1989年，當科學家們發現導致囊性纖維化的缺陷基因時，人們似乎看到了長期期盼的治癒希望。囊性纖維化是一種嚴重的遺傳性疾病，主要影響歐洲血統的兒童。畢竟，許多實驗室的測試表明，提供該基因的正常副本應該能夠使患者製造該基因指定的蛋白質的健康副本。如果成功，這項壯舉將在很大程度上恢復全球數萬名囊性纖維化患者的健康，他們通常在20多歲時去世。（現在一半的患者活到30多歲或更長。）問題是研究人員是否能夠可靠地將正確的基因插入患者體內適當的組織中，從而永遠消除這種疾病。
事實證明，這項任務比任何人想象的都要困難。儘管科學家們成功地改造了病毒，將正確基因的副本運送到患者的細胞中，但病毒的工作效果不佳。到 1990 年代後期，其他意外的併發症越來越明顯地表明，需要找到另一種方法來解決囊性纖維化的根本問題。
與此同時，細胞生物學家及其同事承擔了漫長而具有挑戰性的任務，即確定正常蛋白質的確切外觀、其功能以及缺陷如何導致囊性纖維化的症狀。這些努力包括越來越精細地瞭解蛋白質的三維形狀，以及異常蛋白質在細胞職責中失敗的各種方式。與透過用有效的基因替換缺陷基因來產生正常蛋白質（這是基因療法的目標）不同，這組研究人員專注於不同的目標：尋找一種藥物，使缺陷蛋白質能夠更好地工作。一項富有成果的搜尋可能會為囊性纖維化患者帶來更多年的健康生活。
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今天看來，漸進而穩健的方法正在取得回報。幾種新化合物正處於用於治療囊性纖維化的最後階段測試中——其中一種化合物對於某些患者來說尤其有希望。如果成功，它將是第一種針對疾病根本原因而非處理症狀的藥物。但這還不是全部。初步研究表明，這些潛在的新療法也可能對其他更常見的疾病有效，例如支氣管炎、慢性鼻竇炎和胰腺炎等。
鹽的問題
這些藥物是如何被發現的故事始於對囊性纖維化基本生物學的執著探索。長期以來，人們都知道該疾病通常是由於某些身體組織無法將鹽（氯化鈉）跨細胞膜運輸而引起的。這些組織中的細胞會排出鹽的氯化物部分，以幫助維持其充滿液體的內部和水狀外部環境之間的適當平衡。隨著氯離子在細胞外部積累，水分子也隨之而來，擴散穿過膜到達外部。當細胞完成這些微小的氯離子通道的構建後，它會將它們插入膜中，在那裡，每個蛋白質形成一個跨越細胞邊界的通道。
1989年發現的導致囊性纖維化的基因編碼其中一種蛋白質，稱為囊性纖維化跨膜電導調節器，或CFTR。該分子的正常版本由大約1,500個氨基酸的精確序列組成，這些氨基酸錯綜複雜且優雅地摺疊成一系列三維環和片，這些環和片螺旋或驟降以形成多個不同的子部分。由氯離子透過通道的運動引起的水分子的流動有助於移動覆蓋身體氣道表面的粘液，以及腸道、胰腺和肝臟中發現的許多導管。CFTR通道還可以運輸某些其他離子，例如碳酸氫根。
問題就出在這裡。基因突變導致身體缺乏適當的CFTR通道。結果，囊性纖維化患者產生粘稠的粘液，這種粘液非常濃稠，會干擾許多生理過程。在肺部，凝膠狀粘液阻礙了氧氣向肺泡的擴散，並使簡單的呼吸行為，正如我們的一位年輕患者所描述的那樣，就像“有人用手捂住你的臉試圖呼吸”。此外，粘稠的積聚成為有害細菌（通常是銅綠假單胞菌）嚴重感染的理想滋生地。在胰腺中，粘稠且不流動的分泌物阻止了消化酶透過各種導管進入腸道，干擾了正常的消化，因此，經常導致囊性纖維化患者體重不足或營養不良。與此同時，膽汁滯留在肝臟中，因此脂肪無法得到適當處理，腸道阻塞會導致便秘，有時甚至會導致整個胃腸道危及生命的關閉。
