2019年10月，因发现了对人类以及大多数动物生存而言至关重要的“氧感知通路”，William G. Kaelin教授、Peter J. Ratcliffe教授以及Gregg L. Semenza教授获得了当年的诺贝尔生理学或医学奖。他们的发现为抗击贫血、癌症和许多其他疾病的新策略铺平了道路。

来源：The Nobel Prize官网

基于此，今年夏天有两款相关产品相继获得了监管机构的绿灯：8月13日，默沙东的HIF2α抑制剂belzutifan获美国FDA批准，这是第一种治疗希佩尔-林道综合征（Von Hippel-Lindau disease，VHL 综合征）的药物。而FibroGen的HIF-PH抑制剂roxadustat（罗沙司他 ）虽遭FDA拒绝，但EMA在8月19日批准它用于治疗与慢性肾病相关的贫血。

那么，从获得诺奖的科学突破到造福患者的创新疗法，这中间到底经历了怎样的路程呢？近期，Nature Reviews Drug Discovery采访了William G. Kaelin教授，为大家分享基于氧感知通路开发疗法的经验之谈。


来源：Nature Reviews Drug Discovery

从靶点发现到药物开发

众所周知，对地球上的生物体来说，氧气非常重要。然而，长期以来人们对细胞如何适应氧气水平的变化知之甚少。例如，对缺氧的一个关键生理反应是促红细胞生成素（EPO）水平的升高，这会导致红细胞生成增加。EPO控制红细胞生成的重要性在上世纪初就已为人所知，但这一过程本身是如何由氧气控制的仍然是个谜。

上世纪90年代，Ratcliffe教授和Semenza教授探索了这一现象背后的机制，他们发现一段特殊的DNA序列似乎与缺氧引起的基因激活有关。后续研究表明，这段序列在细胞内调控了一种可以控制 EPO表达水平的“开关”——缺氧诱导因子 (Hypoxia-inducible factors, HIF)。但HIF的功能远不止开关那么简单。

HIF由HIF-1α与HIF-1β组合而成。在缺氧的环境下，HIF-1能够结合并激活许多哺乳动物细胞内涉及代谢调节、血管新生、胚胎发育、免疫和肿瘤等过程的特定基因。而在富氧环境中，这一蛋白又会被降解。

那么推动 HIF-1 破坏的原因是什么？答案来自一个意想不到的方向。

大约在Semenza和Ratcliffe探索EPO基因调控的同时，肿瘤学家William Kaelin 正在研究一种遗传综合征，即VHL 综合征，其特征是形成大量血管化肿瘤。这种遗传性疾病导致遗传VHL突变的家庭患某些癌症的风险显著增加。

Kaelin的研究表明VHL基因编码一种蛋白质，可以防止癌症的发生。缺乏功能性VHL基因的癌细胞表达异常高水平的低氧调控基因；但当VHL基因重新导入癌细胞时，正常水平得以恢复。这是一条重要线索，表明VHL在某种程度上参与了对缺氧反应的控制。后来，多个研究小组逐渐还原了整个过程——原来HIF-1α与VHL的结合需要氧原子的参与。在富氧的环境下，VHL 会结合 HIF-1α，并指导后者的泛素化降解。反之，在缺氧情况下，HIF-1α无法被降解。对这一氧感知信号通路的澄清也让Kaelin教授最终获得了诺贝尔奖。



当氧气水平较低（缺氧）时，HIF-1α受到保护免于被降解，积聚在细胞核内，并与HIF-1β亚基又称芳香烃受体核转运子（ARNT）结合，并与低氧调控基因中的特定DNA序列（HRE）结合（1）。在正常氧气水平下，HIF-1α被蛋白酶体迅速降解（2）。氧气通过向HIF-1α添加羟基（OH）来调节降解过程（3）。VHL蛋白随后可识别并与HIF-1α形成复合物，导致其以氧依赖性方式降解（4）。（来源：诺奖官网）

不过，回到癌症治疗，Kaelin教授的团队发现缺乏VHL蛋白的细胞会积累高水平的HIF-1和HIF-2，而HIF的“失控”会有助于肿瘤生长，但这还没有被正式证明。所以在2002–2003年，他们又做了所谓的必要性和充分性实验，以真正确定HIF是否在VHL缺陷型肾癌中起到了因果作用。出乎意料的是，真正的罪魁祸首是HIF-2，而不是被研究得更多的HIF-1。这让HIF-2成为抗癌疗法开发的重要靶点。

