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《传染病学史》札记:治疗技术创新与临床体系重构(1)

已有 640 次阅读 2021-3-5 20:56 |个人分类:医学史话|系统分类:科普集锦

第三节  治疗技术创新与临床体系重构 

一、雨后春笋的抗菌药物

(一)抗生素与抗菌药物

抗生素与抗菌药物是两个相互包含、相互交叉的概念。

什么是抗生素(an-tibiotics)?原意是指,由微生物(包括细菌、真菌、放线菌属)或高等动植物在生活过程中所产生的具有抗病原体或其他活性的一类次级代谢产物,能干扰其他生物细胞发育功能的化学物质。这个概念来自于法国的学家。1874年,罗伯茨(william Roberts)在英国《皇家学会会报》上首次发表了真菌的生长常常抑制细菌的生长这一现象,但没有引起人们的注意,直到20世纪70年代才被医史学者所发现。1876年,廷德尔(Tyndall)报道了青霉菌溶解细菌的现象,并指出在霉菌和细菌为生存而进行的竞争中,霉菌通常是胜利者。1877年巴斯德(Pasteur)和朱伯特(Joubert)首先进行了初步治疗尝试。他们发现,给动物接种无害细菌,结果抑制了炭疽病状的发生,并报道了微生物之间的颉颃现象。1885年,巴比斯(Babes)和科尼尔(Cornil)研究细菌彼此之间的相互作用,并采用了交叉划线技术。这一技术通常用来研究抗生素的作用和相互营养。加雷(Garre)在1887年利用这一技术发现铜绿假单胞杆菌会产生一种特殊的能扩散的物质,它能够抑制包括葡萄球菌在内的各种细菌的生长。对这种由铜绿假单胞杆菌产生的能扩散物质的兴趣,使19世纪80年代后期和90年代涌现了研究这种微生物的抗菌活性的大量论文。鉴于此,1889年法国化学家,第一次用抗生素这个词来命名这类物质。直到1942年,瓦克斯曼(Waksman,1888-1978,1952年诺贝尔奖获得者)首先给抗生素下了一个明确的定义:抗生素是微生物在代谢中产生的,具有抑制它种微生物生长和活动甚至杀灭它种微生物性能的化学物质。

显然,最初的抗生素仅仅局限于“抗菌素”的范畴内。但是,随着抗生素作用的进一步发现,发现其作用对象不仅仅是细菌,还包括病毒、寄生虫、肿瘤细胞等。而且,抗生素的来源也发生了变化。抗生素从微生物的代谢产物,演变成现在大都来源于人工合成或半合成,其内涵和外延都发生了深刻变化。目前,抗生素类药物广泛地应用于各种感染性疾病及肿瘤,自1940年代以来,现抗生素的种类已达几千种。

那么,什么是抗菌药物(antibacte-rials)?指凡对细菌和其他微生物具有抑制和杀灭作用的物质统称为抗菌药物。它包括化学合成药,如磺胺类、呋喃类、喹诺酮类药,也包括抗生素中的抗菌素,还包括具有抗菌作用的中草药。

(二)青霉素神话

青霉素被认为20世纪最伟大的发明之一,因为它是第一个由科学现象成功地转变成疗效非凡的抗生素。在第一次世界大战中,死于伤口感染的士兵数远远高于在战场上阵亡的人数。感染致死的主要原因有破伤风、菌血症、败血症、链球菌和产气荚膜梭菌引起的坏疽。在1931年前,人类对第一杀手细菌感染束手无策:肺结核、肺炎、瘟疫、霍乱、脑膜炎……我们人类每天的日常生活都是一场冒险。一旦得了由于擦伤或咬伤而引起的皮肤感染,平均9个人中有1个会失去生命;感染上肺炎后,10人中有3人会丧命;生孩子的过程对所有母亲来说都是一个鬼门关,仅感染引起的死亡率就高达二百分之一。

