化学经纬
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物竞天择:抗菌药物的研发历史和进展

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物竞天择:抗菌药物的研发历史和进展 第1张

19世纪,工业革命已经如火如荼地在欧洲大陆开展起来,面包和牛奶解决了大家的温饱问题,不过细菌感染导致的死亡依旧居高不下。

 

中医里面称细菌感染为瘴气,根据感染性疾病发病时发热的特点,多将其归纳为“热证”,常用的治疗手段是服用大量的凉性药物来清热解毒,像连翘、薄荷、桑叶、菊花、薄荷之类的药物。

 

如果你看到他在喝菊花茶,可能他不是想悠然见南山,他可能是想杀菌抗炎。

 

没有抗生素的日子里,人类体会到了被细菌支配的恐惧,各种瘟疫、鼠疫横行,死亡的人数都是以万计。历史上最骇人听闻的惨剧莫过于伦敦的鼠疫了,不过,也就没有后来牛顿躲避鼠疫回老家的微积分、万有引力定律发现了。

 

天灾面前,大家都感到了淡淡的忧伤:难道没有一个药物能够拯人类于细菌,力挽狂澜于既倒吗?

 

那时候的年代很混乱,战乱纷飞,各国为了争夺资源、领土一言不合就干架。因为外科手术导致细菌感染带来的死亡和战争一样让人触目惊心:手术后病人的死亡率高达40%-60%,美国内战期间使用的杀菌剂是强腐蚀性的硝酸!

 

知识限制了他们的想象力,不过也说明了医生面对细菌感染的无可奈何!

 

1867年,李斯特在好基友巴斯德那里了解微生物的知识,把苯酚作为杀菌剂,来防止感染。

 

虽然苯酚用于室内和手术器械杀毒上效果不错,可是它对于皮肤以及身体器官依旧具有腐蚀性。后来改用了更加温和的硼酸,手术死亡率得到了急剧下降。

 

20世纪30年代,美国医学会就推荐醇类作为化学消毒试剂,手术消毒的情况有了进一步的改善。

 

消毒试剂无法深达病灶,对于已经存在的细菌感染无法治愈,细菌感染像黑云一样依旧高挂着,时刻准备化作倾盆大雨席卷大地。

 

如何做出有效的抗菌药物是当时的难题,也是当时药物研发的风口,拨动了无数科学家的心弦。

 

1901年,Ehrlich发现了化合物砷矾纳明(Ehrlich 606,指Ehrlich测试的第606个化合物)用于治疗梅毒,拉开了抗菌药物的序幕。

 

1932年,秋风飒飒,房间里不时传出一个男人的叹气和低声抽泣,他是德国细菌学实验主任 - 多马克。此时的他已经步入中年,没有为油腻的问题而担心,却因为一件事情郁郁寡欢。他的女儿因为链球菌感染引起了严重的败血症,生命危在旦夕,即使手术截肢也不一定有用。

 

灯光下映照出他疲倦的脸,默默点上一根烟,望向了城市的边际线:肯定还有办法的。

 

此时他在公司里面主管合成各种染料来找到抗菌药物的项目,通过对链球菌感染的老鼠注射染料,他发现4-(2,4-二氨基苯基)偶氮苯磺酰胺(百浪多息)。

 

在女儿不住的哭泣声中,他把大剂量的百浪多息注射进去了。幸运的是,他女儿痊愈了,他也长舒一口气,那颗肿胀的心此刻也平静了下来。

 

每次看到这个故事,我都会热泪盈眶,对一个伟大父亲肃然起敬,同时感叹当时面对细菌的无奈。

 

后来研究发现,百浪多息在体外没有活性,真正的活性成分来自于它代谢生成的磺酰胺。

 

磺胺结构类似于对氨基苯甲酸(细胞合成叶酸的必要成分)的结构,可以拮抗叶酸的合成,具有干扰细菌的生长。

物竞天择:抗菌药物的研发历史和进展 第2张

可惜不久之后,细菌便对磺胺药物产生了抗药性。

 

深夜里,无数的患者,听着死神的脚步声,眼神迷离,医药工作者,看着病人一个个病入膏肓,手足无措惋惜恸哭:难道人类在细菌面前就如此没有尊严吗?

时间回到1928年,在百浪多息发现四年前,伦敦圣母玛利亚医院一件昏暗的楼房里,一个细菌培养皿被放在实验台上没有被清理掉,医生弗莱明此刻没有选择加班。

 

此刻他的眼睛里满满都是诗和远方,给自己放了两个假期,有点任性。可能是太期待海边的沙滩、微风,走的时候太着急,连窗子都忘了关。

 

在休假happy的弗莱明,接下来的两周,那块培养皿上将发生一件足以载入史册的故事:当时伦敦的天气变化太快,先是冷了九天,后来六天气温急剧升高。葡萄球菌培养皿上有一部分长了一块霉菌,中间的葡萄球菌被溶解了显得格外亮眼。

 

天气变化、楼下一个教授正在用霉菌做实验,窗子忘了关……孕育了一场伟大的革命。

 

重要的事情说三遍:太幸运,太幸运,真的太幸运了!

