A history of Herceptin and ADC

新年真的就要来了：家人陆续回到老家，同事先后离开公司，明天晚上我也会乘坐北上的火车，回家过年。眼前我的内心再也无法平静的看Paper了，倒是可以试着完成本年度最后一篇帖子，讲述丙申年前的最后一个故事——HER2。

这个故事是我在半年前工作之余无意中浏览Genentech的主页时看见的，向来不懂免疫的我，好奇地打开那篇介绍，习惯性地Follow许多引文，查阅三十年前的文献，渐渐地轮廓清晰起来，原来这就是火热了许多年的单抗的免疫疗法（年后再来介绍PD-1和PD-L1的故事吧，现在我还没有那么的清楚她们的过去）。是她带我走进了免疫疗法，是她让我能跟上后续许多的重大发现，也是她让我意识到自己的知识极度匮乏，也是她让我有勇气探索自己未知的领域。

故事还是要从古老的文献开始。Cancer这个字的来源要追溯到3000 BC，在遥远的埃及有一本书《Edwin Smith Papyrus》中曾描述过8种不同乳腺中的肿瘤（tumors）或溃疡（ulcers），并称之为不治之症“There is no treatment”；直到古希腊的一位学者，Hippocrates（460-370 BC），被称为“Father of medicine”，将无溃疡（non-ulcer forming）或溃疡样（ulcer-forming）的肿瘤称为“carcinos”或“carcinoma”；之后罗马的学者，Celsus (28-50 BC)将之称为“Cancer”，而另一位希腊的医生，Galen (130-200 AD)将肿瘤称为“Oncos”，后来一些促进肿瘤形成的基因被称为oncogene，而肿瘤学领域的专家也会被称作“oncologists”。（From The American Cancer Society,www.cancer.org）

Part I:Identification of HER2

早在1980s，一位Genentech的研究员、英国的蛋白化学家和以色列的蛋白专家共同证明生长因子与癌症的发生相关，他们发现一个致癌基因是由表皮生长因子受体（epidermal growth factor receptor，EGF）的基因突变而来。（Bishop, J.M.A., 1983, Rev.Biochem. 52, 301-354; Land, H. et al., 1983, Science, 222, 771-778 ）在基因转移的实验中（也就是现在的转染）人们发现一些自发的或化学诱导形成的肿瘤中存在某种致癌基因，大部分与Ras家族相关，1979年，Robert A. Weinberg的团队用一些经Ethylnitrosourea（ENU）诱发的恶性胶质瘤做实验，分析各种已知的致癌基因活度，发现Ras基因并未参与之中，而是另一种未知的基因在起作用，他们将之命名为“neu”基因（rodent glioblastomacell line, a type of neural tumor），序列分析表明该基因与ErbB基因（avian erythroblastosis oncogene B）同源，编码一种与EGFR（epidermal growth factor receptor）相关的蛋白。（SchechterA L, et al., Nature, 1984, 312(5994):513-516.）之后有许多课题组报道了类似的现象， Genentech的研究员Axel Ullrich发现了该基因表达的蛋白，并分析了氨基酸序列，发现该蛋白与human epidermal growthfactor receptor 1，HER1同源，便更名为HER2。（AUllrich, et al., Nature, 1984, 309）（当时的克隆、蛋白纯化、氨基酸序列分析等技术还不成熟，实为耗时耗力的实验）

虽说人们当时发现许多病毒性的、细胞内源性的致癌基因，有的作用在细胞核内，有的在细胞质内展现功能，可这个时候人们对生长因子和癌症发生之间的关联、机制还不是很清楚，可能是致癌基因可以活化自身细胞生长因子的合成和分泌，可能是EGFR发生突变，可以自激活细胞生长相关的通路，也可能是细胞内部的某些转导信号的因子发生突变，即便没有生长因子也可促使细胞自身的增殖等等。但，这足以吸引一些人的注意，关注某种致癌基因的作用机制，深入研究下去。

