国正在失去这场针对癌症的战争,由此引发了持续多年的争论。2003年,受人类基因组计划完成后的乐观情绪影响,国家癌症研究所所长安德鲁·冯·埃斯肯巴赫设定了一个目标,称2015年有望结束癌症带来的痛苦和死亡。这一设定目标引起了更大争议。因为针对癌症的计划虽然已挽救了大量的生命,但是有些癌症,如胰腺癌、脑癌、肝癌等并没有改善。
2009年8月,爱德华·肯尼迪参议员死于恶性神经胶质瘤——一种难以治愈的脑肿瘤,这再次刺激了美国和国际社会关注恶性肿瘤对人类生命的巨大威胁。目前仅美国一年就要新增150万癌症患者,并每年夺走50万人的生命,差不多四分之一的人们最终都会因肿瘤而死亡。来自中国最大城市上海的最新统计显示,每100个上海人就有1人患癌症,上海癌症的总体发病率和死亡率已达到国际中等水平。
可能是受目前癌症发病率和死亡率仍居高不下的影响,此次纪念美国国家癌症行动计划实施40周年的报道少见到乐观、庆祝、成功等词语,至多是审慎地乐观,更多的是找问题、找不足。对于科学家而言,预防和治疗癌症这种疾病是一种巨大的挑战。科学杂志的社评说,40年前困扰研究者们的问题,如“染色体的变异缘于癌细胞吗”、“肿瘤细胞是必须从体内消除的外来入侵者吗”、“病毒在癌症中扮演了什么角色”等,除了病毒与癌症的关系大致搞清楚以外,其余依然困扰着今天的癌症研究者,《科学》的社论认为,当代的癌症研究者需要从一种更清晰的生物学视角来寻求这些问题的答案,而这可能是未来癌症研究领域的最大挑战。
癌症为何难以制服
为何治疗这种疾病的任务如此复杂?《科学》杂志现任主编艾尔伯茨解释说,因为到大多数癌症被检测出的时候,一个肿瘤已经发展到含有十亿以上的癌细胞。整个过程中,这些坏细胞会经多种方式乔装改变,设法逃脱人体生长控制系统的控制(这种生长控制系统使得构成人体的约80万亿个细胞处于一种可控状态),破坏细胞的自杀机制并进化出一种能对付人体免疫系统监管的耐受性。
癌细胞会不断地变化,其变异能力和改变基因的能力之强,使得任何一种单一的疗法几乎没有可能将其一网打尽,哪怕只有很少量的癌细胞,只要存活下来就能不断增生,并最终扩展到可以再次为害的地步。这也是一些强有力的新疗法不断失败的原因。艾尔伯茨建议,为了有效灭杀癌细胞,应同时使用两种以上的药物。因为肿瘤很难应对两种以上针对癌细胞的不同路径的药物。另外一项既棘手又迫切的任务是能开发出一系列既能有效杀死特定的肿瘤细胞,又不伤及大量正常细胞的药物。
重新定义癌症研究
面对久攻不下的癌症疾患,近年来癌症研究领域出现了与癌共存、带瘤生存的观点,一些研究者提出要重新定义癌症研究,要从生物学本质上加深对肿瘤机理的了解,例如《科学》杂志主编艾尔伯茨在2009年就提出,癌症是细胞生物学的一种疾病。我们人体是约80万亿细胞的集合体,任何一个细胞一旦其行为自私并且增殖失控就可能导致癌症。人体功能的正常发挥是由于每一个细胞都接受到来自近邻细胞的信号告诉它该如何行为。绝大多数情况下,这些信号都是让细胞处于不需要分裂的休眠状态,但有时,例如人体受到创伤的情况下,信号就会指令细胞增殖和分裂,以产生康复所需要的新细胞。每个细胞都确切地知道该怎么做,因为每个细胞的DNA里都有一个基于指令的特定程序。但随着人的老化,DNA指令的小错误会累积增多。当这种指令错误的量达到足够多——如达到10%~20%,远远超过人体的自纠错能力时,肿瘤才会发生。此外,DNA序列维修时的缺陷也会诱导正常细胞向癌细胞转化,其突变率比正常细胞高出几百倍。这一缺陷主要会在早期诱发肿瘤的增生,高事故率是使得这些细胞摆脱人体多重自动纠错系统监管的要素。