但时隔20年,到了第二次世界大战,这种状况就大为改观。这20年发生了什么?答案是抗菌药物的发现。先是德国拜耳公司的科学家多马克(Gerhard Domagk)为首的团队研发的磺胺药,接着是英国研发出的青霉素(penicillin,中文译为盘尼西林)。青霉素在历史上地位极其特殊,它同磺胺药相比,有更广谱的杀菌性和更小的副作用,是第一个严格意义上的抗生素。它的发现、开发和产业化与第二次世界大战的历史交织在一起,成为盟国除了原子弹之外的第二个秘密武器,也缔造了美国现代医药产业。

1. 传奇故事

亚历山大·弗莱明(Alexander Fleming1881-1955,图6-15)发现青霉素的半神话故事,可能每一个高中生都已经知道:192893号,度假归来的弗莱明刚进实验室,其前任助手普利斯来串门,寒暄中问弗莱明最近在做什么,于是弗莱明顺手拿起一个培养基,准备给他解释时,发现培养基边缘有一块因溶菌而显示出的惨白色。弗莱明准确地猜测,是那种真菌分泌了某种物质,杀死了葡萄球菌。那种真菌是青霉菌,弗莱明把那种神秘物质称为青霉素。对这个发现的进一步探索,于19306月发表,正是这篇论文使弗莱明获诺贝尔奖。

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6-15  亚历山大·弗莱明(Alexander Fleming1881-1955 和被青霉菌污染的培养皿。

但是弗莱明描述的过程有太多的巧合:实验室的那扇窗很少有人打开过;空气中恰含有青霉菌,并且准确落到了培养皿中;他不早不迟,恰好在青霉菌菌落长到一定大小,还没来得及覆盖整个培养皿时回到实验室。多少年后人们弄清了青霉素的机理时,再回头看,发现弗莱明的解释不大合理。青霉素的机理是阻止细菌在细胞分裂的过程中建造新的细胞壁,所以它对已经建立的菌群杀伤作用并不大,不会在已铺满了菌的培养基表面上生生地造出一个无菌环带。

但不管事情的来龙去脉如何,弗莱明拾起那个注定要载入史册的培养皿,掀开皿盖。他湛蓝的双眼凝视着地球上最古老的两类生物正在厮杀的战场,构思了科学史上不可磨灭的开创性工作:青霉素可以杀死几种细菌,包括葡萄球菌和链球菌,但对某些细菌如伤寒杆菌无效;青霉素对非细菌细胞无害。

但是,弗莱明始终没有在受感染的动物中进行过测试,其根本原因是无法得到纯的或高浓度的青霉素。正是这个原因,导致他没有进行进一步研究,在随后的8年里,他的论文也无人引用。

2. 药物制备

也许,青霉素的药物开发需要一个完整的团队,而这个团队出现在9年后离圣玛丽医院不到60英里的牛津大学。团队的领头人是霍华德·弗洛里(Howard Florey,1898-1968,图6-16)一位来自澳大利亚的医生。主要成员有恩斯特·钱恩(Ernst Chain,1906-1979),一位来自德国的化学家,以及诺曼·希特利(Norman Heatley,1911-2004),毕业于剑桥大学的生化博士。

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9-16  青霉素开发团队主要成员

从左至右为霍华德·弗洛里(Howard Florey),恩斯特·钱恩(Ernst Chain)和诺曼·希特利(Norman Heatley)。

1937年左右,牛津团队在研究溶菌酶时首次注意到弗莱明的1929年青霉素论文。但是,当时阻止青霉素重见天日的根本障碍是,还没人能够成功地生产即使很少量的相对纯一些、稳定一些的青霉素。对于这个问题,希特利起到了关键作用。他接手项目时,生产青霉素的现有方法是让青霉菌在厚度不超过1.5厘米的琼脂盘上充分生长。当霉菌的枝状菌丝体在琼脂表面上生长,变干后,在其表面上会形成黄色的“霉汁”,可用玻璃吸管收集。还有一些霉汁浸透到琼脂中,并使其变黄,也会被收集起来。

在不断观察、反复实验后,希特利在青霉素的生产和提纯过程中引进了几点创新:

1)改进培养青霉菌的培养基和控制条件,增大产量并缩短其生长周期。比如在193912月份,他尝试在培养基里加入了啤酒酵母,发现虽然产量只有少许提高,但生产霉汁的周期却从3周缩短到10天。到19403月时,希特利已经一次能为钱恩提供100多毫克的青霉汁。

2)他发明了定量测量抗菌活性的方法。测量活性是评估每批霉汁或青霉素的产率、纯度的前提条件。希特利发明了一个巧妙的方法:他在培养皿底部抠下几个小圆洞,然后用玻璃试管的圆底儿补上。培养皿上接种细菌,而不同量的霉汁加在散落在其间的玻璃凹底里。霉汁的活性可通过测量玻璃凹底周围的无菌环的半径来测量。

3)把青霉汁转变为青霉素粗品。希特利改进了青霉素的纯化方法,通过加酸加碱来改变青霉素溶液的酸碱度,再在水相溶液和乙醚溶液之间多次萃取。弗莱明的青霉素样品的纯度只有1ppm,希特利制备的第一批霉素的纯度增加至0.02%,虽然也不高,但提高了200倍。

4)用改进的纯化方法,他也解决了稳定性问题。溶解在碱液中的青霉素粗品在室温下放11天都没问题。

3. 实验研究

希特利的样品为钱恩的下游实验提供了基础。他们尝试着把青霉素粗品注射到小鼠体内。令他们惊喜的是,青霉素对小鼠没有毒性。1940525日, 弗洛里用化脓性链球菌感染了8个小鼠。中午12点,两只小鼠被服用了10毫克青霉素(粗品),另外两只服用5毫克。这4只小鼠又在415分,620分和10点追加服用了相应的剂量。526日凌晨328分,对照组的4只小鼠都已经死亡。而给药组的4只全都活着。青霉素第一次在小鼠中被证明对化脓性链球菌感染有效。

1940824日,弗洛里团队的关于青霉素的论文在著名医学期刊“柳叶刀”上发表。论文只有短短两页,描述了青霉素在小鼠实验中对葡萄球菌、链球菌和梭菌等病原体引起的感染,具有明确的疗效。

19411月,希特利的“作坊”已经生产出足够多的青霉素,于是开始了人体试验。服用青霉素的第一个志愿者是Elva Akers,一个癌症晚期病人。在注射了100毫克青霉素后,Akers几乎立刻发高烧,并不时有癫痫发作。弗洛里和同事们的心都沉到了谷底。但钱恩和另一位化学家亚伯拉罕很快找到原因。引起Akers发烧的并不是青霉素,而是样品中混有的杂质。他们又用更严格的提纯方法——将样品反复过层析柱——制备了更纯的样品。第二次注射后,Akers没有任何不良反应,既不发烧也不颤抖。

用青霉素治疗的第一个病人是阿尔伯特·亚历山大(Albert Alexander)。他是存在严重的肺部感染。212日,200毫克的青霉素液(很久以后医生们才知道,这时样品的青霉素浓度不到5%)通过静脉注射进入到亚历山大的体内,之后每隔3小时再注射100毫克。仅过了一天,亚历山大已经有了惊人的改善。但实验室生产青霉素的速度远远比不上病人消耗的速度——病人一小时的剂量需要希特利的机器连续运转几天制备。

与亚历山大同期接受青霉素治疗的还有一个15岁的男孩儿另亚瑟·琼斯(Arthur Jones),他和亚历山大接受同样的疗程、同样的剂量。最后,所有的青霉素(包括从尿液里回收的)都用光了。琼斯活下来了,而亚历山大没有。

显然,要想进行更大的临床实验,要想用青霉素挽救更多的生命,仅靠他们的实验室是不行的。下一轮扩大的临床试验需要数千克的纯青霉素,于是他们把眼光转向了美国。

4. 产业化

194172日,在洛克菲勒基金会的资助下,弗洛里和希特利几经周折,到达美国东海岸,寻求解决青霉素工业化生产的问题。在随后的几年里,与之合作的北方实验室将完成将青霉素产业化最迫切的三项任务:(1)找到了产率最高的青霉菌菌株;(2)找到最佳培养基配方,缩短霉菌的生长周期;(3)改善发酵技术。