1986年，Ullrich偶然遇到UCLA的Jonsson Cancer Center的肿瘤专家Dennis Slamon，他们近期都在关注HER2的研究，希望从中找到突破点，随之一拍即合，二人开始了长达三十余年的合作。在接下的两年中，他们发现HER2可能与乳腺癌、卵巢癌的形成有关。（期间也遇到过波折，化合物遭到污染、错误的方法还有一些愚蠢之极的想法，耽搁了两年的进度）美国当时约有1.6 million的乳腺癌患者，且每年新增约180,000人，人们估计其中约有164,000人患有可转移的乳腺癌，而这里约有25~30%的肿瘤细胞高表达HER2蛋白。（Slamon DJ, etc., Science, 1987.）到此，有了一个新名字的乳腺癌，HER2-positive Breast Cancer，主要是指那些癌细胞膜上高表达HER2蛋白的那一类乳腺癌（大量的HER2会控制细胞的生长和分裂，诱发肿瘤的形成）

可是问题来了，即使人们知道HER2对此癌症的发生有着关键的作用，可是要如何设计靶向HER2的药物呢？更何况是人们才刚刚发现这个靶点。要知道，癌症那个时候是棘手的疾病，极难治愈，能延长数年的生命已属不易，而晚期乳腺癌的患者往往会在数月内死亡。这时Genentech的抗体工程师（如Dr. Paul Carter和Dr. Mark Sliwkowski）把眼光瞄向了单克隆抗体，早在1970s人们报道B细胞和肿瘤细胞融合可产生单克隆抗体。HER2是一种受体，需要与配体结合才能将促生长的信号传递到细胞内部，如果使用抗体将其表位封闭，是否会有作用呢？

其实方案是可行的，真正实行起来是比较困难的。简单的与当时小分子药物研发的流程相比，并没有先例，理论上也有些匮乏。看看抗体的大小和结构与阿司匹林之间的差异就知道，这是一个非常Tough的工作。1988年，他们希望Genentech能继续支持他们深入HER2的研究，却未能如愿。那个时候Genentech刚刚获得IFNα临床试验失败的消息，研究重心已经偏离癌症药物的研发。听说没过几个月，一位Sr.Vice President的母亲被诊断出患有乳腺癌，这位意料之外的人士帮助推进了Herceptin的研发项目。

Part II: Tribulations to Herceptin

有了目标，剩下的就是解决问题的办法了。现在回头来看，不得不佩服Genentech的科研能力。1989年发表的文章中显示他们获得了特异识别HER2的单克隆抗体（4D5），并且发现该抗体可以抑制HER2-postive的乳腺癌细胞的生长，并且阻止经HER2转化的NIH3T3细胞形成集落，此外还表明这种抗体同样能抑制耐受TNFα的肿瘤细胞的生长。

可惜，他们首次在人体内的实验彻底失败了，得到的实验数据打消了人们的希望。没有多久，人们知道了原因，因为这些抗体是鼠源的，到人体内会受到免疫系统的清楚（看到这里的时候我还纳闷，为何进入临床实验前人们没有发现呢？估计是免疫学那个时候还没发展到能发现这种潜在危险的阶段）。当时人们也意识到了项目的难度，对HER2的研究不够深入、单克隆抗体在临床中的效果不可控、如何制备临床实验需要大量的抗体等等问题确实让人们感到了压力，但没能阻止Genentech的团队继续寻找解决方法。

于是就有了人源化的抗体（humanized antibody），humAb4D5。仅仅是抗原结合的位点是鼠源的，其余的部分（可变区的骨架、IgG的Fc部分）均是人源的。（改造此类抗体的技术很有意思，有兴趣的同仁可以自行搜索一下）改造制备的单抗中并非全部都好用，有的抗体的亲和性很高，却不能抑制肿瘤细胞的生长。在八株筛选的单抗中，他们发现humAb4D5-8株抗体的亲和性和抑制肿瘤的功能都接近鼠源的单抗，并且这株抗体可以特异性的抑制HER2表达量较高的肿瘤细胞，对HER2低表达的肿瘤细胞抑制作用并不明显，这也间接的显示他有较低的Off-target的效应。这部分结果于1992年发表在PNAS杂志，这就是Herceptin的“元神”。

只是在临床实验的阶段，由于有过于严重的副作用，15名受试患者仅仅有1名存活下来，多数伴有头晕、腹泻以及心脏功能缺陷等严重的副反应。这也一度让研究员们陷入困境，是否要推进PhII和PhIII的试验？这种数据若是针对小分子药物，是估计不会发生类似的现象，在体外的诸多检测会避免如此严重的副反应。若在如今，再次遇到如此糟糕的PhI期数据，项目是否还能再继续下去？是个问题。

