1989年，当科学家们发现导致囊性纤维化的缺陷基因时，人们似乎看到了长期期盼的治愈希望。囊性纤维化是一种严重的遗传性疾病，主要影响欧洲血统的儿童。毕竟，许多实验室的测试表明，提供该基因的正常副本应该能够使患者制造该基因指定的蛋白质的健康副本。如果成功，这项壮举将在很大程度上恢复全球数万名囊性纤维化患者的健康，他们通常在20多岁时去世。（现在一半的患者活到30多岁或更长。）问题是研究人员是否能够可靠地将正确的基因插入患者体内适当的组织中，从而永远消除这种疾病。
事实证明，这项任务比任何人想象的都要困难。尽管科学家们成功地改造了病毒，将正确基因的副本运送到患者的细胞中，但病毒的工作效果不佳。到 1990 年代后期，其他意外的并发症越来越明显地表明，需要找到另一种方法来解决囊性纤维化的根本问题。
与此同时，细胞生物学家及其同事承担了漫长而具有挑战性的任务，即确定正常蛋白质的确切外观、其功能以及缺陷如何导致囊性纤维化的症状。这些努力包括越来越精细地了解蛋白质的三维形状，以及异常蛋白质在细胞职责中失败的各种方式。与通过用有效的基因替换缺陷基因来产生正常蛋白质（这是基因疗法的目标）不同，这组研究人员专注于不同的目标：寻找一种药物，使缺陷蛋白质能够更好地工作。一项富有成果的搜索可能会为囊性纤维化患者带来更多年的健康生活。
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今天看来，渐进而稳健的方法正在取得回报。几种新化合物正处于用于治疗囊性纤维化的最后阶段测试中——其中一种化合物对于某些患者来说尤其有希望。如果成功，它将是第一种针对疾病根本原因而非处理症状的药物。但这还不是全部。初步研究表明，这些潜在的新疗法也可能对其他更常见的疾病有效，例如支气管炎、慢性鼻窦炎和胰腺炎等。
盐的问题
这些药物是如何被发现的故事始于对囊性纤维化基本生物学的执着探索。长期以来，人们都知道该疾病通常是由于某些身体组织无法将盐（氯化钠）跨细胞膜运输而引起的。这些组织中的细胞会排出盐的氯化物部分，以帮助维持其充满液体的内部和水状外部环境之间的适当平衡。随着氯离子在细胞外部积累，水分子也随之而来，扩散穿过膜到达外部。当细胞完成这些微小的氯离子通道的构建后，它会将它们插入膜中，在那里，每个蛋白质形成一个跨越细胞边界的通道。
1989年发现的导致囊性纤维化的基因编码其中一种蛋白质，称为囊性纤维化跨膜电导调节器，或CFTR。该分子的正常版本由大约1,500个氨基酸的精确序列组成，这些氨基酸错综复杂且优雅地折叠成一系列三维环和片，这些环和片螺旋或骤降以形成多个不同的子部分。由氯离子通过通道的运动引起的水分子的流动有助于移动覆盖身体气道表面的粘液，以及肠道、胰腺和肝脏中发现的许多导管。CFTR通道还可以运输某些其他离子，例如碳酸氢根。
问题就出在这里。基因突变导致身体缺乏适当的CFTR通道。结果，囊性纤维化患者产生粘稠的粘液，这种粘液非常浓稠，会干扰许多生理过程。在肺部，凝胶状粘液阻碍了氧气向肺泡的扩散，并使简单的呼吸行为，正如我们的一位年轻患者所描述的那样，就像“有人用手捂住你的脸试图呼吸”。此外，粘稠的积聚成为有害细菌（通常是铜绿假单胞菌）严重感染的理想滋生地。在胰腺中，粘稠且不流动的分泌物阻止了消化酶通过各种导管进入肠道，干扰了正常的消化，因此，经常导致囊性纤维化患者体重不足或营养不良。与此同时，胆汁滞留在肝脏中，因此脂肪无法得到适当处理，肠道阻塞会导致便秘，有时甚至会导致整个胃肠道危及生命的关闭。
