2015年屠呦呦因創(chuàng )制新型抗瘧藥—青蒿素和雙氫青蒿素的貢獻，與愛(ài)爾蘭醫學(xué)研究者威廉·坎貝爾、日本學(xué)者Satoshi Omura共同榮獲了諾貝爾生理學(xué)或醫學(xué)獎。一時(shí)間，青蒿素成為大眾熟知的藥物之一。青蒿素是什么藥物？它是怎么來(lái)的？為什么青蒿素如此重要？下面我們就來(lái)介紹一下青蒿素的前世今生。
1 瘧疾
瘧疾（Malaria，中文俗稱(chēng)打擺子、冷熱病、發(fā)瘧子）是一種會(huì )感染人類(lèi)及其他動(dòng)物的全球性寄生蟲(chóng)傳染病，其病原瘧原蟲(chóng)借由蚊子散播。瘧疾引起的典型癥狀有發(fā)熱、畏寒、疲倦、嘔吐和頭痛；在嚴重的病例中會(huì )引起黃疸、癲癇發(fā)作、昏迷或死亡。瘧疾普遍存在熱帶及亞熱帶地區位于赤道周?chē)膹V大帶狀區域，包含漠南非洲、亞洲，以及拉丁美洲等等。2015年，全球約有2.14億人新感染瘧疾，并造成多達43.8萬(wàn)人死亡，其中有90%的死亡病例位于非洲。
公元前2700年起，世界各地就有關(guān)于瘧疾引起的獨特的周期性發(fā)燒的歷史記載，但數千年來(lái)古人嘗試了諸多途徑對治瘧疾，但成效寥寥。羅馬名醫蓋倫根據“四體液說(shuō)”提出，瘧疾是體液不平衡所導致的，采用放血和催瀉療法即可治愈。然而，瘧疾本身就會(huì )導致貧血，簡(jiǎn)單粗暴的放血只能讓病人死得更快。傳統中醫則認為祛邪截瘧是治療瘧疾的基本原則。在診斷為瘧疾后，即可截瘧。在此基礎上，根據瘧疾證候的不同，分別結合和解表里、清熱保津、溫陽(yáng)達邪、清心開(kāi)竅、化濁開(kāi)竅、補益氣血等治法進(jìn)行治療。
第一種對瘧疾有效的治療方式是使用金雞納樹(shù)的樹(shù)皮，金雞納樹(shù)生長(cháng)于秘魯安第斯山脈的山坡上。秘魯原住民將樹(shù)皮入酒來(lái)治療發(fā)燒，后來(lái)發(fā)現它也能用來(lái)治療瘧疾。該療法在1640年左右由耶穌會(huì )傳入歐洲，并于1677年收錄至倫敦藥典中。直到1820年，樹(shù)皮中的有效成分奎寧才由法國化學(xué)家佩爾提埃和卡旺托分離出來(lái)。截至1920年代以前，奎寧都是主要的抗瘧藥，隨后其他藥物才陸續開(kāi)發(fā)出來(lái)。1940年代，氯喹取代奎寧用于治療瘧疾；但1950年代，東南亞和南美首先出現了抗藥性瘧疾；1980年代時(shí)抗藥性病株更已傳播至全球。
2 青蒿提取物抗瘧活性的發(fā)現
1964年，越南戰爭爆發(fā)，當時(shí)北越軍隊常出沒(méi)于山間叢林地區，而這一地區惡性瘧疾流行猖獗，且對奎寧及奎諾酮類(lèi)抗瘧藥物如氯喹（chloroquine）等普遍具有耐藥性，平民與軍隊的患病人數猛增。美國投入巨額資金，篩選了20多萬(wàn)種化合物，但沒(méi)有找到理想的藥物，越南政府則向外界請求支援。中國政府于1967年5月23日在北京成立5·23抗瘧計劃辦公室，統一領(lǐng)導《5·23 抗瘧計劃》的實(shí)施，其全稱(chēng)為中國瘧疾研究協(xié)作項，代號為"523"。
1969年1月，屠呦呦以中醫研究院科研組長(cháng)的身份，參加了“五二三項目”。此前，國內其他科研人員已經(jīng)篩選了4萬(wàn)多種抗瘧疾的化合物和中草藥，沒(méi)有令人滿(mǎn)意的結果。屠呦呦決定從系統整理歷代醫籍開(kāi)始，也四處走訪(fǎng)老中醫，她整理了一個(gè)640多種包括青蒿在內的草藥《抗瘧單驗訪(fǎng)集》。
