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(xiàn)，與愛爾蘭醫(yī)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(yī)學(xué)獎。一時間，青蒿素成為大眾熟知的藥物之一。青蒿素是什么藥物？它是怎么來的？為什么青蒿素如此重要？下面我們就來介紹一下青蒿素的前世今生。
1 瘧疾
瘧疾（Malaria，中文俗稱打擺子、冷熱病、發(fā)瘧子）是一種會感染人類及其他動物的全球性寄生蟲傳染病，其病原瘧原蟲借由蚊子散播。瘧疾引起的典型癥狀有發(fā)熱、畏寒、疲倦、嘔吐和頭痛；在嚴(yán)重的病例中會引起黃疸、癲癇發(fā)作、昏迷或死亡。瘧疾普遍存在熱帶及亞熱帶地區(qū)位于赤道周圍的廣大帶狀區(qū)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(dá)43.8萬人死亡，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(shù)千年來古人嘗試了諸多途徑對治瘧疾，但成效寥寥。羅馬名醫(yī)蓋倫根據(jù)“四體液說”提出，瘧疾是體液不平衡所導(dǎo)致的，采用放血和催瀉療法即可治愈。然而，瘧疾本身就會導(dǎo)致貧血，簡單粗暴的放血只能讓病人死得更快。傳統(tǒng)中醫(yī)則認(rèn)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(chǔ)上，根據(jù)瘧疾證候的不同，分別結(jié)合和解表里、清熱保津、溫陽達(dá)邪、清心開竅、化濁開竅、補(bǔ)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的樹皮，金雞納樹生長于秘魯安第斯山脈的山坡上。秘魯原住民將樹皮入酒來治療發(fā)燒，后來發(fā)現(xiàn)它也能用來治療瘧疾。該療法在1640年左右由耶穌會傳入歐洲，并于1677年收錄至倫敦藥典中。直到1820年，樹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。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(xù)開發(fā)出來。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(xiàn)了抗藥性瘧疾；1980年代時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(xiàn)
1964年，越南戰(zhàn)爭爆發(fā)，當(dāng)時北越軍隊常出沒于山間叢林地區(qū)，而這一地區(qū)惡性瘧疾流行猖獗，且對奎寧及奎諾酮類抗瘧藥物如氯喹（chloroquine）等普遍具有耐藥性，平民與軍隊的患病人數(shù)猛增。美國投入巨額資金，篩選了20多萬種化合物，但沒有找到理想的藥物，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(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)《5·23 抗瘧計劃》的實施，其全稱為中國瘧疾研究協(xié)作項，代號為"523"。
1969年1月，屠呦呦以中醫(yī)研究院科研組長的身份，參加了“五二三項目”。此前，國內(nèi)其他科研人員已經(jīng)篩選了4萬多種抗瘧疾的化合物和中草藥，沒有令人滿意的結(jié)果。屠呦呦決定從系統(tǒng)整理歷代醫(yī)籍開始，也四處走訪老中醫(yī)，她整理了一個640多種包括青蒿在內(nèi)的草藥《抗瘧單驗訪集》。
但在最初的實驗中，青蒿的效果都不是最好的。屠呦呦曾在書中指出：“…復(fù)篩以前顯示有較高藥效的中藥，因為青蒿曾出現(xiàn)過68%的抑制率，后來對青蒿進(jìn)行復(fù)篩，發(fā)現(xiàn)結(jié)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(xiàn)，《肘后備急方·治寒熱諸瘧方》中的幾句話引起了她的注意：“青蒿一握，以水二升漬，絞取汁，盡服之。”原來青蒿里有青蒿汁，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，但我們沒有，當(dāng)時只有一個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，即樟腦冰點降低法，但重復(fù)性不好。”周維善說，“后來打聽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，再結(jié)合碳?xì)浞治鰯?shù)據(jù)把分子式確定下來，這是一個有15個碳原子、22個氫原子和5個氧原子組成的化合物，我們也證明它是一個倍半萜類化合物。”上海有機(jī)化學(xué)研究所周維善院士回憶道。
