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[转载]李永明:神经免疫抗炎的转化医学之路及对针灸的启示

已有 452 次阅读 2023-12-10 09:21 |个人分类:医学史话|系统分类:科研笔记|文章来源:转载

资料来源:李永明. 神经免疫抗炎的转化医学之路及对针灸的启示[J]. 针刺研究,2023,48(1):21-27.

摘要:神经免疫抗炎是过去50年来转化医学最成功的领域之一,直接推动了抗肿瘤坏死因子(TNF)生物药的成功研发及刺激迷走神经抗炎疗法的产生。后者同传统针灸疗法有很多相似之处,深入研究一定会有更多的交织及启示。本文简要回顾了恶病质素/TNF、抗TNF疗法、神经炎性反射弧、刺激迷走神经疗法及“刺激周围活动缓解病症”(SPARC)计划的发现、转化和开启过程,总结了此领域转化医学之路的经验与教训。本文还详细讨论了转化过程中的两个关键点,旨在为针灸转化医学的发展提供借鉴。建议以“小损伤大愈合”为主要假说,深入研究针灸的生物学机制,可能会实现更多的临床转化。

转化医学是医学科学界于20世纪90年代初提出的一种理念,由于美国国立卫生研究院(NIH)于2003年的提倡和推动,转化医学已经成为全球医学界都认同的一个基础与临床交叉研究领域。转化医学的核心内容是强调从实验室到临床及从临床到实验室的双向联系,从而促进临床观察、理论假说、实验发现、诊疗技术创新、循证试验及医疗产业化的发展,是一个目标明确的医学研究和转化过程。

因为药物滥用、成瘾、耐药性及不良反应等问题,临床上对非药物疗法的需求日益增长,因而加速针灸及相关非药物疗法的转化医学研究,是当前临床实践和医疗市场的迫切需求。

事实上,在转化医学正式提出之前,相似的理念在医学研究中已经广泛存在,类似的术语有疾病靶向研究和应用研究等。从20世纪70年代开始,在为解释针刺麻醉和镇痛现象所进行的机制研究中,曾发现了针刺可通过增加内啡肽而镇痛的原理,及不同频率电针刺激可促进分泌不同种类的内啡肽,从而产生不同的治疗效果等。这些发现不同程度地实现了临床转化,已经推动了针灸医学的发展和国际化。按照目前中国基础研究的投入规模,预计在未来的5~10年内,将会有一批新的针灸相关转化医学成果问世。

针灸抗炎机制是近年来出现的另一个基础研究方向,已经显现出广泛的临床意义及转化医学价值。究其渊源,针灸抗炎研究之所以受到关注并取得实质性进展,与近年来免疫疗法抗炎及神经刺激疗法抗炎的转化医学研究成果密切相关。因此,本文简要地回顾了神经免疫抗炎疗法的研究起源,以肿瘤坏死因子(TNF)的基础研究发现和临床转化为主线,介绍了源于美国洛克菲勒大学等研究机构的一些“意外发现”,最终导致出现了抗TNF疗法、神经炎性反射弧(inflammatory reflex)及“刺激周围活动缓解病症”(SPARC)计划等新的领域。相信,深入了解神经免疫抗炎疗法走过的转化医学之路,认真汲取研发过程中的经验和教训,对未来针灸转化医学发展会有一些重要的启迪。


1 药物实验失败而引出的“假说”

1978年,洛克菲勒大学的Anthony Cerami教授采用“理性设计”的方法研制出了一种治疗布氏锥虫病的化学药,特意赶赴非洲肯尼亚,用患消耗病的牛做实验。这是一种由寄生虫引起的慢性消耗性疾病,表现类似于人的恶病质状态。结果事与愿违,身体硕大的病牛在注射了药物后,不久都死去了。亲眼所见的现象让这位科学家十分困惑,因为无论药物的毒性还是牛体内的寄生虫数量,都不足以杀死这么大的动物。

