新药的研发需要数年甚至数十年的工作。最近获批的肺癌药物索托拉西布(Sotorasib)看似非常新颖，但它背后有着漫长的故事。从20世纪80年代开始的研究，像索托拉西布这样的药物必须经历漫长而艰难的路径——包括实验室测试、人体临床试验，以及监管机构的评估和批准——才能最终到达医生办公室和药房货架。一旦完成这一历程，它们才能真正帮助患者。
今天，我们想一窥药物研究的早期阶段，这也是研发(R&D)过程中最为隐秘和神秘的阶段之一。通过追踪索托拉西布药物的曲折研发之路，我们可以全面了解研发的各个领域。
美国食品药品监督管理局(FDA)于2021年5月批准索托拉西布在特定情况下用于治疗肺癌。具体来说，该药物针对由KRAS基因突变引起的癌症，这种突变与约四分之一的非小细胞肺癌病例相关。
但首先，我们必须确切了解我们面对的是什么。因此，这种药物的研发之旅早在几十年前就已开始，始于研发的第一阶段——基础研究阶段。研发涉及增加我们对某一主题的了解，然后寻找应用这些知识的新方法。要被视为研发，这项工作必须是新颖的，采用创造性且有计划的方法，并且可以被他人重复验证。在科学研究中，这些特点适用于三个阶段：首先是基础研究，旨在获得对某事物的基础理解；其次是应用研究，通常比基础研究具有更具体或实用的目标；最后是实验开发，利用基础研究和应用研究来创造新产品或改进现有产品。
因此，首先我们必须获得对KRAS基因如何工作以及其突变如何导致癌症的基础理解。我们的基因以生命化学密码DNA的形式编写，当细胞需要使用某个基因时，它会将密码转录并翻译成另一种化学物质——氨基酸。这些氨基酸是蛋白质的构建模块，而蛋白质是细胞的分子机器。例如，细胞使用KRAS基因来构建KRAS蛋白。当DNA出现突变或错误时，可能导致细胞在构建蛋白质时使用了错误的氨基酸。约一半与KRAS相关的癌症具有G12C突变。这意味着蛋白质中第12位的氨基酸（通常是甘氨酸）被半胱氨酸所取代。研究人员长期以来一直知道这种突变与癌症的关联。实际上，KRAS是最早发现的致癌基因之一，于20世纪80年代初被发现，与HRAS和NRAS同时期被发现。这些基因各自编码同名蛋白质，作为一组，它们被称为RAS蛋白。
健康的RAS蛋白大部分时间处于非活性状态，在细胞中不发挥作用，但少数"监管"蛋白可以激活它们。当被激活时，RAS蛋白开始指挥许多其他细胞机器，促使细胞生长和分裂。你需要细胞增殖来实现生长、受伤后愈合，或者只是创造新的健康细胞来替换死亡细胞（如死皮细胞）。不幸的是，当KRAS获得G12C等突变时，该蛋白不再听从"监管"蛋白的指令。几乎在它切换到非活性状态后，它就立即翻转回活性状态，导致细胞持续收到生长指令。而这种不受控制的细胞生长就是癌症。
在掌握了所有这些基础研究后，科学家们现在可以进入下一阶段——应用研究。这一阶段有一个明确的目标：这种突变的KRAS蛋白正在导致癌症，因此他们想要找到一种方法来阻止它。在这种情况下，他们希望通过用特别设计的分子阻断突变的G12C KRAS蛋白，迫使其保持在非活性状态。有点像将东西卡入机器的齿轮中使其停止。研究人员在寻找最佳药物时考虑了几个因素。首先，任何药物分子都需要尽可能特异性地针对突变的、始终处于活性状态的KRAS蛋白。你不希望意外地卡住健康的RAS蛋白，从而完全关闭细胞分裂。还有另一个挑战：G12C KRAS蛋白表面极其光滑。光滑到似乎没有任何地方可以让药物分子附着，因此无法"踩下刹车"。这种蛋白质的形状带来了如此大的挑战，以至于科学家们开始称KRAS为"不可成药"，研发工作停滞了数十年。
虽然停滞，但并未停止。在发现G12C KRAS蛋白30年后的2013年，加州大学旧金山分校的研究人员发现了一些分子，可以滑入突变KRAS蛋白表面的一个微小凹槽中——这个凹槽只有在蛋白质处于非活性形式时才可见。其中一种名为化合物12的分子能牢牢地附着在这个小凹槽上，阻止细胞生长并导致细胞死亡。其原理是，该分子利用突变蛋白中第12位的氨基酸（半胱氨酸）附着在蛋白质上并使其失活。而由于健康的KRAS蛋白在该位置是甘氨酸，因此不应受到药物的影响。这一发现是好消息，但虽然找到这个凹槽可以被视为应用研究阶段的结束，但这并不是故事的终点。
接下来是实验开发阶段，而化合物12只是起点。这一阶段的目标是找到一种既能阻止突变蛋白导致癌症，又不会影响含有健康蛋白细胞的药物。因此，研究人员研究了该分子的形状并对其进行迭代。这意味着他们一点一点地调整它，并在培养皿中将其新版本与含有突变G12C KRAS蛋白的细胞以及健康细胞进行测试，以找到最特异且有效的工具。首先，一家名为Wellspring Biosciences的公司的研究人员仔细研究了化合物12。他们发现，尽管化合物12附着在突变蛋白的凹槽中，但它对含有这些蛋白的细胞影响不大，即使经过六小时的治疗。因此，研究人员对化合物12的各个部分进行了修改，有点像更换多功能工具的部件，只不过不是螺丝刀或小剪刀，而是每个子单元都是一组原子。通过改变几个这些亚分子部分并测量它们如何与突变蛋白的凹槽相互作用，他们开发出一种能够将突变蛋白锁定在非活性状态并阻止其向细胞发出生长指令的分子。他们将这种新分子命名为ARS-853。
