复活节岛“神药”传奇

复活节岛，遥远且神秘，除岛上矗立的数百座古代巨石像“摩埃（moai）”外，我们故事的主人公也诞生于这片土地上。

复活节岛上的摩埃。图片来源：wikimedia.org

1964年11月，大雪纷飞中一支由40名医生和科学家组成的科考队搭乘加拿大皇家海军Cape Scott号从新斯科舍省的Halifax出发前往复活节岛。复活节岛位于南太平洋，整个岛呈三角形。在智利政府修建机场之前，小岛远离大陆，几乎与世隔绝，距离最近的居民区也有2200公里远。科考队此行目的是研究岛上原住民的遗传性、生活环境和常见疾病，然而谁也不曾预料他们最有价值的发现是从岛上土壤带走的一小撮细菌。

诞生于此，取名于此

科考队中蒙特利尔大学的微生物学家Georges Nógrád试图弄清楚为什么岛上的居民不患破伤风。这种细菌感染在有马匹的地方经常发生，而复活节岛上不仅马匹的数量要多于居民，而且这里的居民从不穿鞋，赤脚大大增加接触破伤风孢子的机会。于是，他决定采集些样品去研究，Georges Nógrády从复活节岛上采集了67份土壤样品，但他仅在一份样品中发现了破伤风孢子，随后就停止了分离工作，而是将样品给了Ayerst制药公司。现在回首来看，这是一次伟大的决定，才有了后来的故事。1969年，位于蒙特利尔的Ayerst研究中心当时正在收集土壤样品，那时候的药物研发热点是正在从天然产物中筛选药物，特别是细菌代谢物。

然而，发现并鉴定Georges Nógrád采集到的样品中的新化合物，是一项耗时费力的研究。Ayerst的科学家们，首先要把微生物从土壤中分离出来，然后培养生长，最后看这些微生物代谢出的化合物们有没有生物活性。幸运的是，生物学家Suren Sehgal博士主持了这项工作，他们发现其中一种链霉菌Streptomyces hygroscopicus，代谢产物可以杀死真菌。接着历经两年时间的培养，最终在1975年分离并鉴定了这个全新的大环化合物。因为它从复活节岛来，而当地的居民用“雷帕努伊”（RapaNui）称呼复活节岛，科学家将其命名为rapamycin以示纪念，中文名雷帕霉素。

Dr. Suren Sehgal。图片来源：www.sehgal.net

欲渡黄河冰塞川，将登太行雪满山

Ayerst的科学家们在研究雷帕霉素抗真菌活性的同时，还惊奇的发现这个化合物具有强力的免疫抑制性。同时Sehgal把这个化合物送往美国国家癌症研究所（NCI National Cancer Institute）去筛选抗癌活性，发现它还具有抵抗实体瘤的能力。对一个潜在的药物而言，这一切都是那么美好。但时间到了1982年，一切都变了。这一年，Ayerst关闭了位于蒙特利尔的实验室，解雇了其中的绝大多数雇员，仅保留了30位科学家作为团队核心转移至普林斯顿。由于雷帕霉素无法开发出适用于临床的静脉注射剂型而被公司放弃，这恐怕是Ayerst最失败的决策。那些土壤样品、分离物、以及雷帕霉素被公司一一登记造册后，从此束之高阁，无人问津。只有Sehgal对其不离不弃，深信这个化合物可以大有作为。在搬离之前，Sehgal决定制备一些雷帕霉素备用，他将一些Streptomyces hygroscopicus菌放在罐子中，并拿回家，放在自家冰箱中与冰淇淋比邻，并注明：请勿食用！搬迁至普林斯顿时，Sehgal召唤还在上学的儿子回家帮忙，他的任务是制备足够的干冰来保存这些珍贵的细菌，并用牛皮胶带将冰箱牢牢打包，以防中途被打开。这些细菌在Sehgal家的冰箱中一放就是5年之久。

长风破浪会有时，直挂云帆济沧海

1987年，Ayerst与Wyeth（惠氏）合并，Wyeth的领导层执掌这个新Wyeth-Ayerst实验室。Sehgal感觉新老板可能会接受雷帕霉素，1988年他写一个备忘录给最高管理层，并请求做一个关于雷帕霉素的报告。在Sehgal的不懈努力下，新公司支持了这个项目，原来中断的实验又重新开始。不久就传出雷帕霉素在器官移植实验时，表现出了免疫抑制性的声音。当时，抑制自身免疫药物正是热潮。1983年Sandoz的环孢霉素被批准为器官移植免疫抑制剂，并成为公司的重磅产品。与此同时，日本藤泽制药Fujisawa也报道了他们的免疫抑制剂FK-506，它的结构一半与雷帕霉素相同。1980末期到1990初期，FK-506完成了活性研究，很快在1994年被美国FDA批准，通用名为tacrolimus（他克莫司），最初作为肝脏的器官移植免疫抑制剂，后来扩展到其他类型的器官移植。Wyeth的药物化学家和药理学家团队同样对雷帕霉素感兴趣，他们把研发聚焦在雷帕霉素的剂型研究上，并成功制备成口服制剂。1999年雷帕霉素被批准为器官移植抑制剂。2009年Wyeth被Pfizer（辉瑞）收购，雷帕霉素被重新包装为Rapamune雷帕鸣（sirolimus西罗莫司）。

