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醫(yī)學科普：冰桶挑戰(zhàn)與漸凍癥
醫(yī)學科普：冰桶挑戰(zhàn)與漸凍癥
弗拉泰斯與他的家人（圖片來源：DAVID L RYAN/GLOBE STAFF）
還記得“冰桶挑戰(zhàn)”嗎？
2014年，冰桶挑戰(zhàn)公益活動火遍全球。被點名的人要么接受挑戰(zhàn)、被冰水澆頭，要么選擇向研究肌萎縮側索硬化癥（ALS，也稱漸凍癥）的機構捐出100美元。這場活動讓ALS受到前所未有的關注，也為ALS籌集了大量研究經費。
就在昨天，這場活動的發(fā)起者之一，34歲的ALS患者皮特·弗拉泰斯（Pete Frates）在美國馬薩諸塞州的家中去世。
肌萎縮側索硬化癥，是一類極其兇險的罕見疾病。患者腦部和脊髓的運動神經元陸續(xù)死亡，因此其活動能力、敏捷程度、語言能力和吞咽功能下降，只能眼睜睜地在輪椅上看著自己的身體被疾病吞噬。大多數(shù)患者會因呼吸衰竭在3~5年內去世。
冰桶挑戰(zhàn)在一開始與ALS無關。直到2014年7月，美國佛羅里達州的高爾夫運動員克里斯·肯尼迪（Chris Kennedy）接受了這項在當時還鮮為人知的挑戰(zhàn)。在考慮下一個目標時，他想到了ALS患者安東尼·塞內爾基亞（Anthony Senerchia）。于是，他點名塞內爾基亞的妻子接受挑戰(zhàn)，希望借此為ALS患者的家庭帶來一些歡樂。很快，挑戰(zhàn)通過帕特·奎因（Pat Quinn）傳到了他的朋友弗拉泰斯那里。
弗拉泰斯曾是波士頓學院棒球隊的隊長。2012年，27歲的弗拉泰斯被診斷患上ALS，不僅告別了棒球場，運動神經元的受損也讓他的身體狀況每況愈下。但在死神的陰霾下，弗拉泰斯依然保持樂觀，他拍攝被澆水的視頻、為ALS協(xié)會籌集資金，成了第4位為了ALS進行挑戰(zhàn)的人。
弗拉泰斯（圖中坐輪椅者）與馬薩諸塞州官員進行冰桶挑戰(zhàn)。（圖片來源：Charles Krupa/AP）
在上傳挑戰(zhàn)視頻至Facebook時，弗拉泰斯添加了#StrikeOutALS的標簽。在那之后，冰桶挑戰(zhàn)開始在網絡上迅速傳播，并引發(fā)巨大的轟動。包括馬克·扎克伯格、比爾·蓋茨、萊昂納多·迪卡普里奧、勒布朗·詹姆斯在內的眾多名人也紛紛響應，參加了挑戰(zhàn)。短短8周時間內，F(xiàn)acebook用戶就發(fā)布了超過1700萬條挑戰(zhàn)視頻。根據(jù)《波士頓環(huán)球報》的數(shù)據(jù)，冰桶活動共募集到1.6億~2.2億美元，用于ALS的科學研究、患者和社會服務等。
這篇原載于《環(huán)球科學》2017年7月刊的文章，講述了ALS是如何讓患者逐漸喪失活動能力的，并且介紹了科學家在尋找ALS藥物中的最新進展。基于基因沉默技術、基因測序技術、生物標記物的早期診斷和藥物療法，我們看到了治愈ALS的曙光。
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肌萎縮側索硬化癥（ALS）的出現(xiàn)往往悄無聲息?；疾〕跗陔m無疼痛，但患者神經細胞支配骨骼肌的能力受到影響。他們會出現(xiàn)一些細微的癥狀，如走路磕絆、行動笨拙和口齒不清。而這些癥狀常常會被忽視。因為著名棒球運動員盧·格里克（Lou Gehrig），這種疾病才走進了公眾視野。盧·格里克曾被譽為鐵馬，連續(xù)14年征戰(zhàn)超過2130場比賽。他于1939年6月被確診為ALS，一個月后就在揚基體育場悲壯退役。盧·格里克的病情發(fā)展迅速，當年12月就虛弱到無法參加自己入選名人堂的典禮了。隨著病勢加重，他最終臥床不起，并于1941年結束了年僅37歲的生命。
每年，美國有超過6000人確診為ALS。患病年齡多為50~60歲，但也有患者是在很年輕或者80歲的時候發(fā)病的。發(fā)病時，腦部和脊髓的運動神經元會開始死亡，而這些細胞的功能是從大腦經脊髓向肌肉發(fā)出信號。因此這將導致患者的活動能力、敏捷程度、語言能力甚至吞咽功能下降。大多數(shù)患者腦部高級認知功能并未受損，只能眼睜睜地看著自己的身體一點點地被疾病吞噬。他們很快就被困在輪椅上，逐漸喪失交流、進食或呼吸的功能，大多數(shù)患者會因呼吸衰竭在3~5年內去世。美國食品及藥品管理局（FDA）唯一批準用于治療ALS的藥物——谷氨酸阻滯劑利魯唑（glutamate blocker riluzole）——平均也只能延長患者3個月的生命，但尚無方法將其治愈。
