2018年诺贝尔奖解读 检查点调控获医学奖 定向演化获化学奖

01 检查点调控 获2018年度诺贝尔医学奖

十一国庆，世人瞩目的2018诺贝尔奖揭开了面纱：诺贝尔医学奖授予发现CTLA4的美国科学家James Allison（詹姆斯·艾利森）和发现PD1的日本科学家Tasuku Honjo（本庶佑）。

关心华哥抗癌科普文章的读者们，早就知道肿瘤免疫疗法已经热门了多年，其中的检查点抑制剂免疫疗法，更是风行全世界，其理论基础，正是CTLA4和PD1。

每年诺奖揭谜后，都会引发无数质疑，今年也不例外，生物医学奖授予CTLA4和PD1，相信质疑的人不多，能治疗癌症并且在这么多种类的肿瘤中有效，简直广谱抗癌。

质疑的是，为什么是这两个人获奖？要知道，研究PD1的科学家，那是千军万马一堆人啊，做出重磅贡献的远不止这两人，比如华人科学家陈列平和王常玉等人。

两位获奖者，接受采访时都说，当年只是想要研究免疫细胞，本庶佑更是直言从未想过这个机理可以用来抗癌。在其它科学家、制药工业、和药监部门的努力下，这些开创性工作以创纪录速度，转化为多种晚期肿瘤的治疗。

也就是说，美日两科学家，只是对免疫T细胞感兴趣，加以研究，但陈列平等别的科学家，推动和转化了其应用，正因为检查点药物是制药史上第一次大规模有效控制晚期转移实体瘤，反过头来，令检查点调控的研究显得更加重要。

艾利森和本庶佑二人的研究工作，是肿瘤免疫研究领域的基础工作，最终引出了PD-1/CTLA-4抑制剂等免疫药物的产生。

艾利森的主要贡献，是首次在动物模型上证明了抑制CTLA-4能控制肿瘤生长，推动了CTLA-4抗体的转化医学、并最终促成了CTLA-4抑制剂Yervoy成为第一个上市的新型免疫药物。

本庶佑的贡献，是发现了免疫系统的PD1信号通路，开启了一个全新的研究领域。本身是免疫学家，但并没有在肿瘤免疫领域有太多贡献。但由于诺奖给的是开创性工作，而这个信号通路，后来被其他科学家证明对肿瘤免疫极其重要，因此他得了诺奖。

肿瘤免疫治疗，是划时代的革命，很多科学家都在这个领域做出了杰出贡献，陈列平教授在这领域做出了非常杰出而且持续的贡献，这次未获奖是遗憾。没有基础理论，就很难有应用转化，而如果没有后续的转化医学尤其是临床医学的对应免疫药物的出现，PD1和CTLA4信号通路的研究不可能被证明如此重要而获奖。

愤愤不平的背后，是开创性研究全凭科学家的兴趣，能否将研究转化为实用产品，也很关键，但诺奖只授予前者，而前者的重要性，却要后者的成功来验证或否定。基础研究的前景往往具有不可预测性。

检查点调控机制，最早就是为了深入了解T细胞功能，最早开发也不是为了抗癌，而是准备作为抗病毒药物，尤其是当时威胁较大的艾滋病。

找到合适抗体后的抗癌评价结果并不理想，CTLA4抗体虽然效果略好但和传统的细胞毒和当时主流的激酶抑制剂比要差不少，PD1抗体就更弱。但在临床上二者疗效反过来了，现在PD1比CTLA4用途广泛得多。

与化疗放疗手术等传统治癌相比，免疫治疗之所以具有革命性，原因主要在于：

第一，免疫疗法能治疗已经广泛转移的晚期癌症。部分标准疗法全部失败的晚期癌症患者，使用免疫治疗后，依然取得了很好的效果。

第二，免疫疗法有“生存拖尾效应”。响应免疫疗法的患者，有很大机会高质量长期存活，这批曾经被判死刑的晚期癌症患者，被称为超级幸存者！在黑色素瘤，肺癌，肾癌等患者中，免疫疗法都制造出了一批超级幸存者，最初接受治疗的一批患者，很多已经存活了10年以上！这种拖尾效应是免疫药物 与化疗或靶向药物最大的区别。

