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2015年屠呦呦因创制新型抗疟药—青蒿素和双氢青蒿素的贡献，与爱尔兰医学研究者威廉·坎贝尔、日本学者Satoshi Omura共同荣获了诺贝尔生理学或医学奖。一时间，青蒿素成为大众熟知的药物之一。青蒿素是什么药物？它是怎么来的？为什么青蒿素如此重要？下面我们就来介绍一下青蒿素的前世今生。 1 疟疾 疟疾（Malaria，中文俗称打摆子、冷热病、发疟子）是一种会感染人类及其他动物的全球性寄生虫传染病，其病原疟原虫借由蚊子散播。疟疾引起的典型症状有发热、畏寒、疲倦、呕吐和头痛；在严重的病例中会引起黄疸、癫痫发作、昏迷或死亡。疟疾普遍存在热带及亚热带地区位于赤道周围的广大带状区域，包含漠南非洲、亚洲，以及拉丁美洲等等。2015年，全球约有2.14亿人新感染疟疾，并造成多达43.8万人死亡，其中有90%的死亡病例位于非洲。 公元前2700年起，世界各地就有关于疟疾引起的独特的周期性发烧的历史记载，但数千年来古人尝试了诸多途径对治疟疾，但成效寥寥。罗马名医盖伦根据“四体液说”提出，疟疾是体液不平衡所导致的，采用放血和催泻疗法即可治愈。然而，疟疾本身就会导致贫血，简单粗暴的放血只能让病人死得更快。传统中医则认为祛邪截疟是治疗疟疾的基本原则。在诊断为疟疾后，即可截疟。在此基础上，根据疟疾证候的不同，分别结合和解表里、清热保津、温阳达邪、清心开窍、化浊开窍、补益气血等治法进行治疗。 第一种对疟疾有效的治疗方式是使用金鸡纳树的树皮，金鸡纳树生长于秘鲁安第斯山脉的山坡上。秘鲁原住民将树皮入酒来治疗发烧，后来发现它也能用来治疗疟疾。该疗法在1640年左右由耶稣会传入欧洲，并于1677年收录至伦敦药典中。直到1820年，树皮中的有效成分奎宁才由法国化学家佩尔提埃和卡旺托分离出来。截至1920年代以前，奎宁都是主要的抗疟药，随后其他药物才陆续开发出来。1940年代，氯喹取代奎宁用于治疗疟疾；但1950年代，东南亚和南美首先出现了抗药性疟疾；1980年代时抗药性病株更已传播至全球。 2 青蒿提取物抗疟活性的发现 1964年，越南战争爆发，当时北越军队常出没于山间丛林地区，而这一地区恶性疟疾流行猖獗，且对奎宁及奎诺酮类抗疟药物如氯喹（chloroquine）等普遍具有耐药性，平民与军队的患病人数猛增。美国投入巨额资金，筛选了20多万种化合物，但没有找到理想的药物，越南政府则向外界请求支援。中国政府于1967年5月23日在北京成立5·23抗疟计划办公室，统一领导《5·23 抗疟计划》的实施，其全称为中国疟疾研究协作项，代号为"523"。 1969年1月，屠呦呦以中医研究院科研组长的身份，参加了“五二三项目”。此前，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，没有令人满意的结果。屠呦呦决定从系统整理历代医籍开始，也四处走访老中医，她整理了一个640多种包括青蒿在内的草药《抗疟单验访集》。 但在最初的实验中，青蒿的效果都不是最好的。屠呦呦曾在书中指出：“…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。”她再次翻阅古代文献，《肘后备急方·治寒热诸疟方》中的几句话引起了她的注意：“青蒿一握，以水二升渍，绞取汁，尽服之。”原来青蒿里有青蒿汁，它的使用和中药常用的煎熬法不同。 “确定分子量需要高分辨率质谱仪，但我们没有，当时只有一个60兆的核磁共振仪和红外光谱。于是，就不得不用测定分子量的最古老方法，即樟脑冰点降低法，但重复性不好。”周维善说，“后来打听到北京某部有高分辨质谱仪，请该单位做出质谱后，才把分子量定了下来，再结合碳氢分析数据把分子式确定下来，这是一个有15个碳原子、22个氢原子和5个氧原子组成的化合物，我们也证明它是一个倍半萜类化合物。”