法國神經病學先驅讓-馬丁·沙爾科（Jean-Martin Charcot）在1869年首次提出并命名該病，通過“肌萎縮側索硬化”這個名稱概括了此病的特點：“肌萎縮”指肌肉缺乏營養(yǎng)；“側索”是脊髓的一個區(qū)域，這是死亡的運動神經元所在的位置；“硬化”則是指神經退化過程中的組織硬化或瘢痕化。沙爾科所描述的疾病特點簡練清晰，但近一個半世紀以來，ALS的復雜性仍使研究人員深感困惑。盡管這是一種致命的疾病，但不知為何，也有約10%的患者生存期達到10年以上。這部分患者中就包括著名物理學家史蒂芬·霍金（Stephen Hawking），他已在ALS的折磨下生活了50余年。近來的研究顯示，環(huán)境因素對誘發(fā)ALS僅起到很小的作用，可能只是增加了攜帶易感基因的人群的患病風險。最讓人感到困惑的是疾病發(fā)生的隨機性，只有不足10%的病例是由父母遺傳給孩子，其余的病例都是非遺傳性或者說散發(fā)性的。
在過去10年里，精準的測序技術使我們在生物學層面對疾病有了更深的了解。越來越多的研究顯示，許多不同的基因都跟這種疾病有關，它們單獨表達或共同作用，增加了個體的患病幾率。一些基因突變甚至與70%以上的家族性ALS和約10%的散發(fā)性ALS相關。反過來，這些新的基因研究也為更好的治療指出了方向?；虺聊夹g是某些ALS潛在的治療手段，作用于特定目標基因的兩種藥物有望在今年進行臨床試驗。與此同時，研究人員也在尋找特異性的生物標記物，包括體液或腦電活動中的可測量成分，這將有助于臨床醫(yī)生早期診斷和定量評估疾病進展。這些生物標記物對其他藥物的研發(fā)也很有幫助。
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早期的遺傳發(fā)現(xiàn)
大多數(shù)家族性ALS患者有50%的幾率把疾病遺傳給下一代。盡管在患者中只占很小的比例，他們極大地加深了人類對ALS遺傳機制的認知。關于ALS的第一個遺傳學發(fā)現(xiàn)，是在1993年確認了SOD1基因突變，約20%的家族性ALS患者都攜帶有這種突變。SOD1基因負責編碼的是抗氧化物超氧化物歧化酶（antioxidant enzyme superoxide dismutase），這種酶的作用是將高反應性超氧化物分子轉化為無害的形式。
起初，研究人員推測SOD1突變可能減弱了酶的抗氧化能力，導致氧自由基對運動神經元造成破壞。二十多年后，我們知道情況并非如此。突變導致酶的作用超出了正常范疇，細胞獲得了一些新的功能，這種情況被科學家稱為毒性功能獲得（toxic gain of function）。
更為嚴重的是，這些新出現(xiàn)的功能導致了神經元內某些蛋白形態(tài)的改變。通過對ALS患者進行尸檢，研究人員發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)患者都有一個典型的腦病理特征，那就是運動神經元內的蛋白聚集。若想讓神經元正常工作，組建細胞結構的蛋白必須要有效地循環(huán)起來，但在ALS患者的細胞中，這一循環(huán)體系已徹底崩潰。包括酶在內的所有蛋白質，在細胞內合成時都需要保持精準的三維結構才能發(fā)揮正常的功能，基因突變則會導致個別蛋白因錯誤折疊而聚集。出現(xiàn)這種情況時，細胞會通過泛素這一分子標記物，將結構異常的蛋白標記出來并清除掉。但如果清除體系的負荷過重，垃圾就會逐漸堆積。在某些家族性ALS患者的運動神經元中，就能夠發(fā)現(xiàn)大量泛素標記的SOD1蛋白聚集。
ALS研究領域最重要的里程碑出現(xiàn)在2006年，科學家將目光轉移到不攜帶SOD1突變的ALS患者身上。他們發(fā)現(xiàn)了另一種被稱為TDP-43的蛋白。這種蛋白聚集在幾乎每一位患者的運動神經元內。TDP-43蛋白的功能是調節(jié)信使RNA的活性，而信使RNA既是基因信息的復制者，又是編碼合成蛋白質的模板。TDP-43與信使RNA結合，指導后者在細胞核內的轉錄過程，隨后將信使RNA運送到細胞內的相關區(qū)域，在RNA翻譯成蛋白質的過程中發(fā)揮重要作用。然而，在ALS患者體內，TDP-43不知為何離開了細胞核。它們聚集在細胞質中，有時還會吸引更多的這類蛋白進入細胞質。科學家仍在探索，這一過程中的TDP-43究竟是導致了功能缺失（因其離開細胞核）還是毒性功能獲得（因其在細胞質中聚集），還是兩者兼而有之。
科學家發(fā)現(xiàn)大多數(shù)患者體內都會出現(xiàn)TDP-43的聚集后，他們便著手研究這種蛋白的基因TARDBP，并在一些遺傳家系中發(fā)現(xiàn)了罕見突變。這一重要突破從理論上確定了RNA結合蛋白的這一行為可能導致ALS。隨后，更多參與RNA調節(jié)的蛋白被確定為ALS致病因素，預計還會有更多的發(fā)現(xiàn)。21世紀頭十年，ALS的遺傳學發(fā)現(xiàn)呈現(xiàn)出井噴之勢，每年都約有1~2個疾病基因被確認，但最振奮人心的發(fā)現(xiàn)此時還仍未到來。
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重復序列
這一發(fā)現(xiàn)源于對遺傳家系的研究。2011年，兩個研究團隊分別報道了同一個特殊的突變基因，該基因的名稱也同樣特殊——C9ORF72。這是指9號染色體上第72個開放讀碼框（open reading frame，DNA序列中可編碼蛋白質的一段無終止密碼子打斷的堿基序列）。在健康人群中，C9ORF72所包含的一段DNA序列GGGGCC的重復次數(shù)為2~23次，但在C9ORF72發(fā)生突變的人群中，這個片段的重復次數(shù)可達數(shù)百次甚至上千次。
