【原】人类寻药史-青霉素和头孢菌素类药物的发现

陈励文 2022-10-07 发布于江西

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青霉素（盘尼西林）是人类历史上发现的第一种抗生素，它挽救了无数的感染性疾病患者的生命，称之为人类的救星也不为过。

我国早在唐朝时，长安城的裁缝就知道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，但当时人们并不清楚其中的原理。直到近现代青霉素发明之后，人们才懂得，这是因为绿毛产生的物质（青霉素菌）有杀菌的作用，这也许是人类最早使用青霉素的例子。

青霉素是一种高效、低毒、应用广泛的重要抗生素。它的研制成功大大增强了人类抵抗细菌感染的能力，带动了抗生素家族的诞生。它的出现开创了用抗生素治疗疾病的新纪元。继青霉素之后，链霉素、头孢菌素、氯霉素、四环素等抗生素的不断出现，进一步增强了人类治疗感染性疾病的能力。青霉素的发明人是弗莱明、弗洛里和钱恩。三人因“发现青霉素及其临床效用”而共同荣获了诺贝尔生理学或医学奖。

弗莱明于1981年出生在苏格兰。他从伦敦医科学校毕业后，开始从事免疫学研究，后来在第一次世界大战期间致力于伤口感染的研究。弗莱明是一个对研究有着极大兴趣并善于观察的人，早在1922年，患了感冒的他无意中对着培养细菌的器皿打喷嚏。后来他注意到，在培养皿中沾上喷嚏黏液的位置细菌难以生长。弗莱明因此发现了溶菌酶。他以为就此发现了有效的抗菌药。但是随后的试验表明这种溶菌酶通常只对非致病性微生物起作用，因此应用价值有限。1928年，幸运之神再次降临。那年的夏天有段时间弗莱明正在专心撰写一篇有关葡萄球菌的回顾性论文，出于需要他在实验室里培养了大量的葡萄球菌。七月下旬弗莱明去了乡下度假。在弗莱明外出休假的两个星期里，一只未经刷洗的废弃的培养皿中长出了一种神奇的霉菌。当他返回实验室，仔细观察后他的发现在霉菌周围居然没有葡萄球菌生长，敏锐的他马上意识到这个霉菌肯定不一般。在用显微镜观察这只培养皿时弗莱明发现，霉菌周围的葡萄球菌菌落已被溶解。这意味着霉菌的某种分泌物能抑制或杀死葡萄球菌。他将霉菌进行培养，发现它所释放出一种物质确实可以杀死包括葡萄球菌的很多致病细菌。此后的鉴定表明，这种霉菌是点青霉菌，因此弗莱明将其分泌的杀菌物质取名为青霉素。弗莱明把研究结果发表在1929年2月的英国《实验病理学杂志》上。不过这篇论文发表后并没有受到科学界的很大重视。

也许弗莱明发现青霉素有幸运的成分。其实，弗莱明并不是第一个发现霉菌的抗菌作用的人。1870年，同样在圣玛丽医院工作的博登－桑德斯已观察到在被霉菌污染的培养液中细菌无法生长。1877年，法国著名微生物家巴斯德及其同事发现霉菌会抑制尿液中的炭疽杆菌的生长。1920年，比利时人安德烈·格拉提亚和莎拉·达斯在法国巴斯德研究所工作时发表论文报告说感染了青霉的葡萄球菌培养基中，葡萄球菌的生长被抑制了。但是上述这些人的发现在当时都没有引起足够的重视。

虽然弗莱明发现了青霉素，但是他并没有能够实现青霉素的临床应用，因为这里面还有很多的技术瓶颈。在发现青霉素的抗菌作用之后，弗莱明尝试提纯这种青霉素，但是他遇到很大困难，由于当时技术不够先进，化学知识不够深入，弗莱明并没有把青霉素单独分离出来。他发现青霉素很难批量生产，更难被纯化。这使当时的人们认为青霉素很难成为一个实用的药物。在30年代，虽然弗莱明继续关注抗菌药物的开发，但是1934年起他停止了青霉素的研究，转向德国人新发现的磺胺药物了。但是他将点青霉菌菌株一代代地培养，连续传代了12年。