在抗生素出現以治療複發性肺部感染以及發現更好的營養療法之前，大多數囊性纖維化兒童在嬰兒期就夭折了。在過去的幾十年裡，醫療和支援性護理的進步大大延長了該疾病患者的壽命。一些治療方法對於外行人來說可能顯得粗暴：父母或其他人在被教導如何振動或敲擊孩子的胸部，以幫助移動肺部濃稠的分泌物並清除任何粘液栓塞。已經開發了幾種藥物，可以開啟氣道、抑制感染或幫助稀釋氣道分泌物。補充維生素和酶有助於消化過程。正是由於這些和其他措施，現在一半的囊性纖維化患者活到37歲或更老。然而，這些治療方法都沒有解決根本原因：氯離子和其他離子從細胞流出的不足。
三種途徑
尋找可能至少恢復部分缺陷氯離子通道功能的藥物的第一步是在微觀層面上更好地理解究竟出了什麼問題。遺傳學家已經測試了來自世界各地囊性纖維化患者的DNA樣本，到目前為止，已經發現了1,600多種不同的CFTR基因突變，這些突變會導致嚴重疾病。對由此產生的CFTR蛋白的有害影響可以分為幾類。在研究最充分的三類中，通道從未被放置在細胞膜中，或者合成了截短的通道（並且製造它的指令迅速降解），或者製造了正常長度的通道，但無法開啟或運輸氯離子或其他離子。為修復其中一個問題而開發的一種藥物可能對其他兩個問題沒有太大幫助。因此，為了幫助所有囊性纖維化患者，可能需要開發不同的藥物——每種藥物都基於導致個體病情的基因缺陷。
細胞表面完全缺失氯離子通道源於最常見的基因突變，這導致僅缺失通道1,500個氨基酸構建塊中的一個。由於缺失的氨基酸是苯丙氨酸（在蛋白質術語中指定為“F”），並且是鏈中的第508個氨基酸，因此該突變被稱為F508del。
F508del突變以起初令人驚訝的方式導致疾病。儘管發生了突變，但細胞仍然能夠逐個氨基酸地構建氯離子通道。最終產品配備了在有限程度上運輸氯離子的能力。但是細胞自身的分子質量控制裝置阻止了它這樣做。細胞有數百種輔助蛋白質和酶，它們將新生的CFTR分子運送到細胞周圍，檢查它們的摺疊方式，並幫助將CFTR插入細胞膜中。即使是摺疊中看似微小的缺陷——例如F508缺失——也可能被迅速識別，導致細胞迅速破壞突變體。結果，有些功能的氯離子通道甚至從未到達細胞膜。
由於F508del是囊性纖維化最常見的原因，因此世界各地的許多機構（包括我們自己的機構）都在試圖找出F508del CFTR分子“不合格”並被送往回收站的確切細胞檢查點。目標是幫助發現透過幫助蛋白質正確摺疊並避免其破壞來緩解囊性纖維化的化合物，而不會干擾細胞識別和消除其他異常氨基酸鏈的能力。
弄清楚如何調整細胞的質量控制系統可能會帶來超越治療囊性纖維化的益處。許多慢性疾病——例如膽固醇代謝缺陷和一些肺部疾病（其中包括α-1-抗胰蛋白酶缺乏症）——是由於蛋白質錯誤摺疊而發生的。至少在某些疾病中，越來越多的證據表明，真正的罪魁禍首不是蛋白質本身的改變功能，而是質量控制機制降解異常分子或將其沉積在纏結的團塊中的傾向。如果稍微錯誤摺疊的突變蛋白被保留並允許執行其預期的工作，則它們中的許多可能會保留顯著的功能。因此，針對質量控制機制的療法可能會為廣泛疾病的生物學和治療提供有價值的見解。
導致異常縮短的CFTR通道的突變約佔全球囊性纖維化病例的10%。一種這樣的遺傳缺陷，被稱為W1282X，是以色列人囊性纖維化病例的大約40%的根本原因。蛋白質最終被截斷，因為該基因包含誤導性指令，告訴蛋白質合成機器在鏈中位置1282處停止將氨基酸連線到正在生長的蛋白質分子上，而氨基酸色氨酸（用“W”表示）通常會駐留在那裡。這種遺傳指令稱為無義密碼子，對於蛋白質的正確製造至關重要——前提是它們出現在正確的位置。然而，在這種情況下，蛋白質製造過程過早停止。此外，指導生產過程的中間指令（稱為信使RNA）也被識別為異常並被破壞，因此即使停止訊號可以以某種方式跳過，也不會製造出足夠多的功能蛋白質。因此，W1282X的藥物治療可能需要解決兩個問題，而不僅僅是一個。
