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阿尔茨海默病研究,到了 “范式转移” 的关键节点

导  读

今年7月,《科学》杂志的一篇调查报道,揭示阿尔茨海默病研究领域的一篇引用超过2000次的重要论文涉嫌造假。这一调查并未否定科学界对于阿尔兹海默病发病机制的研究积累,但也提示我们:是时候对阿尔茨海默病的研究进行反思了。

“智识前沿学者”、深圳湾实验室资深研究员王立铭在本期《巡山报告·生命科学》中回顾了关于阿尔茨海默病的重要研究和临床试验,并指出:阿尔茨海默病研究,已经到了范式转移的关键节点。

 

撰文 | 王立铭

你好,我是王立铭。2022年11月6日,第45期《巡山报告》又和你见面了。

本期报告的主题是,阿尔茨海默病和主导该领域近30年的Aβ模型。

2022年7月21日,《科学》杂志的一位调查记者 Charles Pillar,发表了一篇剑指阿尔茨海默病研究领域的重磅调查报告。这篇报道的主角——美国范德比尔特大学的神经科学家 Matthew Schrag——通过仔细的文献阅读和图片分析,发现有几十篇阿尔茨海默病研究论文中可能出现了重复使用图片、人为操弄数据的迹象,其中包括几篇在领域内广为传播,甚至直接指导了若干药物开发的论文 [1]。

这篇报道在全球科学和药物研发同行中引发了极其热烈的讨论。很多人对此的理解是,看来过去几十年人类对阿尔茨海默病的基础研究和药物开发,都被这些造假的研究彻底误导了。一切都得从头再来。
是这么回事儿吗?

一个简单的回答也许是:这么理解,是用错误的方式得到了一个可能正确的答案。这篇调查报告里提到的学术不端问题当然值得严肃对待,但远不足以动摇过去几十年阿尔茨海默病的研究积累。但同时,即便不考虑这篇调查报告,过去几十年阿尔茨海默病的研究积累,也真的到了需要严肃反思和检讨的时候了。

上面这两句话貌似自相矛盾,但它的背后是阿尔茨海默病研究领域面临的巨大挑战和历史性机遇。

阿尔茨海默病得名于100 多年前的德国医生爱罗斯·阿尔茨海默(Alois Alzheimer)。从1901 年开始,这位医生长期追踪并记录了一位名叫奥格斯特·蒂特(Auguste Deter)的老年女性病人。在长达数年、持续不断的访谈中,阿尔茨海默医生记录下了这位女性患者很多奇特的表现:记不住自己的名字,记不住自己到底有没有结婚,记不住自己中午吃了什么菜,也根本听不懂医生让她完成的任务指令。

1906 年,蒂特去世,阿尔茨海默医生获得授权解剖了她的大脑。在这位患者的大脑里,阿尔茨海默观察到了严重的大脑萎缩和神经细胞的大面积死亡。但是请注意,仅仅看到大脑萎缩,还不足以将蒂特的症状和正常的衰老过程截然分开,毕竟正常衰老的大脑也会出现神经细胞死亡的现象。但是与此同时,阿尔茨海默医生还发现,蒂特的大脑区域里大量分布着两种很奇怪的、前所未见的东西:一种是一团一团的、颜色很深的颗粒状沉淀(类淀粉蛋白斑块,amyloid plaques),另一种是颜色同样很深的纤维状的细丝(神经纤维缠结,neurofibrillary tangles)。

根据这些异常现象,阿尔茨海默医生判断,这位女性生前出现的种种症状应该归因于一种未知的特殊大脑神经细胞退行性疾病,而不是人脑的正常衰老。由此,阿尔茨海默命名了这种被我们俗称为 “老年痴呆症” 的疾病。[2]

目前,全世界有超过5000万人患有阿尔茨海默病。值得警惕的是,这种疾病的发病率伴随着年龄增长直线上升。65岁的老人有5%的概率患病,而80岁老人的患病率就上升到了10%,90岁的老人发病率已经到了惊人的50%。我们知道,伴随着全球公共卫生和医疗服务的进步,这个世界正在快速老龄化——也就是说,未来的世界注定要出现,天文数字般庞大的阿尔茨海默病患者群体。