1939年，弗莱明已经停止青霉素研究5年之久。英国病理学家弗洛里和生物化学家钱恩在旧书堆里偶然看到了弗莱明的关于青霉素论文，于是联系弗莱明要到了青霉素菌种，开始深入研究青霉素。弗洛里和钱恩从这个几乎已被人遗忘的发现中挽救了差点被抛弃的青霉素，并使这项技术能够实用于临床，从此开创了抗生素时代。

由于钱恩在生物化学提纯上的专长，他钻研了青霉素的性质、分离和化学结构，1940年冬，钱恩终于采用冷冻干燥法利用乙醚提取了青霉素晶体从而解决了青霉素的提纯浓缩问题。

此时的弗洛里的身边除了钱恩外，还有一位极其出色的研究人员希特利。希特利成功解决了青霉菌培养的问题，在保证有充足青霉素的前提下钱恩才可以研究如何才能提纯出稳定的青霉素，经过一次次尝试终于获得了稳定的青霉素，至此青霉素终于有了药用的可能。

弗洛里和钱恩在1940年用青霉素重新做了实验。他们给8只小鼠注射了致死剂量的链球菌，然后给其中的4只用青霉素治疗。几个小时内，只有那4只用青霉素治疗过的小鼠还健康活着。此后一系列临床实验证实了青霉素对链球菌、白喉杆菌等多种细菌感染的疗效。

1941年春天，弗洛里和玛格丽特等人进一步做了动物实验，发现在猫、大鼠、小鼠和兔子体内青霉素没有明显的毒性。这说明青霉素用于人体是安全的。

钱恩的研究论文《化学制疗剂青霉素》和《对青霉素的进一步观察》分别发表于1940年和1941年8月的《柳叶刀》杂志。

弗洛里团队继续改进青霉素培养和提纯办法，但是由于当时二战德国的潜艇战，英国的经济状况每况愈下本土制药企业根本没有能力将青霉素投入大量生产，弗洛里只好找洛克菲勒基金会帮忙，洛克菲勒基金会的建议他们前往美国。

1941年7月弗洛里和希特利带着几小管青霉菌和冷冻干燥青霉素抵达纽约。随后去美国农业部设在伊利诺斯州皮奥里亚的北方区研究实验室，和他们讨论生产青霉素合作事宜，双方立刻达成协议。

珍珠港事件之后，美国参战。虽然有足够磺胺，美国依然有强大的紧迫感，于是决定加快青霉素研究。美国科学研究和发展办公室及其医学委员会决定一方面研究大量发酵青霉素的方法，另一方面搞清青霉素的分子结构，然后合成青霉素，很快美国有39个药物实验室进行合成青霉素的研究，多家药厂也加入了青霉素研究。

为了寻找高产青霉菌，皮奥里亚实验室的技术员玛丽·汉特每天到本地的农贸市场去寻找发霉的水果，然后从中分离霉菌。她在一个发霉的哈密瓜上找到了一株高产株替代了弗莱明的那种青霉菌。利用这个菌种，科学家们培养出一种产量更高的霉菌突变种，青霉素的产量得到很大提高。在这些研究成果的推动下，美国制药企业于1942年开始对青霉素进行大批量生产。

1943年10月，弗洛里和美国军方签订了首批青霉素生产合同。但成本还是很高，20美元一个剂量，因此只能给有生命危险的伤员使用。到1944年，药物的供应已经足够治疗第二次世界大战期间所有参战的盟军士兵。1945年青霉素产量达到79520亿单位，1946年每剂成本只有55美分。战后，青霉素更得到了广泛应用，拯救了数以千万人的生命。因这项伟大发明，1945年，弗莱明、弗洛里和钱恩因“发现青霉素及其临床效用”而共同荣获了诺贝尔生理学或医学奖。

