科研14年，创立12家公司，诺奖得主Carolyn的“科学创业经”

在生物学里，现在大家最感兴趣的领域就是生物大分子，其中最为人熟知的大分子有三种：DNA（脱氧核糖核酸）、RNA（核糖核酸）、蛋白质。

这节课，我将聚焦在我过去十四五年的研究——癌细胞表面的聚糖上。

早在半个世纪前，医生和生物学家就在很多癌症案例中发现一个共同的主题：癌细胞表面的聚糖，有着异常丰富的唾液酸（9种单糖之一）尾巴——我们称之为唾液酸聚糖（sialoglycan）。

图中左边为健康细胞，右边为癌变细胞。粉红色方块代表着唾液酸

我喜欢这样形容它们：健康的细胞就像一个有园丁定期修剪的花园，一旦演变成癌细胞，花园就变成了丛林，各种藤蔓、灌木野蛮生长。

这是一个肺癌患者的活组织切片，褐色部分是与唾液酸聚糖结合的抗体。从图中可以看到，与周围的健康细胞相比，癌细胞附近的褐色部分明显颜色更深，这也说明了这些癌细胞表面的唾液酸聚糖多得多。

除了肺癌细胞，类似的现象在胰脏癌、大肠癌、皮肤癌、卵巢癌细胞上都可以看到。

为什么癌细胞会出现这样的变化？

这个谜团困扰了我们半个多世纪，直到十年前，我们才总算搞清楚原因——这就要从免疫系统说起了。

我们知道，癌细胞是由正常细胞病变而成。正常情况下，在这些癌细胞演变成癌症/肿瘤之前，人体自身的免疫细胞总能把它们尽数歼灭。

那么，这件事具体是怎么做到的呢？

简单来说就是，癌细胞在病变以后，会将某些特定的“损坏”分子释放到细胞表面，向外界表示：“哎呀呀～我变坏了啊～”

这个时候，正在人体内巡逻并对细胞一个个进行筛查的免疫细胞就会发现这些“损坏”分子，于是，免疫细胞上的一类受体（也叫活化型受体）就会和这些分子配体结合，对内部发出信号：“杀！”。

当然，为了避免误杀“自己人”而引发自体免疫疾病，免疫细胞还有一层保险——就是另一种受体（也叫抑制型受体）同时也会在细胞表面寻找“健康”分子，如果找到就会释放出相反的信号：“刀下留人”。

所以，是杀还是留，免疫细胞会综合所有信号作出决定。

说到这里，你们应该也想得到，癌细胞之所以能顺利逃过免疫细胞的剿灭，往往是因为它成功制造出了很多“健康”分子，迷惑住了免疫系统。

“魔高一尺，道高一丈。”

当科学家们发现并公布这一癌症病理后，药剂领域也意识到：如果我们能阻断“健康”分子与抑制型受体的结合，免疫细胞就不会再对癌细胞“手下留情”了。这也是第一代的免疫疗法的原理。

现在我们有了一系列的药物，有些直接和免疫细胞的抑制型受体结合，有些和癌细胞表面的“健康”分子结合，有些仅仅是通过其他方式干预两者的结合。

免疫疗法，彻彻底底颠覆了整个肿瘤学的景象——我甚至会说它是我至今见证过的，在癌症治疗上最激励人心的进展。

在过去，黑色素瘤是一个死亡率接近100%的肿瘤。它可以转移到全身各个部位，包括大脑、骨髓、肝脏，一旦扩散，虽然有些患者还能活个几年，但最终基本必死无疑。

但随着免疫疗法的面世，黑色素瘤患者的黑暗世界迎来了曙光。这是2012年一场临床实验的结果：

PD-1和CTLA-4分别是免疫细胞上的两种抑制型受体。一些人注射针对PD-1的抗体，一些人注射针对CTLA-4的抗体，另一些人两者都注射。从图中可以看到，虽然不是所有人都活了下来，但活过三年的人基本都算是治愈了。

要知道在那之前，“治愈”这个词从来不存在于黑色素瘤患者的字典中。如今，存活率从原来的为零骤升到三分之一甚至过半，不管是对病患本身、他们的亲属还是对这个领域的科学家来说，这绝对是颠覆性的。

美国的第39任总统吉米·卡特曾就在90多岁高龄罹患黑色素瘤，而且确诊时肿瘤已经扩散到了脑部。换作是一般人，这已经堪称死刑，更何况是一个年过鲐背的人。但在免疫治疗干预下，他成了其中一个被治愈的幸运儿，直至今天依然健在。