1990s中期当雷帕霉素行走在器官移植的道路上时，Wyeth的科学家将目光转移至抗肿瘤上。但他们首先要解决“新药杀手”——专利过期的问题，雷帕霉素最初的专利在1992年过期，剂型专利使其成为器官移植药，但是公司还需要新化合物在肿瘤领域有所建树。有机化学家还进行过雷帕霉素的全合成工作。^[1,2] 在化学家们决定对雷帕霉素进行结构修饰之前，Wyeth与哥伦比亚大学合作，进行雷帕霉素与靶标蛋白结合的实验，以指导在分子的哪部分修饰不改变抗肿瘤活性。这时，几个不同的实验室发现雷帕霉素可以结合两个截然不同的蛋白，FKBP12和mTOR，并将它们连接起来，见下图。

雷帕霉素结合FKBP12（蓝色）和mTOR（绿色）的晶体结构。外围的羟基（红色和白色），是设计第1代雷帕霉素类似物的关键官能团，它指向两个靶标的外面。图片来源：ACS C&EN

为了避免干扰与靶标的相互作用，化学家确定先从在雷帕霉素外围上的环己烷环来进行修饰，环己烷结构上的羟基非常适宜衍生出新化合物，而不影响与两个蛋白的结合，这种策略可以催生多个专利。很快，Wyeth得到了雷帕霉素的酯衍生物Torisel驮瑞塞尔（temsirolimus坦西莫司），用于治疗肿瘤，2007年被批准为肾癌药物，现在同样为Pfizer的产品。

此时的雷帕霉素已经不属惠氏独有，其他竞争对手也在研究环己烷羟基衍生物。Novartis（诺华）就创造了它们的雷帕霉素类似物Afinitor飞尼妥（everolimus依维莫司），在2009年首先被批准为肾癌药物，随后扩展到其他适应症如器官移植和其他肿瘤，2015年全球销售额超过19亿美元，成为公司的重磅产品，结构见下图。由于靶标特殊，现在，仍有雷帕霉素衍生物作为新型抗肿瘤药物研究。^[3]

雷帕霉素羟基衍生物

这促使科学家研究雷帕霉素哺乳动物靶蛋白（mammalian target of rapamycin）mTOR的生物学功能。研究发现mTOR像中央处理器一样，调控各种营养信号，包括氨基酸、糖类、胰岛素、瘦素、氧气等，从而使细胞凋亡或增殖。mTOR以两种复合物的形式存在：mTORC1和mTORC2。只有mTORC1对雷帕霉素敏感，负责协调营养物质信号，抑制了mTOR，从而抑制了细胞增殖，显示出抗癌活性。雷帕霉素结合另一个免疫蛋白FKJP12，抑制了免疫B细胞和T细胞的生长，而显示免疫抑制性。mTOR的结构生物学解析，有助于进一步阐明它的生物学功能。^[4]

如月之恒，如日之升，如南山之寿，不骞不崩

进入21世纪，研究发现在酵母、蠕虫、果蝇中雷帕霉素能够下调mTOR通路，那它能不能延年益寿呢？长寿的研究开始活跃起来，很快各种研究报告纷至沓来：60%的酵母菌喂养雷帕霉素，寿命比对照组延长了6周的寿命；蠕虫的寿命延长了5天，而通常情况下它们在实验室也只能存活25天；年轻的成年果蝇，延长了10%的生命；雄性老鼠的生命比对照增加了9%，雌性老鼠提高了14%；宠物中心的老龄犬改善了心脏功能；小巧可爱的灵长类狨猴改善了蛋白质平衡。

图片来源：ACS C&EN

真正激动人心的还是在人类自身上的临床实验。2014年，诺华报道了免疫反应和年龄相关的临床实验，200名老年人参与了这次临床，6周内接受安慰剂或三个剂量的everolimus（依维莫司）。中断2周后，接种流感疫苗查看免疫情况。接受最低剂量的依维莫司的人群效果最好，在他们的血液中检测到了抗体。这样，一个免疫抑制剂竟促进了免疫反应，看上去矛盾的结论，其实是和剂量相关，大剂量的雷帕霉素及其类似物可以抑制免疫蛋白，小剂量时它只会下调mTOR通路。基础医学数据表明，当年龄增加时mTOR过于活跃，因此适当把它下调，使器官包括免疫系统更好工作，就有可能延长寿命和改善衰老相关的症状。当然，雷帕霉素及其类似物并不是唯一的mTOR通路抑制剂。限制摄入热量，减少营养供给，也能下调mTOR。但是，为什么抑制这个通路影响衰老呢？有可能是影响了一些重要的功能，只是现在还不知道关键调节器是谁。长期服用雷帕霉素及其类似物的安全性也需评估，毕竟已经批准上市的雷帕霉素及其类似物都有副作用，如口腔溃疡等，但主要还是免疫抑制性，一次感染就可能致命，还何谈长寿作用。

对我们化学人来说尝试开发一种化合物能够拥有雷帕霉素抑制mTOR的能力，又不抑制免疫系统，将是一件很酷的事情。一路走来，雷帕霉素秘密被逐步解读，从当初的抗真菌到免疫抑制，再到抗肿瘤和现在的抗衰老，随着研究深入，它的传奇还会继续，说不定真能找到长生不老药哦。

最后，向Suren Sehgal博士的伟大贡献致敬！

编译自ACS C&EN

原文标题：Rapamycin’s secrets unearthed

原作者：Bethany Halford

http://cen.acs.org/articles/94/i29/Rapamycins-Secrets-Unearthed.html

其他参考文献

1. J. Am. Chem. Soc., 1993, 115, 4419-4420.

2. Angew. Chem. Int. Ed., 2007, 46, 591-597.

3. Nature, 2016, 534, 272-276.

4. Science, 2016, 351(6268), 48-52.

5. Dr. Suren Sehgal的生平介绍：http://www.sehgal.net/rapamune_discoverer.htm

【X-MOL提示：本文内容仅属学术研究范畴，不能指导临床药物的使用。任何药物的服用与停用，都应以医嘱为准！】

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