据Cerami回忆,当他蹲在牛圈中苦思冥想实验失败的原因时,突然产生了一个前所未有的想法,很可能这些牛的死亡是因为“自杀”,而不是因为寄生虫或药物的毒性。正是在这个“体内杀手”(killer within)假说指引下的一系列后续的实验研究,使他的团队最终发现了TNF/恶病质素(Cachectin),并在此基础上提出了“抗TNF疗法”。TNF的发现开启了免疫炎性因子研究的先河,后来发现的“细胞因子风暴”的机制,很可能就是当年病牛接受实验药物注射后死亡的原因。

Cerami的职业生涯从始至终与转化医学密切相关,他强调医学研究应该以临床问题为导向,提出“无墙实验室”理念,研究团队应包括多学科人士,重视交叉学科合作,鼓励年轻医生从事科学研究。因为对免疫学及糖尿病研究的许多重要贡献,Cerami博士被医史专家称为转化医学的先驱。值得一提的是,从Cerami实验室走出的博士后Beutler教授,因发现脂多糖(LPS,内毒素)受体的贡献,获得2011年诺贝尔生理学或医学奖。

近30年来,多个研究团队、机构及制药公司对TNF的深入研究不但开辟了一个全新的免疫抗炎领域,还因其临床应用的巨大市场及成功的临床转化,使抗TNF生物药成为重磅药物之一,屡屡进入全球销售榜首,年销售额达200~300亿美元。

2 从动物到细胞追踪“killer within”

从假说到实验证明的第一步是寻找合适的动物模型。因为用牛做实验十分不便,Cerami实验室首先选择了兔模型,这个模型的好处是,当时已经有了很多使用兔模型研究脂肪代谢的实验报告可以参考。果然,研究人员的第一个重要发现是,锥虫病可以降低脂肪酶,引起血脂显著升高,这可以解释患消耗病的动物或恶病质患者身体消瘦的临床表现。脂肪酶的变化成为追踪“killer within”的第一个客观指标。以脂肪酶作为影响指标的后继研究发现,可以用相对更简单的内毒素LPS模型代替锥虫感染模型。即注射了LPS的动物,可以出现同消耗病一样的表现和脂肪酶降低的改变,这样就把致病原从寄生虫缩小到分子,使实验造模变得更容易,结果更加特异和可重复。

来自日本的博士后Nobu Kawakami医生在阅读了大量文献后,提出了重要建议,即使用LPS敏感和LPS耐受小鼠为实验动物模型,进行对照研究。后来的结果证实这是一个非常聪明的建议和重要转折。据Kawakami回忆,实验结果马上让Cerami意识到,他们要找的“killer within”很可能来自免疫系统的吞噬细胞。

由于充分吸取了之前研究的成果,选择了实验探索的捷径,Cerami团队很快就发现了一种来自吞噬细胞可能引起消耗病的特殊蛋白,分子量为70 kDa,按照它的作用命名为Cachectin,最初的功能研究结果于1982及1983年发表,而最终分子组成序列于1985年发表。尽管后来研究陆续发现了多种可以促进炎性反应的白细胞介素,但Cachectin是炎性反应链中早期最关键的促炎因子,这个“幸运”发现为后来转化医学的成功奠定了基础。

3 同一蛋白的“阴阳两面”

Cachectin是在追踪“killer within”过程中发现的,自然被视为病因或毒素。发现者很早就意识到,转化医学的价值在于抑制这个蛋白引起的不良反应,这可能对一些炎性反应类疾病的治疗有益。洛克菲勒大学于1981年就为抗Cachectin疗法申请了专利(虽然当时只知道是一个蛋白的功能),所覆盖的应用领域非常广泛,包括了败血症休克、类风湿性关节炎等许多疾病。后来发生的事情证明,这个专利的时间和内容都十分关键,的确保护了发明单位及个人的利益。

20世纪70—80年代是分子生物学兴起的时代。在Cerami研究恶病质病因的同时或更早,有许多肿瘤专家一直在寻找可以杀死恶性肿瘤的体内因子。多年来的临床观察发现,有少数癌症患者在感冒或感染后,体内的肿瘤会消失。肿瘤免疫专家Lloyd Old博士在MSKCC癌症研究所从事肿瘤免疫研究,与洛克菲勒大学几乎是一墙之隔。Old团队于1975年报告发现了人TNF的功能,TNF的分子结构于1984至1985年间由多个团队研究完成。当时肿瘤界对这个发现寄予了厚望,以为是一个能杀死癌细胞的神药,有的药厂甚至生产出数公斤的TNF备用。结果,屡次临床试验证明,TNF的不良反应太大,患者不能耐受。

