青蒿素:源自中草药园的发现

2011-9-13 09:50 来源: 《细胞》网站
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  图1. 抗疟药青蒿素。自屠呦呦和她的同事从中草药植物青蒿 (Artemisia annua L) 中发现了青蒿素 (artemisinin) 之后,人们已合成许多青蒿素衍生物,其中包括活性比青蒿素更好的双氢青蒿素 (dihydroartemisinin)。为了保护这一重要的抗疟药,将青蒿素与另外一种药物组成的复方疗法是当今唯一推广使用的治疗方案。根据青蒿素的抗疟活性有赖于它的过氧桥这一特点,在未来我们也许能合成出更多新的抗疟药。

  今年的拉斯克-狄贝基临床医学研究奖 (Lasker DeBakey Clinical Medical Research Award) 授予了中国科学家屠呦呦,以表彰她在青蒿素 (artemisinin) 的发现及其应用于治疗疟疾方面所做出的杰出贡献。这一医学发展史上的重大发现,每年在全世界,尤其在发展中国家,挽救了数以百万计疟疾患者的生命。

  在基础生物医学领域,许多重大发现的价值和效益并不在短期内显而易见。但也有少数,它们的诞生对人类健康的改善所起的作用和意义是立竿见影的。由屠呦呦和她的同事们一起研发的抗疟药物青蒿素就是这样的一个例子。从上个世纪90年代末以来,青蒿素作为治疗疟疾的一线药物挽救了无数的生命,其中大部分是生活在全球最贫困地区的儿童。

“523项目”带来的希望

  或许不可思议的是,青蒿素的故事原来始于中国文化大革命和援越抗美战争时期。当年在越南战争的战场上,由于疟疾的流行,作战双方的士兵纷纷感染疟疾,严重地影响了部队战斗力。抗氯喹的恶性疟原虫 (Plasmodium falciparum) 的出现更成为当时疟疾防治的主要难题,这也促使了作战双方政府在新抗疟药物的研发上的大量投入。美方的努力促成了甲氟喹 (mefloquine) 的发现。数据显示,使用单剂量的甲氟喹就能治愈感染氯喹抗性疟原虫的患者 (Trenholme et al., 1975)。然而,由于当时的北越政府缺乏相应的研究机构和科研条件,他们只能转而求助于中国。

  1967年5月23日,在毛泽东主席和周恩来总理的指示下,来自全国各地的科研人员聚集北京就疟疾防治药物和抗药性研究工作召开了一个协作会议;一项具有国家机密性质、代号为“523项目”的计划就此启动了。该项目组织了来自~60多个研究机构和单位的500多名研究人员参与 (张剑方等. 2006)。项目短期的目标是要尽快研制出能在战场上有效控制疟疾的药物 (到1969年已确立三种防治方案) ,而它的长远目标是通过筛选合成化合物和中草药药方与民间疗法来研发出新的抗疟药物。

  由于“523项目”具有军事机密的性质,项目的研究结果是不允许向外公布的。在“文革”时期,发表科学论文也是不可能的。这种种原因导致这项工作当时并不被523项目以外的人所知,但课题的研究信息与进展还是以报告的形式在研究人员的内部会议上进行了自由的交流。

  没有文献,没有出版记录,到底谁才是发现青蒿素的主要贡献者呢?当我们 (Miller与苏) 于2007年着手探究青蒿素研发的历史时,我们对问题的答案还一无所知。经过深入的调查研究,我们毫无疑问地得出结论:中国中医科学院北京中药研究所的屠呦呦教授是发现青蒿素的首要贡献者。1969年1月,屠呦呦被任命为北京中药研究所523课题组的组长,领导对传统中医药文献和配方的搜寻与整理。1981年10月,屠呦呦在北京代表523项目首次向到访的世界卫生组织研究人员汇报了青蒿素治疗疟疾的成果 (Tu, 1981)。

