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敬佩!屠呦呦回顾青蒿素发现艰难历程

2015年10月5日,诺贝尔奖委员会把诺贝尔生理或医学奖授予屠呦呦等三名科学家。2011年屠呦呦获拉斯卡奖之后,在《Nature》撰文回顾了青蒿素发现的艰难历程。让我们我们瞻仰一下这份来之不易的诺奖起源。


约瑟夫·戈尔斯坦在这本杂志里提到了,创造(发明)和揭示(发现)是生物医学进步的两条不同的路径。作为一名植物化学家,我很有幸地在这两条道路上都有所收获,尤其是在20世纪60年代到80年代这段日子里。1955年我毕业于北京医学院药学系,此后被分 配到中医研究院(现中国中医研究院),从事中药研究。1959年到1962年之间,我参加了一项中医的培训课程,此课程主要是针对有西医背景的专业人士开设的。两年半的培训让我发现了中医的奇妙和可贵,以及站在人类和宇宙的高度的哲学思辨之美。

一、青蒿素的诞生

疟疾是由恶性疟原虫引起的疾病,几千年来一直威胁着人类的生命安全。在20世纪50年代国际消灭疟疾的尝试以失败告终之后,疟疾再度肆虐。这很大程度上归因于寄生虫对当时的抗疟pin88拼搏体育app,如氯喹,产生了抗药性。1967年,在“523办公室”领导下,中 国启动了抗疟项目。我所在的研究院很快参加到了这个项目之中,并委任我为疟疾研究小组组长。该小组由植物化学和药理活性研究员组成。我们这群年轻人开始了研究如何从中药里提取和分离抗疟有效成分。


工作的第一阶段,我们研究了超过2000种的中药,发现了其中的640种可能有抗疟效果。我们用小鼠模型评估了从大约200种中药里获得的380种提取物。然而,过程并没有那么顺利。想要有重大发现谈何容易。


一份青蒿提取物给研究工作带来了转机。青蒿提取物很好地抑制了寄生虫的生长。然而,这个发现并没有在之后的实验中重复出来,并且与此前文献中记载的有冲突。


为了找到合理的解释,我们翻阅了大量的文献。唯一一篇关于使用青蒿减轻疟疾症状的文献出自于葛洪的《肘后备急方》。文中提到:“青蒿一握,以水二升渍,绞取汁,尽服之。”(图1)这句话给了我灵感。我们传统的提取方法里的加热步骤可能会破 坏pin88拼搏体育app的活性成分。在较低的温度中提取可能有助于保持抗疟活性。果然,在使用较低温提取方法之后,提取物的活性得到了大幅提升。


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明代(公元1574年)葛洪著作《肘后备急方》右图第五列“青蒿一握,以水二升渍,绞取汁,尽服之”。


随后我们把提取物分离为酸性和中性的两部分。终于,在1971年10月,我们获得了中性无毒的提取物。这份提取物对伯氏疟原虫感染小鼠和食蟹猴疟原虫感染的猴子有着100%的疗效。这个结果标志着青蒿素发现上的突破。

二、从分子到pin88拼搏体育app

在文化大革命期间,是没有办法做新药的临床试验的。为了疟疾病患的福祉,我和我的同事们勇敢地成为了青蒿素的第一批志愿受试者。在确认了青蒿素提取物对人体是安全的情况下,我们前往海南省,在患有间日疟原虫和恶性疟原虫的病人身上试验该提 取物的有效性。


临床试验的结果激动人心:经治疗的病人疟疾症状迅速消失,这些症状包括高烧和血液中的寄生虫数量。而采用氯喹治疗的病人却没有这些临床收益。


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20世纪50年代,在中医研究院中药研究所任研究实习员的屠呦呦(前右)与老师楼之岑副教授一起研究中药。


积极的临床结果指引着我们再接再厉。我们接着分离纯化了青蒿的抗疟有效成分(图2)。1972年,我们得到了提取物中的活性成分,分子量为282道尔顿的无色晶体,分子式是C15H22O5,熔点在56–157°C。我们将其命名为青蒿素。