下一步就是通過對各種光譜數(shù)據(jù)的解讀，將各個結(jié)構(gòu)單元拼湊起來，也就是說，要憑借大腦將42個原子的結(jié)構(gòu)想象出來。問題是，42個原子有相當(dāng)多種可能的結(jié)構(gòu)，究竟哪一種是正確的結(jié)構(gòu)呢？這需要靠化學(xué)家的嘗試、直覺和想象。在質(zhì)譜的分析中，他們發(fā)現(xiàn)一個特殊的碎片峰M+32，這明顯說明分子中存在兩個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M+32峰，周院士課題組花了很多時間，查資料、與同事討論、與學(xué)生討論，但一直沒有頭緒。這時，有機(jī)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驗室來看看，也提出意見。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(yī)中藥座談會。在這個會上，梁曉天報告了另一種抗瘧藥鷹爪素的結(jié)構(gòu)中也有一個M+32峰值，首次宣布這個峰值是一個過氧基團(tuán)。李英將這個消息告訴了吳毓林，吳毓林又將它告訴周維善。“這時，我們就知道青蒿素中的這個峰也應(yīng)該是一個過氧基團(tuán)，并立即開始做實驗來證明。”周維善說。
周維善小組設(shè)計了一系列復(fù)雜的氧化和還原反應(yīng)，最終測定出青蒿素的結(jié)構(gòu)。這是一個罕見的含有過氧基團(tuán)的倍半萜內(nèi)酯結(jié)構(gòu)，而且，這個藥物的分子中不含氮，突破了60多年來西方學(xué)者對“抗瘧化學(xué)結(jié)構(gòu)不含氮(原子)就無效”的醫(yī)學(xué)觀念。青蒿素的結(jié)構(gòu)被寫進(jìn)有機(jī)化學(xué)合成的教科書中，奠定了今后所有青蒿素及其衍生藥物合成的基礎(chǔ)。
結(jié)構(gòu)測定的工作在1976年就基本結(jié)束了，因為衛(wèi)生部保密的要求，3年后，論文《青蒿素的結(jié)構(gòu)和反應(yīng)》才發(fā)表在1979年5月出版的《化學(xué)學(xué)報》上，但沒有申請專利。按照國際慣例，如此重要的藥物化學(xué)結(jié)構(gòu)應(yīng)該先申請專利、再發(fā)表論文。但是，由于歷史和體制的種種原因，當(dāng)時的中國沒有專利制度，從政府官員到科學(xué)家，基本上都沒有知識產(chǎn)權(quán)的概念。這是一個遺憾。
4 青蒿素的合成
青蒿素的結(jié)構(gòu)確定后，北京大學(xué)的有機(jī)化學(xué)家邢其毅教授對周維善說：“青蒿素結(jié)構(gòu)是確定了，但我還不能相信，你要把它合成出來，而且合成出來的物質(zhì)與天然產(chǎn)品一樣，我才能相信你的結(jié)構(gòu)是對的。” 其實，在青蒿素的結(jié)構(gòu)測定完成之時，周維善已經(jīng)考慮到了它的合成，他說：“因為這個結(jié)構(gòu)是根據(jù)光譜數(shù)據(jù)解讀出來的，也是由光譜數(shù)據(jù)證明的，還是一個相對構(gòu)型，究竟對不對，還需要通過實驗全合成了，證明對了，才能說這是青蒿素的絕對構(gòu)型，這才是最后的證明。”
1978年，全國科技大會制定的科技規(guī)劃中提出了青蒿素的全合成。作為結(jié)構(gòu)測定的主持單位，中國科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所承擔(dān)了該項任務(wù)，1979年初，周維善、許杏祥等組成攻關(guān)小組，開始了歷時5年的探索之路。許杏祥的加入應(yīng)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(jī)所的研究生，被分配到黃鳴龍的實驗室，成為黃鳴龍的最后一個弟子。
在青蒿素的全合成設(shè)計中，最關(guān)鍵的一步是如何加入過氧基團(tuán)，在試過多種方法后，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(xì)心努力，青蒿素的合成終于實現(xiàn)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，全組同志真是無比高興。但我們的工作還沒有完，要繼續(xù)完成雙氫青蒿酸的全合成，這樣才稱得上青蒿素的全合成。”
一年后，即1984年初，他們實現(xiàn)了青蒿素的全合成，他們的論文《青蒿素及其一類物結(jié)構(gòu)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(nèi)，青蒿素及其衍生品每年的銷售額約為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1000萬美元。青蒿素的國際市場控制權(quán)長期被西方藥企控制，中國在很長的一段時間里僅能通過提供原料藥來換取微薄的利潤。為什么中國自己發(fā)明的青蒿素會變成外國藥企的搖錢樹呢？這背后有著頗為復(fù)雜的歷史原因。