这一场空前的医学进展，2012年也登上了各大刊物的封面。不仅是Science、Nature这些科学期刊，还包括了那些超市门口架子上的通俗杂志，如Newsweek、Time等等。

世界第一的科学/科技新闻杂志New Scientist甚至把它形容为“青霉素瞬间（Penicillin Moment）”——青霉素作为人类医学史上第一个抗生素，为人类几乎根除了细菌感染的难题。

这也让整个免疫治疗行业原地起飞。今天，几乎每家药剂公司的产品阵列里都有至少一种单克隆抗体。

免疫疗法背后的功臣，是发现这些抑制型受体的科学家Jim Allison 和 Tasuku Hanzhou，他们共同获得了2018年的诺贝尔生理学或医学奖。

如果免疫疗法真能像青霉素一样，让癌症与肿瘤从此绝迹于世，那真的会是一大壮举。然而，这个壮举还有很长一段路要走。

免疫疗法并非适用于所有癌症病患。在第一代免疫疗法的临床实验中，不同癌症患者都接受了治疗，但除了黑色素瘤，其他肿瘤没有看到那么显著的疗效。

为什么会出现这种情况？是不是存在着其他机制，导致免疫细胞绕过了病变的癌细胞？

2000年，在人类基因组的一次测序中，科学家发现免疫细胞除了之前提到的两款受体（抑制型受体、活化型受体），还存在着另一些受体，能和癌细胞表面的唾液酸聚糖尾巴进行结合——我们把这些受体称之为Siglecs受体。

下图中的1-16，指的是人体内不同的Siglecs受体。黄色的线代表着细胞膜，蓝色部分是面向外部的含聚糖分子，红色和紫色部分则是细胞内部负责发送生物化学信号的部分。不管是哪一种免疫细胞（巨噬细胞、中性粒细胞、自然杀伤细胞、T细胞、B细胞等等），表面都存在着不同种类、组合的Siglecs受体。

而图中最右侧的PD-1，则是之前提到的负责发出“刀下留人”信号的抑制型受体之一。这时，可能你已经注意到了：7、8、9、10号Siglecs受体的生物化学信号类型和PD-1是一样的！

也就是说，癌细胞与某些Siglecs受体结合后，能让自己“变身”，就像“健康”分子跟抑制型受体结合时一样，发出“刀下留人”的信号，蒙混过关。

2010年看到这个研究时，我忽然明白了为什么癌细胞表层有异常浓密的唾液酸尾巴——因为唾液酸尾巴可能隐藏着摆脱人体免疫系统追杀的生存优势。高度变异的癌细胞，其表型本来就是很多元的。在众多癌变的细胞中，只要其中一个癌细胞刚好变异到产生了更多唾液酸尾巴，那它在与其他癌细胞竞争时就会占优势，并最后在自然选择中占据主流。

回过头来再看，第一代免疫疗法为什么对很多癌症患者不起作用，现在我们终于知道了答案和原理。那下一步该怎么做？十年来，我们尝试了各种不同的方法。

第一个策略，按第一代免疫疗法的思路如法炮制，制作一些抗体阻断Siglecs受体，不让它和唾液酸尾巴结合。

但问题在于，人体里有十多种Siglecs受体，我们需要阻断哪几种？如果一个个去测试，组合非常多，直至今天我们依然没有答案。

我的实验室团队尝试的是另外一条策略。

高山书院硅谷站课堂现场

如果最终想要达成的效果是不让siglecs受体与唾液酸尾巴结合，那么与其在难搞的siglecs受体上折腾，不如在唾液酸尾巴上做文章？于是我们就萌生了一个思路：制作一种分子“除草机”，把癌细胞表层浓密的“唾液酸尾巴”咔嚓修剪干净。

那什么分子可以充当这个“除草机”呢？我们找到了一种酶，叫作神经氨酸酶或唾液酸酶，可以在自然界不同生物体中找到。

接下来要考虑的问题就是，要怎么确保只修剪癌细胞表面而健康细胞不受影响？我们想到一个方法，就是找一个只跟癌细胞结合的抗体，把它和唾液酸酶绑在一起，这样一来，这个“除草机”就能针对性地只对癌细胞下手了。（这个抗体，我们选择了Trastuzumab，它能和很多癌细胞上的HER2蛋白结合，同时是一个安全性高的FDA认证药物。）

