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不朽的青霉素:战争中生出的「蔷薇」|Dr.Why

2018-06-22  微笑如酒

1940年9月的一天,48岁的牛津警察局长,阿尔伯特·亚历山大(Albert Alexander),像往常一样在自己的花园里修剪玫瑰花,结果一不小心被玫瑰花刺刺伤了自己的脸。没想到这看似不起眼的伤口,却很快在亚历山大的脸上肿了起来,随之蔓延到了眼睛和头部


之后,亚历山大被紧急送往医院。在注射了大量的磺胺类药物后,亚历山大的病情并没有控制下来而是继续恶化,并最终导致了肺部和肩部的脓肿

幸运的是,几天后,这一消息传到了正在进行青霉素试验的霍华德·弗洛里( Howard Florey)的耳朵里。在了解了具体情况后,弗洛里便跑去亚历山大所在的拉德克利医院,问那里的医生,是否可以试试他最新提取出来的青霉素。当时,他的青霉素已经在老鼠身上进行了试验并取得了成功


不知道是抱着病急乱投医的态度,还是死马当活马医的决心,亚历山大的家人当即就同意了。接下来,医生们开始了青霉素的试探性治疗。

在接连注射了几天的青霉素后,亚历山大的病情开始逐渐好转。但遗憾的是,这一现象只持续了5天的时间。5天后因为青霉素的耗尽,亚历山大的病情又很快复发,几周之后,便离开了人世[1]。


就这样,看似幸运又不幸运的亚历山大,成为了青霉素临床试验的第一人。(说来也甚是有趣,发现青霉素的也叫亚历山大,不过他姓弗莱明……)


但其实历史上关于青霉素的使用,可以说在很早以前就有了。两千多年前,聪明的古埃及人用发霉的食物或土壤来治疗伤口;在唐朝,长安城的裁缝会把长有绿毛的糨糊,涂在被剪刀划破的手指上来帮助伤口愈合[2]······

现在再次提起青霉素,多少觉得有点亲切感,不是因为用的太多而是听的太多,名字虽然并不陌生但故事却鲜为人知。青霉素的出现,可以说开创了用抗生素治疗疾病的新纪元!这种在战争中诞生的 “救命药”,能称得上二战时期最伟大的发明。


意外的发现


1914年,第一次世界大战爆发,战争的残酷带走了许多年轻士兵的生命。当时,身为陆军医疗队长的苏格兰微生物学家,亚历山大·弗莱明(Alexander Fleming),在救援期间发现,士兵的死亡并非完全因为战伤,有些是因为无法控制的伤口感染


尽管,当时有普遍用于防治伤口感染的核黄素,但其效果往往都不尽人意。一般情况下核黄素只对表面细菌感染有效,而对伤口内部感染无效。在目睹了太多伤员因为细菌感染,最终死于败血症后,弗莱明暗下决心:一定要找到一种新药来消灭这些细菌!


于是,战争结束后,弗莱明回到了圣玛丽医院细菌实验室工作。1928年,弗莱明便开始了对葡萄球菌的研究,这是一种存在广泛且危害极其严重的细菌,大多情况下的伤口感染化脓,都是因为它在作怪。



为了对付这个“小妖精”,弗莱明几乎尝试了各种药物,但结果都大失所望。几经挫败后的弗莱明决定先陪家人出去度个假,顺便也让自己换个心情。

一个月后,弗莱明像往常一样,回到了那凌乱不堪的实验室。或许他怎么也没有想到,从迈进实验室的那一刻开始,他将会成为一个诺奖得主!


当弗莱明踱到窗台附近时,窗台上的一个培养皿立即引起了他的注意:那个原本贴着葡萄球菌标签的培养皿里,竟然长出了一团青色的霉菌!


仔细观察后,弗莱明发现了一个更加有趣的现象:在青色霉菌的周围,有一圈空白的区域,原来生长在那里的葡萄球菌莫名地消失了


与弗莱明一起回到实验室的一个助理,对这种现象却不以为意:顶多就是葡萄球菌被污染了而已,扔掉就是了,何必大惊小怪呢?


但一个能得诺贝尔奖的人,势必会跟普通人不一样,敏锐的弗莱明立即意识到这也许就是葡萄球菌的克星[3]!


激动的弗莱明立即把这个培养皿放在显微镜下,开始了近距离的观察。果不其然,青色霉菌的周围,确实没有了葡萄球菌的身影!


这一发现更加坚定了弗莱明的想法,既然青色霉菌是葡萄球菌的克星,那会不会也能杀死其他细菌呢?

