业内大咖看诺奖

时至今日,诺贝尔理综类的奖项全部颁发完毕,诺贝尔化学奖没有延续过往两年颁给生物医学领域,而是颁给了电化学(锂电池)领域。

美国医学家威廉·凯林(William G.Kaelin Jr)、格雷格·塞门扎(Gregg L. Semenza)以及英国医学家彼得·拉特克利夫(Sir Peter J. Ratcliffe)的研究让人们理解了细胞在分子水平上感受氧气的基本原理(见:刚刚!2019诺贝尔生理学或医学奖揭晓,美英3位科学家获奖),因此而获得诺贝尔生理学或医学奖。

简单地说,Kaelin的贡献是研究了缺氧对肿瘤的影响;Semenza的贡献是发现了低氧诱导因子-1(hypoxia inducible factor-1,HIF-1);Ratcliffe则研究阐明了低氧状态下细胞的反应。HIF-1是2019年诺奖得主格Semenza和他的开山大弟子、华人科学家王广良博士首先发现的,随后确立了HIF-1的结构,并证明了其cDNA的编码顺序。

医药魔方就此采访了几位业内专家,听听他们对本次诺奖的看法,在此分享给大家。

一种踏实科研精神的传承

诺贝尔生理学或医学奖的标准包括自成体系、独创性、原创性等多方面要素。今年的诺贝尔奖三位获得者分别在发现低氧、进行克隆、找到与疾病关系这三方面做出了相应的贡献,是一脉相承的。像这种完整的故事是可遇而不可求,所以造就了诺奖的稀缺性。

像全基因组测序,虽然是很有意义的科研,但参与人太多。王广良博士是Gregg的开山大弟子,他上世纪90年代做博士后时,几乎每天从早到晚都是在低温低氧的环境中,与几百升的培养罐度过的。王博士的精神,一般人做不出来。

——美国Nexneo公司创始人和首席执行官沈栋博士

氧气生物效应三次问鼎诺奖

氧气约占地球大气成分的21%,对动物生命至关重要,几乎所有动物细胞中的线粒体都会利用氧气,将有机物转化为能量。关于氧气生物效应研究,最直接的有三次诺贝尔奖的历史。

第一次是氧气如何被细胞利用。德国著名生理学家Otto Warburg 是1931年诺贝尔生理学或医学奖获得者,他揭示线粒体内存在细胞色素氧化酶,就是氧气被利用的酶。

第二次是身体如何感受到低氧,并通过神经反射对心肺功能进行调节。1938 年,Corneille Heymans获得的诺贝尔生理学或医学奖,奖励他发现了颈动脉体和主动脉体感知血氧水平并通过神经中枢调节呼吸频率的作用。

这次是第三次,是细胞如何感受到氧气不足,并通过关键转录因子调节细胞内基因表达,这种反应也能影响到体内氧气的运输能力。

从生物学地位看,第一次是证明氧气在能量代谢中作用,这是氧气生物学效应的基础。我们说没有氧气人活不了,就是因为这个原因。到今天我们仍然会在基础的生物化学知识中学习这个内容。

能量代谢中的有氧代谢的核心过程是氧化磷酸化,其中的最关键过程是氧气被还原成水,几乎所有的能量代谢过程都是为这个化学反应做准备的工作。氧气对生命所以重要,是因为氧气具有其他物质不可替代的作用地位。

氧气的本质是一种氧化剂,但这种氧化剂和还原剂发生反应产生的水,而水是组成生物体的基本重要成分,让这个反应可以圆满完成,不留后患。当然有机体有氧代谢还会产生二氧化碳,为了将产生的二氧化碳释放出去,有一套血液、循环和呼吸来负责。当然氧气的摄取也一样利用这个系统。

氧气对动物机体的重要性,让动物需要产生一套敏感的感知系统,主要目的是应对特殊情况下氧气不足带来的危害。当环境氧气不足,如深洞和高原环境,或者因为运动强度大导致身体消耗氧气过度,这些都是身体需要加快摄取氧气的大环境。

