第四十二章 癌症标志

我不想在作品中获得永生。我渴望摆脱死亡实现不朽。[1]

——伍迪·艾伦

在哈佛大学医学院顶楼动物饲养所的笼子里，菲利普·莱德的肿瘤鼠的瘦小身躯承载着史无前例的重要使命。这些小鼠象征着癌症遗传学日臻成熟：科学家们已经通过人工操控ras与myc这两种基因在动物体内构建了真正的活体肿瘤（并非培养皿中抽象、苍白的细胞集落）。不过莱德的实验也对癌症发生提出了进一步的问题。癌症不仅是生长在机体内部的肿块，它还是能够转移、进化、入侵器官、破坏组织以及抵抗药物的疾病。即便激活了这两种强大的原癌基因也无法全面概括每个小鼠细胞的癌变机制。虽然癌症遗传学对于癌症发生颇有启发，但是目前显然仍有许多疑问尚待解决。

如果肿瘤鼠体内同时出现的两种癌基因都不足以致癌，那么到底需要多少种活化的原癌基因与失活的抑癌基因才能成瘤呢？除此之外，还需要哪些遗传步骤才能将正常细胞转化为癌细胞呢？对于人类癌症而言，这些问题根本无法通过实验来解决。毕竟我们还不能前瞻性地“创造”人类癌症并追踪基因的活化与失活。但是上述问题可以通过回顾性分析得到解答。1988年，约翰斯·霍普金斯大学医学院的内科学家伯特·沃格斯坦（Bert Vogelstein）通过研究人类标本描述了启动癌症所需的基因突变数量。为了破解这个变幻莫测的迷局，沃格斯坦几乎花费了20年。

沃格斯坦受到20世纪50年代乔治·帕帕尼科拉乌与奥斯卡·奥尔巴赫研究的启发。虽然帕帕尼科拉乌与奥尔巴赫研究的疾病不同，但是他们都意识到癌症不会直接从正常细胞中发生。与之相反，癌症发生的过程通常非常缓慢，并且它们历经的过渡阶段（从完全正常到彻底异常）也是时断时续。在宫颈癌演化成为高侵袭性肿瘤之前的数十年，人们在组织中已经观察到成片分布的非侵袭性癌前细胞正蠢蠢欲动。（宫颈涂片的目标就是在癌症扩散前确诊并根除这种癌前病变。）同样，奥尔巴赫也注意到，吸烟者的肺部早在肺癌出现之前就可以见到癌前细胞。此外，人类结肠癌在演进过程中也会逐渐分化离散，它会从非侵袭性癌前病变（腺瘤）发展为高侵袭性晚期肿瘤（浸润癌）。

沃格斯坦决定从研究结肠癌的发病机制入手。他先是从不同分期的结肠癌患者标本中遴选出四种人类癌基因（癌基因与抑癌基因），然后结合分期对标本中基因[2]的活化与失活情况进行分析。

由于每种癌症都存在异质性，因此人们可能会天真地认为，每位患者的癌症都有自己的基因突变序列与独特的突变基因组合。但是沃格斯坦在其结肠癌标本中发现了一种令人吃惊的模式：在许多标本与患者中，癌症分期与基因突变的趋势完全一致。然而癌细胞不能随意激活或灭活基因。相反，从癌前病变转化为浸润癌可能会以某种严苛的顺序与基因的活化或失活精准对接。

1988年，沃格斯坦在《新英格兰医学杂志》中写道：“这四种分子在以某种累积的方式影响着肿瘤进展。”他提出，“在肿瘤形成早期，结肠细胞似乎因生长速度超过同伴而形成小型良性肿瘤。（这些）细胞在生长过程中往往会发生ras基因突变。最终，出现抑癌基因缺失……或许与腺瘤向癌症进展有关。”[3]

由于沃格斯坦已经预先选择了上述四种基因，因此他无法列举癌症发生所需的全部基因总数。（1988年的技术水平尚不能满足此类分析，他需要再等20年才能赶上这项技术问世。）但是沃格斯坦已经验证了一项重要的观点，那就是确实存在这种离散的遗传路径。帕帕尼科拉乌与奥尔巴赫曾经将癌症病理转化描述为一个多步骤过程，它从癌前病变开始毅然决然地向浸润癌转化。如今沃格斯坦证实癌症遗传演进同样是一个多步骤过程。

好在天道酬勤。在1980年至1990年的10年里，科学家在人类基因组中发现了数量惊人的原癌基因与抑癌基因（据最新统计，共有大约100种此类基因），但是它们的丰度也引出了另外一个令人不安的问题：如果基因组中分布着数量众多的失控基因（仿佛只要轻轻一按，它们就可以将细胞送上癌变之路），那么癌症为何不会随时随地在人体内发生呢？