上海有机化学研究所周维善院士回忆道。 下一步就是通过对各种光谱数据的解读，将各个结构单元拼凑起来，也就是说，要凭借大脑将42个原子的结构想象出来。问题是，42个原子有相当多种可能的结构，究竟哪一种是正确的结构呢？这需要靠化学家的尝试、直觉和想象。在质谱的分析中，他们发现一个特殊的碎片峰M+32，这明显说明分子中存在两个氧原子连在一起的情况，但它们是怎么连在一起的呢？ 为了分析这个M+32峰，周院士课题组花了很多时间，查资料、与同事讨论、与学生讨论，但一直没有头绪。这时，有机所甾体组的吴毓林也对青蒿素产生了兴趣。他常到隔壁我们的实验室来看看，也提出意见。吴毓林的妻子李英在中科院上海药物研究所工作，她也参与了“五二三项目”。 1975年4月，李英到成都参加全国“五二三项目”中医中药座谈会。在这个会上，梁晓天报告了另一种抗疟药鹰爪素的结构中也有一个M+32峰值，首次宣布这个峰值是一个过氧基团。李英将这个消息告诉了吴毓林，吴毓林又将它告诉周维善。“这时，我们就知道青蒿素中的这个峰也应该是一个过氧基团，并立即开始做实验来证明。”周维善说。 周维善小组设计了一系列复杂的氧化和还原反应，最终测定出青蒿素的结构。这是一个罕见的含有过氧基团的倍半萜内酯结构，而且，这个药物的分子中不含氮，突破了60多年来西方学者对“抗疟化学结构不含氮(原子)就无效”的医学观念。青蒿素的结构被写进有机化学合成的教科书中，奠定了今后所有青蒿素及其衍生药物合成的基础。 结构测定的工作在1976年就基本结束了，因为卫生部保密的要求，3年后，论文《青蒿素的结构和反应》才发表在1979年5月出版的《化学学报》上，但没有申请专利。按照国际惯例，如此重要的药物化学结构应该先申请专利、再发表论文。但是，由于历史和体制的种种原因，当时的中国没有专利制度，从政府官员到科学家，基本上都没有知识产权的概念。这是一个遗憾。 4 青蒿素的合成 青蒿素的结构确定后，北京大学的有机化学家邢其毅教授对周维善说：“青蒿素结构是确定了，但我还不能相信，你要把它合成出来，而且合成出来的物质与天然产品一样，我才能相信你的结构是对的。” 其实，在青蒿素的结构测定完成之时，周维善已经考虑到了它的合成，他说：“因为这个结构是根据光谱数据解读出来的，也是由光谱数据证明的，还是一个相对构型，究竟对不对，还需要通过实验全合成了，证明对了，才能说这是青蒿素的绝对构型，这才是最后的证明。” 1978年，全国科技大会制定的科技规划中提出了青蒿素的全合成。作为结构测定的主持单位，中国科学院上海有机化学研究所承担了该项任务，1979年初，周维善、许杏祥等组成攻关小组，开始了历时5年的探索之路。许杏祥的加入应该是一件顺理成章的事。他1965年从北京大学化学系毕业，报考了上 海有机所的研究生，被分配到黄鸣龙的实验室，成为黄鸣龙的最后一个弟子。 在青蒿素的全合成设计中，最关键的一步是如何加入过氧基团，在试过多种方法后，许杏祥提出以青蒿酸代替香草醛作为合成的起始物。经组里同志，特别是许杏祥和朱杰的细心努力，青蒿素的合成终于实现了，合成的青蒿素与天然青蒿素完全一致，那天是1983年1月6日，全组同志真是无比高兴。但我们的工作还没有完，要继续完成双氢青蒿酸的全合成，这样才称得上青蒿素的全合成。” 一年后，即1984年初，他们实现了青蒿素的全合成，他们的论文《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。 5 青蒿素药物 在全球范围内，青蒿素及其衍生品每年的销售额约为15亿美金，而中国作为青蒿素的发明国直接出口额却不足1000万美元。青蒿素的国际市场控制权长期被西方药企控制，中国在很长的一段时间里仅能通过提供原料药来换取微薄的利润。