增加摄取最快速的方法就是促进呼吸和循环功能,这方面身体进化出一套神经反射系统。就是在身体对氧气需求最重要的部位,颈动脉附近(动脉体)感受血液内氧气浓度,一旦氧气浓度不足,会通过神经向大脑传递应激信号,让大脑迅速通过交感神经和肾上腺素分泌系统,增加呼吸和心跳效率,增加摄取空气中氧气的能力。

如果这种低氧是短时间或不太严重的情况,身体细胞内一般不会产生低氧。但是如果持续时间长,或相对严重。组织细胞内也会发生低氧,就会启动细胞内低氧感受系统。

大家注意到细胞感受低氧的一个枢纽分子是低氧诱导因子,感受方式非常奇特,是在正常氧气情况下,这种分子浓度很低,原因是制造出来迅速被分解。这样的处理方式让人感觉很奇怪,难道这种分子制造出来就是为了被分解的吗?为什么不减少生产速度来解决这个问题?

其实这是生物体进化出的更合理解决方案,就是为了应对低氧的不时之需。因为依靠蛋白合成来实现快速增加,这几乎是不可能的,因为自然界生物系统的特点就是生长缓慢,而死亡则是一过性解决的问题。

蛋白的合成需要多个步骤,还需要各种原料,而分解只需要切断一个动作就可以。所以细胞选择了这种更快速,但相对比较浪费的方式来实现调节。许多生物过程大概都存在类似的逻辑,为效率放弃节约。

生物过程是自然界能量转换效率最快的系统,也意味着是利用浪费和冗余来实现精准调控的目标。这就是生物,为负熵而存在,负熵就是浪费的一个代名词。

能获得诺贝尔奖,一定是对于理解生物现象,或解决人类疾病问题产生重要影响的内容。关于氧气效应的研究,都是属于生理学范畴,这对理解生命自身提供了重要的知识。这些内容都是能进入教科书的内容,所以应该给予奖励。

——上海第二军医大学孙学军教授

为原创新药的研发奠定了基础

今年的诺贝尔生理学或医学奖如期揭晓,结果没有太大爆冷,细胞感知氧气的分子机制早在2016年就已获得拉斯克奖。

氧气(或者空气),与水和食物一起,是地球提供的,动物赖以生存的最基本的外部资源。氧气水平影响细胞代谢等诸多生理功能,与心血管、中风、肿瘤等许多疾病的发病机制有关,其背后分子机制的揭示,为原创新药的研发奠定了基础。

上市药物EPO和血管生成抑制剂虽然与氧感知通路相关,但它们的发现主要是其他研究导致的,真正与今年诺奖成果相关的药物是2018年12月率先在中国上市,治疗慢性肾病贫血症的HIF羟化酶抑制剂罗沙司他和进入III期抗肿瘤临床研究的HIF-2a拮抗剂PT2977。

值得一提的是,罗沙司他临床研究是在中国完成的,并最终成功上市,对今年诺奖获得应该有很大的推动作用。

——苏州偶领生物创始人兼首席执行官谢雨礼博士

国内多个厂家已布局相关靶点

HIF是贫血、肿瘤等多种疾病的潜在靶点。HIF调控的下游基因包括促红细胞生成素(EPO)和血管内皮生长因子(VEGF)。上调HIF的表达可增加EPO的分泌从而刺激新的红细胞的生成,可用于贫血的治疗。抑制HIF的作用则可能抗血管生成,从而起到抗肿瘤的作用。
HIF脯氨酰羟化酶(HIF-PHD)在HIF的降解中起关键作用,全球首款HIF-PHD抑制剂罗沙司他于2018年12月在我国首发上市,适应症为慢性肾病引起的贫血。HIF-PHD抑制剂为口服制剂,在依从性上对现有的EPO药物具备巨大优势,预计会对EPO市场造成较大冲击。包括恒瑞医药、三生制药、东阳光药在内的多个国内厂家在HIF-PHD抑制剂的研发上均有布局。
HIF具有的促进血管生成和细胞增殖的作用使其成为潜在的抗肿瘤治疗靶点。目前,针对HIF-1α和HIF-2α的特异性抑制剂正在进行肿瘤适应症的早期临床。

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