疟疾克星青蒿素的前世今生

作者：张田勘
来源：中国医药报
2015-10-09 09:25

　　2015年10月5日北京时间17时30分，瑞典卡罗琳医学院在斯德哥尔摩宣布将2015年诺贝尔生理学或医学奖授予中国女药学家屠呦呦，以及爱尔兰的威廉·坎贝尔和日本的大村智，表彰他们在寄生虫疾病治疗研究方面取得的成就。

　　在获悉自己获得今年的诺贝尔生理学或医学奖后，屠呦呦称：“青蒿素是传统中医药送给世界人民的礼物，对防治疟疾等传染性疾病、维护世界人民健康具有重要意义。青蒿素的发现是集体发掘中药的成功范例，由此获奖是中国科学事业、中医中药走向世界的一个荣誉。”

　　早在2011年，屠呦呦就获得拉斯克奖，获奖理由是“因为发现青蒿素———一种用于治疗疟疾的药物，挽救了全球特别是发展中国家的数百万人的生命。”由于获得拉斯克奖的科学家很多也会获得诺贝尔奖，因此该奖被视为诺贝尔奖的风向标。如今，历史再一次验证了这种猜测。

　　疟疾与人类相伴

　　疟疾在热带和亚热带地区是常见病，中国就是一个饱受疟疾侵扰的国家。人患疟疾后会产生周期性高烧和寒战的症状，俗称“打摆子”。中国古人把疟疾称为“烟瘴”，认为是飘浮的雾气导致人们中毒。

　　1880年，在阿尔及利亚工作的法国医生夏尔·路易·阿方斯·拉韦朗在疟疾患者体内发现了一种单细胞寄生虫，并确定它是导致疟疾的直接原因，这种致病原便是疟原虫。为此，拉韦朗获得了1907年的诺贝尔生理学或医学奖。1897年，英国医生罗纳德·罗斯证明疟疾是由蚊子传播给人的，为此他获得1902年诺贝尔生理学或医学奖。

　　这两项发现已经奠定了人类抗击疟疾的基础。疟原虫是跨宿主成长的病原虫。它在脊椎动物体内进行无性繁殖，再到蚊子体内发育到性成熟阶段，进行有性生殖。迄今人们发现了4种疟原虫，其中最常见最有代表性的是恶性疟原虫。疟疾由称为按蚊的雌蚊传播，公蚊以植物汁液为生，与疟疾没有关系。

　　人被按蚊的雌蚊叮咬之后5～10分钟，疟原虫孢子就会到达人体肝脏，既可躲过人体免疫系统的攻击，又可利用肝细胞的营养来大量分裂繁殖。约一星期之后，疟原虫孢子胀破肝细胞逸出，把数以百万计的新孢子释放入血液。新孢子马上入侵红细胞，再次逃过免疫系统的追杀。它们以血红蛋白为食，继续繁殖，大概两天后破坏红细胞，产生更多的孢子入侵其他红细胞。如此往复，不久患者2/3的红细胞被疟原虫占领。而疟原虫在血液里的这种周期性的繁殖过程便导致患者三天两头地发高烧、打寒战。

　　此外，一些孢子在红细胞里发育成大小不同的雌雄细胞，蚊子叮咬患者时，雌雄细胞就进入蚊子体内，在蚊子的消化道里生存，发育成熟、彼此结合，进行有性繁殖。两个星期之后，新产生的孢子进入蚊子的唾液腺，在蚊子叮咬其他人时，把疟原虫孢子传播给他人。这就形成了疟疾传播的传染链。人和蚊子是疟原虫在生命不同阶段两个必不可少的宿主。

　　人被含有疟原虫孢子的蚊子叮咬后9～14天就可表现出疟疾症状，除了忽热忽冷，还会头痛、呕吐，有点像感冒。如果不进行治疗，感染很快就会加重并危及生命，因为疟原虫会通过破坏红细胞导致严重贫血或损坏重要器官，比如堵塞向脑部输送血液的毛细血管。

　　受到美洲部落金鸡纳树皮可以治疗疟疾的启发，1826年法国药师佩雷蒂尔和卡文顿从金鸡纳树皮中提取出了治疗疟疾的药物——奎宁，这是人类的第一个治疗疟疾的西药。由于疟原虫对奎宁产生了抗药性，后来又产生了另一些新药，如氯喹和乙胺嘧啶等药物。

　　青蒿素的发现和提炼

　　然而，由于疟原虫陆续对氯喹和乙胺嘧啶等药物产生了抗药性，研发其他更有效的药物就成为战胜疟疾的另一种选择。青蒿素正是人类挑选的迄今为止最有效的抗疟疾药物。中国人对青蒿的认识由来已久。早在公元前2世纪，中国先秦医方书《五十二病方》已经对植物青蒿有所记载。公元前340年，东晋的葛洪在其撰写的中医方剂《肘后备急方》一书中，首次描述了青蒿的退热功能。而李时珍的《本草纲目》则明确说明青蒿能“治疟疾寒热”。青蒿在中国民间又称作臭蒿和苦蒿，属菊科一年生草本植物。《诗经》中的“呦呦鹿鸣，食野之蒿”中所指之物即为青蒿。