其实癌症遗传学家已经为上述问题找到了两个答案。第一，原癌基因需要通过突变来激活，而突变只是一种小概率事件；第二，抑癌基因需要被灭活，但是由于每个抑癌基因往往存在两份拷贝，因此需要两次独立的突变才能使其灭活，而这种情况则更为罕见。现在沃格斯坦又发现了第三个答案。他推测，任何单个基因的活化或失活只是通向癌变的第一步。癌症演进是一个曲折漫长的过程，其中涉及众多基因突变的反复迭代。从遗传学角度来说，我们的细胞并未触及癌症深渊的边界，它们只是以离散的方式被逐渐吞噬。

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当沃格斯坦描述癌症基因序贯突变的缓慢进程时，癌症生物学家正在调查这些突变的实际功能。他们知道，癌基因突变可以被简单地分为两类，也就是原癌基因活化或抑癌基因失活。尽管细胞分裂失控是癌症的病理特征，但是癌细胞的作用不只局限于分裂，它们还可以在体内游走、破坏组织、入侵器官以及远处转移。为了全面理解癌症综合征的表现，生物学家需要把癌细胞的基因突变与这些细胞复杂多变的异常行为联系起来。

基因编码的蛋白质其实就像微型分子开关一样，它们在细胞里可以通过“启动”或“关闭”来激活或灭活其他蛋白质。其实我们可以勾勒出任何此类蛋白质的示意图：蛋白质A启动蛋白质B，蛋白质B启动蛋白质C并关闭蛋白质D，蛋白质D启动蛋白质E，以此类推。而这种分子级联被称为蛋白质的信号通路。此类通路（输入输出信号）在细胞中持续活跃，细胞才可以在环境中发挥作用。

遗传生物学家发现，原癌基因与抑癌基因就处于这种信号通路的枢纽位置。例如，Ras可以激活一种名为Mek的蛋白质，然后Mek顺序激活了Erk（通过某些中间步骤），并且最终加速细胞分裂。这种被称为Ras→Mek→Erk通路的级联步骤在正常细胞中受到严格调控，从而确保细胞分裂万无一失。但是在癌细胞中，活化的“Ras”在逐级激活Mek与Erk后导致细胞分裂失控（病理性有丝分裂）。

其实活化的ras通路（Ras→Mek→Erk）并不只是加速细胞分裂，它也会与其他通路发生交互作用并对癌细胞的“行为”产生影响。20世纪90年代，波士顿儿童医院的外科学家朱达·福克曼（Judah Folkman）证实癌细胞中某些活化的信号通路（包括ras在内）能够诱导邻近血管生成。由于肿瘤可以暗中刺激自身周边的血管网络来“获得”血液供给，然后像葡萄粒一样围绕这些血管呈簇状生长，因此福克曼称这种现象为“肿瘤血管新生”。[4]

斯坦·考斯梅尔（Stan Korsmeyer）是福克曼在哈佛的同事，他在癌细胞里也发现了源自突变基因的其他活化通路，它们可以赋予癌细胞抵抗死亡信号的能力来阻止其死亡。[5]除此之外，某些通路可以使癌细胞获得启动转移所需的运动性（在组织间移动的能力）。当然还有某些基因级联能够提高细胞在恶劣环境下的存活率，以便使它们在不被环境（不适合癌细胞生存）排斥或破坏的情况下经过血流入侵其他器官。

总而言之，基因是决定癌症前世今生的关键所在。研究显示，异常基因支配着癌症行为的各个方面。源自突变基因的异常信号级联会波及整个癌细胞，它们可以通过改善存活、加快生长、促进流动、募集血管、增强营养以及获取氧气来维持癌症的生命。

这些基因级联显然是对正常机体中信号通路的扭曲。例如，被癌细胞激活的“运动基因”也是正常细胞在体内移动所需的基因（例如当免疫细胞向感染部位移动时）。肿瘤血管新生则利用了伤口愈合时血管生成的通路。没有什么发明创造，更没有什么天外来客。癌症的生命就是对人类生命的再现，它的存在就是我们自身的病理写照。苏珊·桑塔格曾经警告不要用隐喻来加重疾病负担，但这并不是隐喻。就癌细胞的内在分子核心来说，它们表现出的活力、生机、拼搏、睿智以及创新都反映了人类自身的属性。