第三，免疫疗法是广谱型的，可以治疗很多种不同的癌症，异癌同治成为了现实。

免疫细胞保护着人体，正常情况下，免疫细胞能识别和消灭癌细胞。癌症的发生，说明免疫细胞或者识别或者消灭两大监管作用失灵了。

免疫疗法，就是要修复这些缺陷，帮助免疫细胞识别癌细胞，或者帮助免疫细胞消灭癌细胞。CAR-T免疫细胞疗法，主要是帮助识别癌细胞，而免疫检查点抑制剂，则主要是帮助消灭癌细胞。

但如果完全不加检测和挑选（比如PD-L1蛋白检测和TMB检测），在绝大多数实体瘤患者中，单独使用PD1抑制剂的有效率其实并不高：通常在10%-25%左右。如何提高免疫疗法有效率，是下一步研究的重中之中。

需要记住的是：PD1抑制剂在多种晚期肿瘤中，显示一定应答后，业界才一拥而上，至于检查点抑制剂最宝贵的性质、即持久应答是更后来才显现出来的，这根本无法从基础研究预测、到现在其中奥秘都不是十分清楚。

陈列平未获诺奖引起的争议：

1、1990年代初，陈列平提出肿瘤微环境存在特异性的免疫逃逸关键分子的假说。

2、1990～1991年，BMS 科学家Peter Linsley发现B7配体、CD28和CTLA-4受体的相互作用。(PNAS, 1990; JEM,1991)

3、1992年，陈列平第一次将B7共刺激分子引入到肿瘤领域，验证了共刺激分子在肿瘤免疫领域的巨大潜力。(Cell,1992)

4、1992年，日本科学家Tasuku Honjo（本庶佑）克隆了PD-1分子，并一直认为这是一个参与B细胞调节，跟凋亡相关的分子。本庶佑教授的研究兴趣一 直在于自身免疫领域，所以他在PD-1分子的工作，多年来一直局限在B细胞以及自身免疫方面。

5、1997年，陈列平发现4-1BB抗体活化T细胞从而介导超强的抗肿瘤功能，使这一途径成为肿瘤免疫研究的热点。(Nature Medicine, 1997)

6、1999年，陈列平首次克隆并鉴定了人类B7-H1的T细胞调节功能(Nature Medicine, 1999) ，在后面的几年内，又陆续鉴定了B7-H2,B7-H3,B7-H4等免疫调节分子。

7、1999年，Honjo教授发现PD-1敲除小鼠具有多器官的轻微自身免疫症状，这一工作清楚阐述了PD-1基因的免疫抑制功能，并揭示有可能参与自身免疫性疾病的发生发展。(Immunity, 1999)

8、2000年，Gordon Freeman在陈列平发现B7-H1之后，证明了B7-H1/PD-1的相互作用，并将这一分子改名为PD-L1。(JEM, 2000)

9、2002年，陈列平首次证明了B7-H1(PD-L1)途径作为肿瘤免疫逃逸的可能机制。B7-H1在多种人类肿瘤组织而非正常组织中高表达，并且其表达主要由干扰素来调节。重要的是，用抗体在体外或体内阻断该途径均可以恢复T细胞的免疫功能来攻击肿瘤。(Nature Medicine,2002)

10、2004年，陈列平发现B7-H1(PD-L1) 敲除小鼠并没有明显的自身免疫表型，只是在肝脏有一定的免疫活化，这一工作进一步验证了B7-H1作为免疫负调分子的作用，并且验证了这一途径作为药物靶点的安全性。(Immunity,2004)

