科学家vs癌症 一场在细胞层面的决斗

生物学研究是2018年诺贝尔奖的大赢家。无论是医学生物奖还是化学奖都跟生物学研究有紧密的关系。科学家对疾病，特别是癌症，阿尔茨海默病，帕金森症等绝症发起了总攻，并取得了一定的成果。其进步之大已经有点超过我们普通人的想象。

大家好，今天伟岗跟大家聊聊2018年诺贝尔奖相关的生物科技，并从中引发对数学在生物方面更深入应用的遐想。由于伟岗水平有限，错误是难免的，也请大家批评指正。

文章开始前还是要谢谢各位朋友同学的鼓励打赏！！你的鼓励就是伟岗前进的源泉。

2018年生物或医学诺贝尔奖直接授予了两位奋战在抗癌第一线的科学家：美国休斯敦得克萨斯大学MD安德森癌症中心的詹姆斯·艾利森（JamesP. Allision）和日本京都大学的本庶佑（Tasuku Honjo）。这两位科学家将名垂青史。而他们的研究工作都跟癌症的免疫疗法有密切的关系。

从资料上看，目前癌症的治疗方法主要有：切除法，化疗放疗，靶向治疗，免疫疗法等几大类。而其中免疫疗法是最先进的治疗方法，2013年被美国《科学》杂志命名为年度突破科技。

免疫疗法简单地讲，就是利用人本身的免疫系统杀死癌细胞，从而治愈癌症。要深入地理解这个过程，必须从细胞讲起。

首先，人体的免疫系统也是由细胞组成，即所谓的T细胞，B细胞等。它们是人身体的第一个屏障。许多病毒，异体等要侵入人体就必须过免疫系统这一关。没有免疫系统，人基本上很难生存。叫人谈虎色变的艾滋病就是HIV病毒破坏了人体的免疫系统，使得本来会被免疫系统消灭的疾病很容易就在人体中扩散，这常常是致命的。

而要免疫系统的细胞去杀死癌细胞就没有那么容易了。主要是癌细胞跟正常细胞人体很难区别。癌细胞最厉害之处就是它的隐秘性，科学家可以说是想尽了办法试图把癌细胞跟正常细胞区别出来，并分别对待，目前看只能说看到了胜利的曙光，离真正的区别对待还有很大的距离。

这场在细胞层面的战斗，对科学家来讲，是巨大的挑战。很多次科学家都认为自己取得了决定性地胜利。可惜随着时间的推移，癌细胞又变了，又有了新套路。所谓耐药性，变异性等又使科学家必须想出别的好办法，否则以前有效的方法都失效了。

科学史上很少有科学家对付癌症遇到那么多困境的例子。虽然，目前看，科学家取得了很多阶段性成果，大大提高了癌症病人的存活期，甚至欧美发达国家有超过50%的癌症病人可以说是被治愈了。但是癌症还是造成了人类的大量死亡。特别是我们中国，癌症还有年轻化趋势。很多中国家庭都有被癌症打击的惨痛例子。所以科学家还任重道远，怎样真正面对癌症是科学家需要深入思考的问题。

许多科学家，包括上面两个今年的诺贝尔奖得主开始从最基础开始，部署对付癌症的战役，那就是基因和蛋白质。

基因我们以后有机会再详细聊，这里聊聊蛋白质，因为这次诺贝尔生物医学奖都跟蛋白质有关。简单地说，这次两个科学家都是从蛋白质入手，让免疫细胞能识别出癌细胞，从而攻击消灭癌细胞。

任何细胞里都有蛋白质，我们用显微镜看细胞，看到的都是蛋白质。可以说细胞的固态部分主要是蛋白质。细胞的大多数活动也是由蛋白质控制。比如说化学反应，都是在被称为酶的蛋白质催化下发生的。