我們在此考慮的最後一組突變停用了通道的開啟能力，約佔全球囊性纖維化病例的5%。實際上，這些突變導致穿過膜的門道卡在關閉配置中，這使得通道不太能夠將氯離子運輸到細胞外環境。以這種方式起作用的突變之一（稱為G551D）會導致特別嚴重的症狀。儘管通常來說，每組遺傳缺陷可能需要其自身專門針對性的治療，但研究人員已經表明，旨在撐開突變CFTR門的化合物可能有助於沒有這種突變的患者。例如，以一種藥物為例，該藥物使少量的F508del CFTR到達其在細胞膜中的正確位置。第二種藥物，它可以支撐通道門開啟，將允許這種有點遲緩的通道版本將更多的氯化物排出細胞。
有希望的候選藥物
藥物開發的漫長過程中的下一步是尋找能夠減輕CFTR基因特定突變影響的化合物。從F508del開始是有道理的，因為其在囊性纖維化患者中的高患病率，並且由此產生的蛋白質保留了一些殘留功能；如果研究人員可以幫助F508del CFTR逃避免過早降解，那麼可以說該蛋白質可以提供部分活性並改善肺功能，而無需進一步推動。
關於F508del CFTR蛋白錯誤摺疊的方式以及細胞的質量控制機制如何檢測到摺疊缺陷的知識遠非完整。然而，合理地直接確定特定化合物是否可以減輕人體細胞中摺疊錯誤的影響。透過將熒光分子載入到細胞中，研究人員可以測量跨細胞膜移動的氯離子或其他離子濃度的微小變化。當離子在暴露於潛在治療藥物後穿過膜時，研究人員可以推斷受損的CFTR通道已恢復某些功能。如果離子無法穿過，則繼續尋找更活躍的化合物。透過自動化和計算機化藥物篩選過程，可以在相對較短的時間內分析數百萬種化合物。
生物技術公司Vertex Pharmaceuticals 鑑定出一種稱為VX-809的化合物，該化合物具有令人鼓舞的初步結果，但並未顯著改善受試者的肺功能。另一家公司PTC Therapeutics正在對一種名為ataluren的藥物進行臨床試驗，該藥物針對不太常見的CFTR截斷突變。這種藥物使蛋白質製造機器能夠讀取一些錯位的“停止”指令，從而使氯離子通道蛋白避免被縮短。該藥物還在針對其他涉及異常停止密碼子的遺傳性疾病進行測試，例如Hurler綜合徵和杜氏肌營養不良症。
科學家在對抗G551D突變方面取得了最佳結果。在針對攜帶不易開啟的氯離子通道的細胞測試了228,000種不同的潛在化合物後，Vertex的一組研究人員發現了一種化合物，該化合物選擇性地啟用CFTR通道的能量開關，將功能提高到正常水平的50%。實驗室結果良好，該化合物被命名為VX-770，現已進行了廣泛的測試。在這些試驗中，患有G551D突變的患者在幾周內呼吸能力顯著提高，並且在一年的研究期間保持了這種益處。同樣重要的是，接受治療的個體住院次數減少，平均體重增加了七到八磅。我們中的一位（Rowe）是美國第一位在患者身上使用VX-770的臨床醫生。今年晚些時候，Vertex計劃向食品和藥物管理局請願，以獲得將該藥物推向市場的權利。進一步測試將VX-770與其他藥物聯合使用也在臨床試驗中顯示出一定的希望。（阿拉巴馬大學伯明翰分校是PTC Therapeutics和Vertex開發的藥物的臨床試驗地點之一；Rowe和Clancy曾就研究設計向兩家公司提供建議。）
這些臨床結果具有開創性意義，幾種針對囊性纖維化根本原因的候選藥物的發現，證實了數十年來對其基本生物學的研究以及美國國立衛生研究院和囊性纖維化基金會對這項工作的資助。儘管正在進行更多的臨床試驗，以確定現有化合物是否對更大範圍的患者長期安全有效，但人們越來越樂觀地認為，有一天我們將最終能夠治療這種疑難疾病的根本原因。