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《补遗雷公炮制便览》中彩色手绘青蒿(明代,公元1591年)与青蒿和青蒿提取物按照戈尔斯坦的观点,青蒿素的发现是我们科研征程的第一步——揭示。我们接下来要进入下一步——创造,把自然界的分子转变为pin88拼搏体育app。


我们发现,在菊科蒿属的植物中,只有黄花蒿新鲜叶子中在花蕾期含有丰富的青蒿素。我所在的团队用的是北京本地的蒿属植物,青蒿素的含量相对少得多。为了pin88拼搏体育app生产,我们迫切需要青蒿素丰富的蒿属植物。中国政府发起的寻找疟疾治疗pin88拼搏体育app的523项 目组是一个全国范围的科技协作组织,项目组很快发现一种四川产的黄花蒿符合制药要求。


我们临床试验的第一种pin88拼搏体育app剂型是片剂。病人服用之后产生了不适感。在随后的研究中我们发现,这是因为旧压缩机器上生产出来的药片很难分解。我们转而使用新的剂型——纯青蒿素胶囊,临床效果令人满意。本来看似关闭的抗虐新药开发的大门,再次 向我们打开。

三、从国内到国外

除了pin88拼搏体育app生产和剂型的问题之外,我们面临的另外一个挑战是,如何让世界知道我们的发现。1975年,在中国科学院生物物理所的一个科研团队的帮助下,我们确定了青蒿素的立体结构,是一种倍半萜内酯。


有关这个结构的论文,我们在1977年首次发表在中国的科学期刊上。同年,这个新分子和这篇论文立刻被美国化学文摘社引用。但是,当时中国大的政治环境限制了任何关于青蒿素的论文发表。幸运的是,1979年,国家科委授予我们国家发明奖,表彰我 们发现青蒿素和抗疟的功绩。


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(a) 青蒿素的分子结构。(b) 青蒿素的三维结构模型,碳原子是黑色小球,氢原子是蓝色小球,氧原子是红色小球。


1981年,第四届化学pin88拼搏体育app治疗疟疾科学会议在北京召开。会议由联合国开发计划署、 世界银行和世界卫生组织发起。在一个针对热带疾病的研究和培训的特别项目中,一系列关于青蒿素以及其治疗疟疾效果的报告引起了强烈反响。


作为会议的第一个发言者,我做了一个名为“青蒿素的化学性质研究”的报告。这些在报告中提及的研究,随后在1982年发表。20世纪80年代青蒿素及其衍生物在中国治疗数千疟疾病人的疗效引起了全世界的关注。


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1981年参加在北京召开的第四届化学pin88拼搏体育app治疗疟疾科学会议的代表合影。本文英文版作者屠呦呦在第二排,左数第四位。前排居中的是季钟朴教授,时任中国中医科学院院长,在本次会议中对青蒿素的疗效做了公开的评价。

四、超越青蒿素

考虑到化学稳定性,二氢青蒿素一开始并没有被有机化学家看作一种有用的治疗pin88拼搏体育app。在评估青蒿素的各类衍生化合物时,我们发现二氢青蒿素更加稳定并且比青蒿素的疗效好10倍。更重要的是,用二氢青蒿素治疗后,病人的疟疾复发率更低。通过酯化过 程向青蒿素分子加入一个羟基基团增加了开发更多的青蒿素衍生物的可能性。


我所在的研究小组后来将二氢青蒿素发展为一种新的pin88拼搏体育app。过去的十年中,我和我的同事们已经开展了用青蒿素和二氢青蒿素治疗其他疾病的研究。


在《青蒿素及其衍生物》一书中,我们总结了青蒿素的发现历史和我们对于青蒿素分子及其衍生物的研究成果。2005年,世界卫生组织宣布了青蒿素联合疗法。青蒿素联合疗法现在广泛被采用,拯救了很多生命,其中很多是非洲儿童。由于能够有效地遏制 疟原虫配子体细胞的活性,这种治疗方法显著地减轻了疟疾的症状。