　　由于疟原虫对传统的抗疟药奎宁产生了抗药性，1967年中国开展了一项集中全国科技力量联合研发抗疟新药的大项目，该项目的启动日期是5月23日，因此被命名为“523项目”。参与这项研究的有国内60多个单位、500名科研人员。1969年1月21日，屠呦呦以中医研究院科研组长的身份，参加了“523项目”。

　　在此之前，国内其他科研人员已经筛选了4万多种抗疟疾的化合物和中草药，但却没有筛选出一种满意的药物。于是，屠呦呦等人开始系统整理历代医籍，并四处走访老中医，最后整理出了一个包括青蒿在内的640多种草药的《抗疟单验访集》。

　　不过，在第一轮的药物筛选和实验中，青蒿提取物对疟疾的抑制率只有68%，还不如胡椒的抗疟效果。同时，其他科研人员及单位汇集到“523”办公室的资料里，对青蒿的抗疟效果的结论也不是最好。后来，在第二轮的药物筛选和实验中，青蒿的抗疟效果甚至降到只有12%。在相当长的一段时间里，青蒿并没有引起大家的重视。

　　发现青蒿的价值其实需要慧眼。屠呦呦再次翻阅古代文献查到《肘后备急方·治寒热诸疟方》有几句话：“青蒿一握，以水二升渍，绞取汁，尽服之。”是否鲜青蒿汁才具有强大的抗疟效果呢？而且，这一记述与传统的中药煎熬后服用有很大的不同。煎熬后的中药经过了高温，是不是高温破坏了鲜青蒿汁的抗疟效果？

　　带着这些疑问，屠呦呦与研究组的研究人员用实验来验证，改用以沸点在60摄氏度下的乙醚制取青蒿提取物。1971年10月4日，经过第191次实验，屠呦呦在实验室观察到青蒿提取物对鼠疟、猴疟疟原虫的抑制率达到了100%。这意味着实验检验了科学假说，只有从低温提取出的鲜青蒿汁才具有强大的抗疟功能。

　　现代实验科学的进一步验证

　　屠呦呦提取的鲜青蒿汁被命名为青蒿素。证明低温下提取的青蒿素具有强大的抗疟功能只是青蒿素研究的重大的第一步。至于青蒿素为何有如此强大的抗疟功能，还需要更多的研究来阐明。例如，青蒿素的分子结构是什么，分子量是多少，是否可以人工合成，其杀灭疟原虫的作用原理是什么等等，都需要弄明白。通过现代实验科学，中国的其他研究人员逐步解开了这些谜团。

　　1973年初，北京中药研究所获得青蒿素的结晶，希望有机化学家能解开其结构和抗疟原虫之谜。这个接力棒交到了中国科学院上海有机化学研究所的周维善院士之手，由他带领的研究组进行了青蒿素结构测定和人工全合成。

　　周维善小组采用科学仪器，如高分辨率质谱仪等，经过反复研究和测定，认定青蒿素是一个有15个碳原子、22个氢原子和5个氧原子组成的化合物（分子式为C15H22O5），它是一个倍半萜类化合物，含有过氧基团的倍半萜内酯结构，且分子中不含氮。这证明西方学者提出的“抗疟化学结构不含氮(原子)就无效”的药学观念是错误的。青蒿素的结构测定工作在1976年结束，1979年5月出版的《化学学报》发表了研究人员的论文《青蒿素的结构和反应》。

　　1979年，周维善研究小组又开始了青蒿素的全合成研究。这是检验青蒿素是否存在，其结构是否真实的更重要的深层次研究，因为此前的结构是根据光谱数据解读出来的，还需要全合成来检验。

　　经过5年的潜心研究，1984年初，研究组实现了青蒿素的全合成，合成的青蒿素与天然青蒿素完全一致。随后，研究论文《青蒿素及其一类物结构和合成的研究》发表在1984年第42期的《化学学报》上。1977年，青蒿素项目在全国科学大会上获重大成果奖，1987年，青蒿素全合成成果获国家自然科学奖二等奖。

　　抗疟药原理各有不同

　　在青蒿素之前已经有奎宁、氯喹和乙胺嘧啶等药物，它们的抗疟作用各有特点。奎宁对各种疟原虫的红细胞内期滋养体有杀灭作用，因而能控制临床症状。氯喹的作用原理比较复杂。临床药理学研究发现，应用氯喹后，疟原虫溶酶体内药物的含量高出宿主溶酶体千倍以上，由此认为疟原虫有浓集氯喹的特异机制。而且，氯喹可抑制疟原虫的分裂繁殖。此外，氯喹为弱碱性药物，大量进入疟原虫体内，可使其细胞液的pH值增大，干扰疟原虫的繁殖。