1941127日发生的日本袭击珍珠港事件,又增加了生产青霉素的迫切性。北方实验室开始推动了备战的国家机器,并建立政府-企业联盟共同解决青霉素问题。美国政府需要招募合格的、足够多的美国公司来提高青霉素产量。1943年,政府从申请的175家公司中选择了17个,其中有现在大家都熟知的名字:默克,施贵宝、辉瑞、礼来、雅培和瑞士制药公司罗氏在新泽西州的子公司。入选青霉素项目改变了他们的未来,并给他们带来了大量的实惠。仅在1943年,就批准了对青霉素进行研究的总计超过270万美元的54份合同,并同意为生产商每百万单位的青霉素支付200美元。此外,由战争生产委员会批准,制药公司耗资近2300万美元建了16家新的青霉素工厂。

青霉素联盟给制药行业带来了巨大的变化。1944年,20家左右的公司成为行业的领头者,他们的产品总计占所有药物市场的80%,而该市场已增长了十倍。1942年,在丘吉尔的督促下,英国制药公司也加入了青霉素扩大化生产。1943年,英国的青霉素产量和美国差不多,但到了1944年,英国的总产量只有美国的四十分之一。

5. 化学结构

弗洛里很早就意识到,只有破解青霉素的化学结构,才有可能弄清它的抗菌机理,才有可能进一步改进它的结构和疗效,才会充分发挥它在治疗方面或科学突破的最大潜力。从1941年起,钱恩和亚伯拉罕继续尝试破解青霉素的化学结构。他们不断提纯青霉素,并试图拿到它的结晶。

1942年,牛津大学的化学晶体学实验室的多萝西·霍奇金(Dorothy Hodgkin1910-1994)开始与钱恩合作。她是X射线晶体衍射专家,负责分析钱恩和亚伯拉罕提供的青霉素晶体。1945年,霍奇金终于解出了青霉素的化学结构。1964年,霍奇金凭借破译维生素B12的结构而获得诺贝尔化学奖。迄今,她仍然是英国唯一的获得诺贝尔奖的女科学家,曾多次访问中国。英国前首相撒切尔夫人是她的学生。

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多萝西·霍奇金(Dorothy Hodgkin1910-1994)及其她所破解的青霉素化学结构

5. 诺贝尔奖

在青霉素开发的过程中,弗莱明、弗洛里、钱恩、希特利这些科学上的巨匠在生活中也是普普通通的人。194592日,第二次世界大战结束。同年12月,弗洛里、弗莱明和钱恩因为青霉素而被授予诺贝尔生理或医学奖。而做出巨大贡献的希特利无缘诺贝尔奖,不能不说是一种遗憾。

19451210日,在二战结束后的第99天,在斯德哥尔摩举行的诺贝尔奖晚宴上,诺贝尔医学院生物化学系主任Theorell教授向三位获奖者致词说:“这一成果需要多年的辛勤工作,准确的直觉,深刻而广泛的知识,密切的团队合作和一些运气。在历史上最大的这场战争中,你们把青霉素奉献给全人类。但青霉素的用途只与和平有关。它连一只小鼠都伤害不了,却能治愈一个人。”

弗洛里从瑞士领奖回来,带了一套蓝色的葡萄酒杯送给希特利。希特利把它们摆放在橱柜里,但从来没有用过。他偶尔会拿出来看看——他喜欢这些酒杯的颜色。

附:南京农业大学校长、中国微生物学家和农业教育家樊庆笙教授(1911-1998)于1940年赴美留学。1944年1月,他随身带着刚在美国问世不久的三试管盘尼西林菌种,经印度沿驼峰路线飞越喜马拉雅山回到了中国。1944年他在昆明西山极简陋的条件下,与朱既明合作,制造出中国第一批5万单位一瓶的盘尼西林制剂,并由他审定了中国学名——青霉素。

1951年10月,上海药物所在国内首先合成了青霉素G钾盐结晶,并指导华东制药公司成功生产出青霉素。

(三)抗生素时代(未完待续)



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