11、2005年，陈列平发现抗体阻断B7-H1(PD-L1)或者PD-1途径均可以提高抗肿瘤免疫反应。(Cancer Research, 2005)

12、2005年，Rafi Ahmed 通过LCMV慢性病毒感染模型验证了PD-L1/PD-1途径介导T细胞功能衰竭(exhaustion)的机制。不过这一慢性病毒感染模型和肿瘤有一定区别，所以这一发现在肿瘤领域的涵义此后争议不断。(Natue,2005)

13、2006年，陈列平、Suzanne Topalian等开始在约翰霍普金斯大学医院倡导开展anti-PD-1抗体的首次临床试验。

14、2012年，约翰霍普金斯大学医院，耶鲁大学纽黑文医院等研究机构开展anti-PD-1抗体首次临床试验结果发表。(NEJM,2012)

15、陈列平研究组很早就开发出PD-L1的肿瘤染色方法，于2012年首次发表PD-L1肿瘤阳性率可以反映anti-PD1/PD-L1抗体临床效果的结果;并完善了PD-L1/PD-1途径的肿瘤免疫调节机制：介导肿瘤局部的获得性免疫逃逸 (adaptive resistance mechanism of immune escape in the tumor site)。(Science translational medicine, 2012)

16、2013年，肿瘤免疫治疗被Science评为当年的科学突破之首。

17、2014年，PD1抗体获得FDA批准用于肿瘤临床治疗。

可见，华人陈列平对PD1的贡献是很早且很关键的。如果再细化两位诺奖获得者与陈列平研究的先后顺序，则更有争议：

1992年的日本，科学家本庶佑率先在实验室的小鼠身上发现并鉴定了一个新的基因。那个时候，本庶佑认为这个基因如果被激活，将会导致T细胞凋亡，因此把蛋白命名为PD1（Programmed Death-1）。

本庶佑在研究论文中，公布了小鼠PD-1蛋白的序列，随后的1994年，他又找到了人类PD-1基因和蛋白，并在1999年首先提出PD-1是免疫系统刹车。

但很可惜，这些基础研究当时并未引起学界太多重视，更没有和抗癌扯上关系。一个重要原因，是本庶佑并不研究癌症免疫，而是专注免疫细胞发育和功能的基础科学家。

很快，美国科学家就加入了这个领域。2000年，哈佛大学丹娜法伯癌症研究院（Dana-FarberCancer Institute）的Gordon Freeman和本庶佑合作发表了重要文章，阐述了PD-1/PD-L1信号通路对人体T细胞的调控作用。在这篇文章中，他们首次证明了 PD-L1能通过结合T细胞上的PD-1，抑制免疫细胞的活性。

著名的美国华裔科学家陈列平教授，一方面，通过生物信息学方法，也找到了PD-L1，并于1999年12月首先发表论文，公布了PD-L1的基因及蛋白序列，这比Freeman早了10个月。（但Freeman的相关专利比陈列平早了3个月）

另一方面，也是个人认为陈列平教授最大的贡献，是2002年发表了一篇标杆性的科研文章，里面指出很多肿瘤细胞都可以通过表达PD-L1实现免疫逃逸。陈列平团队在论文的摘要中富有前瞻性地写道：“这些发现可能带来基于T细胞的癌症免疫疗法。”

这是一个革命性的发现和论断，为后来开发PD-1/PD-L1抑制剂用于癌症治疗提供了重要理论依据。

不仅如此，陈列平教授在随后的十多年，持续不断地在抗癌免疫领域做出了大量原创的高质量研究，推动了我们对癌症和免疫系统之间关系的理解。

王常玉未获诺奖引发的打抱不平：

随后工业界加入，PD1的抑制剂被开发出来，最早干这事儿的公司之一，是美国的Medarex。2001年初，王常玉作为研发科学家加入Medarex公司。他是一位抗体药物研究专家，在以前公司就开发过抗体药物，经验丰富。