不记得当时在哪里看到的消息了，当时社会各界的人们知道Genentech正在研制治疗乳腺癌或延缓病发期的药物，大家非常的关注。甚至有些晚期的患者直接走到Genentech的门前，希望能够在她们的身上试验，因为即使不这样，她们能活下去的时间也仅仅是几个月，可是当时FDA的规定是不允许这样私自试验的。法不责众，有更多的患者来到了这里，希望能给她们一次获得生活的希望，有那么多的母亲希望和子女再多待一段时间，哪怕只有几个月的长度。就这样，FDA也默许了这种试验，Genentech顺利地完成了临床PhIII的试验。我能体会到那种情景：当研究员Dr. Mark Sliwkowski走过来对Dr. Lewis Phillips说“It worked.”时，大家该有多么兴奋。

1998年，Herceptin获得FDA批准。

其实在筛选Herceptin的同时，他们希望能得到性能更好的单抗，同时也在深入研究HER2的功能，那个时候全球有许多眼睛盯在HER2上。记得去年义翘神州承办的国青论坛上遇到的安志强教授（记北京国青论坛）曾发表多篇文章探讨HER2的分子机制，并且他们还发现抗体在细胞体内会被一种酶部分的切开，对此还在设计另外一株补救性的单抗。Genentech的团队发现HER2的二聚化对其信号转到的通路是必须的，而同时他们也发现一个抗体专门的抑制这步二聚化的过程。有人就提出：能否将这株抗体和Herceptin联用？有人反对，觉得针对同一靶点、使用两株抗体是一种浪费；也有人同意，这样会双重封闭HER2的活化作用。

有一句话说的好：Biology has spoken and we should listen. (GeorgeSledge, M.D., ASCO, 2005)后期的临床试验表明这样的联用是完全可行的，这株2C4就是后来的Perjeta， 2012年获FDA批准，与Herceptin和Docetaxel联合用于一线治疗HER2-positive乳腺癌。

Part III: Antibodydrug conjugate

当时治疗癌症的药物主要以小分子的化合物为主，也称化疗（化学药物治疗，和手术、放疗一起被称为癌症的三大治疗手段）。这种化合物一般靶向快速增殖的细胞，其实体内有许多健康的细胞长期处于活跃期，可以复制、增殖，比如骨、胃、肠和毛发等细胞，这也是化疗极易引起感染、恶心、腹泻、脱发等副作用的原因，主要由于小分子化合物在体内的靶向性不够，经常伴随Off-target的现象。在Herceptin获批以后，Genentech的同事好奇：能否利用单抗的特异性提升小分子化合物的靶向性？

这就是新概念：Antibody drug conjugate（ADC，抗体药物偶联物）。正如其名，主要由抗体、小分子化合物和Linker三部分构成。简单原理便是利用抗体作为导向，将有毒的化合物带到癌细胞旁边，二者协同攻击癌细胞（可参考A story of CAR-T (I)，抗体与药物、T细胞的联合已是免疫疗法的热点之一）。

不得不在此申明，其实许多Ideas都是来自基础科学，但能被慧眼发现，成功用于临床也是一件需要智慧的事件。比如，选用那些化合物与抗体偶联？如何联合？效果如何分析？在哪里偶联？偶联多少？抗体和化合物进入体内后是继续相连、还是释放小分子化合物？如何实现？副反应几多？危险系数多高？等等。在没有先例的时候，这里的任何一个问题都是必须要搞清楚的。（有点像当年的核计划，在实施以前人们期待值很高，可在中途，诸多项目负责人看清了这项技术将会带来灾难性的后果，实属一把双刃剑。）

到了这里，又一次突显出自己化学功底不够，我无法解释清楚其中的细节，据Gary的提示，化合物的偶联可用比例衡量，这需要大分子和小分子常用的分析技术（现在回头看看，就知道为何Gary需要多肽分析的仪器了，我们这里最不缺的就是LC/MS/MS）所选用的linker那是化学合成的同事的工作，如何连在抗体表面对化学家来说好像不是很难。