为什么中国自己发明的青蒿素会变成外国药企的摇钱树呢？这背后有着颇为复杂的历史原因。 虽然屠呦呦领导的专家们正式从青蒿草里提炼出了抗疟疾的有效单体青蒿素。但在1976年，中国学者获知苏联专家也在进行青蒿提取实验，可能与青蒿素属于同一物质。当时中苏关系恶化，而且我国也没有相关专利与知识产权法规，所以将研究成果发表是证明青蒿素是中国发现的唯一途径。另一方面，想在国际市场上注册和销售青蒿素就必须通过世界卫生组织的审核。而在上世纪八十年代的中国，生产环境、资金和人员都不足，生产质量管理在短时间内根本无法通过世界卫生组织的审核。此外，青蒿素的研究工作已经发表，国外企业随时可能完成仿制，抢占专利和市场。 权衡之下，中国与跨国制药巨头瑞士诺华公司签署专利开发许可协议，由诺华负责青蒿素类药物复方蒿甲醚在国际上的研究和开发，这一协议，宣告中国放弃了复方蒿甲醚国际市场的销售权，只是收取一定的专利使用费。诺华等企业销售的青蒿类药物，全球市场占有率在80%左右。而一些中国企业只是向外资药企大量出口青蒿素类原料，始终处于青蒿素制剂产业链的最底层。 青蒿素的另一种衍生药物青蒿琥酯，虽然在1987年就获得中国一类新药的第一号证书，但因当时没有一家中国制药公司符合世卫药品生产质量管理规范，也迟迟未能进入国际市场。2003年，复星医药收购桂林南药，看到了这种药物的国际价值，花了近3年时间对青蒿素类产品进行改造，进入了艰难而严格的世界卫生组织认证过程中。直到2005年底，桂林制药才获得世界卫生组织预供应商的资格认证。 6 青蒿素对疟原虫的作用机制 青蒿素无论在体内和体外的实验中均对疟疾有很好的杀灭效果。罗丹等 2014 年在《中国医学创新》杂志发表文章，综述了青蒿素抗疟疾的机制主要有三条： (1) 自由基的抗疟作用 青蒿素及其衍生物化学结构中的过氧桥这一基团是抗疟作用中最重要的结构。改变过氧基团，青蒿素的抗疟作用消失。青蒿素在体内活化后产生自由基，继而氧化性自由基与疟原虫蛋白络合形成共价键，使蛋白失去功能导致疟原虫死亡。另一种观点认为青蒿素转化为碳自由基发挥烷化作用是疟原虫的蛋白烷基化。目前这一观点被广泛认可。 (2) 对红内期疟原虫的直接杀灭作用 青蒿素选择性杀灭红内期疟原虫是通过影响表膜-线粒体的功能，阻断宿主红细胞为其提供营养，从而达到抗疟的目的。同时青蒿素对疟原虫配子体具有杀灭作用。 (3) 抑制 PfATP6 酶的抗疟作用 有研究推测青蒿素及其衍生物对 PfATP6（Plasmodium falciparumcalcium ATPase 6）具有强大而特异的抑制效果。PfATP6 是恶性疟原虫基因组中唯一一类肌浆网/内质网钙 ATP 酶（sarco/endoplasmicreticulum calcium ATPase，SERCA）。青蒿素抑PfATP6，使疟原虫胞浆内钙离子浓度升高，引起细胞凋亡，从而发挥抗疟作用。 7 结语 上世纪 60 年代抗疟药耐药性首次成为一项全球性问题，当时疟原虫对氯喹这种广泛使用的抗疟药产生了耐药性。其潜在的基因突变无情地席卷全球，迫使公共卫生官员不得不寻找抵抗疟疾的新方法。青蒿素的发现，为世界带来了一种全新的抗疟药。如今，以青蒿素为基础的联合疗法（ACT）是世界卫生组织推荐的疟疾治疗的最佳疗法，挽救了全球数百万人的生命。 然而有报道称早在 2003 年和 2004 年，首例以青蒿素为基础的综合疗法的耐药性案例就在泰国柬埔寨边界出现。过去十年里，治疗疟疾最有效的药物青蒿素已在柬埔寨、缅甸、越南、老挝以及泰国边境地区的越来越多患者中失效。正如屠呦呦所言：“一旦疟原虫对青蒿素联合疗法产生抗药性，疟疾将无药可治，人类势必遭遇一场浩劫。”人类的抗疟之路，仍然任重道远。
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