蛋白质可以说是生物以及化学科学家研究最深，而又是拥有最多不解之谜的对象。关键是任何研究小小的进步，都对科学发展起到很大的作用。2018年诺贝尔化学奖也是授予了蛋白质方面研究的科学家，可见蛋白质研究的重要性。

科学家研究蛋白质已经有好几百年的历史。突破是非常巨大的。科学家不但知道了蛋白质的组成，还了解了很多蛋白质的结构以及结构跟蛋白质在细胞里作用的关系。同时又有很多奇怪的现象困扰科学家，如果能解释这些奇怪的现象，人类的思维深度都有可能上升一个台阶。

随便举个例子，蛋白质是一组化合物（叫氨基酸）组成的一个链条，这个链条在空间中折叠成一定的几何形状。按照科学家的研究结果，这样的折叠应该由那一组组成蛋白质的氨基酸决定。但是这样的折叠有时候会出现异常，而这样的折叠异常会对生物体产生巨大的影响。被称为朊病毒的疯牛病产生的机理就是蛋白质折叠异常。蛋白质为什么会产生折叠异常，科学家至今也没有理论解释清楚。

组成蛋白质的氨基酸只有20种，然而蛋白质的空间结构却千变万化。理论上讲，蛋白质氨基酸的种类和个数决定蛋白质的折叠，从而决定蛋白质的空间结构。然而要从蛋白质的氨基酸组成去预测蛋白质的空间结构却非常的困难。

科学家把蛋白质的空间结构分成了4级。第一级就是蛋白质由什么氨基酸组成，也就是蛋白质的初始链条。第二级就是蛋白质在空间折叠的形状。第三级是多个蛋白质链条组成蛋白质分子的空间结构，第四级是多个蛋白质分子相互作用组成的空间形状。

由于计算机的发展，加上数学家的努力，很多蛋白质都有计算机模拟画出的空间结构图。但是这些结构图绝大多数都是通过X射线晶体学以及核磁共振测出来的，几乎没有通过蛋白质一级结构预测出来的。X射线晶体学和核磁共振技术非常的复杂，而且有很多先决条件，所以应用受到限制。

我们之所以对蛋白质的空间结构解释这么多，是因为目前科学家很多蛋白质研究成果，特别是制药方面的成果都是从蛋白质的空间结构出发的。这是什么回事呢？这里有所谓科学家发明药物的钥匙和锁理论。

现代药物科学家可比我们中国古代中医专家先进多了。中国古代中医（现在进步也不大）药物的治疗效果主要靠试，所谓神农尝百草。这样试的结果，一来风险大，二来疗效也很难保证。

而现代药物发明专家已经从分子层面探讨药物疗效的可能性。这个对外行人来说简直是天方夜谭，然而蛋白质空间结构研究使科学家从分子层面研发药物有了可能。事实上很多靶向治疗的药物，都是从蛋白质空间结构出发研制出来的，所以说这个研究路径可以说已经形成了完整的科学体系。

简单地讲，科学家发现如果能找到一种化合物（也就是要发明出来的药物），这种化合物的空间结构正好能绑定（英文叫bind,这个词也许翻译成绑定不是特别准确，懂英文的可以去体会）蛋白质某个空间结构的空隙，就像钥匙插进锁孔一样。这时这种化合物就可以阻止蛋白质的活性，从细胞层面讲，蛋白质失去了活性，细胞慢慢就会死亡了。就是这次诺贝尔奖得主的免疫疗法，也是这种原理使得某类蛋白质失去活性，从而让免疫细胞杀死癌细胞。找到了这种化合物，发明药物就基本有了模板。

现在问题来了，蛋白质空间的空间间隙是什么样的？什么样的化合物能正好绑定（bind）上去呢？这个问题是药物发明最难的地方，还真没有通用的解决方案。科学家主要的方法还是靠最原始的手段：各种尝试。不过这样的尝试可跟中国古代中医不同，它是有目的，有方向的。虽然找到一种化合物也非常难，但是一旦找到，肯定是有疗效的。可以说这种方法是目前科学家对付癌症的主要方法。靶向治疗和免疫疗法都来源于此。