抗体和唾液酸酶都是大分子蛋白，现有的大多数化学反应都是为试管里的小分子而设计，或是需要在有机溶剂内进行，这并不适用于大分子蛋白。此外，蛋白上存在着很多官能团，一般化学反应很容易干预到它们。要怎样把两个蛋白融合在一起，同时还不影响它们的功能呢？这不是一个简单的任务。

这也是我们创立生物正交化学的原点——后来我们也因此获得了诺贝尔奖。

制作这个分子“除草机”，涉及到很多技术细节，我这里就不展开。总的来说，通过这个方式我们成功把抗体和酶“缝”在了一起，同时它们原先的作用又维持了不变。这个抗体-酶复合体，我们简单称之为T-Sia。

理论再完美，也离不开实证——现在到了检验理论的时刻了。

我的同事Heinz Läubli教授和他的博士生Michal Stanczak做了一个临床前动物实验。实验中，他们对老鼠注射一些模拟人类癌症而基因编辑过的癌细胞（EMT-6/Her2），让它们在老鼠体内生长；然后再把它们分成几组：

（1）组：什么都不做——空白对照组；

（2）组：注射Trastuzumab抗原（T抗原）；

（3）组、（4）组：注射不同剂量的T-Sia复合体。

2015年，我想将这个想法更进一步，设立了一家公司，叫Palleon Pharmaceuticals，试图让原来的T-Sia分子更适用于人体。为此，我们对T-Sia的结构进行了几个重要的修改。

首先是调整唾液酸酶。经过一段时间后，Palleon将人体其中一种唾液酸酶成功编辑成在这款复合药物里需要有的样子。

其次是精简了整个抗体-酶分子。原来的抗体-酶大分子难以渗透密度高的肿瘤如胰脏癌、卵巢癌等，我们希望尽可能缩小它的大小。所以Palleon反复测试了不同的修剪方案，最终有了EAGLE结构——觉得结构长得像老鹰，所以取了这个名字。

最后是要找到量产方式。虽然异常费时、费力，但幸运女神再一次眷顾了我们。经过Palleon优化的EAGLE分子，在临床前动物实验中也有不俗的效果。

我们看到，患癌老鼠在单独注射EAGLE（或单独注射抗原）之后都有至少50%的治愈率——但当我们把两个方案都结合到一起，针对两种患癌机制同时发力，患癌老鼠的治愈率达到了100%。

更可喜的是，多个月以后，当科学家对这些治愈的老鼠重新注射相同的癌细胞，这些癌细胞再也无法在它们体内发展成肿瘤。换言之，经过这些疗程，老鼠的免疫细胞不仅仅是杀死了癌细胞，还对它们形成了免疫记忆。

在这之前，癌症治疗本质上是为病患争取时间，因为病患康复以后仍然要面对癌症复发的可能性。但现在，如果这个免疫治疗能给癌症病患带来终身免疫的效果，这个结果的意义无疑是深远的。

如今，EAGLE正在第一期临床实验中；疗效如何，我们拭目以待（第一期结果估计最早要等到2025年，之后第二期临床试验还要两年多）。

我们所有人都很兴奋，迫不及待想知道结，想帮助更多人，但很多事情急不来，这也是科学求真的严谨性。

前面提到，不让免疫细胞放过癌细胞的其中一个方法，是对唾液酸尾巴做文章。一方面我们可以用分子“除草机”除掉这些尾巴；另外一个思路，也可以抢在它们和免疫细胞受体结合之前，先占据这些配体。相比于清除尾巴，这个做法的风险更低，所以，我成立的另一家制药公司Valora Therapeutics，探索的就是这个方向。

但Valora的研究进展目前落后Palleon大约十年。我们的设想是，在Palleon的EAGLE通过临床实验、获得FDA认证以后，十年后再用这款新药将之取代。

另外，为了防止免疫细胞在追杀癌细胞的时候错杀大量正常细胞呢，引发自身免疫病，我又成立了一家公司，做着和Palleon相反的事，就是给人体的健康细胞表层多种一些“花花草草”（唾液酸尾巴），从而逃过免疫细胞的追杀。

总的来说，沿着免疫系统的不同思路，我总共成立了12家公司。

在科学的世界里，理论和技术应用之间很多时候是相辅相成的。一个理论的突破，一般10年后可能就会转化成现实中的技术应用；反之，一个成功的技术应用会拉动更多资本流入，带来连锁反应，让更多人留意到这个领域的科学，并对它产生浓厚的兴趣。

十年后，我希望每个人都知道人体内有9种单糖。

※文章仅为课程现场内容部分摘录，如您对课程感兴趣，欢迎联系小高老师（微信：gaoshanzhushou），了解更多~