English

• 

  20世纪70年代，以我国学者屠呦呦为负责人的科研团队发现了青蒿素，经临床验证青蒿素为可用于治疗恶性疟疾的一种新型化合物，从而挽救了全球几百万人的生命。2011年9月，屠呦呦获得拉斯克医学奖(2011年度)，2011年11月，屠呦呦获得中国中医科学院杰出贡献奖。时隔4年之后，2015年10月5日，瑞典卡罗琳医学院宣布，屠呦呦与另外2名海外科学家分享当年的诺贝尔生理学或医学奖^[1]。至此，屠呦呦成为华人世界里首位在该奖项获此殊荣的科学家，并成为本土培养的第一位诺贝尔自然科学奖得主，在中国乃至世界医药化学发展史上写下了光辉的一页。因此，作为新中国历史上第一个一类新药的青蒿素也可称为2015年度科学界的“明星”分子。

  1   青蒿素作为抗疟药的发展历程

  青蒿，亦称香蒿、香青蒿，菊科，2年生草本植物，中国东北至西南各地都有分布，朝鲜半岛、日本也产。青蒿为我国宝贵科学文化遗产——中医药学方剂中的常用中药。青蒿资源属于中国具有优势的药材资源，中药青蒿具有多种功效，在我国有超过2000年的沿用历史。青蒿入药最早见于从公元前168年建造的马王堆三号汉墓出土的帛书《五十二病方》，其后在《神农本草经》 《 大观本草》及《本草纲目》等均有收录^[2-4]。我国现有最早的中药学文献——《神农本草经》将草蒿称为青蒿的别名，青蒿为清热解暑药，在历代本草中均有记载其功用。有关青蒿抗疟的记载，最早出现在东晋葛洪所著医药学著作《肘后备急方》中，以后的许多医药学著作中都有记载，民间亦有应用^[3]。到了近代，已经有不少含有青蒿的中成药出现，而由于其在抗疟方面的突出效果，青蒿已成为一味著名中药，针对青蒿的栽培、组织培养、育种、代谢工程、生物合成基因调控等研究一直是热点科学领域^[4]。

  1.1   研究起因和初始研究

  20世纪60年代,越战期间,部队常出没于山间丛林地区,当时恶性疟疾流行猖獗,并且对常规抗疟药物(如氯喹等)出现了耐药性，恶性疟疾患者人数猛增^[5]。致使大量疟疾患者陷入无药可治的境地^[4]。针对这种状况，世界各地的科研人员针对抗疟药开展了大量工作，仅美国为发展新型抗疟药所研究的化合物就高达30万种；然而，所有这些研究并没有给疟疾患者带来新的有效药物。自1964年起，我国即开展了抗疟研究。1967年5月23日，“全国疟疾防治研究领导小组办公室”(简称全国“523”办公室)在北京成立,统一领导“5·23抗疟计划”的实施,努力研发抗疟新药,向耐药型恶性疟疾“宣战”，而青蒿抗疟研究项目是1969年才加入“523”项目：在全国“523”办公室动员下，原卫生部中医研究院(现为中国中医科学院)在1969年1月21日参加了抗疟药研究的项目。原卫生部中医研究院接受任务后，组建了以屠呦呦为组长的抗疟药课题组，该课题组通过收集整理历代医药学文献，结合民间验方与名医献方，耗时3个月整理汇编成验方集(以640余个方药为主)；该方集汇编中已经包含青蒿的相关内容，从此中药青蒿成为“523”项目的研究内容之一，针对青蒿抗疟的研究在国内的多个单位开展^[3]。

  1.2   小有成绩：发现抗疟“有效部位”