但在最初的實(shí)驗中，青蒿的效果都不是最好的。屠呦呦曾在書(shū)中指出：“…復篩以前顯示有較高藥效的中藥，因為青蒿曾出現過(guò)68%的抑制率，后來(lái)對青蒿進(jìn)行復篩，發(fā)現結果不好，只有40%甚至12%的抑制率，于是又放棄了青蒿。”她再次翻閱古代文獻，《肘后備急方·治寒熱諸瘧方》中的幾句話(huà)引起了她的注意：“青蒿一握，以水二升漬，絞取汁，盡服之。”原來(lái)青蒿里有青蒿汁，它的使用和中藥常用的煎熬法不同。
“確定分子量需要高分辨率質(zhì)譜儀，但我們沒(méi)有，當時(shí)只有一個(gè)60兆的核磁共振儀和紅外光譜。于是，就不得不用測定分子量的最古老方法，即樟腦冰點(diǎn)降低法，但重復性不好。”周維善說(shuō)，“后來(lái)打聽(tīng)到北京某部有高分辨質(zhì)譜儀，請該單位做出質(zhì)譜后，才把分子量定了下來(lái)，再結合碳氫分析數據把分子式確定下來(lái)，這是一個(gè)有15個(gè)碳原子、22個(gè)氫原子和5個(gè)氧原子組成的化合物，我們也證明它是一個(gè)倍半萜類(lèi)化合物。”上海有機化學(xué)研究所周維善院士回憶道。
下一步就是通過(guò)對各種光譜數據的解讀，將各個(gè)結構單元拼湊起來(lái)，也就是說(shuō)，要憑借大腦將42個(gè)原子的結構想象出來(lái)。問(wèn)題是，42個(gè)原子有相當多種可能的結構，究竟哪一種是正確的結構呢？這需要靠化學(xué)家的嘗試、直覺(jué)和想象。在質(zhì)譜的分析中，他們發(fā)現一個(gè)特殊的碎片峰M+32，這明顯說(shuō)明分子中存在兩個(gè)氧原子連在一起的情況，但它們是怎么連在一起的呢？
為了分析這個(gè)M+32峰，周院士課題組花了很多時(shí)間，查資料、與同事討論、與學(xué)生討論，但一直沒(méi)有頭緒。這時(shí)，有機所甾體組的吳毓林也對青蒿素產(chǎn)生了興趣。他常到隔壁我們的實(shí)驗室來(lái)看看，也提出意見(jiàn)。吳毓林的妻子李英在中科院上海藥物研究所工作，她也參與了“五二三項目”。
1975年4月，李英到成都參加全國“五二三項目”中醫中藥座談會(huì )。在這個(gè)會(huì )上，梁曉天報告了另一種抗瘧藥鷹爪素的結構中也有一個(gè)M+32峰值，首次宣布這個(gè)峰值是一個(gè)過(guò)氧基團。李英將這個(gè)消息告訴了吳毓林，吳毓林又將它告訴周維善。“這時(shí)，我們就知道青蒿素中的這個(gè)峰也應該是一個(gè)過(guò)氧基團，并立即開(kāi)始做實(shí)驗來(lái)證明。”周維善說(shuō)。
周維善小組設計了一系列復雜的氧化和還原反應，最終測定出青蒿素的結構。這是一個(gè)罕見(jiàn)的含有過(guò)氧基團的倍半萜內酯結構，而且，這個(gè)藥物的分子中不含氮，突破了60多年來(lái)西方學(xué)者對“抗瘧化學(xué)結構不含氮(原子)就無(wú)效”的醫學(xué)觀(guān)念。青蒿素的結構被寫(xiě)進(jìn)有機化學(xué)合成的教科書(shū)中，奠定了今后所有青蒿素及其衍生藥物合成的基礎。
結構測定的工作在1976年就基本結束了，因為衛生部保密的要求，3年后，論文《青蒿素的結構和反應》才發(fā)表在1979年5月出版的《化學(xué)學(xué)報》上，但沒(méi)有申請專(zhuān)利。按照國際慣例，如此重要的藥物化學(xué)結構應該先申請專(zhuān)利、再發(fā)表論文。但是，由于歷史和體制的種種原因，當時(shí)的中國沒(méi)有專(zhuān)利制度，從政府官員到科學(xué)家，基本上都沒(méi)有知識產(chǎn)權的概念。這是一個(gè)遺憾。
4 青蒿素的合成