当Cerami研究团队公布了小鼠Cachectin蛋白的氨基酸序列时,这个疑惑解开了。原来TNF与Cachectin是同一个蛋白,两个团队所研究的是一枚硬币的两个面,殊途同归。多年以来,Cerami团队一直强调Cachectin的“killer within”作用,认为这个蛋白是抗炎的重要靶点,而Old等团队则重点研究TNF抗肿瘤和增强炎性反应的作用,其实是揭示同一个生物因子的“阴阳作用”。后来的临床应用证明,Cerami的研究对临床转化更有价值,但这个蛋白作为细胞因子一直保持了TNF的名称,名并不副其实。

4 实验与试验的差异

从转化医学的角度看,抗TNF的药物应该有广泛的临床应用价值,但证明这个结论和找到真正的适应证的过程却经历了曲折的道路。

按照医学常识及良好的期望,研究者首先想到的疾病是因感染造成的全身性炎性反应而发展成的败血症休克,此病一直没有特效药,死亡率高达40%。动物实验可用的模型有很多,包括革兰氏阴性杆菌感染、注射LPS及患消耗病的牛等,都有一个共同的机制,即出现体内TNF升高,组织器官损害和休克。所以,实验研究的最初假说是,抗TNF药物可以减少败血症休克的死亡率。

首先,动物实验研究发现,有抗TNF抗体的小鼠可以保护小鼠死于内毒素造成的休克,而给动物注射重组TNF蛋白可以引起脏器损伤和休克。这些结果从概念上证明了抗TNF疗法可以治疗败血症休克。接着,研究者采用了比较接近人的动物狒狒作为动物模型,重复同样的实验。结果表明,抗TNF单克隆抗体的确可以使狒狒免于败血症休克死亡,论文1987年发表在Nature上。

经过各方的努力及药企的积极参与,多个采用抗TNF单克隆抗体治疗败血症休克的人体试验于90年代初陆续开展,Ⅰ期和Ⅱ期人体试验顺利完成。但出乎很多专业人士意料的是,随机对照双盲多中心Ⅲ期临床试验显示,治疗组与对照组的死亡率没有统计学差别,这等于宣告抗TNF生物药治疗人类的败血症休克失败,结果发表在JAMA上。

其实,动物实验与人体临床试验结果不同的案例并非罕见,造成这种差别的因素有很多,而且经常是不可预测的,这也是为什么新药实验必须分期逐步进行。人的败血症比动物模型要复杂的多,此病的死亡率直到现在仍然居高不下。曾经有一位医学科学家评论,败血症休克是分子药物的“坟墓”。

5 另辟蹊径转化成功

就在抗TNF疗法的转化研究遇到重大挫折时,英国的Feldmann和Maini医生在治疗棘手的重症类风湿性关节炎患者时产生了一个新的想法,是否可以尝试一下用TNF阻断抗体,来治疗他们已经束手无策的患者。

这个想法得到了美国Centocor药厂的支持,因为此药在美国已经完成了Ⅲ期临床试验,尽管治疗败血症效果不理想,但前期工作已经为人体试验铺平了道路。这个时期的单克隆抗体药物cA2已经更加成熟,完成了抗体人类化的关键技术,极大地降低了药物过敏反应和不良反应。

英国医生的人体试验结果令所有人大吃一惊,20位接受抗TNF生物药治疗的类风湿性关节炎患者,6周后都出现关节疼痛和红肿消失,关节功能及化验指标显著改善。对于重症类风湿性关节炎患者,这是从未有过的“神药”。这个结果很快就得到随机双盲对照试验的证实,报告于1994年发表在Lancet上。后续的扩大研究还发现,抗TNF生物药对其他自身免疫性炎性疾病,如牛皮癣、克罗恩病、溃疡性结肠炎、强直性脊柱炎等疾病也有类似的疗效。这些意外的发现,使抗TNF生物药找到了巨大的应用市场,很多国际知名药企先后加入了临床研发和试验,抗TNF生物药Humira等很快就占居了全球药物销售的榜首。