隨后的研究顯示，這些過度重復的序列可以解釋40%~50%的家族性ALS病例和5%~10%的散發(fā)性病例。更為有趣的是，這一突變的發(fā)現(xiàn)使ALS和另一種疾病——一種名為額顳葉變性（frontotemporal degeneration, FTD）的癡呆癥，建立起了遺傳學上的聯(lián)系。FTD表現(xiàn)為顯著的人格改變和決策混亂。C9ORF72突變可引起ALS或FTD，甚至是二者相結合的ALS-FTD。在C9ORF72突變患者的神經元中也可以發(fā)現(xiàn)TDP-43蛋白的聚集，這兩種疾病因此建立起了另外一種聯(lián)系。這種關聯(lián)性意味著，ALS和FTD可能是相關疾病譜系的一部分，但是同一個基因的突變?yōu)楹螘е氯绱瞬煌陌Y狀仍不得而知。
研究人員提出了3種細胞機制來解釋這個神秘基因的突變是如何導致ALS的。第一種解釋是，DNA重復片段會干擾信使RNA，使其無法完成遺傳密碼的正常轉錄和翻譯，影響了蛋白的合成。雖然這些蛋白的確切功能尚不清楚，但這無疑會導致其功能的降低；第二種解釋是，重復序列可能會引起RNA的聚集。它們在神經元的細胞核內形成聚集物，捕獲RNA結合蛋白（RNA-binding protein），從而使其無法發(fā)揮正常功能，導致了毒性功能獲得；第三種解釋是，當一個人的C9ORF72基因發(fā)生突變，擴增的重復序列被翻譯為易在核內聚集的異常蛋白，這種分子生物學改變最終導致了毒性功能獲得。
迄今為止，已有的證據(jù)更支持“C9ORF72突變引起ALS是毒性功能獲得所致”這樣的推斷，但尚不清楚的是，RNA聚集和蛋白聚集誰是更關鍵的致病因素。不過這也不要緊，正在研發(fā)的治療策略將同時阻斷突變基因產生RNA和蛋白質的能力。
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反義藥物
基因沉默技術是治療神經退行性疾病最有前景的技術之一，這項技術使用了合成的反義寡核苷酸（antisense oligonucleotide，ASO）。
ASO分子可以識別特定基因的信使RNA，并與之結合。ASO與RNA結合后，會激活一種核酸酶，攻擊RNA-ASO復合體。實際上，ASO可以選擇性地破壞任何突變基因的RNA。在針對C9ORF72突變的嚙齒動物的研究中，科學家合成了反義分子（antisense molecule），用它來破壞運動神經元中RNA聚集而成的團塊。結果發(fā)現(xiàn)，這種反義分子不僅可以破壞RNA團塊，也能破壞異常蛋白的團塊，甚至可以避免新的蛋白聚集體的形成。
靶向作用于C9ORF72基因的反義藥物（antisense drug）正在進行臨床試驗。研究人員也為SOD1突變導致的家族性ALS患者設計了反義藥物，這項研究的早期臨床試驗顯示鞘注給藥是安全的（鞘注給藥是指，通過腰椎穿刺，直接向患者腦脊液給藥的一種治療手段），藥物可以通過腦脊液的流動分布在腦周圍并進入運動神經元。
ASO治療另一種神經退行性疾病——脊髓性肌萎縮癥的成功，讓研究人員稍微樂觀了一些。這種遺傳性運動神經元疾病出現(xiàn)在嬰幼兒中，與ALS非常相似，患兒很少能夠活過3歲。在近期的兩項臨床試驗中，研究人員利用反義藥物糾正基因缺陷所導致的信使RNA異常，結果驚喜地發(fā)現(xiàn)患兒的運動能力顯著改善。FDA于是對這些試驗進行快速跟蹤，并于2016年12月正式批準了該藥物的上市申請。
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尋找突變基因
研究有明確遺傳規(guī)律的家族性ALS，為我們更好地理解這類疾病的生物學機制打下了基礎。但這類病例畢竟只占少數(shù)，目前最大的挑戰(zhàn)是研究散發(fā)性ALS患者，確定是哪些突變，讓這些患者的患病風險升高了。目前全世界的科研人員都在積極收集ALS患者的DNA樣本，對海量的基因組數(shù)據(jù)進行分析。
為了加快這項工作，遺傳學家開發(fā)了一種微芯片來協(xié)助研究，該方法可以輕易地完成ALS患者和健康人群的基因組比對，在全基因組關聯(lián)分析（genome-wide association studies, GWAS）的研究中發(fā)揮了重要作用。芯片主要分析的是基因組中包含單核苷酸多態(tài)性（single nucleotide polymorphisms，SNP）變異的區(qū)域，這些區(qū)域的DNA信息或核苷酸在個體間的差異很大。雖然GWAS是相關性研究，并不能確定是什么導致了ALS，但它可以發(fā)現(xiàn)可疑的差異，以進行下一步的觀察。近來多項國際性的GWAS研究比對了超過10 000例ALS患者和超過20 000例正常人，在基因組層面發(fā)現(xiàn)了很多差異，這些發(fā)現(xiàn)目前都進入了新的研究階段。新技術也使收集遺傳數(shù)據(jù)變得更加簡單，一天之內完成一個人的全基因組測序已成為現(xiàn)實，而且花費不會超過1000美元。如果只測定所有外顯子（基因組中編碼蛋白的部分）的序列，則會更加便宜快捷。
