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特別報導

醣分子開啟製藥新時代

2014-06-01 龐中培
「醣」是生物體內三大重要分子之一,重要性不亞於DNA和蛋白質,但是醣分子構造複雜,是科學家了解最少也最不願意研究的領域,卻是治療許多疾病的契機,例如癌症、流感和抗藥性細菌。2014年沃爾夫化學獎得主翁啟惠獨步全球,發展出「自動化一鍋法」,突破傳統困境,可以人工合成許多種醣類,在醫療上有多種應用,即將開啟生技製藥新時代。

重點提要

  1. 醣類是生物體內重要的分子,但是結構複雜,而且合成困難,因此相關的研究一直落後DNA、RNA和蛋白質。
  2. 2014年沃爾夫化學獎得主翁啟惠發展出合成寡醣的酵素法和自動化一鍋法,推動了醣相關研究與醫學的進展。
  3. 目前醣類研究已和癌症、流感及抗藥性細菌的偵測與治療有關。
  4. 台灣已經有數種醣相關藥物進入臨床試驗,或是即將完成最後的試驗,很可能在不久之後上市。

生命科學是20世紀的顯學,在21世紀,科學家已經可以任意操作遺傳物質、創造新奇蛋白質,甚至合成生物、列印器官,但是我們對於生物合成醣類的知識,以及人工合成醣類的方法,相較之下還相當淺薄。

科學家並非刻意忽略醣類,而是力有未逮。醣類又稱為碳水化合物,雖然在生活周遭相當常見,但是構造複雜,性質也大不相同,例如澱粉與纖維素都是碳水化合物,澱粉是植物儲存光合作用能量的主要形式,也是許多動物的熱量來源;纖維素則是植物細胞壁的主要成份,是一種強韌的分子,木材中的主要化合物就是纖維素,只有極少數的微生物能夠分解它。這兩種碳水化合物都是由葡萄糖這種單醣互相連接所組成的長鏈聚合物,但是性質南轅北轍,主要原因就出在它們有著複雜的立體結構,以及不同的醣分子連結鍵。

同樣為聚合物,遺傳物質DNA和RNA的組成單元是核苷酸,不論其序列如何變化多端,或記錄了各種神秘的遺傳訊息,基本上它的構造是線狀的。從遺傳訊息轉譯而製造出的蛋白質雖然有著複雜的立體結構,但是這樣的結構是由基本單元胺基酸的序列主導,科學家可以從DNA的序列推測之後會轉譯出的蛋白質的結構。

醣類的基本單元是單醣,食物中含量豐富、大家耳熟能詳的葡萄糖、果糖和半乳糖等都是單醣,含有六個碳原子。DNA和RNA中的核糖則含有五個碳原子,其他的單醣所含碳原子的數量在三到九之間,而人體中常見的單醣大約有九種,種類雖然少於必需胺基酸的20種,但是由於醣分子上每個碳原子都連接著容易和其他化合物作用的原子團羥基(–OH),光是這些羥基在立體空間中的方位不同,就足以造成聚合物性質極大的差異,例如前面提到的澱粉和纖維素。

除此之外,單醣可以彼此結合成有分支的聚合物(核苷酸聚合物和胺基酸聚合成的胜肽不會有分支),而這些分支上又可以添加新的分支,這種結合方式使得醣類聚合物的複雜程度,可以因為單醣的數量增加而成指數成長。若由人體常見的九種重要單醣的四種任意組合成寡醣,估計可能的組合方式超過1500萬種;而生物體中許多寡醣是由四個以上的單醣所組成,因此要精確合成特定的寡醣,便成了化學家的噩夢。科學家在數十年前就可以自動化合成DNA、RNA和胜肽,藉由生物系統,也可以輕易合成出各種蛋白質,醣類則一直缺乏高效率的合成法。不過困難之處,就是突破之處。