值得注意的是,虽然Cerami在最初申请有关Cachectin的专利时,就提到了治疗类风湿性关节炎的应用,但在动物实验中,抗TNF疗法对动物关节炎模型疗效并不如人体那么显著,该团队也没有跟进深入研究。英国医生在人体试验的发现实属“意外”,也可以说动物模型在一定程度上“埋没”了这类药物对人体的显著作用。另外,抗TNF生物药的成功也有偶然的因素,因为当时并不知道TNF是炎性反应早期的关键因子,非常适合作为控制炎性反应的药物靶点。

6 意外发现的“神经炎性反射弧”

所谓“神经抗炎”通路的发现也纯属意外,但同免疫抗炎的探索之路是一脉相承的。神经外科医生Kevin Tracey曾经是Cerami实验室的博士后,是Cachectin研究团队中的重要成员。他在医院实习期间治疗过一位因烧伤而导致败血症的小女孩,亲眼目睹患者死于“killer within”,令他刻苦铭心,此后他一直专职从事基础研究,坚持探索抗TNF药物治疗败血症及炎性疾病。

1993年,在Picower研究所进行的一次动物手术实验中,Tracey的团队成员发现,把抑制TNF的小分子药物注射到大鼠的脑室中,所产生的抑制TNF 的作用,比把该药物直接注射到周围血液循环中的作用要大30万倍。这个“意外发现”,使他们认识到人体的免疫反应可能有一个神经控制机制。按照这个假说深入研究发现,迷走神经是神经抗炎的关键通路,因为切断动物的迷走神经后,中枢神经抑制TNF的作用几乎完全消失了。

这个新的发现进一步扩展了近年来兴起的“神经内分泌免疫网络学说”,即通过调节神经系统可以控制免疫反应。Tracey的研究团队发现,电刺激迷走神经可以激活胆碱能通道,抑制脾中的吞噬细胞,减少TNF等促炎细胞因子的产生。这个机制被命名为神经炎性反射弧。

很快,跨界的研究者们就意识到,刺激迷走神经抗炎与传统针灸“不谋而合”,已经有很多基础和临床研究报告了针灸对免疫系统的调节作用。有证据表明,针刺经典穴位或微针系统,在很多情况下也是通过中枢神经免疫轴产生作用的。自发现神经炎性反射弧后,针灸治疗败血症的动物实验报告从2004年开始逐渐增加。罗格斯大学的Luis Ulloa博士团队于2014年报告,应用电针刺激坐骨神经,通过促进肾上腺髓质产生多巴胺介质,从而可以调节免疫系统,降低实验动物败血症休克的死亡率。哈佛大学马秋富博士团队于2021年发现,电针刺激迷走神经肾上腺的通路,具有特异神经解剖基础,在小鼠主要依赖PROKR2Cre神经元,其纤维分布可以预测针刺反应效果的特定身体区域,为穴位的特异性提供了证据。与此同时,用动物模型研究针刺抗败血症休克的报告逐渐增多。

“神经炎性反射弧”的发现自然地开启了新的转化医学研究和产品开发。据此设计出的迷走神经电刺激设备被称为“电子药”,有希望应用于多种炎性疾病。例如,SetPoint Medical公司生产的植入迷走神经刺激器,不但经动物实验证明有效,在初步人体试验研究中也发现可以抑制炎性细胞因子,明显改善患者的类风湿性关节炎症状,关键的临床试验正在进行中,主要研究对象是常规药物治疗效果不好的患者。

7 SPARC与针灸的竞争与互补

神经免疫抗炎的成果引起了医药界的普遍重视。尤其是近年来,因化学药物滥用,在出现了阿片药危机、抗菌素耐药增加及药物不良反应难以控制等许多社会医疗问题的背景下,医药界开始反思传统药物疗法,推荐非药物治疗方法,药企和投资业也开始重视治疗设备,特异性专病神经刺激器等被视为有潜力的新一代“电子药”。