一旦列出了與ALS易感性相關的基因突變的黑名單，研究人員就可以探索ALS相關遺傳突變?yōu)槭裁茨軌蛟黾踊疾★L險。這些探索包括：多個基因如何相互作用？某些形式的ALS是否存在多個突變基因？環(huán)境因素是如何誘發(fā)某些患者的疾病的？
一項新的研究顯示，部分ALS甚至可能與一種逆轉錄病毒有關。這種病毒的DNA序列長期潛伏在患者的基因組內，通常處于休眠狀態(tài)，一旦“蘇醒”，病毒會在大腦內的神經元間傳播，損害神經元，誘發(fā)疾病。
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生物標記物
越來越多的研究顯示，導致ALS的真兇不僅僅是運動神經元的死亡，膠質細胞在其中也起到了重要作用。
膠質細胞在腦內和中樞神經系統(tǒng)中數(shù)量眾多，甚至超過了神經元。它們可以發(fā)揮多種功能：有的為神經元提供物理上的支撐，有的可調節(jié)腦內環(huán)境，特別是神經元和突觸周圍的液體。近期關于SOD1突變小鼠的研究又有了驚人的發(fā)現(xiàn)：盡管運動神經元中存在毒性SOD1蛋白，但只要阻斷膠質細胞中突變基因的合成，就可以延長小鼠的生存期。運動神經元似乎是疾病的緣起，而前者與膠質細胞之間的信號傳導，則促進了疾病的發(fā)展。膠質細胞可能也會通過產生毒性因子加劇ALS，但科學家尚不清楚這種因子是什么，也不知道它們是如何發(fā)揮作用的。一旦這種（或這些）因子被探明，我們就可以阻止其產生，或者阻止它們向運動神經元傳遞異常信號，這樣就能延緩或治愈ALS了。
在破譯ALS成因的研究中，科研人員也一直在尋找能夠幫助醫(yī)生評價疾病進展的生物標記物。比如，目前已經有研究試圖在易獲取的體液（如血液或腦脊液）中檢測C9ORF72基因編碼產生的異常重復蛋白。2017年，本文作者彼得魯切利曾發(fā)表文章報道稱，他在ALS、ALS-FTD患者以及無癥狀的突變基因攜帶者的腦脊液中，檢測到了這些異常蛋白。這些檢測手段將有助于疾病的早期診斷。這個領域的其他研究則著眼于開發(fā)影像技術，以便在ALS患者腦內的TDP-43蛋白團塊攻擊運動神經元之前及時檢測到它們。所有這些生物標記物都可以作為評價臨床試驗有效性的標準。
遺傳學和基因組學的快速發(fā)展以及新的生物標記物的開發(fā)，使ALS研究進入了精準醫(yī)療的時代。在不遠的未來，患者將依據(jù)ALS類型分組，接受特定的治療或預防。
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社交媒體的力量
過去十年，ALS研究領域的大多數(shù)進展要歸功于患者的配合，他們自愿為大規(guī)模的基因組研究貢獻時間和DNA。ALS患者和他們的家人也通過社交媒體提高了公眾對該病的認知；他們還募集資金，支持科學研究，為患者服務。
2014年，“ALS冰桶挑戰(zhàn)”掀起互聯(lián)網風暴。2012年，波士頓學院棒球隊前隊長皮特·弗拉泰斯（Pete Frates）被診斷為ALS，之后他在Facebook上發(fā)布視頻向他的朋友們發(fā)出挑戰(zhàn)——把冰水澆在頭上，為ALS協(xié)會籌集資金。此舉引發(fā)了巨大的轟動并得到大量名人的響應，包括馬克·扎克伯格（Mark Zuckerberg）、比爾·蓋茨（Bill Gates）、奧普拉·溫弗里（Oprah Winfrey）、萊昂納多·迪卡普里奧（Leonardo DiCaprio）和勒布朗·詹姆斯（LeBron James）在內的眾多知名人士都參加了挑戰(zhàn)。短短8周時間，F(xiàn)acebook用戶就發(fā)布了超過1700萬條挑戰(zhàn)視頻。支持者共捐出超過115 000 000美元（根據(jù)《波士頓環(huán)球報》的數(shù)據(jù)，冰桶活動募集的經費達到1.6億~2.2億美元），其中67%用于科研，20%用于患者和社會服務，9%用于公眾及專業(yè)教育。
ALS是一種殘酷無情的疾病。盧·格里克曾在紐約揚基體育場發(fā)表振奮人心的退役演講，他把自己稱為“地球上最幸運的人”。而在這場演講和他患病的消息傳出之前，大多數(shù)患者都只能默默承受。
現(xiàn)在公眾意識的日益提高，源自弗拉泰斯這樣的人的努力。他幫助發(fā)起的社會媒體行動極大地推動了ALS協(xié)會的發(fā)展，幫助這個機構把年度科研預算翻了三倍。我們對ALS生物學機制的認知會持續(xù)爆發(fā)式地增長，這將有助于科學家鋪設對付致病基因的天羅地網，并在此基礎上形成更好的治療方案，最終有效控制ALS這個隱形殺手?？茖W家們對此非常樂觀。