  抗疟药课题组在前期工作的基础上开展了以鼠疟动物模型筛选中药的研究工作。在1969年到1970年期间，课题组重点研究了超过200种方药(如胡椒、辣椒、锑制剂等，也做过青蒿)的抗疟作用，然而实验结果并不理想。从1971年7月开始，课题负责人屠呦呦重新组建了一个4人抗疟药科研小组，多方面开拓研究思路制备样品，开展药效筛选实验研究。在文献《肘后备急方》的启示下，采用低沸点溶剂(乙醚)冷浸青蒿制备的样品具有对鼠疟原虫100％的抑制率，并与其后开展的猴疟药效结果相一致。1972年3月8日，课题负责人屠呦呦在全国疟疾防治药物专业会议上汇报了上述实验结果。随后，全国“523”办公室要求当年开展临床观察实验研究。抗疟药课题组在开展安全性试服后，在海南昌江疟区现场，共验证21例病例；临床实验结果表明：青蒿提取物能使患者退烧，并且大幅度杀灭疟原虫至转阴，疗效优于氯喹。随后，课题组又在北京302医院验证9例病例，结果也表明青蒿提取物具有良好的疗效。1972年11月，课题负责人屠呦呦报告了使用青蒿提取物治疗上述30例疟疾患者全部有效的实验总结；从此，全国范围内的青蒿抗疟“有效部位”的研究高潮开始出现^[3-4]。

  1.3   抗疟“皇冠”上的明珠：青蒿素

  抗疟药课题组在获得青蒿“有效部位”后，随即开展了分离有效成分的工作。经动物实验药效筛选，在1972年11月获得一种通过鼠疟筛选有效的物质，该物质的熔程比较短(156～157 ℃，初步可推测为单一化合物)，使用该化合物50～100 mg/kg可使原虫转阴。随后，课题组逐步开展了动物安全性实验、人体试服实验，并于1973年8月继续在海南昌江疟区进行临床实验，但效果不够理想。经仔细分析试验过程细节，发现原因是由于制剂问题，改用原粉胶囊进行3例临床实验，发现总剂量为3～3.5 ｇ时全部有效；临床实验结果表明，所用原粉单体即为青蒿中抗疟有效成分。课题组把青蒿有效单体抗疟药的实验结果向 “523”办公室进行汇报；随后，“疟疾防治药物(包括化学合成)研究专业会议”召开，课题负责人屠呦呦汇报了青蒿有效单体的抗疟研究的相关结果，会议后将青蒿中抗疟有效成分命名为“青蒿素”^[3-4]。

  2   青蒿素作为化合物的研究状况

  2.1   提取工艺

  从公开发表的文献来看，远在我国发现青蒿素之前的1936年，已经有学者对青蒿中的化学成分开展了提取工作，经过几十年的研究，人们已经发现青蒿中存在挥发油、香豆素、烯炔化合物、倍半菇内酯以及万寿菊黄素^[6]。然而，在我国“523”项目开展初期，对是否研究青蒿亦出现过反复：“复筛以前显示有较高药效的中药，因为青蒿曾出现过68%的抑制率，后来对青蒿进行复筛，发现结果不好，只有40%甚至12%的抑制率，于是又放弃了青蒿”^{[3, 7]}。屠呦呦的著作中提到：在仔细分析《肘后备急方》中将青蒿“绞汁”用药的经验，悟及可能青蒿中的有效成分忌高温或酶解等性质，改用沸点比乙醇低的乙醚提取，经多次实验，才最终分离获得的对鼠疟原虫的抑制率为100%的样品^{[3, 7]}。而根据南京会议上的报告内容：1971年7月，小组科研人员初步筛选了中草药单、复方一百多种，青蒿也在其中。先是用水煎青蒿发现无效，而采用95%乙醇所得提取物的效价仅为30%~40%；在后续的试验过程中，改用乙醚进行提取，所得提取物的动物效价达到95%以上，同时对乙醇提取物进行对比分析，认为乙醇提取物的杂质较多，从而影响其效价^[7]。改用乙醚提取工艺的创造思想，到底是来源于考虑低温还是考虑亲脂部位，或是因为从《肘后备急方》中看到还是从“本草和民间”的“绞汁”得到启发，现无法确定。然而，改用乙醚或乙醇提取的基本原因比较明确，即研究人员从古代文献上的“绞汁”而想到有效成分可能在亲脂部位这个思路^[7]。从青蒿素提取工艺可以看出，由于青蒿素不溶于水，并且对热不稳定，所以采用传统的中药提取溶剂水和乙醇(沸点78 ℃)会出现要么提取不出来要么所得化合物变质，导致其疗效不稳定；而改用沸点较低的乙醚(沸点35 ℃)低温下则可提取成功。