　　乙胺嘧啶则对恶性疟和间日疟的原发性红细胞外期有抑制作用，它能阻止疟原虫在蚊体内的孢子增殖，起控制传播的作用；还可抑制疟原虫红细胞内期的未成熟裂殖体，用于控制耐氯喹的恶性疟症状发作，但生效较慢；也可以抑制疟原虫的二氢叶酸还原酶，阻碍核酸的合成。常与二氢叶酸合成酶抑制剂磺胺类或砜类合用以增强疗效，用于治疗耐氯喹的恶性疟。

　　然而，青蒿素的抗疟原理与之前的抗疟药有明显不同。尽管现在对青蒿素的作用原理还不是完全了解，但已有的一些研究能初步明了青蒿素的抗疟作用。

　　青蒿素的特点在于快速抑制原虫成熟。体外实验表明，青蒿素可明显抑制恶性疟原虫无性体的生长，有直接杀伤作用。而且，青蒿素的效果相当于氯喹的1.13～1.16倍。对源自青蒿素的一些药物进行研究发现，在青蒿素、蒿甲醚及青蒿酯钠的抗疟效应中，青蒿酯钠效果最好，为氯喹的16倍，为青蒿素的14.3倍，青蒿素和蒿甲醚的抗疟效果与氯喹相近。

　　青蒿素主要作用于疟原虫的膜系结构。它首先作用于疟原虫的食物泡、表膜、线粒体，然后是核膜、内质网、核内染色物质等。由于能干扰疟原虫表膜和线粒体的功能，就能阻止疟原虫的消化酶分解宿主的血红蛋白成为氨基酸，后者是疟原虫的食粮。疟原虫无法得到食粮，很快就产生氨基酸饥饿，迅速形成自噬泡，并不断排出虫体外，使疟原虫损失大量胞浆。结果导致虫体瓦解并死亡。体外培养的恶性疟原虫对氚标记的异亮氨酸的摄入情况也显示青蒿素的抗疟作用方式可能是抑制原虫蛋白合成。

　　而青蒿酯钠进入人体内后通过还原青蒿素来抑制疟原虫表膜-食物泡膜、线粒体膜系细胞色素氧化酶的功能，从而阻断以宿主红细胞胞浆为营养的供应。因此，青蒿素的抗疟原理既不同于奎宁、氯喹那样使疟原虫DNA受抑制以干扰疟原虫的繁殖，也不同于乙胺嘧啶、磺胺类药物那样干扰疟原虫的叶酸代谢来杀灭疟原虫，而是抑制疟原虫表膜-食物泡膜、线粒体膜系细胞色素氧化酶的功能，直接杀灭疟原虫。

　　综合性防治疟疾效果最好

　　尽管青蒿素有强大的抗疟功能，但也有其局限性。例如，青蒿素对疟原虫红细胞内期有杀灭作用，但对红细胞外期和红细胞前期无效。青蒿素亦可诱发疟原虫的抗药性，但比氯喹慢得多。

　　尽管目前全球各地使用青蒿素为基础用以治疗疟疾的联合疗法疗效仍能达到90%以上，但世界卫生组织已确认，近几年在柬埔寨及泰国边境地区已出现了疟原虫的青蒿素耐药性，因此提出各国必须对刚刚出现的青蒿素耐药性现象迅速采取遏制行动。2011年1月12日，世界卫生组织在日内瓦发出一份题为《遏制青蒿素耐药性全球计划》的行动纲领，希望各国采取五项行动。一是遏制耐药疟原虫的传播；二是加强对青蒿素耐药性的监督和监测；三是规范采取以青蒿素为基础的联合疗法在临床实践中的实施办法；四是加强对青蒿素耐药性的相关研究；五是调动资源与激励行动。

　　相比治疗，预防则更为经济和有效。室内残留喷洒DDT是目前对付疟疾的最有效工具之一，每家只要喷洒5美元的药就足够了。而长效杀虫蚊帐每顶也只需5美元，并且在5年之内不需要重新浸药。疟疾对穷人的影响最大，80%的疟疾都发生在非洲撒哈拉沙漠以南的世界上最贫困的20%人口中，使用杀虫蚊帐和DDT室内残留喷洒对这些穷人是最有效的预防疟疾手段。因此，药物治疗，包括青蒿素的应用只是与多项预防方式结合的一种用药方式。如果不采用室内残留喷洒DDT和使用长效杀虫蚊帐等预防措施，青蒿素等药物再强大有效，也不可能完全抵御疟疾。

　　所以，对待疟疾，最好的方法是综合性防治。