在小鼠模型中人们看到了ADC的潜力，因为他们具有更快、更完全清除癌细胞的性能，余下的工作就是继续摸索，优化条件了。起初人们认为抗体靶向癌细胞以后，释放小分子化合物到细胞内，破坏细胞内的结果将会达到更好的效果。人们设计了不同长度的linker，不同的讲解方式、速度等等，最终他们得到了臆想不到的结果：原来小分子化合物和抗体共价结合、到体内不分开的效果更好。因为单抗结合HER2后会发生内吞，到细胞内部抗体被水解，小分子化合物自然与相连的氨基酸或多肽在一起，同样可以发挥摧毁癌细胞的功能，而且避免了进入癌细胞之前被水解，降低了Off-target效应。

没过多久，T-DM1，Trastuzumab(Tmab)-maytansinoid (DM1) conjugates，就与人们见面了，即Kadcyla，2013年获FDA批准，用于已接受Herceptin和Docetaxel治疗的HER2阳性乳腺癌。

在未得到结果的时候，一切皆有可能，任何希望都值得珍惜，怎样的试验也值得尝试。看到结果之后，原来就是“Ah Ha!”、“原来如此”的感觉。三十年的过去，让Genentech在世界上有了自己的席位，与Roche的合作更是强强联合。他们工作极大的推动了抗体药进入临床试验，也为免疫治疗带来新的曙光。目前有更多的抗体要获FDA批准，进入临床，与化疗联合用于治疗更难的癌症，尤其是耐受小分子化合物的癌症。

附：Milestones for Herceptin and ADC (from Genentech)

1985年，Axel Ullrich和ArtLevinson克隆到HER2 基因（Genentech）; 同年，Stu Aaronson （NIH）在人类乳腺癌细胞中发现过表达的HER2蛋白。

1987年，Dennis Slamon等人发表文章表明过表达HER2蛋白导致乳腺癌的形成。

1990年，Axel Ullrich利用单克隆技术合成特异结合HER2的单抗

1992年，Len Presta，PaulCarter和Michael Shepard研制出人源化的HER2的单抗，即Herceptin.

1992-1998年，Herceptin（或与化疗并用）临床试验。

1998年，Genentech与Dako合作，诊断乳腺癌患者的HER2表达水平。同年，Herceptin获FDA批准用于治疗HER2高表达的乳腺癌。

2006年，两种单抗Herceptin和Perjeta进入临床试验阶段；同年，Kadcyla（ADC）进入临床试验阶段；

2012年，Perjeta获FDA批准，与Herceptin和Docetaxel化疗联用，用于一线治疗HER2阳性乳腺癌。

2013年，Kadcyla获FDA批准，用于已接受Herceptin和Docetaxel治疗的HER2阳性乳腺癌。

后记

HER2基因初次与特定的乳腺癌疾病相关连始于1986年，六年后她的单抗（Herceptin）与化疗联合用于15位患有乳腺癌的女士；截止到1996年，约900名患者介入PhIII试验，其中的一位患者（Amy Applebaum）至今还在接受Herceptin的治疗。若是在三十年以前，当人们被诊断出患有乳腺癌时，能存活长达10年的比率约为50%，如今有高达77%的人们获得10年或更长的寿命。三十年前，人们没有合适的药物，也没有发现BRCA1和2的基因。如今人们对乳腺癌的了解更为深入，相关的药物研发也在不断的进行。虽说目前还没有发现能够使用所有类型乳腺癌的药物，除了Herceptin, 人们还发现了Aromatase的抑制剂和雌激素受体（oestrogen receptor, ER）的抑制剂Tamoxifen。

看着这段故事，从无到有，三十年的历程。我想能参与如此项目的人需要有恒心，多次遇到波折，几乎断送继续研究的机会，决不能轻易放弃；能够并肩奋战，不能仅仅靠激情，公司对项目的支持，鼓励每位员工，这需要核心的文化，是一个团体所需要的精神支柱；面对强大的竞争对手，需要冷静、果断、勇往直前，如此般的突破即使Genentech不做，用不了多久一样有人会完成。

可惜，这样的故事仅仅能作为科普看一看、学一学，好像没有机会从事这样的工作。可有幸看到在自己实验室的隔壁，有一位专家专门从事类似的研发业务，一样的抗体要，一样的ADC，期待他们有更精彩的进展。WuXi App已经走在前面许多年，我们有学习的榜样，会剩下一些时间，可一样需要抓紧，就好比X-ray的技术，谁曾先到如今几乎快要被cryo-EM取代。

奔跑吧，少年！

祝各位：新年快乐，猴年大吉，合家安康。

TJ Pharmaron

2016年2月６日星期五