更要紧的问题在于,这种疾病长期缺乏有效的治疗手段。在过去的20多年里,世界主要医药市场上一共只批准过五种针对阿尔茨海默病的药物上市,分别是1996年上市的多奈哌齐(Donepezil),2000年上市的卡巴拉汀(Rivastigmine),2001年上市的加兰他敏(Galantamine),2003年上市的美金刚胺(Memantine),以及2014年上市的多奈哌齐+美金刚胺复方药物(下文我们会讨论几个例外情况)。而且所有这些药物都只能在半年到两年时间内,短暂地改善患者的状况,无法逆转、甚至都无法延缓大脑中疾病的进展。一旦停药或者药物失效,患者的认知状况会快速衰退。[3]

也就是说,阿尔茨海默病领域存在巨大的未满足的临床需求。但是,和很多病因复杂、病程漫长的慢性疾病(比如糖尿病、抑郁症、动脉粥样硬化)不同,阿尔茨海默病其实从被命名的第一天,就给研究者和药物开发者们指出了非常清晰的路径:想要理解甚至战胜这种疾病,特征性的类淀粉蛋白斑块和神经纤维缠结是必然的入手点。它们在患者大脑中密集存在,但在健康人脑中却很罕见。

实际上,在过去二三十年里,围绕阿尔茨海默病的研究,主要就是在试图理解这两种异常物质的来历。拿研究得更为透彻的类淀粉蛋白斑块来说,它的主要构成是一种叫做Aβ的小蛋白质。这种蛋白质的前身是一个名叫APP、由6~700个氨基酸组成的大号蛋白质,其具体功能至今都不是特别清楚。在神经细胞中,APP能够被两把不同的分子 “剪刀”(beta-/gamma-分泌酶,beta-/gamma-secretase)先后从中间剪断,最终剩下一小段30~50个氨基酸长度的小蛋白质。这就是Aβ了。而蛋白斑块内部最主要的两种Aβ,长度分别是40和42个氨基酸,因此也被称为Aβ40和Aβ42。这些Aβ蛋白质大量聚集成团,就形成了阿尔茨海默医生观察到的、患者大脑中的蛋白斑块。

实际上,人们积累的证据还不光如此。如果利用基因工程手段在神经细胞内过量表达APP或Aβ,小鼠大脑中确实会出现大量蛋白斑块的堆积。另一个特别有说服力的证据来自人类遗传学。有差不多5%的阿尔茨海默病患者有明显的家族遗传性,而且往往发病年龄很早。而研究者们发现,绝大多数这类家族性患者体内都携带有特征性的基因变异,而且集中在三个和Aβ形成密切相关的基因内部,分别是APP、PSEN1和PSEN2。APP是Aβ的前身自不必说,PSEN1/2两个基因则编码了gamma-分泌酶的主要元件。[4]

这么看来,Aβ、类淀粉蛋白斑块和阿尔茨海默病三者的关系就相当明确了。APP蛋白的剪切产生了Aβ,Aβ大量聚集形成蛋白斑块,而蛋白斑块杀死了神经细胞,导致了阿尔茨海默病。这就是著名的 “Aβ假说”。

这个解释也立刻提示了治疗阿尔茨海默病的思路:设计药物降低Aβ的产生,或者清除已经出现的蛋白斑块。在过去二三十年时间里,人们也正是这么做的。据不完全统计,有超过200个药物被推向临床试验,但都在不同阶段遭遇了惨痛的失败。特别是很多药物被证明确实能够有效地清除患者大脑中的蛋白斑块,但却无法挽救患者的认知功能衰退,有些甚至还加重了患者的症状。

特别值得一提的一个例子是,2021年获得了美国药监局正式批准上市的药物阿杜卡马单抗(Aducanumab)。这款药物直接靶向Aβ蛋白,不管在动物模型还是患者脑中,它都可以有效地降低蛋白斑块的水平。但这款药物缓解认知衰退的能力却非常可疑。在两项独立开展的全球多中心三期临床试验中,它仅在其中一项研究(EMERGE)中显著降低了认知衰退的速度,但在另外一项研究中(ENGAGE)却没有观察到类似现象。[5]