 

接下来的故事大家也就耳熟能详,弗莱明对于这块培养皿产生了好奇心,没有扔掉它,大胆设想小心求证,分离得到了一种具有很强抑制细菌生长的物质-青霉素。

物竞天择:抗菌药物的研发历史和进展 第3张

不过后来事情没有按照剧本一样顺利发展谢幕下去,一颗新星冉冉升起,黯淡无光,没有引起太大的波澜,属于青霉素的辉煌还没有开始。

 

1929年,弗莱明发表了青霉素的论文,结束了该课题的研究。

 

演讲的舞台上,个头不高的弗莱明,语调沉闷,支支吾吾时常停顿,显得不是非常自信。台下,观众昏昏欲睡,不时和周边的人聊起八卦起来,对他的freestyle不是特别感兴趣。

 

因此,弗莱明的论文就像滴入长江的一滴水一样,在医学界没有特别大的影响力。

 

1935年某个傍晚,英国牛津大学一角,周围是死一般的寂静,弗洛里和钱恩在看完弗莱明的论文后两眼发光,拍着桌子显得非常激动。

 

在接下的白昼黑夜中,他们完成了青霉素的分离、化学、生物学的研究。在动物和人身上都进行了实验,不过由于当时分离青霉素的量很少,每次都要从病人的尿液样品中萃取进行重复利用。

 

为了给当时二战的反法西斯同盟提供足够的青霉素,他们找到了更高产的霉菌,和美国三家制药巨头一起不断优化生产工艺。

 

在二战的结束那一年,弗莱明、弗洛里和钱恩一同获得了诺贝尔生理医学奖,青霉素也一跃成为了当时的传奇药物,开始了自己霸气侧漏的道路。

 

一场针对于从大自然菌体中筛选出抗生素的运动正式开始。

 

1943年于灰色链霉菌中分离得到链霉素,可以杀灭革兰氏阴性菌,和针对革兰氏阳性菌的青霉素相辅相成。

 

1948年于头孢菌中分离得到头孢菌素,辉瑞从土壤样品中分离得到四环素,1950年利来科学家分离得到万古霉素,1970年从菲律宾的土壤中分离得到红霉素……

 

与此同时,化学合成的抗菌药物也被推向了新的高度,对氨基水盐酸、异烟肼、喹诺酮……相继问世

 

大家对于各种抗生素和抗菌药物的作用机制也更加明朗。

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在青霉素、链霉素等多个天然抗生素和喹诺酮等合成杀菌药物的帮助下,我们和致病细菌的搏斗中略占上风。

 

金鳞岂是池中物,一遇风云变化龙。作为地球上更加古老的生物,细菌也不会轻易go die的。

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随着抗生素的滥用,人类对于细菌施加的“自然选择”压力增大,它们突变的频率加快了,更多具有耐药性的变异菌株陆续被发现了。

 

根据世界卫生组织公布的数据,每年因为耐药性细菌感染的肺炎而造成的儿童死亡人数就超过了180万。

 

而自上世纪80年代以来,获准上市的新抗菌药物数量却在逐年减少,如1998-2002年间仅有6种新抗菌药物获得上市许可,而在随后的4年间更是减至3种。

物竞天择:抗菌药物的研发历史和进展 第6张

仅仅只过了六七十年,耐药细菌就又开始磨刀霍霍向猪羊,准备突破抗生素的封锁线了。

 

其中,避免滥用抗生素和误用抗生素是一方面,新的抗菌药物也变得更加急迫。

 

新世纪以来, 一共有32个新化学实体的抗菌药物和2个β-内酰胺酶抑制剂的复方抗菌药物投放市场。

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图片来源于参考文献2

 

抗菌药物的方向也更加多样化:

①对现有的抗生素进行结构修饰,提高抗菌谱、降低毒副作用,克服耐药性问题等。

②鉴于从天然菌体中筛选出天然抗生素更加困难,研究中心应该放到合成抗菌药物上,如噻唑烷酮类和喹诺酮类抗菌药物。

③随着分子诊断和靶向治疗的发展,应该倾向于使用窄谱抗生素,杀鸡焉用牛刀。

④根据微生物的基因组序列靶标进行高通量筛选获得新的先导化合物。

⑤联合治疗遏制耐药性的趋势。

⑥目前临床上使用的抗生素都是以细菌的蛋白质合成、细胞壁合成等重要生命代谢过程为靶点,直接杀死微生物。细菌也逐渐适应了这种生存压力,寻找新的靶点开发抗菌药物成为了如今的希望所在。

⑦从天然动植物中继续寻找天然抗生素。

 

参考文献:

[1]、恩斯特·博伊姆勒著, 张荣昌. 药物简史:近代以来延续人类生命的伟大发现[M]. 广西师范大学出版社, 2005.

[2]、陈代杰. 新世纪以来全球新型抗菌药物研发及前沿研究进展[J]. 中国抗生素杂志, 2017, 42 (3):161-168.

[3]、简岩. 抗生素滥用:一个沉重的话题[J]. 百科知识,2009(9):1-1.

[4]、王菊仙, 冯连顺, 刘明亮. 抗菌药物研发进展[J]. 国外医药抗生素分册, 2010, 31(1):13-18.

[5]、George Karam, Jean Chastre, Mark H. Wilcox, et al. Antibiotic strategies in the era of multidrug resistance[J]. Critical Care, 2016, 20(1):1-9.

[6]、抗菌药物新药研发进展概述,陈迹。

           


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