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醫(yī)學科普：冰桶挑戰(zhàn)與漸凍癥
弗拉泰斯與他的家人（圖片來源：DAVID L RYAN/GLOBE STAFF）
還記得“冰桶挑戰(zhàn)”嗎？
2014年，冰桶挑戰(zhàn)公益活動火遍全球。被點名的人要么接受挑戰(zhàn)、被冰水澆頭，要么選擇向研究肌萎縮側索硬化癥（ALS，也稱漸凍癥）的機構捐出100美元。這場活動讓ALS受到前所未有的關注，也為ALS籌集了大量研究經費。
就在昨天，這場活動的發(fā)起者之一，34歲的ALS患者皮特·弗拉泰斯（Pete Frates）在美國馬薩諸塞州的家中去世。
肌萎縮側索硬化癥，是一類極其兇險的罕見疾病。患者腦部和脊髓的運動神經元陸續(xù)死亡，因此其活動能力、敏捷程度、語言能力和吞咽功能下降，只能眼睜睜地在輪椅上看著自己的身體被疾病吞噬。大多數(shù)患者會因呼吸衰竭在3~5年內去世。
冰桶挑戰(zhàn)在一開始與ALS無關。直到2014年7月，美國佛羅里達州的高爾夫運動員克里斯·肯尼迪（Chris Kennedy）接受了這項在當時還鮮為人知的挑戰(zhàn)。在考慮下一個目標時，他想到了ALS患者安東尼·塞內爾基亞（Anthony Senerchia）。于是，他點名塞內爾基亞的妻子接受挑戰(zhàn)，希望借此為ALS患者的家庭帶來一些歡樂。很快，挑戰(zhàn)通過帕特·奎因（Pat Quinn）傳到了他的朋友弗拉泰斯那里。
弗拉泰斯曾是波士頓學院棒球隊的隊長。2012年，27歲的弗拉泰斯被診斷患上ALS，不僅告別了棒球場，運動神經元的受損也讓他的身體狀況每況愈下。但在死神的陰霾下，弗拉泰斯依然保持樂觀，他拍攝被澆水的視頻、為ALS協(xié)會籌集資金，成了第4位為了ALS進行挑戰(zhàn)的人。
弗拉泰斯（圖中坐輪椅者）與馬薩諸塞州官員進行冰桶挑戰(zhàn)。（圖片來源：Charles Krupa/AP）
在上傳挑戰(zhàn)視頻至Facebook時，弗拉泰斯添加了#StrikeOutALS的標簽。在那之后，冰桶挑戰(zhàn)開始在網絡上迅速傳播，并引發(fā)巨大的轟動。包括馬克·扎克伯格、比爾·蓋茨、萊昂納多·迪卡普里奧、勒布朗·詹姆斯在內的眾多名人也紛紛響應，參加了挑戰(zhàn)。短短8周時間內，F(xiàn)acebook用戶就發(fā)布了超過1700萬條挑戰(zhàn)視頻。根據(jù)《波士頓環(huán)球報》的數(shù)據(jù)，冰桶活動共募集到1.6億~2.2億美元，用于ALS的科學研究、患者和社會服務等。
這篇原載于《環(huán)球科學》2017年7月刊的文章，講述了ALS是如何讓患者逐漸喪失活動能力的，并且介紹了科學家在尋找ALS藥物中的最新進展。基于基因沉默技術、基因測序技術、生物標記物的早期診斷和藥物療法，我們看到了治愈ALS的曙光。
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肌萎縮側索硬化癥（ALS）的出現(xiàn)往往悄無聲息?；疾〕跗陔m無疼痛，但患者神經細胞支配骨骼肌的能力受到影響。他們會出現(xiàn)一些細微的癥狀，如走路磕絆、行動笨拙和口齒不清。而這些癥狀常常會被忽視。因為著名棒球運動員盧·格里克（Lou Gehrig），這種疾病才走進了公眾視野。盧·格里克曾被譽為鐵馬，連續(xù)14年征戰(zhàn)超過2130場比賽。他于1939年6月被確診為ALS，一個月后就在揚基體育場悲壯退役。盧·格里克的病情發(fā)展迅速，當年12月就虛弱到無法參加自己入選名人堂的典禮了。隨著病勢加重，他最終臥床不起，并于1941年結束了年僅37歲的生命。
每年，美國有超過6000人確診為ALS。患病年齡多為50~60歲，但也有患者是在很年輕或者80歲的時候發(fā)病的。發(fā)病時，腦部和脊髓的運動神經元會開始死亡，而這些細胞的功能是從大腦經脊髓向肌肉發(fā)出信號。因此這將導致患者的活動能力、敏捷程度、語言能力甚至吞咽功能下降。大多數(shù)患者腦部高級認知功能并未受損，只能眼睜睜地看著自己的身體一點點地被疾病吞噬。他們很快就被困在輪椅上，逐漸喪失交流、進食或呼吸的功能，大多數(shù)患者會因呼吸衰竭在3~5年內去世。美國食品及藥品管理局（FDA）唯一批準用于治療ALS的藥物——谷氨酸阻滯劑利魯唑（glutamate blocker riluzole）——平均也只能延長患者3個月的生命，但尚無方法將其治愈。
法國神經病學先驅讓-馬丁·沙爾科（Jean-Martin Charcot）在1869年首次提出并命名該病，通過“肌萎縮側索硬化”這個名稱概括了此病的特點：“肌萎縮”指肌肉缺乏營養(yǎng)；“側索”是脊髓的一個區(qū)域，這是死亡的運動神經元所在的位置；“硬化”則是指神經退化過程中的組織硬化或瘢痕化。沙爾科所描述的疾病特點簡練清晰，但近一個半世紀以來，ALS的復雜性仍使研究人員深感困惑。盡管這是一種致命的疾病，但不知為何，也有約10%的患者生存期達到10年以上。這部分患者中就包括著名物理學家史蒂芬·霍金（Stephen Hawking），他已在ALS的折磨下生活了50余年。近來的研究顯示，環(huán)境因素對誘發(fā)ALS僅起到很小的作用，可能只是增加了攜帶易感基因的人群的患病風險。最讓人感到困惑的是疾病發(fā)生的隨機性，只有不足10%的病例是由父母遺傳給孩子，其余的病例都是非遺傳性或者說散發(fā)性的。