  2.2   结构分析

  最早，钟裕蓉采用硅胶柱对抽提物进行层析，于1972年11月8日成功分离出无色针形结晶青蒿素₂^[7]。获得青蒿抗疟有效单体后，课题组即着手其化学结构分析工作。元素分析结果表明，单体结构中只有C、H、O元素，没有通常所用抗疟药所必含有的N元素。课题组在林启寿教授的协助下，初步确定单体的相对分子质量为282，分子式为C₁₅H₂₂O₅，属于一种倍半萜类化合物。限于科研组在分子结构分析方面的条件，要想尽快确定青蒿素的结构，需要与有关单位合作；1974年1月，课题组与以周维善为代表的中科院上海有机所开展合作，共同进行了青蒿素结构鉴定工作^[3-4]。同时，在1974年后期与中科院生物物理所合作，采用X衍射方法开展了青蒿素晶体结构分析工作，并于1975年11月在梁晓天教授协助下确定了青蒿素的结构(图 1)；1976年1月27日，由李鹏飞作X衍射方法确定青蒿素化学结构的报告，周维善、吴毓林、吴照华等均与会并确认^[3]。经上级批准(项目内容为保密级别)，课题组将研究结果投稿到《科学通报》，在1977年第3期上发表；题目为《一种新型的倍半萜内酯——青蒿素》^[8]。随后，课题组就“青蒿素的结构与反应”与上海有机所协作，在期刊杂志《化学学报》介绍了具体研究内容^[6]，文章长达15页，详细介绍了青蒿素分子的化学结构和绝对构型(结构式见图 1)、化学性质以及青蒿素晶体的结晶学参数(晶体属正交晶系，其空间群D⁴为D_2-⁴P2₁ 2₁ 2₁，晶胞中含4个分子，晶胞参数a=24.098 Å，b=9.468 Å，c=6.399 Å ^[6])。

  图 1  青蒿素的化学结构式^[6] Figure 1.  Chemical structure of arteannuin^[6]

  图选项

  下载全尺寸图像

  下载幻灯片

  在我国有关青蒿素的成果发表 6年以后，化学领域著名期刊杂志Journal of the American Chemical Society 首先报道了欧洲科学家完成青蒿素全合成的研究工作^[9]。随后，我国科学家也于1984年完成青蒿素全合成的研究工作^[10]。这些工作进一步确认了青蒿素的化学结构。需要指出，有关青蒿素类化合物的分析测试方面，赵世善、曾美怡等学者也做了较多的工作，有关青蒿素类化合物的药效、药代、毒理研究方面，全国的许多科研人员都做了较多的工作，这些都为青蒿素类药物的开发成功奠定了基础^[3]。

  2.3   后续研究

  抗疟药课题组在分析青蒿素结构的过程中，经硼氢化钠还原后得到了双氢青蒿素(1973年)；随后为了进一步探讨青蒿素类化合物的抗疟构效关系，课题组制备了双氢青蒿素的多种衍生物；研究结果表明：分子中的过氧官能团是主要抗疟活性基团，若保留过氧官能团，则把内酯环的羰基还原成羟基可以明显提高抗疟效果，而对羟基进行化学修饰，获得具有侧链的衍生物，抗疟效果要高于青蒿素；1975年，屠呦呦课题组在全国抗疟药协作会议上报道了抗疟药青蒿素的构效关系规律，促进了全国乃至全世界范围内青蒿素衍生物的研究^{[3, 4]}。1989-1997年，中国、美国、泰国等的研究人员相继报道多种具有较高活性的青蒿素类似物^[11]。