在抗生素出现以治疗复发性肺部感染以及发现更好的营养疗法之前，大多数囊性纤维化儿童在婴儿期就夭折了。在过去的几十年里，医疗和支持性护理的进步大大延长了该疾病患者的寿命。一些治疗方法对于外行人来说可能显得粗暴：父母或其他人在被教导如何振动或敲击孩子的胸部，以帮助移动肺部浓稠的分泌物并清除任何粘液栓塞。已经开发了几种药物，可以打开气道、抑制感染或帮助稀释气道分泌物。补充维生素和酶有助于消化过程。正是由于这些和其他措施，现在一半的囊性纤维化患者活到37岁或更老。然而，这些治疗方法都没有解决根本原因：氯离子和其他离子从细胞流出的不足。
三种途径
寻找可能至少恢复部分缺陷氯离子通道功能的药物的第一步是在微观层面上更好地理解究竟出了什么问题。遗传学家已经测试了来自世界各地囊性纤维化患者的DNA样本，到目前为止，已经发现了1,600多种不同的CFTR基因突变，这些突变会导致严重疾病。对由此产生的CFTR蛋白的有害影响可以分为几类。在研究最充分的三类中，通道从未被放置在细胞膜中，或者合成了截短的通道（并且制造它的指令迅速降解），或者制造了正常长度的通道，但无法打开或运输氯离子或其他离子。为修复其中一个问题而开发的一种药物可能对其他两个问题没有太大帮助。因此，为了帮助所有囊性纤维化患者，可能需要开发不同的药物——每种药物都基于导致个体病情的基因缺陷。
细胞表面完全缺失氯离子通道源于最常见的基因突变，这导致仅缺失通道1,500个氨基酸构建块中的一个。由于缺失的氨基酸是苯丙氨酸（在蛋白质术语中指定为“F”），并且是链中的第508个氨基酸，因此该突变被称为F508del。
F508del突变以起初令人惊讶的方式导致疾病。尽管发生了突变，但细胞仍然能够逐个氨基酸地构建氯离子通道。最终产品配备了在有限程度上运输氯离子的能力。但是细胞自身的分子质量控制装置阻止了它这样做。细胞有数百种辅助蛋白质和酶，它们将新生的CFTR分子运送到细胞周围，检查它们的折叠方式，并帮助将CFTR插入细胞膜中。即使是折叠中看似微小的缺陷——例如F508缺失——也可能被迅速识别，导致细胞迅速破坏突变体。结果，有些功能的氯离子通道甚至从未到达细胞膜。
由于F508del是囊性纤维化最常见的原因，因此世界各地的许多机构（包括我们自己的机构）都在试图找出F508del CFTR分子“不合格”并被送往回收站的确切细胞检查点。目标是帮助发现通过帮助蛋白质正确折叠并避免其破坏来缓解囊性纤维化的化合物，而不会干扰细胞识别和消除其他异常氨基酸链的能力。
弄清楚如何调整细胞的质量控制系统可能会带来超越治疗囊性纤维化的益处。许多慢性疾病——例如胆固醇代谢缺陷和一些肺部疾病（其中包括α-1-抗胰蛋白酶缺乏症）——是由于蛋白质错误折叠而发生的。至少在某些疾病中，越来越多的证据表明，真正的罪魁祸首不是蛋白质本身的改变功能，而是质量控制机制降解异常分子或将其沉积在缠结的团块中的倾向。如果稍微错误折叠的突变蛋白被保留并允许执行其预期的工作，则它们中的许多可能会保留显着的功能。因此，针对质量控制机制的疗法可能会为广泛疾病的生物学和治疗提供有价值的见解。
导致异常缩短的CFTR通道的突变约占全球囊性纤维化病例的10%。一种这样的遗传缺陷，被称为W1282X，是以色列人囊性纤维化病例的大约40%的根本原因。蛋白质最终被截断，因为该基因包含误导性指令，告诉蛋白质合成机器在链中位置1282处停止将氨基酸连接到正在生长的蛋白质分子上，而氨基酸色氨酸（用“W”表示）通常会驻留在那里。这种遗传指令称为无义密码子，对于蛋白质的正确制造至关重要——前提是它们出现在正确的位置。然而，在这种情况下，蛋白质制造过程过早停止。此外，指导生产过程的中间指令（称为信使RNA）也被识别为异常并被破坏，因此即使停止信号可以以某种方式跳过，也不会制造出足够多的功能蛋白质。因此，W1282X的药物治疗可能需要解决两个问题，而不仅仅是一个。