图1 阿杜卡玛单抗 | 图源:medpagetoday

 

2021年7月,美国药监局基于现有数据和巨大的临床需求,批准了这款药物的上市。但是,这个决定立刻招致了巨大的争议和批评。医生和医疗保险机构拒绝为这款药物买单,导致它在2021年上市后的销售额只有惨淡的300万美元(要知道这款药物单个患者的年度费用就高达5.6万美元),随后欧洲和日本药监局也否决了它的上市申请。这款耗费巨资开发,寄托了药物开发者巨大希望的药物,事实上已经退出了医药市场。

到了2022年9月,阿杜卡马单抗的开发者,美国Biogen公司和日本卫材公司又公布了另一款类似药物Lecanemab的三期临床数据,提示其能显著改善患者认知水平的下降 [6]。但这款药物对认知能力的改善幅度极其有限,是否能够说明Aβ假说的可靠性,我看也要打一个大大的问号。

这些临床结果很明显是和刚刚我们提到的Aβ假说矛盾的。如果Aβ聚集形成蛋白斑块会导致阿尔茨海默病,那么靶向Aβ清除蛋白斑块自然就应该能治病。

那么,是Aβ假说错了么?

倒也不能这么快下结论。毕竟Aβ、蛋白斑块和阿尔茨海默病,这三者的关系还是非常稳固的。它们似乎总是同时出现。因此,另一个给Aβ假说打补丁的思路自然而然就出现了:这三者的关系没问题,但我们对因果关系的解释错了。真正有毒害作用的是可溶性的Aβ单体或者少数Aβ分子形成的所谓寡聚体(oligomer)。人脑为了保护神经细胞免受毒害,才主动地把这些有毒物质聚集在一起,形成不溶于水的沉淀。这么看的话,Aβ聚集固然会产生蛋白斑块,但后者并非导致疾病的原因,反而是保护我们免于患病的屏障。如果把它清除了只会增加疾病危险 [7]。

在这个思路的指引下,研究者们又开始细致分析各种Aβ分子的聚集形态,也确实证明了Aβ分子能够几个到几十个地结合在一起形成寡聚体。2006年,一篇论文发表在《自然》杂志上,声称在阿尔茨海默病小鼠脑中发现了一种稳定存在的、非常特殊的Aβ十二聚体(因其相对分子质量为56000,被命名为Aβ*56)[8]。来自美国明尼苏达大学的研究者们还提纯了小鼠脑中的Aβ*56聚集体,注射到健康大鼠的大脑里,证明了它确实能导致认知能力的衰退。

这篇论文正是Science调查报告关注的重要对象。这篇被引用超过2000次的热门论文,被人发现有些实验图片存在重复使用的问题;不光同一篇文章内部有重复,还和同实验室几年后发表的论文图片重复。在科学世界里,这基本就等同于说明研究者在刻意捏造数据,论文的实验结果无法被人相信。

这当然是非常严重的学术不端行为,也需要被严肃惩戒。但如果说这次打假动摇了阿尔茨海默病的整个研究,那就是夸大其词了。实际上即便在同行中,Aβ*56也早就是个非常可疑的发现。有研究者早在2008年就公开发论文声称无法在大脑中提取出Aβ*56 [9]。随后,不少同行科学家都声称自己无法重复类似研究,而且也没有听说过谁能够重复 [10]。换句话说,科学共同体虽然并没有明确对这个发现进行证伪和推翻,但同行们早就用脚投票抛弃了这个发现。外行往往需要深入到科学小同行内部,才能意识到这一点。

而更关键的是,在药物开发的阵地上,靶向Aβ寡聚体的药物尽管数量更少,但也全部失败了(包括Solanezumab、Crenezumab和Gantenerumab)。和刚刚讨论的逻辑一样,人体临床试验是对科学假说盖棺定论的评价标准。既然清除Aβ寡聚体无法治疗疾病,那就说明它们可能也不是阿尔茨海默病的直接病因。

