2015诺贝尔生医奖—抗疟药物的故事与省思

admin 5天前 13 0

疟疾在人类数千年的历史上一直是挥之不去的阴影,至今已经夺取了数亿人的生命,是历史上造成人类死亡最多的疾病。古罗马帝国因疟疾猖獗而衰亡;巴拿马运河开凿工程亦因疟疾而转手延宕。但自五十年代始,传统抗疟药物已全面失效,疟疾泛滥夺取人命。青蒿素是从中药青蒿(黄花蒿)中提取的高效、速效抗疟药。作用于疟原虫红细胞内期,适用于间日疟及恶性疟,特别是抢救脑型疟均有良效。其退热时间及疟原虫转阴时间都较氯喹短,对氯喹有抗药性的疟原虫亦有效。青蒿素分子为全新之化学结构,以新颖之药物机制抗杀疟原虫。青蒿素之衍生物及其复方在近代抗疟医药作战中作出重大贡献,是近年拯救最多人类生命的化学药物。

越战和疟疾

1955年,美国等民主阵营国家支持的南越和苏联等社会主义阵营国家支持的北越发生一场战争。这一地区自古以来就是所谓「瘴气」之地,自三国时期诸葛亮南征孟获到清乾隆年间数度进击缅甸都因疟疾而受挫,这里的疟原虫似乎也比其他地区的同类更为强壮,当时疗效最好的药物氯喹已经无效。也是军队大幅死伤的重要原因。美军因疟疾死伤超过80万人,但实际数量远高于此。据说美军非作战性伤亡比作战性死伤高出4~5倍之多。中国和北越军队,同样遭受着类似的痛苦。支援北越的中国和陷入越战的美国都积极寻找更好的治疗药物。

中美各自展开抗疟新药研发

美国当时积极展开抗疟药物的研究,沃尔特–里德陆军研究所(Walter Reed Army Institute of Research)开始合成各种奎宁类衍生物相关药物。他们当时的理论是抗疟疾药物必含杂环,据此测试了20万种化合物,结果都不太理想。最终于1980年代研制出了甲氟喹。甲氟喹虽然药效很强,但有严重精神方面的副作用。中国则于1967年5月23日由国家科委、解放军总后勤部在北京饭店召开了「疟疾防治药物研究工作会议」,集全国力量成立常设机构称为523办公室。但当时中国正处于文化大革命的动乱之中,科研工作展开极端困难。工作组1967~1969年间共筛选4万多种抗疟疾的化合物和中草药,未取得进展。

青蒿萃取物抗疟疾

科学家只得另辟蹊径。1969年1月21日,中国卫生部中医研究院参加「523项目」,屠呦呦教授任科研组长,那一年屠呦呦39岁,职称是助理研究员。她从系统收集整理历代医籍、本草入手,整理出一册《抗疟单验方集》,包含640多种草药,其中就有后来声名远扬的青蒿。不过,在第一轮的药物筛选和实验中,青蒿的高温萃取物对疟疾的抑制率只有68%,还不及胡椒有效,在相当长的一段时间里,青蒿并没有引起大家的重视。

「青蒿一握,以水二升渍,绞取汁,尽服之。」东晋人葛洪记载青蒿绞汁使用的办法和中药常用的煎熬法不同。这是不是为了避免青蒿的有效成分在高温下被破坏?这个灵感,令屠呦呦敲开萃取青蒿奥秘的大门,她最先提出用乙醚低温萃取青蒿素的方法,这一步至今被认为是青蒿初萃物有效性的关键所在。1972年3月,523办公室在大陆全国南京中草药专业组会议上,第一次报告了青蒿对鼠疟原虫近期抑制率可达100%的实验结果。奠定她「青蒿素之母」的地位。后来中医研究院的研究者也用低温萃取的方法得到了可贵的青蒿素晶体。在江苏高邮地区,就有用青蒿治疗疟疾的传统。一句顺口溜「得了疟疾不用焦,服用红糖加青蒿」在当地广为流传。显然,低温使用青蒿治疗疟疾,已有了广泛的应用。