转化医学的需求使学术界意识到,相关的基础知识尚有很多匮乏之处。比如,迷走神经有数万条纤维,目前对其分布的所知还十分有限。迷走神经电刺激疗法用于癫痫已经有多年的历史,但对作用机制的理解尚存分歧,如刺激免疫系统降低TNF的电流仅为治疗癫痫的1/8,提示有不同的作用机制存在。于是,出现了转化医学研究推动基础研究的“倒逼”现象。

SPARC是美国NIH于近年来开展的研究计划,由NIH 的共同基金出资支持新兴学科,促进多领域合作及数据共享。计划的目标是确定神经治疗靶点并加速治疗设备的开发,包括可调节迷走神经和其他神经电活动的设备,通过精确调节器官功能来帮助治疗多种疾病。这种治疗策略,也称为“生物电子医药”,可以为高血压、心力衰竭、胃肠道疾病等多种疾病和病证提供新的治疗选择。

仔细阅读SPARC资助的项目和所涉及的疾病,会发现同针灸研究领域有很高的重复率。所谓“刺激周围活动”主要是指电刺激自主神经,同传统电针疗法非常相似,与针灸的循经取穴、远端取穴、巨刺及缪刺等原则有很多相似之处。而SPARC计划要研究的周围神经分布图、电刺激靶点及脏器关联等基础医学内容,同针灸研究关注的经络、穴位、脏腑归经等基本问题,也都有着千丝万缕的联系。

SPARC计划同针灸研究很明显地存在着竞争和互补的关系。因为治疗的病种雷同,如果新型的电子设备获得循证医学支持、临床有效,被美国食品药品监督管理局(FDA)批准为新的“电子药”,再加上保险公司支付和药企的推动,传统的针灸应用有可能会受到影响。

但从另一个角度看,SPARC计划无疑会推动针灸相关的基础医学发展,如果能够共享知识和数据,对于针灸研究会有很高的互补性,也一定能够推动针灸研究的成果转化。而传统针灸医学具有整体观、个体化、辨证施治等“电子药”处方所不具备的优势,专业针灸师及患者无疑会从SPARC计划研究中受益。比如,电刺激迷走神经治疗癫痫于1997年由FDA批准成为“电子药”,在临床上广泛应用,而中国学者的耳针研究发现,耳针电刺激器也可以有相似的临床效果,并有一些临床使用的优势。

8 对针灸原理假说的启示

病原微生物的侵入和伤害可以诱发机体的炎性反应,而过度的免疫反应能造成机体自身损害甚至死亡。神经免疫抗炎转化医学研究从寻找“体内杀手”开始,最后发现了关键的炎性因子和神经炎性反射弧。这个调节机制再次证明人体在进化中建立了一个对炎性反应的双向平衡系统,系统的失调会导致疾病,而调节该系统可以治疗疾病。实践证明,根据这些免疫原理假说而研制出来的新疗法效果显著,不良反应相对较小,抗TNF生物药和电子药就是成功的实例。

并非巧合的是,上述抗炎转化医学研究所发现的规律,正好符合《黄帝内经》所述的“阴平阳秘,精神乃治;阴阳离绝,精气乃绝”。而现代医学的拮抗疗法,也与传统中医的“逆治法”同出一辙,即寒而热之,热而寒之,虚者补之,实者泻之。

神经免疫抗炎转化医学所依赖的假说,对中医针灸机制研究所需要的假说有很重要的启示。两者重要的共同之处是,TNF生物药和刺激迷走神经电子药都属于“仿生疗法”,而针灸也是一种古老的仿生疗法。针灸临床上观察到的普遍现象是,微小的或无大伤害的物理刺激或损伤,可以诱发人体较强的具有临床意义的愈合反应,可以改善人体平衡状态或治疗疾病。因此,一种合乎逻辑的“针灸原理假说”是:人体中存在一个可以对物理刺激产生反应的防御系统,针灸就是利用了这个系统,并将刺激与反应优化为“小损伤大愈合”反应,而用以预防和治疗疾病。

