新药发现史话（三十二）维生素 D 的发现(Brief History of Drug Discovery 32)

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一、佝偻病的发现与光疗法

公元1世纪，古罗马医生们（如Soranus）就已经注意到了佝偻病的存在，但直到17世纪中叶，因为英国出现佝偻病的区域性流行，医学工作者们开始用科学的方法观察和描述这种骨骼疾病。Daniel Whistler（在1645年）与Francis Glisson（在1650年）分别对这一疾病症状作了描述。而1824年，D. Scheutte 开始为佝偻病患者开出鱼肝油这一处方。

1903年的诺贝尔奖获得者 Niels Finsen 在18世纪晚期使用阳光治疗狼疮，还开发出了人工光射线作为治疗手段，结果引起科学界对阳光与健康关系的研究。

19世纪末，一些医学专家就提出一种观点，认为高纬度地区的许多疾病包括佝偻病，是因为阳光照射不足引起的。同时人们也意识到鱼肝油是一种很好的预防佝偻病的健康食品。另外也有试验表明，照射阳光与食用鱼肝油可以起到相同的治疗效果。Alfred Fabian Hess进一步提出自己的见解：光同等于维生素。

1919年，Huldschinsky提出，如果阳光可以治疗佝偻病，那么人工的光线在理论上也能治疗这一疾病，他使用石英-汞灯发出的紫外线治疗佝偻病儿童，取得了很大的成绩。1921年，Hess and Unger通过对佝偻病的流行病学观察，发现这一疾病与季节性的阳光变化有关系。

二、佝偻病动物模型与维生素D的发现

1919至1920年间，英国医生Edward Mellanby在室内用低脂奶和面包喂养小狗，由于接触不到光照，狗身上出现了佝偻病症状。就算给小狗吃含维生素B、C的食品，也不能在短期内改善症状。但他发现患病的狗被喂鱼肝油（cod liver oil，鲟鱼或海鱼肝油）后，就会痊愈，并且鱼肝油还能预防佝偻病。于是他认为，维生素A或者是一种相关的物质（存在于鱼肝油中）可以防止佝偻病的发生。

由于Elmer McCollum在维生素A研究上的成功，约翰霍普金斯大学在1917年邀请他加入，主持新成立的化学保健系。有人戏称那时的他又矮又瘦，看起来非常不健康，因而不被面试官们看好。第二年，霍普金斯大学的儿科学教授John Holland向他咨询是否有佝偻病的动物模型。McCollum向他展示了几个患病的大鼠，并与他探讨佝偻病的机制。两人通过交流，很快开始协作这方面的研究。而两位骨科研究者Edward Park 和Dr Paul Shipley也很快加入团队。在开始的几个钙和磷不平衡的膳食实验中，McCollum发现缺乏一定的动物脂肪就会得佝偻病。他和团队成员谨慎地认为佝偻病可能是由于缺乏维生素A或缺钙引起的。

但是后来，他们发现了Mellaby等人的研究结果，于是开始重复鱼肝油对于佝偻病的作用。在1922年， McCollum做了另一组膳食试验。他首先把鱼肝油中的维生素A破坏掉，然后喂食佝偻病的狗，结果仍然可以治愈。这意味着其中含有另外一种脂溶性物质，这是一种不同于维生素A的物质，他把这一物质命名为维生素D，因为这是第四个被命名的维生素。

三、早期工业应用：食品的紫外照射

1923年左右，伦敦的Hume和Smith团队，及纽约的Alfred Fabian Hess和Weinstock团队分别发现了被紫外线照射的食物可以治愈佝偻病。并且，由于饲养员不按方案操作，Hume和Smith发现大鼠照射紫外线与食用照射紫外线的食物对于佝偻病的治疗具有同样的效果。同期，Goldblatt和Soames团队发现照射紫外线的大鼠肝脏，可以治愈患佝偻病的大鼠。

1923年，美国威斯康辛大学生物化学家Harry Steenbock发现，对食品或其它有机材料照射紫外线，会增加其中的维生素D含量。在对鼠、狗类动物的食品照射紫外线后，这类食品可以治疗动物的佝偻病。于是Steenbock自己花了300美元把自己的发现申请了专利。紫外照射技术在食品行业，尤其是奶制品行业流行起来，到了1945年，美国的佝偻病几乎全部被消灭了。