Alexander Fleming

于是,弗莱明开始了他的实验。首先,他把青色霉菌转移到另一个培养皿上,对其进行培养。随后,弗莱明将不同的细菌,放到长有青色霉菌的培养皿中进行观察。


实验结果有点出人意料,这些青霉菌确实对某些特定的细菌,比如肺炎球菌、白喉杆菌等有作用。


这些实验结果,进一步增加了弗莱明对这种霉菌的研究兴趣。在之后的研究中,弗莱明发现产生抗菌作用的并不是霉菌本身,而是霉菌分泌的一种物质,弗莱明将它命名为青霉素(penicillin)。


牛津团队的助力


尽管弗莱明之后曾试图分离纯化青霉素,但都没有成功。这也许跟他的身份多少有点关系,毕竟弗莱明只是一位微生物学家,而不是化学家。显然,他并不擅长这种提纯工作。尽管如此,他仍然保留了对青霉菌菌株的培养。


1929年,弗莱明在《不列颠实验病理学杂志》上发表了《关于霉菌培养的杀菌作用》的研究论文[4],遗憾的是当时并没有引起人们的注意[5]。


不过,这并没有妨碍弗莱明成为一名“预言家”。他曾在论文里指出,青霉素将来一定会“大展宏图”,尽管预言被证实稍微来的晚了些。


10年后,分离青霉素的工作,被牛津团队的霍华德·弗洛里( Howard Florey)和恩斯特·柴恩(Ernst Chain)重新拾起


这项具有里程碑意义的工作,正式开始于1939 年。当时,弗洛里已经对细菌和霉菌之间的互相杀伤方式,产生了浓厚的兴趣。在查阅了弗莱明青霉素的文章后,弗洛里和他的同事雄心勃勃,决定揭开青霉素抗菌作用背后的奥秘。 


Ernst Chain(左)与Howard Florey(右)


然而,经过数月的紧张实验,弗洛里和他的同事,也只是提取了少量的粗制青霉素而已。


为了尽快使青霉素走向临床,他们决定先在8只感染了链球菌的小鼠身上进行测试。实验过程非常简单,一半小鼠注射了青霉素,另一半小鼠没有注射青霉素。实验结果不负众望,注射了青霉素的小鼠,都成功的活了下来[6]。

在接下来的几个月里,他们重复并扩展了试验,取得了满意的结果。1940年,弗洛里和柴恩在《柳叶刀》上发表了文章,展示了青霉素的生产和纯化,以及青霉素的动物试验结果[7]。


转战美国研发


试验的成功使弗洛里意识到青霉素的潜在医学价值,但问题来了:青霉素的生产量不足!尽管增加了霉菌培养物的产量,但不得不说,这样的过程太过缓慢。


落后的技术加之因战争而每况愈下的英国经济,致使本土的制药企业,根本没有能力将青霉素投入批量生产。


好在弗洛里凭借自己的三寸不烂之舌,获得了洛克菲勒基金会的赞助。不过,当时基金会有一个附加条件,就是去美国研究[6]。

很快,弗洛里不顾柴恩的反对去到了美国。在美国农业部首席霉菌学家,罗伯特·托姆(Robert Thom)的推荐下,弗洛里来到了农业部北部地区研究实验室(NRRL),那里有着成熟的发酵部门。


NRRL的研究人员,安德鲁·梅奥(Andrewp Moyer)很快就发现,通过向发酵培养基中添加玉米浆可以大大增加青霉素的产量。


1941年珍珠港事件后,美国参战,战争的到来更是加快了青霉素的研究。

二战时期青霉素的宣传画

1943年,NRRL的技术员,玛丽·亨特(Mary Hunt ),在农贸市场寻找发霉的水果时,发现了一种在美国甜瓜上生长的青霉菌。

这个不经意的发现,直接让青霉素的生产发生了天翻地覆的变化。研究人员发现,如果将这种霉菌暴露在X射线下,将会产生一种突变的青霉菌株,而这可以使青霉素的含量增加1000倍!


于是,利用这种突变的青霉菌菌株,再加上科学家们新发明的巨大发酵罐,美国制药企业开始了青霉素的大批量生产。

青霉素的横空出世迅速扭转了盟军的战局。战后,青霉素更是得到了广泛的应用。1945年,弗莱明、弗洛里和柴恩因为发现青霉素及其对各种传染病的疗效”而共同荣获了诺贝尔生理学或医学奖。


抗菌和耐药机制


青霉素作为一种β-内酰胺类抗生素药物(其他的比如头孢菌素类抗生素以及阿莫西林、氨苄西林等各种叫西林的药物),其抗菌机制主要是破坏细菌的细胞壁,导致细菌渗透压改变,最终因为环境中的水分过多渗入到细菌细胞中,细胞破裂而死(简单理解就是被迫喝水太多撑死了吧)


青霉素结构示意图(红线圈出来的就是β-内酰胺环)