关于“人体针灸反应系统”的由来和进化,可以推测与人类进化中遭受昆虫叮咬和其他物理伤害有关,轻针剌与蚊虫叮咬有很大相似之处。人类或动物为了生存,尤其是为了对抗昆虫叮咬中可能释放的各种毒素的影响,体内逐渐建立了一个完整的防御系统,其功能包括止痛、止痒、止血、解热、抗炎、解毒、组织愈合及修复等功能。这个系统的启动信号之一是皮肤伤害,而针灸正好能够模拟昆虫叮咬的皮肤损伤,启动机体的防御系统。而不同的是,针刺是“刺而无毒,有可能让机体“误以为”有毒素侵入,因而启动了较强烈的保护反应,这可能是针灸“小损伤大愈合”的生物学原理之一。

如果按照上述这个“原理假说”的方向研究针灸的生物学机制,很有可能会在穴位、针具、刺灸法、针灸剂量及针灸适应证等多个方面有新的发现和认知,进而可能促进转化出新的针灸疗法及更好和更特异的疗效。

9 小结

神经免疫抗炎的研究从基础到临床经历了漫长曲折的道路,是医学研究中极具代表性的转化医学案例,其过程如图1。其中,抗TNF生物药的应用已经获得了公认的成功,为无数重症患者减轻了痛苦并产生了巨大的经济效益。神经电刺激抗炎已经进入关键的临床试验阶段,作为非药物疗法具有特殊的吸引力和潜在的巨大市场。

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转化医学的主要阶段有:观察现象、提出假说、研究新机制、设计新疗法、动物实验证明、人体临床试验、疗法商业化。要取得转化的成功,必须保证每一阶段都建立在坚实的基础上,完成本阶段的既定目标,并能顺利进入下一个阶段。

神经免疫抗炎的转化医学之路对针灸医学研究有很多启示,其中包括但不限于:①神经电刺激疗法与针灸同为物理刺激,适应证相似,很可能具有共同生物学基础;②物理刺激需要对人体解剖结构及靶点有精准了解,因人与动物差别较大,而针灸疗法已经在人体有悠久的使用历史,直接人体试验结果更为重要;③以临床问题为导向的基础研究是转化医学的启始,临床问题应该贯穿于整个转化医学研究过程的始终,多学科合作,建立“无墙的实验室”是成功的经验;④SPARC计划与针灸研究既竞争又互补,其模式可供未来针灸转化研究参考;⑤针灸医学研究亟需原理假说,“小损伤大愈合”理论比较符合针灸临床实际,深入研究能揭示更多的针灸生物学原理。

本案例的经验和教训表明,转化医学中有两个“关键点”相对更加重要。第一个关键点是根据观察现象而提出原始假说。值得注意的是,Cerami提出病牛“自杀”假说及Tracey提出的“迷走神经抗炎”假说,都是源于实验中的“偶然发现”,而非按原定实验设计研究所发现的结果。这样的事实提示,敏锐的观察力和严格的逻辑思维对提出原始假说非常重要,对转化医学研究有定向的作用。第二个关键点是从动物实验到人体试验的过渡。抗TNF疗法治疗败血症实验得到了令人失望的结果,失败的原因之一是选错了病种,但更主要的原因是动物实验与人体试验结果不一致。而后来绕过动物实验,直接用抗TNF生物药治疗重症类风湿性关节炎患者取得意外成功,说明动物实验结果有时不能完全代表,甚至可能掩盖了药物的临床价值。这个经验教训同样适用于针灸疗法的研究和评估。

还应该认识到,刺激神经抗炎疗法与传统针灸抗炎不仅仅是“不谋而合”,实际上前者是现代研究对古老疗法的“再发现”和深入研究。由此而开展的SPARC计划,不但将促进基础医学的发展,还会推进针灸医学的机制研究及成果转化。

未来的针灸转化医学研究,应该借鉴神经免疫抗炎转化医学成功的经验和教训,采取合理的研究模式和路径。要认真总结针灸临床实践中观察到的现象,尤其是经过循证医学验证的临床数据。据此提出合乎逻辑的,具有定向意义的假说,进而深入研究机制、改进疗法、完成实验及试验证实,最终转化成有临床及市场价值的新疗法。

(注:作者于1993—1996年曾经在Cerami任所长的Picower Institute for Medical Research工作,有4项共同发明专利。)



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