四、维生素D的结构确证

一些科学家认为是皮肤中的胆固醇被阳光中的紫外线照射而转变成了体内的活性成分，因为活性成份被鉴定为胆固醇。但未被紫外线照射的胆固醇却没有效果，而照射后的胆固醇结构也没有发生改变。曾在洛克菲勒大学工作过的Alfred Fabian Hess还认为阳光可以起到维生素的作用，他于1926年邀请德国的胆固醇专家Adolf Windaus一起研究这一问题，后者是德国哥廷根大学一位专业研究甾醇类物质的专家。在伦敦的O. Rosenheim也加入了这一团队。

他们认为，以前人们通过以前的皂化、重结晶等方法所得到的“纯化胆固醇”其实并是纯，而是含有一定的“杂质”，正是这种杂质，在被紫外线照射后，转化成了治疗佝偻病的有效成份，即这种杂质是维生素D的前体。Rosenheim等人推测，这种杂质的含量可以只有2000分之一左右。

经过讨论，他们设计了如下实验：首先把胆固醇二溴化、重结晶，然后再通过处理转化为胆固醇。这个时候，其中已经不再含有原来的“杂质”了，即便通过紫外线照射，也不能产生治疗效果。这就证明了他们的推论。

Heilbron等人发现，普通的纯化胆固醇的紫外吸收峰有三个(269, 280, 293 nm)。这一发现给Windaus以很大启发。他一方面通过真空干燥、炭吸附等方法得到了胆固醇中的“杂质”，另一方面，他与同事筛选了几十种激素，通过紫外吸收、颜色反应、易氧化特性等三个方面的对比，他们认为这种杂质可能就是麦角固醇，而麦角固醇在紫外线的照射下，确实表现出了治疗佝偻病的作用。Rosenheim等与Windaus等人经过交流，也得到了相同的结果。1927年，他们发表了这一发现，认为这一杂质是麦角固醇。1928年Adolf Windaus获得了诺贝尔化学奖。而他认为没有Alfred Fabian Hess，自己不可能获奖，所以他把自己的资金分给了Hess一部分。

麦角固醇经紫外线照射后产生的物质很快于1931年被伦敦及丹麦等地的团队分离纯化，并命名为钙化醇。研究显示，0.01μg/d 剂量的钙化醇就可以短期内治愈佝偻病大鼠。

而获得了诺贝尔奖的Adolf Windaus再接再厉，带领55位博士和博士后，组成了一个庞大的团队来研究维生素D的结构的研究。1935年，Adolf Windaus以胆固醇为原料，合成了7-脱氢胆固醇。1936年，钙化醇的结构被这一团队研究得到，它是麦角固醇的同分异构体，有一个羟基，三个共轭键。

钙化醇被发现了，但新的问题接着出现。因为钙化醇可以通过麦角固醇照射阳光转化，那么没有阳光时，人体又如何摄取这一物质？1937年，他和同事在多种动物和人体的皮肤内，以及一些食品中分离鉴定7-脱氢胆固醇，而它的紫外照射后的产物也具有治疗佝偻病的疗效，于是他分别把钙化醇和后7-脱氢胆固醇的紫外照射物称为维生素D2和维生素D3。

图1：麦角固醇(A), 维生素 D-2 (B), 7-脱氢胆固醇 (C), 和维生素 D-3 (D)的结构.

五、维生素D的代谢及生理活性

1955年，Velluz等人完整地阐述了麦角固醇如何在紫外线作用下转化为钙化醇。1971至1972年左右，Michael F. Holick的团队发现了维生素D活性结构的代谢机制。在肝脏，维生素D被发现转化成为骨化二醇(calcidiol)，部分骨化二醇又被肾脏转化为骨化三醇，这才是维生素D的活性结构。骨化三醇作为一种激素在血液中循环，发挥调节体内钙、磷平衡的作用，从而促进骨骼正常生长。

在工业上，维生素D3通过用紫外线照射7-脱氢胆固醇来生产。后来是一种天然物质，在羊毛脂。维生素D2（钙化醇）通过同样的方式，从酵母或蘑菇中的麦角固醇来生产。

附：

维生素在医学和药物史上占有重要地位，并且与维生素相关的研究获得了20多次诺贝尔奖，充分说明了维生素研究在科学界的地位。本《新药发现》系列目前仅纳入以上几种维生素，对于其它如维生素K、E等的发现不再讨论。

下节《新药发现》将继续药物的发现。