  1986年，中国中医科学院中药研究所成功申报青蒿素为中国第一个新药；1987年，中国科学院上海药物所、昆明制药厂申报蒿甲醚，桂林制药厂于1987年申报青蒿琥酯；历经7年研究，屠呦呦课题组在1992年将双氢青蒿素开发成一类新药生产并上市销售；蒿甲醚、青蒿琥酯与双氢青蒿素等青蒿素类药物曾在国际抗疟市场上发挥重要作用；进入21世纪，荷兰ARTECEF Zeewolde公司研制成功蒿乙醚；美国研制的Sodium Artelinate未见上市报道^[4]。2011年，国际著名学者Miller对青蒿素抗疟研究进展进行综述，认为：结合青蒿素类药物的高效作用的特点、疟疾发病情况以及可能产生的抗药性,应提倡采用青蒿素类复方药来治愈疟疾^[12]。

  3   总结与感悟

  青蒿素的研究过程的原理看似简单，但其成功并非一帆风顺，这是屠呦呦通过190次失败实验换来的成果^[13]。作为2015年度“明星”分子，青蒿素类化合物是世界抗疟药研究史上继喹啉类药物之后又一重要里程碑^[4]。美国著名高校斯坦福大学的Shapiro教授这样评价：以屠呦呦为代表的科研人员从中国传统医学中为世界带来了青蒿素类药物，挽救了全世界数百万疟疾患者的生命，展现了中国科学家的学术精神和创新能力^[4]。青蒿素相关研究的科学发展史留给我们如下启示^[5]：普通的科技人员即使在条件有限的情况下，通过不懈的努力也能做出一流的成就。

• 1. [1]

     张笑,梅进,赵河雨. 屠呦呦获2015年诺贝尔生理学或医学奖[EB/OL].[2015-10-05]. http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2015/10/328115.shtm

  2. [2]

     刘春朝,王玉春,欧阳藩等. 化学进展,1999,11(1):41-48 http://www.progchem.ac.cn/CN/abstract/abstract8518.shtml

  3. [3]

     屠呦呦.青蒿及青蒿素类药物. 北京:化学工业出版社,2009:1-56

  4. [4]

     王满元.自然杂志,2012,34(1):44-47 http://www.oalib.com/references/17412043

  5. [5]

     卢义钦.生命科学研究,2012,16(3):260-265

  6. [6]

     刘静明,倪慕云,樊菊芬,等.化学学报,1979,37(2):129-143

  7. [7]

     黎润红,饶毅,张大庆.自然辩证法通讯,2013(1):107-121

  8. [8]

     青蒿素结构研究协作组.科学通报,1977(3):142-142

  9. [9]

     Schmid G, Hofheinz W. J. Am. Chem. Soc., 1983, 105(3):624-625

  10. [10]

      许杏祥,朱杰,黄大中,等.化学学报,1984(9):940-942 http://cn.bing.com/academic/profile?id=2423358062&encoded=0&v=paper_preview&mkt=zh-cn

  11. [11]

      冷元红, 万莉, 袁萍,等.化学教育,2013,34(7):6-9 http://www.hxjy.org/CN/abstract/abstract347.shtml

  12. [12]

      Miller Louis H, Su Xinzhuan. Cell, 2011, 146(6):855-858 http://cn.bing.com/academic/profile?id=2017640872&encoded=0&v=paper_preview&mkt=zh-cn

  13. [13]

      熊言林,曹玉宁.化学教育,2013,34(2):4-5 http://www.hxjy.org/CN/abstract/abstract205.shtml

• 

  图 1  青蒿素的化学结构式^[6]

  Figure 1  Chemical structure of arteannuin^[6]

  下载: 全尺寸图片 幻灯片
•