我们在此考虑的最后一组突变禁用了通道的打开能力，约占全球囊性纤维化病例的5%。实际上，这些突变导致穿过膜的门道卡在关闭配置中，这使得通道不太能够将氯离子运输到细胞外环境。以这种方式起作用的突变之一（称为G551D）会导致特别严重的症状。尽管通常来说，每组遗传缺陷可能需要其自身专门针对性的治疗，但研究人员已经表明，旨在撑开突变CFTR门的化合物可能有助于没有这种突变的患者。例如，以一种药物为例，该药物使少量的F508del CFTR到达其在细胞膜中的正确位置。第二种药物，它可以支撑通道门打开，将允许这种有点迟缓的通道版本将更多的氯化物排出细胞。
有希望的候选药物
药物开发的漫长过程中的下一步是寻找能够减轻CFTR基因特定突变影响的化合物。从F508del开始是有道理的，因为其在囊性纤维化患者中的高患病率，并且由此产生的蛋白质保留了一些残留功能；如果研究人员可以帮助F508del CFTR逃避免过早降解，那么可以说该蛋白质可以提供部分活性并改善肺功能，而无需进一步推动。
关于F508del CFTR蛋白错误折叠的方式以及细胞的质量控制机制如何检测到折叠缺陷的知识远非完整。然而，合理地直接确定特定化合物是否可以减轻人体细胞中折叠错误的影响。通过将荧光分子加载到细胞中，研究人员可以测量跨细胞膜移动的氯离子或其他离子浓度的微小变化。当离子在暴露于潜在治疗药物后穿过膜时，研究人员可以推断受损的CFTR通道已恢复某些功能。如果离子无法穿过，则继续寻找更活跃的化合物。通过自动化和计算机化药物筛选过程，可以在相对较短的时间内分析数百万种化合物。
生物技术公司Vertex Pharmaceuticals 鉴定出一种称为VX-809的化合物，该化合物具有令人鼓舞的初步结果，但并未显着改善受试者的肺功能。另一家公司PTC Therapeutics正在对一种名为ataluren的药物进行临床试验，该药物针对不太常见的CFTR截断突变。这种药物使蛋白质制造机器能够读取一些错位的“停止”指令，从而使氯离子通道蛋白避免被缩短。该药物还在针对其他涉及异常停止密码子的遗传性疾病进行测试，例如Hurler综合征和杜氏肌营养不良症。
科学家在对抗G551D突变方面取得了最佳结果。在针对携带不易打开的氯离子通道的细胞测试了228,000种不同的潜在化合物后，Vertex的一组研究人员发现了一种化合物，该化合物选择性地激活CFTR通道的能量开关，将功能提高到正常水平的50%。实验室结果良好，该化合物被命名为VX-770，现已进行了广泛的测试。在这些试验中，患有G551D突变的患者在几周内呼吸能力显着提高，并且在一年的研究期间保持了这种益处。同样重要的是，接受治疗的个体住院次数减少，平均体重增加了七到八磅。我们中的一位（Rowe）是美国第一位在患者身上使用VX-770的临床医生。今年晚些时候，Vertex计划向食品和药物管理局请愿，以获得将该药物推向市场的权利。进一步测试将VX-770与其他药物联合使用也在临床试验中显示出一定的希望。（阿拉巴马大学伯明翰分校是PTC Therapeutics和Vertex开发的药物的临床试验地点之一；Rowe和Clancy曾就研究设计向两家公司提供建议。）
这些临床结果具有开创性意义，几种针对囊性纤维化根本原因的候选药物的发现，证实了数十年来对其基本生物学的研究以及美国国立卫生研究院和囊性纤维化基金会对这项工作的资助。尽管正在进行更多的临床试验，以确定现有化合物是否对更大范围的患者长期安全有效，但人们越来越乐观地认为，有一天我们将最终能够治疗这种疑难疾病的根本原因。