青蒿素的結構確定后，北京大學(xué)的有機化學(xué)家邢其毅教授對周維善說(shuō)：“青蒿素結構是確定了，但我還不能相信，你要把它合成出來(lái)，而且合成出來(lái)的物質(zhì)與天然產(chǎn)品一樣，我才能相信你的結構是對的。” 其實(shí)，在青蒿素的結構測定完成之時(shí)，周維善已經(jīng)考慮到了它的合成，他說(shuō)：“因為這個(gè)結構是根據光譜數據解讀出來(lái)的，也是由光譜數據證明的，還是一個(gè)相對構型，究竟對不對，還需要通過(guò)實(shí)驗全合成了，證明對了，才能說(shuō)這是青蒿素的絕對構型，這才是最后的證明。”
1978年，全國科技大會(huì )制定的科技規劃中提出了青蒿素的全合成。作為結構測定的主持單位，中國科學(xué)院上海有機化學(xué)研究所承擔了該項任務(wù)，1979年初，周維善、許杏祥等組成攻關(guān)小組，開(kāi)始了歷時(shí)5年的探索之路。許杏祥的加入應該是一件順理成章的事。他1965年從北京大學(xué)化學(xué)系畢業(yè)，報考了上 海有機所的研究生，被分配到黃鳴龍的實(shí)驗室，成為黃鳴龍的最后一個(gè)弟子。
在青蒿素的全合成設計中，最關(guān)鍵的一步是如何加入過(guò)氧基團，在試過(guò)多種方法后，許杏祥提出以青蒿酸代替香草醛作為合成的起始物。經(jīng)組里同志，特別是許杏祥和朱杰的細心努力，青蒿素的合成終于實(shí)現了，合成的青蒿素與天然青蒿素完全一致，那天是1983年1月6日，全組同志真是無(wú)比高興。但我們的工作還沒(méi)有完，要繼續完成雙氫青蒿酸的全合成，這樣才稱(chēng)得上青蒿素的全合成。”
一年后，即1984年初，他們實(shí)現了青蒿素的全合成，他們的論文《青蒿素及其一類(lèi)物結構和合成的研究》發(fā)表在1984年第42期的《化學(xué)學(xué)報》上。1977年，青蒿素項目在全國科學(xué)大會(huì )上獲重大成果獎；1987年，青蒿素全合成成果獲國家自然科學(xué)獎二等獎。
5 青蒿素藥物
在全球范圍內，青蒿素及其衍生品每年的銷(xiāo)售額約為15億美金，而中國作為青蒿素的發(fā)明國直接出口額卻不足1000萬(wàn)美元。青蒿素的國際市場(chǎng)控制權長(cháng)期被西方藥企控制，中國在很長(cháng)的一段時(shí)間里僅能通過(guò)提供原料藥來(lái)?yè)Q取微薄的利潤。為什么中國自己發(fā)明的青蒿素會(huì )變成外國藥企的搖錢(qián)樹(shù)呢？這背后有著(zhù)頗為復雜的歷史原因。
雖然屠呦呦領(lǐng)導的專(zhuān)家們正式從青蒿草里提煉出了抗瘧疾的有效單體青蒿素。但在1976年，中國學(xué)者獲知蘇聯(lián)專(zhuān)家也在進(jìn)行青蒿提取實(shí)驗，可能與青蒿素屬于同一物質(zhì)。當時(shí)中蘇關(guān)系惡化，而且我國也沒(méi)有相關(guān)專(zhuān)利與知識產(chǎn)權法規，所以將研究成果發(fā)表是證明青蒿素是中國發(fā)現的唯一途徑。另一方面，想在國際市場(chǎng)上注冊和銷(xiāo)售青蒿素就必須通過(guò)世界衛生組織的審核。而在上世紀八十年代的中國，生產(chǎn)環(huán)境、資金和人員都不足，生產(chǎn)質(zhì)量管理在短時(shí)間內根本無(wú)法通過(guò)世界衛生組織的審核。此外，青蒿素的研究工作已經(jīng)發(fā)表，國外企業(yè)隨時(shí)可能完成仿制，搶占專(zhuān)利和市場(chǎng)。
權衡之下，中國與跨國制藥巨頭瑞士諾華公司簽署專(zhuān)利開(kāi)發(fā)許可協(xié)議，由諾華負責青蒿素類(lèi)藥物復方蒿甲醚在國際上的研究和開(kāi)發(fā)，這一協(xié)議，宣告中國放棄了復方蒿甲醚國際市場(chǎng)的銷(xiāo)售權，只是收取一定的專(zhuān)利使用費。諾華等企業(yè)銷(xiāo)售的青蒿類(lèi)藥物，全球市場(chǎng)占有率在80%左右。而一些中國企業(yè)只是向外資藥企大量出口青蒿素類(lèi)原料，始終處于青蒿素制劑產(chǎn)業(yè)鏈的最底層。