青蒿素的分离纯化

虽然低温青蒿萃取物展现一定的治疗效果,但其实验结果不够稳定,且临床前的动物毒性实验中测出毒性。在山东中医药研究所、云南省药物研究所的共同努力下,罗泽渊等研究人员发现药用青蒿中,学名黄花蒿(Artemisia annua L.)者有效,而学名青蒿(Artemisia apiacea Hance)者无效。应用的溶剂汽油提纯法最早得到纯的青蒿素药物。1973年10月他们已完成了黄蒿素的药理和毒性的初步研究,经大、小动物的毒性试验均未发现对动物的心、肝、肾脏有明显的损害。恶性疟疾病人服药6小时后,疟原虫开始减少;16小时后,90%疟原虫被杀灭;20小时杀灭率在95%以上。云南省药物所罗泽渊等研究人员还初步确证了酉阳地区为优质黄花蒿的产地,并且首次得到高纯度的青蒿素,为后来青蒿素研究工作提供了优质药源。

青蒿素的化学结构

广州中医大学李国桥确认青蒿素临床上之优异效果,青蒿素当时已被选为针对治疗疟疾系列的新药物。但它的缺点是复发率高及生物利用率低。为改善缺点,了解药物代谢,药物作用机制以及合成步骤,故必须测定青蒿素化学结构并加以改造。青蒿素化学结构的测定以中国科学院上海有机化学研究所为主,北京中药所人员参加,并和中国科学院生物物理研究所合作完成的。中医研究院于1977年在《科学通报》以「青蒿素结构研究协作组」的名义,发表了青蒿素这一新的化学结构。1978年5月,又以「青蒿素结构研究协作组」和中国科学院生物物理研究所名义,发表了青蒿素结晶立体绝对构型的论文。1979年第二篇青蒿素化学结构的论文,以北京中药所和上海有机化学研究所科研人员署名发表于《化学学报》,青蒿素化学结构是一个罕见的含有过氧桥的倍半萜内酯结构(图一)。

2015诺贝尔生医奖—抗疟药物的故事与省思

图一:青蒿素分子结构

青蒿素的作用机理

普遍认为这种过氧化结构与青蒿素的抗疟活性有关,疟原虫破坏人体的红血球,体内含大量的铁。青蒿素能被疟原虫体内的铁所催化,其结构中的过氧键裂解,产生自由基。自由基与疟原虫蛋白形成共价键,使疟原虫蛋白失去功能,从而导致疟原虫死亡。这是一个全新的药物作用机制,说明青蒿素能杀灭已经对奎宁类药物产生抗药性的疟原虫。含过氧桥的化合物在以往的药物研究中从未引起人们的注意,因为这种结构非常不稳定,暴露在空气中就会分解,更不要说进入人体发挥药效了。但青蒿素结构使它的过氧桥被环状结构保护着,使其足够稳定地进入人体,发挥作用后又能很快地分解掉,从而减少疟原虫产生抗药性的可能性。我们不得不由衷地惊叹大自然的奥妙绝伦。这也是天然药学的独到之处,人脑的想像是远不能与自然的神奇相较量的。青蒿素的结构被写进有机化学合成的教科书中,奠定了今后所有青蒿素及其衍生药物合成的基础。