说到这,你应该可以理解我文章开头那句话的含义了:这篇调查报告里提到的问题很严肃,因为它揭示了不少重要学术论文的造假行为,但它远不足以动摇过去几十年阿尔茨海默病的研究积累,特别是得到生物化学、细胞生物学和人类遗传学支持的Aβ假说。但同时,即便不考虑这篇调查报告,基于所有靶向Aβ的试验性药物全部都遭遇了临床失败,过去几十年,阿尔茨海默病的研究积累也真的到了需要严肃反思和检讨的时候了。

可阿尔茨海默病仍然是我们必须要理解和解决的难题。接下来怎么办呢?

平心而论,我倒觉得对整个领域来说,这是一次反思和再出发的好机会。科学哲学家卡尔-波普尔(Karl Raimund Popper)有一句名言,“不管什么时候,如果在你看来某种理论是唯一的解释,那你需要把这当成一种警告:你可能既没有理解这种理论,也没有理解这种理论试图解决的问题。” 我觉得,用在这里非常应景。

这句话背后的道理很实在,人都有在重压之下抓住救命稻草的心理冲动。当Aβ假说为阿尔茨海默病提供了唯一的系统解释的时候,当我们面临理解和解决阿尔茨海默病的巨大压力的时候,Aβ假说就成了救命稻草,成了研究者们做基础研究和药物开发时,不得不依赖的拐杖和救生圈。而这,很可能说明我们已经走在自我麻痹和欺骗的道路上了。

现在就是这样的反思时刻——特别当一篇本领域的重要论文被发现造假之后。

实际上,如果静下心来看,Aβ假说的 “外壳” 上,早已出现了不少裂痕。患者大脑中的蛋白斑块是由Aβ构成的,Aβ是由分泌酶切割APP蛋白形成的,这都没错。但Aβ和神经细胞死亡、患者认知功能衰退之间的因果关系从来都不是特别的严密。刚刚我们说过,在神经细胞中过量表达Aβ能够如预期般产生大量类淀粉蛋白斑块,但这些斑块的出现却不会杀伤小鼠大脑的细胞,小鼠的认知功能变化也并不明显。再结合人体临床试验中即便清除了蛋白斑块也不能治病的结果,我们至少可以说,阿尔茨海默病的发病机理其实至今仍然是非常模糊的。它和Aβ之间固然经常同步出现,但两者之间到底有没有因果联系,有什么样的因果联系,是个非常可疑的问题。

放弃Aβ假说,我们得从头再来。重新检查和分析现有的数据,寻找新的证据和方向,从绝望中寻找希望,从一片漆黑中寻找任何一点光明的线索。这注定个非常痛苦的过程。其实有一个专门的名词来形容——范式转移(paradigm shift)。这个词是著名的科学史家托马斯·库恩(Thomas Kuhn)发明的。它的意思通俗来说就是,一个领域里所有基本的假设和规则都必须推倒重来。

在我看来,阿尔茨海默病,也到了一个范式转移的关键节点。不管Aβ模型看起来是多么能自圆其说,既然这个模型根本无法解释疾病也无法指导药物开发,我们只好闭着眼睛把它彻底砸碎,重新搞一套新的模型出来。

那在这个过程里,也就一定会出现所有范式转移过程里都会出现的现象:我们会看到短时间内,有大量五花八门的假说和模型涌现出来,各自声称能够替代原有模型,并且做得更好。这种现象,好听点说,是百花齐放,难听点说,是群魔乱舞。

这里我来举几个比较有代表性的例子吧。

有一些是 “革命性” 相对比较弱的。更多的是给Aβ假说打补丁,希望它还能继续正常工作。

比如说,仍然有不少科学家认为蛋白斑块的毒害作用是真实的,而各种药物纷纷失败,可能是因为阿尔茨海默病发病过程很漫长,等患者正式被确诊,毒害作用已经持续太久,难以挽救 [11]。还有科学家仍然认为,虽然Aβ*56大概率是个实验错误,甚至可能是故意造假,但Aβ的某些寡聚体形态仍然是致病元凶,需要找到这些特殊的致病寡聚体才能有效开发药物。[12]