细菌的结构跟我们人类的细胞不同,它们在细胞膜之外还有像铠甲一样的细胞壁。细菌细胞壁的主要成分叫做肽聚糖肽聚糖的骨架由N-乙酰葡糖胺(NAG)和N-乙酰胞壁酸(NAM)交替连接成多糖链;这些多糖链再经由每个NAM引出来的寡肽(几个氨基酸)与相邻多糖链上的NAM相连,构成网状结构,而这就形成了细菌的细胞壁。在这个过程中,寡肽的连接需要一种叫做DD-转肽酶(又叫青霉素结合蛋白PBP)的蛋白[8]。


肽聚糖连接示意图:浅紫色为NAM,深紫色为NAG,红色是寡肽,绿色是PBP


而青霉素就是通过自己的β-内酰胺环与PBP结合,这样一来,PBP就不能再与寡肽结合,所以肽聚糖链也就不能形成网状结构,细菌的细胞壁就遭到破坏,细胞失去了保护屏障,外界水分进入细胞内部过多,最终胀裂而亡[8]!


青霉素抗菌机制示意图:粉色为青霉素的β-内酰胺环,其余同上图


在这里需要多说几句的是,不同的细菌细胞壁肽聚糖的含量会有所不同,对青霉素的敏感程度也就不同。这也就是为什么青霉素只对某些细菌引起的感染更为有效,比如肺炎链球菌、溶血性链球菌等。


所以,当你因为细菌感染而生病时,不要随便乱用青霉素等β-内酰胺类抗生素。一是它可能根本不管用,二是这还会加剧细菌的耐药性。


那么,细菌青霉素耐药的机制又有哪些呢?主要有两种方式,一种是通过改变PBP的结构,让青霉素不能与PBP结合;另一种是产生β-内酰胺酶,在青霉素还没有跟PBP结合之前,就把它降解掉[9]


PBP结构改变,不能与β-内酰胺环结合


当然,这两种方式都离不开基因的改变。对于前一种方式,细菌可以吸收环境中的耐药基因,整合到自己的基因中,如此一来,这段基因编码出的PBP蛋白结构就发生了改变,也就不能与青霉素结合。


而对于后一种方式,细菌比人类细胞多出来一种环状的DNA,叫做质粒。某些质粒中的抗性基因刚好编码β-内酰胺酶。当这种质粒进入到原本没有抗性的细菌之后,细菌经过繁殖就可以将这种抗性基因传递给它的子孙后代,如此一来就能产生β-内酰胺酶,切断青霉素的β-内酰胺环,不让青霉素与PBP结合。


β-内酰胺酶(灰绿色)降解β-内酰胺环,使之不能与PBP结合

有研究显示,如果抗生素耐药性从目前的水平继续增加,到2050年,每年将会有1000万人缺乏有效治疗而死亡,不仅如此,还会牵扯到强大的经济链条,使世界GDP下降2%-3%[10]。


所以,虽然青霉素开启了抗生素治疗疾病的新纪元,但越来越多的耐药细菌的出现却是我们必须重视的问题!


最后,用2017年世界提高抗生素认识周的主题结尾吧:“服用抗生素之前要咨询合格医务人员!”


附赠一段YouTube上,点击量超过65万的β-内酰胺类药物抗菌与耐药机制的小视频吧,考验英语听力和看图理解能力的时间到啦




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参考文献:

1.Ligon B L. Penicillin: its discovery and early development[C]//Seminars in pediatric infectious diseases. WB Saunders, 2004, 15(1): 52-57.

2. https://www.bomb01.com/article/48356

3. Bendiner E. Alexander Fleming: player with microbes[J]. Hospital Practice, 1989, 24(2): 283-316.

4. Fleming A: On the antibacterial action of cultures of a penicillium, with special reference to their use in the isolation of B.influenzae. Br J Exp Path X:3-13, 1929

5. Jones K R, Cha J H, Merrell D S. Who's winning the war? Molecular mechanisms of antibiotic resistance in Helicobacter pylori[J]. Current drug therapy, 2008, 3(3): 190-203

6.Riley Jr H D. The story of penicillin (Alexander Fleming)[J]. The Journal of the Oklahoma State Medical Association, 1972, 65(3): 107.)

7. Chain E, Florey H W, Gardner A D, et al. Penicillin as a chemotherapeutic agent[J]. The lancet, 1940, 236(6104): 226-228.8. Walsh C. Molecular mechanisms that confer antibacterial drug resistance[J]. Nature, 2000, 406(6797): 775.

8.Tipper D J, Strominger J L. Mechanism of action of penicillins: a proposal based on their structural similarity to acyl-D-alanyl-D-alanine[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 1965, 54(4): 1133-1141.

9. Waxman D J, Strominger J L. Penicillin-binding proteins and the mechanism of action of beta-lactam antibiotics1[J]. Annual review of biochemistry, 1983, 52(1): 825-869.

10. O’Neill J. Antimicrobial resistance: tackling a crisis for the health and wealth of nations[J]. The Review on Antimicrobial Resistance, 2014, 20. 



本文     默默写稿的 静静 

      作者     不时催稿的 WXY707



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