当然，传统观点认为，由于HIF2是一种DNA结合转录因子，因此该靶点被认为是不可成药的。多年来，Kaelin教授团队一直希望能够对HIF所调控的分子（如VEGF）进行下游干预。这个策略取得了一定的成功。

更可喜的是，来自德克萨斯大学西南医学中心的Richard K. Bruick和Kevin H. Gardner博士带来了好消息——他们在HIF-2α蛋白上发现了一个可成药的“口袋”。基于这一研究而诞生的Peloton Therapeutics通过高通量筛选，最终发现了候选小分子疗法PT2385和PT2977，并且把它们推进到临床开发阶段。2019年，默沙东以约22亿美元收购Peloton，其中小分子HIF-2α抑制剂PT2977是Peloton吸引默沙东的一款核心在研产品，该候选产品即今年获得美国FDA批准的belzutifan。


PT2977作用机制（图片来源：Peloton公司官网）

而从最初发现编码HIF-2α到belzutifan上市，已过去了20多年。

Belzutifan和Roxadustat的未来

目前，Belzutifan已获批治疗肾细胞癌和VHL综合征。在Kaelin教授看来，在通过标准治疗失败的肾癌患者中，belzutifan的II期数据非常有希望，并且该药物已推进到III期。他认为肾癌的最终控制可能需要3–4种具有不同作用机制的药物的组合，并希望能够将belzutifan推向前线，最终与其它疗法联用以治疗肾细胞癌患者。

Kaelin教授还提到，关于联合用药有个基本原则，即需要相对特异、有效且能很好地协同作用的药物。Belzutifan比目前在肿瘤学中使用的许多激酶抑制剂更有针对性。因此，可能在组合疗法有所作为。

对于今年8月刚在在欧盟获得批准，但未在美国获批的另一款基于氧感知通路开发的药物——Fibrogen公司的roxadustat（HIF-PH抑制剂，通过稳定HIF来驱动红细胞生成），Kaelin教授表示，尽管有迹象表明，在接受治疗的患者中血栓形成轻微增加，尤其是那些血红蛋白纠正相对较快的患者。但如果开始时降低剂量，然后缓慢增加剂量，也许可以摆脱这种风险。包括日本和中国在内的许多国家的监管机构都看到了这些数据，并对收益大于风险感到满意。就美国而言，或许还有另一项研究。

氧感知领域的其他治疗机会

在HIF稳定剂方面，有可靠的临床前数据支持这些药物治疗缺血性疾病，如心脏病发作和中风。但这只是猜测。

而对于HIF2拮抗剂，科学家们已经研究了一点肾癌。还有一些其他肿瘤，例如副神经节瘤，是可以期待的。

还有一些有趣的数据（主要是在啮齿动物身上）表明HIF2抑制剂可能对肺动脉高压有帮助，或许可以预防肺动脉高压的发展。不过对于已经确诊的患者，其效果还不太清楚，也许已经太晚了。

对年轻科学家的建议

最后，Kaelin教授表示他非常幸运参与了一项发现并验证靶点的工作，但这不该是科学家们刻意为之的事。研究成果的转化是在充分理解了某件事，知道现在能做什么时自然发生的。

Kaelin教授还对年轻科学家选择研究重点给出了建议。他回忆起自己开始在David Livingston实验室研究RB1基因时，有20 000个基因可供研究，“所以为什么不研究一种在某些癌症中频繁突变的基因呢？因为这表明它至少对那些癌症很重要。”他表示：“遗传学验证过的靶点通常优于尚未被验证的靶点。”

参考资料：
1# The Nobel Prize-winning path from oxygen sensing research to newdrugs (来源：Nature Reviews Drug Discovery)
2# William G. Kaelin, MD, of Dana-Farber Cancer Institute wins 2019 Nobel Prize（来源：Dana-Farber Cancer Institute官网）
3# Press release: The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2019（来源：诺贝尔奖官网）
4# 国际药讯 | FDA批准belzutifan用于VHL综合征相关的癌症（中国食品药品网）