化学修饰及最佳化

青蒿素的环状结构保护了过氧桥的稳定,却也造成青蒿素难溶于水和油,不易制成适当的剂型,生物利用率低。对青蒿素结构进行化学修饰,研制功效更好的第二代青蒿素类药物。

中国中科院上海药物所研究员李英,在1977年成功研制出了青蒿素的第一个衍生物—蒿甲醚。中国军事科学院热带研究所周义青率先陆续开发复方蒿甲醚。蒿甲醚在治疗抗氯奎恶性疟和凶险型疟疾方面具有确切的疗效。更重要的是它油溶性很大,可以制成针剂,对抢救危急疟疾病人非常有利。现已被世界卫生组织(WHO)列为治疗凶险型疟疾的首选药,并且为日后研制的更加高效的抗疟新药――复方蒿甲醚,提供了坚实的基础。广西刘旭发明的「804衍生物」(以其实验室命名)可解决水溶性的问题,且疗效提高5倍,这就是「青蒿琥酯」。青蒿琥酯为日后大陆和WHO疟疾化疗科学工作组作为治疗脑型疟的优先开发项目。青蒿素的衍生药物还包括WHO与美国军方合作研制的蒿乙醚和香港科技大学Haynes研制的青蒿碸等。

植物二次代谢物提供药物治疗新思维

相对于分子多样性枯竭的合成化学药物库,植物二次代谢物具有复杂丰富多样的化学分子骨架,是发掘新药物的宝库。这次诺贝尔医学奖说明植物能够提供治疗疾病新的药物结构(过氧桥)及新药物机制,新化学结构使得药物治疗得到新工具、新的分子作用机制提供新思维及新途径给研发新药物。但天然植物因成分太多,要测到单一分子活性,并进一步纯化,具相当难度,没有一等一的能力与技术几乎无法做到。发掘有药物活性的植物分子,基本上须要两大技术专业;首先必须有两个独立的活性侦测平台,其次要有能够自复杂的植物二次代谢物中分离纯化单一分子并决定结构之技术,基本过程是植物化学和生物学之互相配合。近来之研究证实食用植物库不仅是提供安全且新的药物化学结构(见延伸阅读),更能提供全新的分子药理作用机制。由于过去药物活性侦测科技落后,从植物中筛选活性药物不但消耗巨大资源(青蒿素之发现)或得不到满意结果,过程更是旷日费时。但伴随着生物科技之进步,近来发展之侦测技术能够以有限资源在合理时程,自食用植物库中发现新药物及新分子机制。

屠呦呦荣获诺贝尔医学奖

中西方对成功案例论功行赏存在文化差异。笔者在美国待过三个实验室:默德里奇(Paul Modrich,Duke University博士学位论文)、莱夫科维茨(Rober Lefkowitz,HHMI 博士后计画)以及奥立佛史密西斯(Oliver Smithies,中研院提供之sabbatical study)。因为不同科研背景,他们当初启动尚在萌芽的 「诺贝尔奖研究」时,个人必须独自面对研究之成果(失败或成功)。青蒿素研发原创并不是一个人,是中国国防部因为疟疾感染严重影响中国人之健康,以及越战战情而召集全国有能力的科学家赋予这特殊任务。青蒿素发现对人类健康有无与伦比的贡献,但诺贝尔医学奖不可能颁给一个团队,必须有一个参与者代表整个团队。

中国主导抗疟新药研发

有别于目前我们政府极力倡导以商业导向之药物研发计画,今年诺贝尔医学奖颁给救人无数的新药物,清楚明白地强调药物研发之最基本动机在于拯救生命,商业利益不在考虑之内。疟疾横行于当时热带及亚热带的开发中及未开发区域,是人类疾病史上造成死亡最多的疾病。

由于疟疾原虫对传统药物产生抗药性,疟疾当时已是无药可救,必须研发新的抗疟药物。新药开发需要许多不同之专业且冗长时程,是非常烧钱的,其背后真的需要庞大的资金与支援。疟疾当时是穷人的病,新药开发投入之庞大资金难以回收,药物开发经验丰富的国际大药厂是不会轻易启动抗疟新药筛选研发。然而中国为了拯救其国人及战场士兵之性命,不惜动用当时全国仅有贫乏的资源进行新的抗疟药物筛选开发。解救生命是当时唯一考量,完全没有考虑智财权之保障及日后商业利益之获取。