1944年1月，我国留美微生物学家樊庆笙乘坐美国的运输船历经艰辛于当年7月到达印度，又经驼峰航线飞到了昆明。樊庆笙回国时，随身带着三支青霉素菌种，这在当时比黄金还珍重，他要用它造福祖国人民。樊庆笙在朱既明、汤飞凡的研究协作下，于1944年年底，制造出第一批中国造 5万单位／瓶的盘尼西林，揭开了中国生产抗生素的历史。截至2001年年底，中国的青霉素年产量已占世界青霉素年总产量的60%，居世界首位。

讲到青霉素的发现史，一般人都只知道弗莱明发现了青霉素，不知道青霉素能从实验走向实用，成为救人无数的良药，主要应归功于钱恩和弗洛里。而一些对青霉素的发现史有更深入了解的人，则反过来贬低弗莱明的发现，认为他不过是重新发现了前人早已发现的现象而已，甚至有的人认为他不该得诺贝尔奖。然而，在弗莱明之前虽然有多人注意到了青霉有抗菌作用，但是他们没有一个人像弗莱明那样做更深入的研究，没有人一个人像弗莱明那样推测有青霉素这样的物质，更没有一个人像弗莱明那样将点青霉菌菌株一代代地培养，连续传代了12年。所以，弗莱明虽然不是青霉抗菌现象的发现者，但是做为青霉素的发现者却是当之无愧的。

青霉素发明之后，医学界掀起了研究抗生素的热潮。其后发现的头孢菌素是一类和青霉素结构相似疗效更好的化合物。在临床上有广泛重要的应用。

头孢菌素化合物最初是于1948年，由意大利卡利亚里大学的科学家博兹从萨丁岛排水沟中的顶头孢提取出来的。那时二战刚刚结束不久，意大利的许多城市因为卫生条件过于落后，发生了伤寒大流行。可是，在卡利亚里却有一个地区，人们在一个排污的河流中游泳，甚至吃河里的生鱼，却很少有人生病，好像伤寒无法入侵这里一样。而且，排污河附近的海水也会出现周期性的洁净现象，这是为什么呢？卡利亚里大学的医学教授博兹怀着浓厚的兴趣开始了研究，他将撒丁岛排污河中的河水取来，用琼脂培养基进行培养。最终，他得到了一种顶头孢霉菌，他发现这些顶头孢霉菌分泌一种物质，可以有效地杀灭伤寒杆菌。经过多次实验，他提取得到了一种混合状态的物质，对葡萄球菌感染及伤寒非常有效。

1948年，博兹教授把自己的研究结果发表在一个小杂志上，但还是未能引起意大利科学家的注意。由于缺乏经费，博兹教授把一份头孢制剂和相关说明给了撒丁岛上的盟军军医，希望能引起重视，盟军军医马上咨询了英国医学研究委员会，委员会中的一位学者就推荐了因研究青霉素而获得诺贝尔奖的弗洛里。1948年7月，弗洛里收到了信，当时弗洛里和他的团队正在筛选新型抗生素，他立即联系到博兹得到了菌株，组织了牛津大学的Guy Newton （1919-1969）和Edward Abraham（1913-1999）等人进行研究。

经过6年的研究，他们发现了三种头孢类化合物：头孢菌素P、N、C，其中头孢菌素C引起了他们的兴趣。1957年，Bendan Kelly和克里夫登的同事们得到了一种突变菌株，可以大量产生头孢菌素C。

1959年，Guy Newton 和Edward Abraham使用X射线晶体学方法，对新抗生素的化学结构进行了鉴定。然后他们就头孢菌素C和头孢菌素的核心结构7-氨基头孢烯酸（简称7-ACA）申请了专利。通过专利许可费，两人得到了巨额的利润，但他们把大部分利润都捐献了出来，并设立了多个基金会从事慈善工作。到20世纪结束时，牛津大学已经得到了他们3000万英镑的捐赠。头孢菌素的专利许可费总计达到了惊人的1.5亿英镑。