人的细胞里至少有150种不同的蛋白质帮助完成DNA修复,由此形成了许多不同且重叠的修复通道。遗传学家和分子生物学家需要揭示这些修复通道的每一个发生改变后会带来什么,不仅是人体细胞,而且包括如细菌、酵母、蠕虫、果蝇、鱼和老鼠等各种模式生物。生化学家和化学家需要筛选可做药物开发的抑制剂,基因组和蛋白质组技术专家需要开发设计廉价的检验方法,来检测导致高突变率的特定缺陷,这样,抑制剂和能特定封堵缺陷通道的药物就能用于杀死癌细胞。而在现有的资助结构中,这些都未被视为重点。
DNA双螺旋模型的提出者沃森认为,随着我们对导致疾病的分子机理的认识的深化,现在是发动一次真正意义上的对癌之战的时候了。艾尔伯茨说他同意沃森的这一说法,但艾尔伯茨认为这样的计划要能成功需要扩大“癌症研究”的资助范围,其范围应远远超过癌细胞的工作本身。国家癌症研究所这样主要的资助机构应该拓宽对癌症研究的视野,要意识到对癌症治疗具有更深远意义的发现更多来自于模式生物的基础研究,而不是来自于对高度复杂的人体肿瘤的研究。在肿瘤治疗方面,转化医学需要得到更多的重视。
“癌不是杀手,转移的癌才是杀手”
统计显示,癌症引起的死亡病例,90%是因为转移。姑息性手术及化疗放疗都无法避免残癌转移,其他多种方法如使用血管生成抑制剂、分子靶向治疗等,短期虽可抑制肿瘤生长,但也会促癌侵袭转移,患者生存期未见明显延长。
“与其消灭肿瘤,不如控制肿瘤”现已成为与癌症抗争的一大策略转变。医生要想办法把肿瘤细胞限制在一定范围内,不让其发展和蔓延。
当前癌症研究三大热点
此次《科学》杂志纪念癌症行动法案40周年专题文章的一大特点是请到了一批活跃在癌症研究一线的知名科学家撰文,对癌基因组计划、癌细胞转移、癌症免疫编辑等当今癌症研究领域的前沿课题或方向作了介绍。
癌症基因组计划——通过上千种癌症的分析接近癌基因的真相
维康信托基金桑格研究所所长米歇尔·斯特拉顿撰文说,近年来,科学界在了解基因如何驱动癌症的发育方面取得了进展,对每个个体癌来说,每5个基因就能驱动细胞发育,某些癌症,特别是血液系统里的癌症,如慢性髓性白血病,仅仅一个或少数几个基因就能驱动其生长。现在看来,很可能是基因突变推动了癌的增生。一旦确诊,医生会给患者开与特定的基因突变相匹配的药物,或者医生会给患者某种组合药,因为推动癌的形成的有不止一种的突变。这和治疗艾滋病用鸡尾酒疗法控制HIV病毒有点类似。
癌的生成最主要的贡献者是基因驱动者。我们分析的不是10种癌症,而是上百种,对某些类型的基因,甚至要分析上千种癌症,这是当下癌症基因组计划的核心,这样我们才能或多或少地接近癌基因的真相,无论是常见的还是罕见的肿瘤。
虽然目前靶向治疗癌症方面进展不大,但是早期在癌症化疗方面可以借鉴的东西不少,如在白血病治疗,特别是儿童白血病、青年男性睾丸癌方面的进展,以前这些肿瘤的死亡率非常高,由于化疗能成功杀死所有的癌细胞,所以现在这类癌症的治愈率可达90%以上。
重新认识免疫系统——“免疫编辑”概念的提出至少可以带来对癌症的新的理解,即癌症可以成为一种慢性病。
人体抵御癌症的最主要卫士——我们的免疫系统能觉察和摧毁某些肿瘤或在临床上出现指征前防范它们,但是有证据显示,免疫系统在抑制癌细胞扩张的同时,也有促进癌细胞生长的作用,这种看来似乎矛盾的免疫系统双重作用正在被越来越多的癌症研究者所认同。“免疫编辑”这一假说的提出者——圣路易斯华盛顿大学的罗伯特·斯科雷伯就此在《科学》上撰文作了介绍。
斯科雷伯说,“免疫编辑”一词实际上强调了免疫系统不仅有消除癌,而且还具有帮助肿瘤在免疫活性宿主内生长的双重功能。选择“免疫编辑”这个词多少受到了50年前提出的“免疫监管”一词的影响,这个词汇表达的是免疫系统在与生长中的癌相互作用时纯粹是起着护卫作用。但我们现在从实验中知道实际情况并非如此,免疫系统不仅起着护卫作用,而且也在促进着肿瘤发展。选用“编辑”一词,是因为觉得免疫系统就如同一个作家编辑自己的文稿,会对文字有弃有舍,最后的定稿和原稿会有非常大的不同。回到癌细胞的情况,癌细胞实际上也在不断改进自己的生长能力,所以,“免疫编辑”是一个很贴切的表述。