自動化一鍋法發展之路

合成寡醣的方法之一是一步一步慢慢來,往往曠日廢時,甚至長達一兩年。1990年代,化學家發展出了「一鍋法」(one-pot synthesis)的合成方式,能夠在同一個容器中先後進行多次不同的反應,合成較複雜的化合物。這種方法的好處是不必每次純化中間產物,因此簡化了過程。不過困難之處是要設計出適當的反應順序,提高產物的產率。然而其中的關鍵突破,由醣類合成專家、中央研究院院長翁啟惠於1990年在美國加州的斯克里普斯研究院擔任化學講座教授時完成,他發展出的「自動化一鍋法」使合成醣類的時間大幅縮減,甚至在幾個小時內就可以完成。

由於單醣上有數個羥基能夠參與反應,因此在進行寡醣合成時,科學家會先在單醣上不欲發生反應的羥基接上其他原子團(保護基),好讓裸露的羥基發生特定反應。在不同單醣上不同位置的羥基接上不同的保護基,會使得單醣在進行反應時反應速率有所不同。翁啟惠的團隊測試了各種單醣在進行反應時的活性,找出彼此之間的相對活性值(relative reactivity value, RRV),在利用一鍋法合成寡醣的時候,讓RRV大的單醣先反應,然後再依序往下加入RRV小的單醣,這樣就可以讓反應進行順暢,並減少副產物的生成。

翁啟惠在接受《科學人》雜誌專訪時表示,「一鍋法」能發展出「自動化」方法,不是他個人的功勞,而是斯克里普斯研究院博士班四年級的學生歐曼(Ian Ollmann)。有一天,歐曼向翁啟惠報告,由於研究不順利,想要離開,翁啟惠問他:「你的專長是什麼?」歐曼的父親是數學家,他自己則擅長撰寫電腦程式,因此翁啟惠鼓勵歐曼發揮專長,建議他嘗試用電腦程式儲存各種醣類化合物的RRV,並據此編排出自動化合成的過程。歐曼一聽之下大喜過望,便把實驗室所有同仁的筆記影印了扛回家,一個星期之後,歐曼就寫出能夠依照化合物RRV自動設計一鍋法實驗流程的程式「OptiMer」。歐曼因此取得了博士學位,也拿到OptiMer的專利,如今則在蘋果公司從事程式設計工作。

OptiMer不僅能夠依據所要合成的產物選定原料種類與添加順序,甚至連產率都能計算出來。這個方法要成功、產率要提高、能合成出更多種寡醣,則需要更多種單醣(及雙醣等)反應物的RRV,這樣OptiMer在選用原料與設計反應順序時,才有更大的自由度。翁啟惠的自動化一鍋法論文於1999年在《美國化學會期刊》上發表時,已經有了50多種反應物的RRV,能夠合成數十種包含三到四個單醣的寡醣,這些寡醣一樣可以測出RRV,當做合成其他更複雜寡醣的原料。

到了2001年,翁啟惠團隊已經可以用自動化一鍋法合成出多種癌細胞上具有的特殊抗原Globo H,這是一種含有六個單醣的寡醣(參見32頁〈自動化一鍋合成癌症抗原〉),現在翁啟惠團隊的資料庫中已經有多達數百種醣類反應物的資料。

酵素合成法的重大貢獻

翁啟惠發明的另一種合成寡醣的方式是借用生物的專長:酵素。酵素合成法配合輔酶因子再生技術,比一鍋法發展得更早。由於生物能夠合成複雜的醣類,可以利用生物的酵素來合成所需的寡醣。

酵素的好處很多:首先,酵素是專一性非常高的催化劑,不會產生副產物,參與反應的各種醣類不必事先連接上保護基,當然最終產物也就不需去除保護基,使得整個反應的步驟大幅減少。而且酵素反應時的溫度接近人體的體溫,溶劑通常是中性的水溶液,既不需耗費能源提高反應溫度,也不會使用到污染環境的有機溶劑。以合成GloboH為例,即便使用自動化一鍋法,也需要60多個步驟(包括合成各種醣類反應物以及去除保護基),使用酵素只需數個步驟就可完成。