王常玉团队从最基础的PD-1，PD-L1基因分子克隆，蛋白表达开始，成功从小鼠脾脏里分离到了生产PD-1抗体的B细胞，再通过融合B细胞和骨髓瘤细胞，就得到了能长期稳定产生上述抗体的杂交瘤细胞株，这是生产抗体药物的主流方法之一。

但这个从老鼠体内来的天然抗体虽然能抑制PD-1，但却不能被当成药物使用，为啥呢？因为这个抗体非常不稳定。如果用在人体的话，肯定还没来得及发挥作用就挂了。

为了解决这个问题，Medarex的科学家对抗体进行了几个大改造，比如将PD-1抗体的一部分与免疫球蛋白G4（IgG4）的一部分结合，同时将一个氨基酸，从丝氨酸变成脯氨酸。科学家成功解决了天然抗体在体内的不稳定性问题，得到了一个全新的抗体药物：MDX1106，就是Nivolumab，也就是大名鼎鼎的O药！

王常玉博士是Nivolumab毫无争议的第一发明人。

2006年8月，Medarex的PD-1抗体Nivolumab获得美国FDA批准进入临床I期试验，首批计划入组39名癌症复发的病人。

但结果一开始看起来并不惊艳。无论是无进展生存期，还是客观响应率，免疫药物似乎都并不比传统药物好太多。

在这种情况下，很多人对PD-1抑制剂这种免疫疗法的价值产生了质疑，认为它和99%以前尝试过的抗癌药一样，是没有临床价值的。

就连Medarex公司管理层也动摇了，这直接导致2009年百时美施贵宝（BMS）以24亿美元的总价收购了Medarex，获得了包括Nivolumab在内的多个药物。

回头看，当年临床试验结果看起来不咋地，重要的原因是免疫药物起效机理和临床表现和以往针对癌细胞的药物（化疗或靶向药物）都非常不同。无进展生存期和客观响应率并不是评价免疫药物最好的方法。因为免疫药物真正最大的优势，是药效的持续性。一旦起效，病人的存活期会比较长，甚至有较大几率实现临床治愈。

Nivolumab的临床试验也是这样，一开始看着不咋地，但随着跟踪时间延长，出现了令人惊奇的结果。2010年，公布了Nivolumab第一批患者的治疗效果，参与临床试验的病人中，一位结直肠癌患者实现了完全缓解，一位黑色素瘤患者和一位肾癌患者实现了部分缓解，另有两位黑色素瘤患者的肿瘤也得到了显著缩小。要知道，这些都是最晚期，且耐药的癌症患者，以往想要存活很久，是不可能的事儿。

这个结果，犹如重磅炸弹，立刻引起了行业的重视。比如默沙东公司，惊喜地发现自己后院居然也有一个PD-1抗体药。这个抗体药来历颇为曲折。最初，是先灵葆雅2007年收购荷兰Organon公司时获得，而2009年先灵葆雅公司并入默沙东，所以它成了默沙东的资产。这个曾被自己公司都遗忘的药，就是现在的K药。

Organon公司当年开发PD-1抗体药物，并不是为了治疗癌症，而是想作为自身免疫性疾病（如类风湿关节炎）的辅助用药。随着两次收购带来的重组和研发重心变迁，Organon的团队已被告知应该停止PD-1抗体的研发工作。但2010年BMS公布的临床试验结果改变了一切，默沙东意识到了PD-1抗体在癌症治疗上的巨大空间，随即重启了自己的PD-1抗体项目，并于2010年12月获准进入临床试验。

而BMS的PD-1抗体Nivolumab，也率先完成了多项标志性的临床试验，并以商品名Opdivo的名字于2014年7月在日本获得批准，成为全球第一个被批准的PD-1药物。

后面，药界一哄而上。

从本庶佑1992年发现PD-1蛋白，到2014年O药上市，中间经历了22年，即使从2000年明确PD-1/PD-L1的功能算起，也经历了14年，药物研发的艰巨，可见一斑。