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20世纪90年代早期，癌症遗传学家开始根据基因的分子改变构建癌症发生的模型。为了理解这个模型，让我们先以某个正常细胞来说明上述过程，假设该细胞就位于一名40岁的消防安全设备安装工的左肺。1968年的某个清晨，一小块来自消防设备的石棉碎片通过空气飘到了那个细胞附近，他的身体随即对石棉碎片产生了炎症反应。现在石棉碎片周围的细胞开始疯狂地进入分裂状态（就像正在努力愈合的小伤口一样），同时一小团细胞也从此处的原始细胞中分化出来。

其中某个细胞内的ras基因意外地发生了突变。当然这种突变的结果就是产生了一种激活型ras基因。携带突变基因的细胞比邻近细胞生长得更快，并且在原始细胞团的基础上形成了新的细胞团。但它目前还不是癌细胞，而是癌细胞的原始祖先（细胞分裂部分失控）。

10年之后。这一小群ras突变细胞在无人察觉的情况下继续在肺组织的边缘地带增殖。由于这位安装工有吸烟的习惯，因此焦油中的致癌化学物质在到达肺部边缘时会与那团ras突变细胞相遇。与此同时，其中某个细胞的基因又发生了二次突变，然后激活了第二个癌基因。

又过了10年。第二个细胞团中的某个细胞在受到X射线误照射后获得了另一次突变。虽然这次事件灭活了一个抑癌基因，但是由于该细胞中携带有两份拷贝，因此上述突变几乎没有造成什么影响。然而到了次年，又一次突变灭活了抑癌基因的第二份拷贝，从而产生了“含有两个活化癌基因与两个失活抑癌基因的细胞”。

如今一场致命的浩劫拉开了序幕。这些历经四次突变的细胞开始以超过其同类的速度加速繁殖。随着细胞不断生长，它们还获得了附加突变并且激活了各种通路，促使这些细胞进一步适应生长与存活。除此之外，肿瘤中的某个突变基因刺激了邻近血管生长，另一个突变则让这个需要血液滋养的肿瘤即便在低氧部位也能生存。

现在突变细胞开始不断分裂，生成新的细胞。由于某个增强细胞移动性的基因在细胞中被激活，因此这个细胞在获得移动性之后穿过肺组织进入血流。这种可移动癌细胞的子代获得了在骨骼中生存的能力，然后它们跟随血流来到骨盆的边缘，在那里开始了另一轮生存、选择与定植。当然这也意味着源自肺部的肿瘤首次出现转移。

患者偶尔会出现气短的症状，会觉得肺部边缘有种刺痛的感觉。此外，他在走路的时候偶尔会感到有东西在胸腔下方移动。又一年过去之后，患者自觉症状日益加重。于是他来到医院就诊并做了CT。结果显示，其肺内支气管上包裹着一个环形肿物，活组织检查证实这是肺癌。某位外科医生在检查了患者与胸部CT结果之后认为该肿瘤已经无法手术。确诊3周之后，患者又因主诉胸部与臀部疼痛再次来到门诊。骨扫描显示肿瘤已经转移至肋骨与骨盆。

于是患者开始接受静脉化疗，而肺癌细胞也产生了应答。尽管他在此期间中经历了多种细胞毒性药物的轮番轰炸，某个肿瘤细胞却获得了另外一种对化疗药物产生耐药的突变。确诊7个月之后，患者体内的肿瘤已经广泛转移至全身各处（肺部、骨骼与肝脏）。2004年10月17日清晨，他在麻醉剂的作用下于波士顿某家医院的病床上陷入深度昏迷，最后在妻子与孩子们的陪伴下死于肺癌转移，享年76岁。此时，那一小块石棉碎片还停留在其肺部边缘。

实际上，我只是以一个假设的癌症演化故事作为开始。虽然其中的基因、致癌物以及突变顺序均源自虚构，但这个故事里的主人公是真实存在的病例。我在麻省总医院接受专科培训期间，他是第一位在我照护期间逝去的患者。

我曾经说过，医学始于叙事。患者通过故事来陈述疾病，医生通过故事来了解疾病，科学通过自己的故事来诠释疾病。而这个癌症起源（致癌物导致内部基因突变，启动细胞内的级联通路，然后历经突变、选择与生存）的故事为我们理解癌症发生提供了最有说服力的证据。

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1999年秋季，罗伯特·温伯格在夏威夷参加了一个癌症生物学会议。[6]某天傍晚，他与另一位癌症生物学家道格拉斯·哈纳汉（Douglas Hanahan）徒步穿过那些由熔岩层组成的低矮黑色山峦，直到他们发现自己走到某个火山口才停了下来，随后开始驻足凝视。他们的谈话中多少带有一点沮丧。很长时间以来，癌症就像是某种乌七八糟的大杂烩一样为人们所议论。由于没有任何权威组织能够概括肿瘤复杂的生物学特征，因此人们在此类疾病中似乎找不到什么规律。