在Aβ之外,还有不少人把目光投向了阿尔茨海默病患者大脑中出现的另一个标志:神经纤维缠结。刚刚我们有意跳过了这部分的介绍。和Aβ蛋白聚集形成类淀粉状沉淀一样,神经纤维缠结也是由一种异常的蛋白质——超磷酸化的tau蛋白——聚集而成的。而tau基因的变异也能引发类似阿尔茨海默病的神经退行性表现。换句话说,支持Aβ假说的证据,在tau蛋白身上也大部分都同样成立。而且人们还发现,tau蛋白沉积比Aβ蛋白斑块能更好地预测人脑的认知衰退 [13]。

之所以说这个新的tau模型革命性比较弱,是因为大家觉得磷酸化tau蛋白的聚集其实还是会受到Aβ蛋白的影响。换句话说,无非是Aβ蛋白到底是直接导致疾病,还是间接通过tau导致疾病的区别。但这个革命性较弱的模型可能也是错的,因为至今针对tau蛋白开发的药物,尽管数量不多,也都在临床试验中失败了 [14]。

在这些革命性不够强的模型还在挣扎的时候,一些更加离经叛道的假说逐渐也开始浮出水面了。

比如有科学家认为,阿尔茨海默病可能是一种类似于疯牛病(Creutzfeldt–Jakob disease)的传染性脑疾病。之前人们就发现,除了通过食用患病的牛肉制品传播,疯牛病还有一个很罕见的传播渠道,有一部分人接受了生长激素注射后,也会患上疯牛病。事后的研究发现,这些感染者接受的生长激素制品,来自疯牛病患者脑垂体的提取物,这些提取物带有疯牛病的病原体——朊病毒。

2015年,一篇发表在《自然》杂志的学术论文发现,一部分因此患上疯牛病的患者也出现了阿尔茨海默病的典型症状。在他们脑中,也找到了大量Aβ蛋白形成的类淀粉状沉淀。研究者们进而发现,注射给这些人的生长激素制品里除了含有朊病毒,也含有Aβ。因此,一个解释就是Aβ本身也能传染,一旦被注射进入正常人的大脑,它会吸引和聚集更多的Aβ蛋白形成蛋白斑块 [15]。2018年,研究者们又用小鼠模型证明了这一可能性 [16]。

如果说阿尔茨海默病和疯牛病的联系已经足够狂野,那接下来这个解释,可能就更让人抓狂了。2019年初,发表在《科学-进展》杂志上的一篇论文又说,在很多阿尔茨海默病死者的大脑里,发现了一种很奇怪的细菌——牙龈卟啉单胞菌。之所以说奇怪,是因为这种细菌原来应该生活在人的口腔里的,它是导致一系列牙龈疾病的罪魁祸首。所以,这些科学家认为,阿尔茨海默病就是因为口腔里的坏细菌不知道怎么进入大脑引起的。他们发现如果杀死这些细菌,能够缓解小鼠中阿尔茨海默病的疾病表现 [17]。

这个热闹的场合,咱们中国科学家也没缺席。2019年,中国科学院药物研究所的耿美玉实验室发现,一种从海带中提取的、名为甘露特纳的寡糖分子能够缓解阿尔茨海默病小鼠模型的认知障碍。更有意思的是,他们认为,这种作用是通过调节小鼠的肠道菌群,从而影响了小鼠的免疫机能实现的 [18]。这个分子已经完成了一项人体临床3期试验,正式被国家药监局附条件批准上市了,商品名叫 “九期一”。