在過去10年里，精準的測序技術使我們在生物學層面對疾病有了更深的了解。越來越多的研究顯示，許多不同的基因都跟這種疾病有關，它們單獨表達或共同作用，增加了個體的患病幾率。一些基因突變甚至與70%以上的家族性ALS和約10%的散發(fā)性ALS相關。反過來，這些新的基因研究也為更好的治療指出了方向?；虺聊夹g是某些ALS潛在的治療手段，作用于特定目標基因的兩種藥物有望在今年進行臨床試驗。與此同時，研究人員也在尋找特異性的生物標記物，包括體液或腦電活動中的可測量成分，這將有助于臨床醫(yī)生早期診斷和定量評估疾病進展。這些生物標記物對其他藥物的研發(fā)也很有幫助。
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大多數(shù)家族性ALS患者有50%的幾率把疾病遺傳給下一代。盡管在患者中只占很小的比例，他們極大地加深了人類對ALS遺傳機制的認知。關于ALS的第一個遺傳學發(fā)現(xiàn)，是在1993年確認了SOD1基因突變，約20%的家族性ALS患者都攜帶有這種突變。SOD1基因負責編碼的是抗氧化物超氧化物歧化酶（antioxidant enzyme superoxide dismutase），這種酶的作用是將高反應性超氧化物分子轉化為無害的形式。
起初，研究人員推測SOD1突變可能減弱了酶的抗氧化能力，導致氧自由基對運動神經元造成破壞。二十多年后，我們知道情況并非如此。突變導致酶的作用超出了正常范疇，細胞獲得了一些新的功能，這種情況被科學家稱為毒性功能獲得（toxic gain of function）。
更為嚴重的是，這些新出現(xiàn)的功能導致了神經元內某些蛋白形態(tài)的改變。通過對ALS患者進行尸檢，研究人員發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)患者都有一個典型的腦病理特征，那就是運動神經元內的蛋白聚集。若想讓神經元正常工作，組建細胞結構的蛋白必須要有效地循環(huán)起來，但在ALS患者的細胞中，這一循環(huán)體系已徹底崩潰。包括酶在內的所有蛋白質，在細胞內合成時都需要保持精準的三維結構才能發(fā)揮正常的功能，基因突變則會導致個別蛋白因錯誤折疊而聚集。出現(xiàn)這種情況時，細胞會通過泛素這一分子標記物，將結構異常的蛋白標記出來并清除掉。但如果清除體系的負荷過重，垃圾就會逐漸堆積。在某些家族性ALS患者的運動神經元中，就能夠發(fā)現(xiàn)大量泛素標記的SOD1蛋白聚集。
ALS研究領域最重要的里程碑出現(xiàn)在2006年，科學家將目光轉移到不攜帶SOD1突變的ALS患者身上。他們發(fā)現(xiàn)了另一種被稱為TDP-43的蛋白。這種蛋白聚集在幾乎每一位患者的運動神經元內。TDP-43蛋白的功能是調節(jié)信使RNA的活性，而信使RNA既是基因信息的復制者，又是編碼合成蛋白質的模板。TDP-43與信使RNA結合，指導后者在細胞核內的轉錄過程，隨后將信使RNA運送到細胞內的相關區(qū)域，在RNA翻譯成蛋白質的過程中發(fā)揮重要作用。然而，在ALS患者體內，TDP-43不知為何離開了細胞核。它們聚集在細胞質中，有時還會吸引更多的這類蛋白進入細胞質。科學家仍在探索，這一過程中的TDP-43究竟是導致了功能缺失（因其離開細胞核）還是毒性功能獲得（因其在細胞質中聚集），還是兩者兼而有之。
科學家發(fā)現(xiàn)大多數(shù)患者體內都會出現(xiàn)TDP-43的聚集后，他們便著手研究這種蛋白的基因TARDBP，并在一些遺傳家系中發(fā)現(xiàn)了罕見突變。這一重要突破從理論上確定了RNA結合蛋白的這一行為可能導致ALS。隨后，更多參與RNA調節(jié)的蛋白被確定為ALS致病因素，預計還會有更多的發(fā)現(xiàn)。21世紀頭十年，ALS的遺傳學發(fā)現(xiàn)呈現(xiàn)出井噴之勢，每年都約有1~2個疾病基因被確認，但最振奮人心的發(fā)現(xiàn)此時還仍未到來。
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這一發(fā)現(xiàn)源于對遺傳家系的研究。2011年，兩個研究團隊分別報道了同一個特殊的突變基因，該基因的名稱也同樣特殊——C9ORF72。這是指9號染色體上第72個開放讀碼框（open reading frame，DNA序列中可編碼蛋白質的一段無終止密碼子打斷的堿基序列）。在健康人群中，C9ORF72所包含的一段DNA序列GGGGCC的重復次數(shù)為2~23次，但在C9ORF72發(fā)生突變的人群中，這個片段的重復次數(shù)可達數(shù)百次甚至上千次。