青蒿素的另一種衍生藥物青蒿琥酯，雖然在1987年就獲得中國一類(lèi)新藥的第一號證書(shū)，但因當時(shí)沒(méi)有一家中國制藥公司符合世衛藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理規范，也遲遲未能進(jìn)入國際市場(chǎng)。2003年，復星醫藥收購桂林南藥，看到了這種藥物的國際價(jià)值，花了近3年時(shí)間對青蒿素類(lèi)產(chǎn)品進(jìn)行改造，進(jìn)入了艱難而嚴格的世界衛生組織認證過(guò)程中。直到2005年底，桂林制藥才獲得世界衛生組織預供應商的資格認證。
6 青蒿素對瘧原蟲(chóng)的作用機制
青蒿素無(wú)論在體內和體外的實(shí)驗中均對瘧疾有很好的殺滅效果。羅丹等 2014 年在《中國醫學(xué)創(chuàng )新》雜志發(fā)表文章，綜述了青蒿素抗瘧疾的機制主要有三條：
(1) 自由基的抗瘧作用
青蒿素及其衍生物化學(xué)結構中的過(guò)氧橋這一基團是抗瘧作用中最重要的結構。改變過(guò)氧基團，青蒿素的抗瘧作用消失。青蒿素在體內活化后產(chǎn)生自由基，繼而氧化性自由基與瘧原蟲(chóng)蛋白絡(luò )合形成共價(jià)鍵，使蛋白失去功能導致瘧原蟲(chóng)死亡。另一種觀(guān)點(diǎn)認為青蒿素轉化為碳自由基發(fā)揮烷化作用是瘧原蟲(chóng)的蛋白烷基化。目前這一觀(guān)點(diǎn)被廣泛認可。
(2) 對紅內期瘧原蟲(chóng)的直接殺滅作用
青蒿素選擇性殺滅紅內期瘧原蟲(chóng)是通過(guò)影響表膜-線(xiàn)粒體的功能，阻斷宿主紅細胞為其提供營(yíng)養，從而達到抗瘧的目的。同時(shí)青蒿素對瘧原蟲(chóng)配子體具有殺滅作用。
(3) 抑制 PfATP6 酶的抗瘧作用
有研究推測青蒿素及其衍生物對 PfATP6（Plasmodium falciparumcalcium ATPase 6）具有強大而特異的抑制效果。PfATP6 是惡性瘧原蟲(chóng)基因組中唯一一類(lèi)肌漿網(wǎng)/內質(zhì)網(wǎng)鈣 ATP 酶（sarco/endoplasmicreticulum calcium ATPase，SERCA）。青蒿素抑PfATP6，使瘧原蟲(chóng)胞漿內鈣離子濃度升高，引起細胞凋亡，從而發(fā)揮抗瘧作用。
7 結語(yǔ)
上世紀 60 年代抗瘧藥耐藥性首次成為一項全球性問(wèn)題，當時(shí)瘧原蟲(chóng)對氯喹這種廣泛使用的抗瘧藥產(chǎn)生了耐藥性。其潛在的基因突變無(wú)情地席卷全球，迫使公共衛生官員不得不尋找抵抗瘧疾的新方法。青蒿素的發(fā)現，為世界帶來(lái)了一種全新的抗瘧藥。如今，以青蒿素為基礎的聯(lián)合療法（ACT）是世界衛生組織推薦的瘧疾治療的最佳療法，挽救了全球數百萬(wàn)人的生命。
然而有報道稱(chēng)早在 2003 年和 2004 年，首例以青蒿素為基礎的綜合療法的耐藥性案例就在泰國柬埔寨邊界出現。過(guò)去十年里，治療瘧疾最有效的藥物青蒿素已在柬埔寨、緬甸、越南、老撾以及泰國邊境地區的越來(lái)越多患者中失效。正如屠呦呦所言：“一旦瘧原蟲(chóng)對青蒿素聯(lián)合療法產(chǎn)生抗藥性，瘧疾將無(wú)藥可治，人類(lèi)勢必遭遇一場(chǎng)浩劫。”人類(lèi)的抗瘧之路，仍然任重道遠。
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