免疫系统一旦看到增殖中的肿瘤,不是摧毁它就是阻止它生长。随着这个过程的演进,特别是免疫系统正在控制肿瘤生长时,我们会看到一场长时间的肿瘤遗传不稳定之间的战斗。这个过程发生在三个阶段,我们称之为消除癌细胞的护卫阶段;和癌细胞抗衡的平衡阶段(此时,如果免疫系统不能悉数杀死癌细胞,一些癌细胞的变异产物就会继续产出,但此时还只是个别肿瘤细胞的存在);最后一个阶段就是编辑阶段。事实上,变异是在免疫系统和肿瘤细胞抗原间的相互作用中产生,肿瘤的形成正是不受免疫系统控制的变异所致,接下来就是失控地增殖。这个结果的发生可能要许多年,就人类而言,这一过程可能要孕育20~30年,最终的产物是不受免疫系统制约的肿瘤的出现。
在许多情况下,“免疫编辑”是一个重叠的概念,在多年的战斗中,要么你处于癌症的炎症状态,要么处于癌症的免疫编辑状态。
斯科雷伯认为,“免疫编辑”概念的提出至少可以带来对癌症的新的理解,即癌症可以成为一种慢性病。以往癌症免疫疗法的许多努力是希望能激发免疫系统尽到摧毁和消除癌症之责,免疫编辑的概念增加了我们称之为“平衡期”的试验示范。此时,免疫系统实际上是能控制癌症增生的,所以癌症在此阶段生长非常缓慢,但是癌细胞依然存在,免疫系统只是控制其增生。这就是免疫学意义上的肿瘤休眠,这种休眠显然是因免疫系统作用于肿瘤细胞所造成的。因此,癌症免疫编辑过程给了我们这样一种可能性,如果我们现在不能利用免疫系统摧毁癌症,或许我们能够利用免疫系统使癌症成为一种慢性病。
揭示癌转移之谜——EMT过程让癌细胞具备扩散能力
经常有这样的说法,癌不是杀手,转移的癌才是杀手,统计显示,癌症引起的死亡病例90%是因为转移。但目前人们对癌的转移仍不甚了解。部分原因可能是转移癌活动范围很大,对其了解也必须是多方面的。是什么赋予了癌这种转移能力?在著名的怀特黑德研究所和路德维希麻省中心从事生物医药和分子肿瘤学研究克利斯汀·谢弗撰文,介绍了他们对癌症转移的新的解释:
我们发现了一种称之为上皮间质转型(EMT)的过程,这是一个允许细胞获得运动的发育过程,就是说这一过程使细胞具备了扩散能力,能以一种独立的方式生存在新的地方。这已在上皮间质转型中发现。上皮间质转型赋予了细胞完成转移所需要的几个步骤的第一步的能力,这几个步骤分别是,离开初始肿瘤的局部入侵,内渗到血管,在血流中生存。
我们已经有这样的印象,基质微环境或者围绕初始肿瘤的细胞组织发出的信号会触发初始肿瘤的细胞经历EMT。尽管我们还不知道诱使细胞经历EMT的具体信号是什么,但我们已经大致知道这些信号能干什么。
另外我们认识到,经历了EMT的细胞有和癌症干细胞相关的特性,这就提示存在着初始并不一定是癌症干细胞的细胞,但是如果获得了适当的基质和建立起了适当的微环境,则这些细胞会被强制经历EMT,并由此得到了类似癌症干细胞的特性。细胞因此获得了脱离初始肿瘤的迁移能力和入侵能力以及在转移中生存的能力,一旦这些具有类癌症干细胞特性的细胞到达入侵的第一个目标时,那么,理论上它们能被赋予激发继发性肿瘤的能力。最近的研究提示,经历了EMT的细胞确实具有类似癌症干细胞的能引发继发性肿瘤的特征。
克利斯汀·谢弗的文章指出,我们已经知道癌干细胞对肿瘤发生意义极为重大,这方面的认识希望达到的终极目标是在临床上能完全根除患者的癌干细胞。理论上讲,通过根除癌干细胞,我们不但能抑制住癌从初始肿瘤向外转移,而且能抑制住微型肿瘤的生成物,这种微肿瘤可能在胎儿时已经存在于病人体内。