还有一个研究方向挺值得一提。2016年,美国麻省理工学院的科学家们发现,阿尔茨海默病小鼠模型中,一种频率在20-50赫兹的脑电波——gamma脑波的强度出现了明显的减弱。如果用光遗传学的方法在大脑中强化gamma脑波,小鼠的蛋白斑块和认知障碍都有减轻的迹象。这听起来还是顺理成章的发现,之后却开始朝着越来越科幻的方向发展。研究者们发现,只要给小鼠看40赫兹的闪烁光,听40赫兹的声音,或者声光联合刺激,就能直接激活小鼠脑中的gamma脑波,起到治疗阿尔茨海默病的作用 [19]。类似研究甚至都已经进入了正式的临床试验。在刚刚过去的2022年阿尔茨海默病协会年会(AAIC 2022)上,40赫兹声光疗法的开发者还提交了初步的人体临床数据,说明它确实延缓了大脑萎缩,而且安全性良好 [20]。

对于上面两项研究,甚至有人开玩笑说,看来阿尔茨海默病不需要什么治疗,吃吃海带,再把家里的荧光灯整流器给拆了,病就好了。这当然是个玩笑,但确实也反映出了阿尔茨海默病研究领域目前革故鼎新的混乱状态。一个说阿尔茨海默病能像疯牛病一样传染,一个说阿尔茨海默病是口腔细菌引起的,一个说通过影响肠道里的细菌就能治疗大脑里的疾病,最后一个说照照闪烁光就能治病。都是听起来很疯狂的假说。

但我得再次提醒你,在科学范式发生转移的时候,多奇怪的研究和假说,你都要有个心理准备。这些假说很可能大部分是胡言乱语,甚至全部都是错误的。但是,在科学范式转移的过程里,我们不光得抱着开放的心态接受和审视它们,我们还得期待这些奇奇怪怪的学说当中,有些可以疯狂到居然可能是对的,甚至还真能出现一个能够真正解释阿尔茨海默病,并且帮助我们开发出药物的解决方案。这可能是这篇造假论文被揭发,真正值得我们思考和期待的地方。

另外,尽管Aβ模型仍然是学术界主流,但制药工业界早已身体很诚实地开始积极探索新的药物开发思路。和学术界寻求彻底理解阿尔茨海默病不同,工业界的诉求更加实际:不管怎么样,能减轻患者的症状,提高患者的生活质量就行。因此,目前在研发管线中的上百种试验性药物,尽管有相当部分(大约1/3)仍然直接靶向Aβ,但更多的药物则指向神经细胞保护、神经信号调节、炎症和免疫等等过程 [21]。

换句话说,也许在我们真正理解阿尔茨海默病之前,已经有希望先获得一批能够至少为患者提供切实帮助的药物了。甚至,就如人类药物研发历史上经常出现的那样,有效药物的出现,也许还能帮助我们更好地理解疾病的本质。

以上就是本期巡山的全部内容,我是王立铭,下个月6号,我继续为你巡山。 

 

参考文献:

[1] https://www.science.org/content/article/potential-fabrication-research-images-threatens-key-theory-alzheimers-disease

[2] https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/22034141/

[3] https://www.alz.org/alzheimers-dementia/treatments/medications-for-memory

[4] https://memory.ucsf.edu/genetics/familial-alzheimer-disease

[5] https://investors.biogen.com/static-files/8e58afa4-ba37-4250-9a78-2ecfb63b1dcb

[6] https://investors.biogen.com/news-releases/news-release-details/lecanemab-confirmatory-phase-3-clarity-ad-study-met-primary

[7] https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/22286176/

[8] https://www.nature.com/articles/nature04533

[9] https://www.nature.com/articles/nm1782

[10] https://www.alzforum.org/news/community-news/sylvain-lesne-who-found-av56-accused-image-manipulation

[11] https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/28460541/

[12] https://www.nature.com/articles/s41570-021-00254-9

[13] https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/31894103/

[14] https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33303932/

[15] https://www.nature.com/articles/nature15369

[16] https://www.nature.com/articles/s41586-018-0790-y

[17] https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aau3333

[18] https://www.nature.com/articles/s41422-019-0216-x

[19] https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/30879788/

[20] https://www.bloomberg.com/press-releases/2022-07-13/cognito-therapeutics-announces-data-presentations-at-the-alzheimer-s-association-international-conference-2022

[21] https://alz-journals.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/trc2.12295

 



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