隨后的研究顯示，這些過度重復的序列可以解釋40%~50%的家族性ALS病例和5%~10%的散發(fā)性病例。更為有趣的是，這一突變的發(fā)現(xiàn)使ALS和另一種疾病——一種名為額顳葉變性（frontotemporal degeneration, FTD）的癡呆癥，建立起了遺傳學上的聯(lián)系。FTD表現(xiàn)為顯著的人格改變和決策混亂。C9ORF72突變可引起ALS或FTD，甚至是二者相結合的ALS-FTD。在C9ORF72突變患者的神經元中也可以發(fā)現(xiàn)TDP-43蛋白的聚集，這兩種疾病因此建立起了另外一種聯(lián)系。這種關聯(lián)性意味著，ALS和FTD可能是相關疾病譜系的一部分，但是同一個基因的突變?yōu)楹螘е氯绱瞬煌陌Y狀仍不得而知。
研究人員提出了3種細胞機制來解釋這個神秘基因的突變是如何導致ALS的。第一種解釋是，DNA重復片段會干擾信使RNA，使其無法完成遺傳密碼的正常轉錄和翻譯，影響了蛋白的合成。雖然這些蛋白的確切功能尚不清楚，但這無疑會導致其功能的降低；第二種解釋是，重復序列可能會引起RNA的聚集。它們在神經元的細胞核內形成聚集物，捕獲RNA結合蛋白（RNA-binding protein），從而使其無法發(fā)揮正常功能，導致了毒性功能獲得；第三種解釋是，當一個人的C9ORF72基因發(fā)生突變，擴增的重復序列被翻譯為易在核內聚集的異常蛋白，這種分子生物學改變最終導致了毒性功能獲得。
迄今為止，已有的證據(jù)更支持“C9ORF72突變引起ALS是毒性功能獲得所致”這樣的推斷，但尚不清楚的是，RNA聚集和蛋白聚集誰是更關鍵的致病因素。不過這也不要緊，正在研發(fā)的治療策略將同時阻斷突變基因產生RNA和蛋白質的能力。
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基因沉默技術是治療神經退行性疾病最有前景的技術之一，這項技術使用了合成的反義寡核苷酸（antisense oligonucleotide，ASO）。
ASO分子可以識別特定基因的信使RNA，并與之結合。ASO與RNA結合后，會激活一種核酸酶，攻擊RNA-ASO復合體。實際上，ASO可以選擇性地破壞任何突變基因的RNA。在針對C9ORF72突變的嚙齒動物的研究中，科學家合成了反義分子（antisense molecule），用它來破壞運動神經元中RNA聚集而成的團塊。結果發(fā)現(xiàn)，這種反義分子不僅可以破壞RNA團塊，也能破壞異常蛋白的團塊，甚至可以避免新的蛋白聚集體的形成。
靶向作用于C9ORF72基因的反義藥物（antisense drug）正在進行臨床試驗。研究人員也為SOD1突變導致的家族性ALS患者設計了反義藥物，這項研究的早期臨床試驗顯示鞘注給藥是安全的（鞘注給藥是指，通過腰椎穿刺，直接向患者腦脊液給藥的一種治療手段），藥物可以通過腦脊液的流動分布在腦周圍并進入運動神經元。
ASO治療另一種神經退行性疾病——脊髓性肌萎縮癥的成功，讓研究人員稍微樂觀了一些。這種遺傳性運動神經元疾病出現(xiàn)在嬰幼兒中，與ALS非常相似，患兒很少能夠活過3歲。在近期的兩項臨床試驗中，研究人員利用反義藥物糾正基因缺陷所導致的信使RNA異常，結果驚喜地發(fā)現(xiàn)患兒的運動能力顯著改善。FDA于是對這些試驗進行快速跟蹤，并于2016年12月正式批準了該藥物的上市申請。
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研究有明確遺傳規(guī)律的家族性ALS，為我們更好地理解這類疾病的生物學機制打下了基礎。但這類病例畢竟只占少數(shù)，目前最大的挑戰(zhàn)是研究散發(fā)性ALS患者，確定是哪些突變，讓這些患者的患病風險升高了。目前全世界的科研人員都在積極收集ALS患者的DNA樣本，對海量的基因組數(shù)據(jù)進行分析。
為了加快這項工作，遺傳學家開發(fā)了一種微芯片來協(xié)助研究，該方法可以輕易地完成ALS患者和健康人群的基因組比對，在全基因組關聯(lián)分析（genome-wide association studies, GWAS）的研究中發(fā)揮了重要作用。芯片主要分析的是基因組中包含單核苷酸多態(tài)性（single nucleotide polymorphisms，SNP）變異的區(qū)域，這些區(qū)域的DNA信息或核苷酸在個體間的差異很大。雖然GWAS是相關性研究，并不能確定是什么導致了ALS，但它可以發(fā)現(xiàn)可疑的差異，以進行下一步的觀察。近來多項國際性的GWAS研究比對了超過10 000例ALS患者和超過20 000例正常人，在基因組層面發(fā)現(xiàn)了很多差異，這些發(fā)現(xiàn)目前都進入了新的研究階段。新技術也使收集遺傳數(shù)據(jù)變得更加簡單，一天之內完成一個人的全基因組測序已成為現(xiàn)實，而且花費不會超過1000美元。如果只測定所有外顯子（基因組中編碼蛋白的部分）的序列，則會更加便宜快捷。