雖然屠呦呦領(lǐng)導(dǎo)的專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)專家也在進(jìn)行青蒿提取實驗，可能與青蒿素屬于同一物質(zhì)。當(dāng)時中蘇關(guān)系惡化，而且我國也沒有相關(guān)專利與知識產(chǎn)權(quán)法規(guī)，所以將研究成果發(fā)表是證明青蒿素是中國發(fā)現(xiàn)的唯一途徑。另一方面，想在國際市場上注冊和銷售青蒿素就必須通過世界衛(wèi)生組織的審核。而在上世紀(jì)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)量管理在短時間內(nèi)根本無法通過世界衛(wèi)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)隨時可能完成仿制，搶占專利和市場。
權(quán)衡之下，中國與跨國制藥巨頭瑞士諾華公司簽署專利開發(fā)許可協(xié)議，由諾華負(fù)責(zé)青蒿素類藥物復(fù)方蒿甲醚在國際上的研究和開發(fā)，這一協(xié)議，宣告中國放棄了復(fù)方蒿甲醚國際市場的銷售權(quán)，只是收取一定的專利使用費。諾華等企業(yè)銷售的青蒿類藥物，全球市場占有率在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年就獲得中國一類新藥的第一號證書，但因當(dāng)時沒有一家中國制藥公司符合世衛(wèi)藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范，也遲遲未能進(jìn)入國際市場。2003年，復(fù)星醫(yī)藥收購桂林南藥，看到了這種藥物的國際價值，花了近3年時間對青蒿素類產(chǎn)品進(jìn)行改造，進(jìn)入了艱難而嚴(yán)格的世界衛(wèi)生組織認(rèn)證過程中。直到2005年底，桂林制藥才獲得世界衛(wèi)生組織預(yù)供應(yīng)商的資格認(rèn)證。
6 青蒿素對瘧原蟲的作用機(jī)制
青蒿素?zé)o論在體內(nèi)和體外的實驗中均對瘧疾有很好的殺滅效果。羅丹等 2014 年在《中國醫(yī)學(xué)創(chuàng)新》雜志發(fā)表文章，綜述了青蒿素抗瘧疾的機(jī)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(jié)構(gòu)中的過氧橋這一基團(tuán)是抗瘧作用中最重要的結(jié)構(gòu)。改變過氧基團(tuán)，青蒿素的抗瘧作用消失。青蒿素在體內(nèi)活化后產(chǎn)生自由基，繼而氧化性自由基與瘧原蟲蛋白絡(luò)合形成共價鍵，使蛋白失去功能導(dǎo)致瘧原蟲死亡。另一種觀點認(rèn)為青蒿素轉(zhuǎn)化為碳自由基發(fā)揮烷化作用是瘧原蟲的蛋白烷基化。目前這一觀點被廣泛認(rèn)可。
(2) 對紅內(nèi)期瘧原蟲的直接殺滅作用
青蒿素選擇性殺滅紅內(nèi)期瘧原蟲是通過影響表膜-線粒體的功能，阻斷宿主紅細(xì)胞為其提供營養(yǎng)，從而達(dá)到抗瘧的目的。同時青蒿素對瘧原蟲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(qiáng)大而特異的抑制效果。PfATP6 是惡性瘧原蟲基因組中唯一一類肌漿網(wǎng)/內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣 ATP 酶（sarco/endoplasmicreticulum calcium ATPase，SERCA）。青蒿素抑PfATP6，使瘧原蟲胞漿內(nèi)鈣離子濃度升高，引起細(xì)胞凋亡，從而發(fā)揮抗瘧作用。
7 結(jié)語
上世紀(jì) 60 年代抗瘧藥耐藥性首次成為一項全球性問題，當(dāng)時瘧原蟲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情地席卷全球，迫使公共衛(wèi)生官員不得不尋找抵抗瘧疾的新方法。青蒿素的發(fā)現(xiàn)，為世界帶來了一種全新的抗瘧藥。如今，以青蒿素為基礎(chǔ)的聯(lián)合療法（ACT）是世界衛(wèi)生組織推薦的瘧疾治療的最佳療法，挽救了全球數(shù)百萬人的生命。
然而有報道稱早在 2003 年和 2004 年，首例以青蒿素為基礎(chǔ)的綜合療法的耐藥性案例就在泰國柬埔寨邊界出現(xiàn)。過去十年里，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(qū)的越來越多患者中失效。正如屠呦呦所言：“一旦瘧原蟲對青蒿素聯(lián)合療法產(chǎn)生抗藥性，瘧疾將無藥可治，人類勢必遭遇一場浩劫。”人類的抗瘧之路，仍然任重道遠(yuǎn)。
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