然而，ARS-853擅长关闭突变KRAS并不意味着它就是最佳癌症治疗药物。尽管它能与蛋白质结合，但在小鼠测试中效力不足，无法真正发挥作用。因此，同一个研究团队再次对分子进行迭代，试图制造一个对突变KRAS蛋白更具特异性且在较低剂量下更有效的版本。这一次，他们没有改变化合物12边缘的分子子单元，而是更仔细地研究了中间的子单元，称为"支架"。他们制作了该分子的多个版本，并将其引入含有突变KRAS蛋白的细胞中。分析这些新版本后，他们发现可以通过将部分支架替换为咔唑啉核心来改进化合物12。咔唑啉核心是美国在2017年前批准的几种抗癌药物的一部分，因此尝试替换它是合理的。事实证明，他们之前排除的ARS-853分子具有一个不寻常的核心，太过特异以至于难以改进分子。而通过将其替换为咔唑啉核心，这些新分子有了更多改进空间，在几种含咔唑啉的分子变体中，一种名为ARS-1620的版本脱颖而出。
这个版本不仅附着在第12位的半胱氨酸上，还附着在凹槽中的另一种氨基酸——组氨酸上。具体来说，咔唑啉核心上的一个原子伸出去抓住组氨酸，这表明该核心对药物发挥作用的重要性。这种额外的键合意味着药物分子以更刚性、更顽固的方式附着在突变蛋白上。研究人员在模拟肿瘤结构的球形细胞培养物中测试了ARS-1620。该分子阻止了具有G12C KRAS突变的细胞，而没有突变的细胞则不受影响。然后，他们在患有G12C KRAS癌症的小鼠身上测试了该药物，并与患有其他癌症的小鼠进行比较，发现它减缓了第一组小鼠中肿瘤的生长。他们于2018年发表的论文首次描述了一种分子，该分子不仅能特异性地阻止突变KRAS蛋白引发问题，还能被真实生物体口服，并在不引起严重副作用的情况下缩小肿瘤。
在此之后，另外两家生物技术公司——安进公司(Amgen Research)和迈瑞瑅治疗公司(Mirati Therapeutics Incorporated)——接过了Wellspring Biosciences的工作。安进研究人员基于ARS-1620创建了一系列新分子，然后使用先进的X射线晶体学来观察它们的分子如何与G12C KRAS蛋白相互作用。他们发现，当他们在咔唑啉核心上添加一个新的芳香环（即这个六边形）时，分子能够楔入G12C KRAS蛋白上的另一个凹槽，就在组氨酸旁边。这个新的芳香环使安进的分子在附着突变KRAS蛋白并使其保持非活性状态方面提高了约10倍。他们将这种分子命名为AMG-510。
AMG-510能够以比Wellspring Biosciences分子更低的剂量，在具有人源肿瘤移植物的小鼠中停止肿瘤生长并启动肿瘤消退。迈瑞瑅治疗公司的分子MRTX-849也与突变的半胱氨酸以及另外几种氨基酸结合，即突变蛋白上第10位的甘氨酸和第62位的谷氨酸。到2020年，这三家公司的候选药物都表明，通过靶向G12C KRAS蛋白上的凹槽，可以在小鼠中缩小肿瘤。迈瑞瑅和安进开始在人体中测试他们的候选药物，标志着实验开发阶段的结束和临床试验的开始。
临床试验是必要的，因为人类和小鼠之间存在许多差异。这些差异足以导致在小鼠身上效果良好的药物在人类身上可能完全无效，甚至引发问题。当安进在四名肺癌患者身上测试他们的药物时，其中两人在六周治疗后肿瘤缩小。一名接受较低剂量AMG-510的参与者肿瘤缩小了34%，而一名接受较高剂量的参与者肿瘤缩小了67%。在安进或迈瑞瑅治疗公司的早期试验中接受治疗的患者中，约有一半也观察到肿瘤缩小。2021年1月，安进宣布他们在另一项试验中招募了126名患者，超过三分之一的患者对治疗有反应，平均肿瘤消退率为60%。2021年5月，AMG-510以索托拉西布(Sotorasib)的名称获得美国FDA批准，用于治疗对化疗和免疫疗法等一线治疗无反应的、具有KRAS突变的非小细胞肺癌患者。这确实是令人惊叹的消息。
自KRAS基因G12C突变与癌症关联以来已有40年，自发现这个原本极其光滑的蛋白质表面存在微小凹槽的突破性发现以来已有9年。但这表明，无论需要多长时间，全面的研发对于制造有效且安全的新药物都至关重要。随着更多针对这种癌症的不同药物被设计出来，人们将有更多选择来找到最适合自己的药物。因此，科学仍在继续。
本文清晰展示了新药研发过程的艰巨性，以及这些治疗方案背后所付出的巨大工作量。
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