酵素合成法雖好,但是美夢並不易成真,首先就是要找到能夠催化這些反應的酵素並萃取出來,還要測定酵素的反應條件及利用遺傳工程來量產酵素。此外,有些我們想要的合成反應,在自然界中並不存在,或是沒找到能夠人工合成的酵素,這使得酵素合成法的使用範圍受限,必須以其他方法改變酵素的專一性,方能應用到合成上。

自動化一鍋法與酵素合成法各有所長,兩者結合,可使得寡醣的合成速率大幅提升。有了各種不同的寡醣,科學家便能進一步研究它們在生物體內的功能,以及找出合成所需的酵素,再反過來幫助多醣分子的合成,如此便可像是滾雪球般越滾越大。

翁啟惠不僅發明了醣類的自動化一鍋法,在酵素合成法上也有重大貢獻,並且進一步把研究成果應用到病毒、細菌和癌症的偵測與治療,以及疫苗的研發上,因此獲得許多獎項,包括國際碳水化合物獎(IUPAC International Carbohydrate Award)、國際酵素工程獎(International Enzyme Engineering Award)、美國總統綠色化學獎(Presidential Green Chemistry Award)、美國化學會有機化學的最高榮譽亞瑟科博獎(American Chemical Society Arthur C. Cope Award),在2014年更獲得了有「諾貝爾前哨站」之稱的沃爾夫化學獎(Wolf Prize in Chemistry),翁啟惠於6月初在以色列授獎。

沃爾夫化學獎對翁啟惠的介紹寫道:「(他的)酵素合成法,依然是目前大規模合成寡醣最實際、最有效率的方法。他的團隊研發出來的自動化一鍋法則是第一個能夠自動合成這類複雜分子的方式。這些原創的方法已經用於解決許多重要的醣分子生物問題,並且發展出許多新的機會。」自從翁啟惠開始研究酵素與化學合成醣類的方法以來,已經有300多名來自歐洲、日、韓、美等國的學生和博士後研究員在他的門下學習過,這些人中有許多後來成立了自己的實驗室,使得醣合成與相關研究在近20年來有大幅進步。現在科學界對於醣在身體中的功用有更深入的認識,也正在發展相關的醫療方法。

深耕醣類,發展新醫藥

以很早就用自動化一鍋法成功合成出來的寡醣Globo H為例,當初翁啟惠想要合成這種寡醣,是因為它容易出現在癌細胞的表面,目前已經在10多種癌細胞上面發現Globo H,包括乳癌、攝護腺癌等。GloboH5之所以能夠稱為抗原,意味著它能夠引發免疫反應,因此可以當成疫苗來刺激身體的免疫系統去攻擊表面上具有GloboH的癌細胞。中央研究院基因體中心的第二代GloboH疫苗已經開發完成,並把技術移轉給民間廠商,可望今年就可以開始進行初期的臨床試驗。在國外也有一些以醣為基礎的癌症疫苗正在發展當中。(參見31頁〈全球醣分子癌症疫苗現況〉)

有些細胞表面的醣分子與細胞之間的訊息聯絡有關,癌細胞表面的某些醣類甚至涉及到腫瘤的轉移。而癌細胞表面蛋白質上的醣,有些就和正常的細胞不同,因此研究這些複雜的醣類有助於了解癌症。把各種特殊的醣分子依序排列在晶片上,就製成了醣晶片,能用來篩檢可和這些醣類作用的蛋白質,其中有些或許可當成癌症療法之標的。

醣晶片也可以直接應用在癌症篩檢上。免疫系統會對這些癌細胞上特殊的醣類產生抗體,如果能篩檢出這些特殊抗體,就可以推斷是否罹患癌症以及癌症的種類。不過由於這類的癌細胞醣抗體濃度可能非常低,以醣晶片檢測癌症的挑戰在於提高靈敏度並且排除雜訊。