按照伟岗的理解，现代制药最大的难点就在于如何找到蛋白质的间隙，科学家叫靶点。然后还要找到能绑定到这个间隙的化合物。当然除了绑定，还有诸如化合物的毒性，如何把化合物输送到蛋白质等问题，但这些科学家都有一定的规范，所以实现起来相对而言不是很难。

找靶点和绑定靶点的化合物似乎是个数学问题，因为科学家在研究绑定时，主要是借助蛋白质的空间结构，也就是几何图形。只可惜没有数学天才涌现出来，从数学上根本解决这个问题，这使得制药还停留在实验阶段。

当然，生物学家以及化学家里面有很多数学高手，他们开发出了很多算法，用计算的方式得到很多结果。生物信息学有很大部分就是研究蛋白质靶点和绑定问题。不过没有一个终极的解决方案，开发药物还是要陷入大量实验的困境，术语叫药物筛选。

生物学目前的景象似乎有点像牛顿之前的物理科学。科学家已经有了大量的原始数据。同时也有了大量在细胞分子层面物质变化的规律和实验结果。生物学家甚至可以预测很多细胞层面的变化结果，这跟牛顿之前的天文学有点类似。在牛顿之前，科学家也能计算出一些行星的运行轨道，但是没有牛顿的万有引力定律和微积分这个工具，行星运动的计算还是缺乏强有力的说服力。

生物学科会不会出现一个类似牛顿的数学伟人，一举解决蛋白质从折叠到如何使它失去活性的巨大难题？这一点，目前还看不到希望，毕竟生物科学比天文学要复杂困难得多。而且用肉眼，甚至借助仪器都很难观测到细胞蛋白质的变化，这更加加深了研究的难度。科学家必须发挥超强的想象力，才能描绘出细胞蛋白质的变化场景。

另外一个沉重的话题是为什么我们中国人在蛋白质研究进程中可以说是毫无建树？至少大的突破没有任何中国人的身影。2018年诺贝尔医学生物奖网上传跟一个中国人有关，也就是陈列平。姑且不说陈列平实际上在美国工作，最多算个华裔。就是比较两位诺贝尔奖得主跟陈列平，细心的人也会发现差别。

詹姆斯·艾利森和本庶佑可以说从理论到实际把治疗癌症的药物制造出来都有贡献，而陈列平只是发现了可能抑制蛋白质活性的化学结构。我们前面就讲过，制药最难的还是药物筛选，诺贝尔委员会不把奖发给陈列平肯定是有原因的，这应该跟跟网上传闻的陈宣传不够没有任何关系。

另一个网上流行的说法是，这次诺贝尔奖得主都是几十年就布局了，我们中国是近二三十年才有大的投入，所以我们还是可以聊以自慰的。伟岗很想反问这些人一句，难道中国四五十年后会大面积得到诺贝尔奖？这些人最有说服力的理据就是，这二三十年，国内博士的待遇慢慢都上去，我们既然已经优待了博士，科学突破不是指日可待？

在目前的语境下，伟岗也不好多说。只想提的一点是，即使上海交通大学，算是国内超一流大学，毕业的博士就很多抵触西方文明。这一点是伟岗在各个交大群看发言得到的结果。对不对大家可以评判。

抵触西方文明被披上很多华丽的外衣，甚至有交大毕业生提出，西方人应该按照中国的一套理论去做，理由是，你西方人能做到，我们中国人为什么不能做到？

伟岗以为（当然不一定正确），你如果心里抵触西方文明，你基本就跟科学突破无缘了。因为西方文明的基础是科学程序，如果你对科学程序都从心里反感，那你就只能在中国古代中医等泥坑中寻找你的科学灵感，而这经过几千年的验证是没有人成功的。

好了，今天的篇幅真的够长了，暂时就聊到这，以后有机会伟岗再跟大家共同探讨神秘的生物科学。

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