然而温伯格与哈纳汉十分清楚，过去20年的发现已经揭示出癌症发生的重要规律与原理。现在身陷癌症迷局的生物学家意识到，隐藏在这些惊人异质性背后的其实就是行为、基因与通路。2000年1月，在那场徒步旅行结束几个月后，温伯格与哈纳汉在一篇标题为《癌症标志》的文章中总结了这些规律。[7]这是一部继往开来的里程碑式作品，它标志着近一个世纪的探索出现了转折，重新回到了波弗利“癌症共同病因”的原始概念：

“我们讨论了……控制正常人类细胞转化为恶性肿瘤的规律。我们认为过去数十年的研究已经揭示出少数分子、生化与细胞属性，而此类后天获得的能力为大多数或全部类型的人类癌症所共有。”[8]

那么温伯格与哈纳汉到底总结出多少“规律”来诠释100多种不同类型与亚型肿瘤的核心行为呢？虽然这个问题的广度堪称前所未有，但是其答案极其简洁：只有6条。“我们认为庞大的癌细胞基因型目录均源自6种可以共同决定恶性生长的基本细胞生理学改变。”

1.生长信号自给自足：癌基因（例如ras或myc）活化使癌细胞获得了自主增殖（病理性有丝分裂）的能力。

2.对于生长抑制（抗生长作用）信号反应迟钝：癌细胞可以使在正常情况下抑制生长的抑癌基因（例如Rb）失活。

3.逃避细胞程序性死亡（细胞凋亡）：癌细胞能够抑制并灭活正常情况下引起细胞死亡的基因与通路。

4.无限复制的潜力：癌细胞可以激活某些特定基因通路使其世代相生，直到永远。

5.持续性血管新生：癌细胞通过肿瘤血管新生获得了从自身血液与血管中攫取营养的能力。

6.组织浸润与转移：癌细胞具有转移到其他器官、入侵其他组织以及蚕食这些器官的能力，这些能力使它们可以蔓延到身体各处。

值得注意的是，温伯格与哈纳汉在文中写道，这6条规律并非针对癌症行为的抽象描述。Rb、myc、ras等许多导致这6类行为的基因与通路已经得到确认。现在的任务就是要把对癌症生物学深层次因果关系的理解与治愈癌症有机结合起来。

“某些人可能会认为，对于此类疾病病因与治疗的探索在未来25年里依然会遵循既往的方式，这种做法只能让已经数不胜数的科学文献变得更加纷繁复杂。但是我们对此另有期待：那些研究癌症问题的专家将会创建一门截然不同的学科，它将超越我们在过去25年间积淀的全部知识。”

癌症科学理论的日趋成熟将会创造出一种崭新的癌症医学，温伯格与哈纳汉断定：“只要对发病机制有了全面透彻的理解，那么癌症预后和治疗就会成为一门与当前从业者观念相悖的理性科学。”[9]在黑夜中徘徊了数十年之后，科学家终于对癌症有了一种清晰的认识。而医学的任务就是继续在这条道路上探索征服癌症的新疗法。

[1] I do not wish to achieve immortality: Eric Lax, Woody Allen and His Comedy (London: Elm Tree Books, 1976).

[2] 1988年，人们仅鉴别出一种基因（ras）的确切身份。尽管其他三种基因均被认为是抑癌基因，但是它们的身份直到后来才得到验证。——作者注

[3] “The four molecular alterations accumulated”: B. Vogelstein et al., “Genetic Alterations During Colorectal-Tumor Development,” New England Journal of Medicine 319, no. 9 (1988): 525–32.

[4] A tumor could thus “acquire” its own blood supply: Judah Folkman, “Angiogenesis,” Annual Review of Medicine 57 (2006): 1–18.

[5] Folkman’s Harvard colleague Stan Korsmeyer: W. B. Graninger et al., “Expression of Bcl-2 and Bcl-2-Ig Fusion Transcripts in Normal and Neoplastic Cells,” Journal of Clinical Investigation 80, no. 5 (1987): 1512–15. Also see Stanley J. Korsemeyer, “Regulators of Cell Death,” 11, no. 3 (1995): 101–5.

[6] In the fall of 1999, Robert Weinberg attended: Robert Weinberg, interview with author, January 2009.

[7] In January 2000, a few months after their walk: Douglas Hanahan and Robert A. Weinberg, “The Hallmarks of Cancer,” Cell 100, no. 1 (2000): 57–70.

[8] “We discuss … rules that govern”: Ibid.

[9] “With holistic clarity of mechanism”: Ibid. Also see Bruce Chabner, “Biological Basis for Cancer Treatment,” Annals of Internal Medicine 118, no. 8 (1993): 633–37.