類似的醣晶片也可以用於傳染病病原體的篩檢上,例如流感和傳染性細菌。許多細菌表面上都含有特殊的醣類,把這些醣類合成或分離出來後連接於晶片上,即可以用來分析血液中是否含有可與這些醣分子結合的抗體,便可知此人是否遭此細菌感染。同理,醣晶片亦可用來分析病原體的種類,例如檢測流感病毒是否為感染禽類或感染人類的病毒株。

抗藥性細菌也是目前嚴重的醫療問題。細菌細胞壁的主要成份是由醣類與胺基酸組成的肽聚醣(peptidoglycan)。最早發現的抗生素青黴素(penicillin,又稱盤尼西林)能夠抑制製造肽聚醣所需的轉胜肽酶(transpeptidase)。由於青黴素類藥物使用泛濫,許多細菌都產生了抗藥性,翁啟惠與中研院基因體中心的馬徹合作,研究另一個與製造肽聚醣有關的酵素轉醣酶(transglycosylase),他們以酵素的立體結構為依據,篩選出能夠抑制酵素作用的化合物,由此發展出的新藥物可減輕細菌產生抗藥性的壓力(參見2009年8月號〈從膜蛋白結構開發新型抗生素〉)。

醣類生技在台灣

自動化一鍋合成寡醣的方法已然成熟,使得各種醣類藥物的研發十分蓬勃。藥物的研發與上市需層層把關,包括動物與人體試驗,目前已有一些可能成為新一代的藥物。

例如GloboH由台灣的浩鼎生技公司取得授權,發展成乳癌疫苗。由於如果只有GloboH不容易引起免疫反應,所以發展中的藥物OBI-822是把GloboH連接在蛋白質上,以刺激身體中的免疫細胞對GloboH產生反應,然後攻擊腫瘤細胞。目前OBI-822在美國進行到了第二期臨床實驗,這個階段的目的是要測試藥物是否真的具有療效。由於台灣的乳癌罹者日漸增加,因此衛生署特許在國內同時也可以進行第三期臨床試驗,也就是大規模測試藥物的療效。浩鼎也取得了第二代GloboH疫苗的專利授權,目前正在研發。

此外,基亞生物科技公司的醣類肝癌新藥PI-88在台灣的第三期臨床試驗已經接近尾聲,正在蒐集病人的資料並加以分析,很有可能在今年或明年取得台灣以及亞洲其他地區的核准,用於病毒性肝癌手術後的治療。PI-88是由數個甘露糖(mannose)聚合而成的寡醣,可與纖維母細胞生長因子(FGF)、血管內皮生長因子(VEGF)進行拮抗,並且能抑制類肝素酶(heparanase),以減少血管增生以及癌症轉移。由於全球市場經營不易,基亞預計獲得核准之後,授權給歐美的廠商銷售。

除了台灣多家藥廠發展醣類新藥之外,自從翁啟惠2003年回台灣擔任中研院基因體研究中心主任以來,醣類研究也有許多進展,並且申請到多項專利。2013年,中研院與鑽石生技投資基金共同成立醣基生醫公司,由中研院提供醣蛋白、醣晶片、醣疫苗、醣探針和抗流感藥物與檢測產品的專利,鑽石基金出資新台幣六億元共同合作,把這些從實驗室走出來的專利發展成產品。中研院持有一半股權,將來的回饋金四成給中研院發明團隊,而六成歸給政府。

從遠古以來人類把富含澱粉的穀物當成主要農作物,到現在以醣類製成的癌症新藥可望上市,我們逐漸從各種不同角度來利用醣類,並且深入了解醣類在生物體內的作用。未來,人類不只會為了獲取熱量、增加甜味而使用醣類,也會為了治療傳染、對抗癌症而服用醣類。


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