一旦列出了與ALS易感性相關的基因突變的黑名單，研究人員就可以探索ALS相關遺傳突變?yōu)槭裁茨軌蛟黾踊疾★L險。這些探索包括：多個基因如何相互作用？某些形式的ALS是否存在多個突變基因？環(huán)境因素是如何誘發(fā)某些患者的疾病的？
一項新的研究顯示，部分ALS甚至可能與一種逆轉錄病毒有關。這種病毒的DNA序列長期潛伏在患者的基因組內，通常處于休眠狀態(tài)，一旦“蘇醒”，病毒會在大腦內的神經元間傳播，損害神經元，誘發(fā)疾病。
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越來越多的研究顯示，導致ALS的真兇不僅僅是運動神經元的死亡，膠質細胞在其中也起到了重要作用。
膠質細胞在腦內和中樞神經系統(tǒng)中數(shù)量眾多，甚至超過了神經元。它們可以發(fā)揮多種功能：有的為神經元提供物理上的支撐，有的可調節(jié)腦內環(huán)境，特別是神經元和突觸周圍的液體。近期關于SOD1突變小鼠的研究又有了驚人的發(fā)現(xiàn)：盡管運動神經元中存在毒性SOD1蛋白，但只要阻斷膠質細胞中突變基因的合成，就可以延長小鼠的生存期。運動神經元似乎是疾病的緣起，而前者與膠質細胞之間的信號傳導，則促進了疾病的發(fā)展。膠質細胞可能也會通過產生毒性因子加劇ALS，但科學家尚不清楚這種因子是什么，也不知道它們是如何發(fā)揮作用的。一旦這種（或這些）因子被探明，我們就可以阻止其產生，或者阻止它們向運動神經元傳遞異常信號，這樣就能延緩或治愈ALS了。
在破譯ALS成因的研究中，科研人員也一直在尋找能夠幫助醫(yī)生評價疾病進展的生物標記物。比如，目前已經有研究試圖在易獲取的體液（如血液或腦脊液）中檢測C9ORF72基因編碼產生的異常重復蛋白。2017年，本文作者彼得魯切利曾發(fā)表文章報道稱，他在ALS、ALS-FTD患者以及無癥狀的突變基因攜帶者的腦脊液中，檢測到了這些異常蛋白。這些檢測手段將有助于疾病的早期診斷。這個領域的其他研究則著眼于開發(fā)影像技術，以便在ALS患者腦內的TDP-43蛋白團塊攻擊運動神經元之前及時檢測到它們。所有這些生物標記物都可以作為評價臨床試驗有效性的標準。
遺傳學和基因組學的快速發(fā)展以及新的生物標記物的開發(fā)，使ALS研究進入了精準醫(yī)療的時代。在不遠的未來，患者將依據(jù)ALS類型分組，接受特定的治療或預防。
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過去十年，ALS研究領域的大多數(shù)進展要歸功于患者的配合，他們自愿為大規(guī)模的基因組研究貢獻時間和DNA。ALS患者和他們的家人也通過社交媒體提高了公眾對該病的認知；他們還募集資金，支持科學研究，為患者服務。
2014年，“ALS冰桶挑戰(zhàn)”掀起互聯(lián)網風暴。2012年，波士頓學院棒球隊前隊長皮特·弗拉泰斯（Pete Frates）被診斷為ALS，之后他在Facebook上發(fā)布視頻向他的朋友們發(fā)出挑戰(zhàn)——把冰水澆在頭上，為ALS協(xié)會籌集資金。此舉引發(fā)了巨大的轟動并得到大量名人的響應，包括馬克·扎克伯格（Mark Zuckerberg）、比爾·蓋茨（Bill Gates）、奧普拉·溫弗里（Oprah Winfrey）、萊昂納多·迪卡普里奧（Leonardo DiCaprio）和勒布朗·詹姆斯（LeBron James）在內的眾多知名人士都參加了挑戰(zhàn)。短短8周時間，F(xiàn)acebook用戶就發(fā)布了超過1700萬條挑戰(zhàn)視頻。支持者共捐出超過115 000 000美元（根據(jù)《波士頓環(huán)球報》的數(shù)據(jù)，冰桶活動募集的經費達到1.6億~2.2億美元），其中67%用于科研，20%用于患者和社會服務，9%用于公眾及專業(yè)教育。
ALS是一種殘酷無情的疾病。盧·格里克曾在紐約揚基體育場發(fā)表振奮人心的退役演講，他把自己稱為“地球上最幸運的人”。而在這場演講和他患病的消息傳出之前，大多數(shù)患者都只能默默承受。
現(xiàn)在公眾意識的日益提高，源自弗拉泰斯這樣的人的努力。他幫助發(fā)起的社會媒體行動極大地推動了ALS協(xié)會的發(fā)展，幫助這個機構把年度科研預算翻了三倍。我們對ALS生物學機制的認知會持續(xù)爆發(fā)式地增長，這將有助于科學家鋪設對付致病基因的天羅地網，并在此基礎上形成更好的治療方案，最終有效控制ALS這個隱形殺手?？茖W家們對此非常樂觀。
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聽說，打賞我的人最后都找到了真愛。
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