令人钦佩的是国际大药厂并未那么地惟利是图;诺华药厂以成本价提供青蒿素类药物给落后地区病患。社会政府力量支持解决国家之特殊疾病挑战;欧美之外国家的新药研发均源于解决直接攸关该国人民生死存亡特殊疾病挑战 (如南韩的抗生素,古巴的疫苗,大陆的青蒿素,台湾的鸦片戒勒及乌脚病)。这些新药物新预防研发均由政府力量支持,如同国防任务,国家并未考虑商业效益,而是秉持维护人民基本生命安全之至高原则开发新药物。

中国科学家投入抗疟新药研发

当时被徵召从事抗疟新药研发的中国科学家,多数原本也不从事抗疟药物的研究,但在523计画下,他们放弃原来研究的科目,以过去科技研发经验进行抗疟药物的筛选和开发,有志一同解决疟疾无药可救的窘况。由于当时外国也没有新的抗疟药物,所以他们必须秉着「自己的疾病自己救」的精神来开发新药物,拯救自己同胞的性命。这也许在专制集权的国家才办得到。因为地域、文化和基因的不同,每个区域国家都有其特殊疾病医药问题。例如乌脚病,欧美国家都没有,这种特殊疾病问题必须我们自己运用现代的科技去解决。因为区域外人的不会遇到,所以不会注意到,也不会去解决特殊区域性疾病。

台湾应先解决本地医药需求

台湾早年医学先驱如杜聪明和陈拱北等以其在欧美日本所学的科学经验法则,解决当时台湾本土特殊医药挑战。重要的是他们并未将他在欧美和日本的研究带回台湾继续研究;杜聪明以其留日科学经验致力于解决当时台湾人鸦片戒勒及毒蛇问题,陈拱北则以公共卫生学方法分析解决台湾之特殊疾病。现在台湾很多生物医药研究学者都到欧美留学就业,研究课题偏重于解决世界人类疾病,回来以后就将在国外研究课题带回来继续研究,这样比较容易发表论文,研究也不会中断,但往往忽略台湾之特殊健康医药需求。

国内生物医学研究之方向应该和公共卫生疾病调查有更密切的配合,依循「自己的疾病自己救」的原则,才能认真研究解决在台湾本土之特殊医药需求。例如G蛋白在细胞内的作用从中枢到周围和疾病治疗药物发展有密切关系,大约有三分之一以上的药物均是透过G蛋白胞膜表面受体达到治疗效果,目前为止至少三届诺贝尔奖颁给和G蛋白有关之研究。但在台湾却鲜少有人研究G蛋白相关之生物及药理活性,更不用说运用G蛋白受体来解决台湾的特殊医药需求。主要原因是长久以来台湾学者们在国外缺乏这方面的训练,结果是国内特殊之食物安全现象还停留在新闻媒体名嘴争论不休,盛行率高的失智症及代谢疾病必须等待外国价格昂贵之新药降价,食物对药物代谢之影响仅限于蓝莓胡萝卜缺少芭乐莲雾。以有限之国家资源应先研发能够解决本土特殊疾病需求之新药物,积聚经验才能和欧美并驾较量开发新药解决人类重要疾病。

结论

舍弃天然药物库,欧美药厂动辄几亿美金投入自几十万至上百万巨量化学合成药物库中筛选新药的作法,开始呈现瓶颈。而国内从2000年至今沿袭着欧美药厂进行商业导向的生技制药相关国家型计画也即将进入熄灯阶段。现今除欧美以外,能够进入世界市场的新药,如中国的青蒿素、南韩的抗生素以及古巴的疫苗产品,当初开发时都是秉着「自己疾病并自己救」的原则,才能有今日之成功。这次诺贝尔桂冠,可否让我们从追随欧美药厂的集体迷失中得到一些启示。

作者/金克宁(毕业於台大复健系、清华大学研究所、杜克大学博士。专长食用植物之标靶活性监定及化学纯化。曾任职中央研究院)


最新回复 (0)
回复
登录发表 or 还没有账号?去注册