没有本庶佑等人发现PD-1的功能，O药的诞生无从谈起。PD1的发现要归功于本庶佑等人，而本庶佑也很可能会因此获得诺贝尔奖。但从Nivolumab的研发历程可以看出，作为基础科学家，本庶佑等人对这个药的开发并无太多直接贡献。他们可能在发现PD-1/PD-L1的功能之后的好几年都没意识到PD-1/PD-L1对癌症治疗会有突破性的作用。

如果没有Medarex团队独具慧眼研发PD-1抗体用于癌症治疗，本庶佑这一成果或许至今都还被淹没在故纸堆里。一个药物从实验室走向市场，后续开发丝毫不比前期科研的难度低。

基础科研，转化科研，临床科研，三者缺一不可！

02 定向演化获2018年诺贝尔化学奖

2018年诺贝尔化学奖，一半将授予CalTech的Frances Arnold教授，获奖工作是酶的定向演化。她的工作为非天然酶的系统发现成为可能，现在用于多种材料包括生物能源、药物的绿色生产。

另一半将给与George Smith教授和 Gregory Winter爵士，前者发明了噬菌体展现技术、后者把该技术扩展到抗体发现。

演化是最广为人知的一个科学概念，地球上的生命来自哪里现在还是个迷，但生命如何演化已有比较坚实的理论和试验基础。演化是现在大千世界多样性的核心机制，基因随机（或不完全随机）变异和传宗接代中的重组产生了生物界的多样性。长颈鹿演化出了长脖子，人类演化出了直立行走，制造工具等。

自然选择是决定哪些物种可以生存、繁殖的机制，这个机制虽然保留了很多令人叹为观止的物种和生物过程、但仍然有很多人类需要的功能在自然界不存在。今天获奖的科学家就是通过干预自然界的演化工作体系来发现新功能分子。

酶的定向演化最早概念是由Manfred Eigen提出，但Arnold第一个在实验室中实现了整个过程。基本过程是诱导一个表达先导酶的基因随机突变，然后在细菌中表达后筛选哪个酶有需要的功能，没有这个功能的突变株被除掉，相当于自然选择。

然后这个苗头基因开始下一轮突变和筛选，直到找到具有高效新功能的酶。这个过程与药物化学的先导物优化十分接近，只是用了细菌的表达系统。后来又有人发明了类似生物繁殖后代的DNA改组和其它技术、进一步提高了优化效率。

噬菌体展现技术对制药界更为重要。这个技术利用噬菌体感染细菌后通过细菌表达系统表达其外鞘蛋白，如果把外源基因插入则可同时表达在噬菌体表面用于筛选。

Smith最早完成了概念验证，Winter则用这个技术表达了抗体片段库，从中可以找到人源抗体。Winter后来创立了Cambridge Antibody Technology 并发现了一个叫做D2E7的TNF抗体，后来几经倒手成为当今药王修美乐。修眉乐是第一个通过噬菌体技术找到的抗体、也是第一个纯人源抗体，对自身免疫疾病治疗做出了重要贡献。

无论酶、抗体、还是小分子药物，因为可能性太多和对功能理解的局限从基本原理开始设计目标分子目前还都无法大规模实现，从一个先导物开始随机、半随机产生大量类似物是一个实际的选择。但一次就找到目标分子需要极大的分子库，这在实际运作中也难以做到。

所以无论小分子优化、酶的定向演化、还是噬菌体生成抗体都是多轮优化，把加法变成乘法。这个操作过程与生物的演化十分类似，但是筛选压力（即目标功能）是事先设定的，所以叫定向演化。

现在定向演化有了长足的进步，华人科学家David Liu设计的PACE系统已经非常接近自然界的演化过程，可以连续演化和筛选而不需要一轮一轮操作。

这些技术为人类文明做出了巨大贡献，三位科学家值得祝贺和感谢。