从古代药方到现代药物

  在调查和收集过程中,屠呦呦和她的课题组成员筛选了2000余个中草药方并整理出了640种抗疟药方集。他们以鼠疟原虫为模型检测了200多种中草药方和380多个中草药提取物。在研究中他们发现青蒿提取物 (一种菊科艾属植物,学名为Artemisia annua L.) 对鼠疟原虫的抑制率可达68%。但是后续的实验结果却显示,青蒿提取物对鼠疟原虫的抑制率只有12-40%。对此屠教授认为,低抑制率可能是由于提取物中有效成份浓度过低的原因造成的。于是他们着手对提取方法进行改进。通过翻阅古代文献,特别是东晋名医葛洪 (公元283-343年) 的著作《肘后备急方》中的“青蒿一握,以水二升渍,绞取汁,尽服之”,她意识到常用煎熬和高温提取的方法可能破坏了青蒿有效成份。不出所料,改用乙醚低温提取后,研究人员如愿获得了抗疟效果更好的青蒿提取物。

  可是,这样得到的青蒿提取物仍具毒性和副作用。针对这个情况,屠教授进一步去除了青蒿提取物中不具抗疟效果的酸性部分但保留了毒性低抗疟力改善的中性部分。在1971年10月进行的鼠疟测试实验中他们发现,这种中性的青蒿提取物 (编号191#) 对鼠疟原虫的抑制率达100%。1972年3月8日在南京召开的523会议上,屠呦呦报告了这一结果。屠教授在会议上提供的一些关键的提炼参数也加速了提纯青蒿晶体的进程。在接下来的几个月里,尽管屠呦呦的研究团队在获得高质量的青蒿晶体上遇到了一些挫折,另外两个团队 (云南药物研究所的罗泽渊和山东省中医药研究所的魏振兴等) 通过使用屠呦呦提供的信息和提取方法,很快就从当地的黄花蒿A. annua L. (译者注:A. annua L是叫黄花蒿或青蒿还有争论) 中提炼出了具有良好的抗鼠疟原虫效果的纯青蒿晶体。在广州中医药大学的李国桥小组主持的临床实验中,云南药物研究所提取的青蒿素展示了极好的抗疟疗效。

  有趣的是,与此相关青蒿素的X-衍射晶体结构、药理学、以及青蒿素抗非重症疟和抗重症脑型疟的学术论文里却只有青蒿研究协作组的署名而没有个人的名字 (1979)。该论文阐明了青蒿素是一种带有过氧基团的倍半萜内酯,结构中的过氧基团与青蒿素的抗疟活性有关 (图1)。1985年,美国沃尔特-里德陆军研究所 (Walter Reed Army Institute of Research, WRAIR) 的Klayman从生长于波托马克河 (Potomac River) 河岸的青蒿A. annua中分离出一种与青蒿素相同的化合物。Klayman在研究中发现,植物体中只有极少的天然成份含过氧基团。尽管WRAIR的研究人员对大量的羟基过氧化物进行了测验,但并未发现具有抗疟活性的物质 (Klayman, 1985)。

  由广州中医药大学李国桥教授领导的两项临床研究对青蒿素和甲氟喹进行了比较。在此研究中,他们首次建议为了防止疟疾的复发和抗药性疟原虫的产生,应考虑复方药物疗法 (Jiang et al., 1982; Li et al., 1984)。与甲氟喹相比较,青蒿素具有高效、速效的特点,能在数小时内清除寄生虫。但是青蒿素的药效半衰期短,为获得更好的治疗效果,应与另外一种药物组成复方进行用药。接受青蒿素单方治疗的病人一般能很快恢复,但是如果病人过早停药,往往会导致疟疾症状的复发。这种非完全治愈的情形可能引起抗药性疟原虫的产生。李国桥的研究团队也开发出一种用于治疗脑型疟的含青蒿素的栓剂,目前这种栓剂已在非洲地区的临床上使用。栓剂的使用缩短了治疗周期并提高了存活率。

  获知中国人发现了青蒿素之后,Nick White (一位在泰国工作的英国牛津大学教授) 也开始对青蒿素及衍生物进行研究。他证实了青蒿素及其衍生物具有抗疟速效的特点,并不遗余力地倡导青蒿素及其衍生物与另外一种伴侣药物组合给药以彻底清除疟原虫。目前这种青蒿素复方已成为世界上治疗疟疾的标准疗法。由于他在这些方面的重要贡献,Nick White于2010年获得了加拿大盖尔德纳奖 (Canada Gairdner Award)。 除了青蒿素的发现,“523项目” 还研制出了多种可以与青蒿素组合的药物,其中包括苯芴醇 (lumefantrine),哌喹 (piperaquine)和双喹哌 (pyronaridine) 等。“523项目”的成功反映了其特有的、集众多的研究单位和科研工作者之长的大协作精神。

与抗药性的不懈斗争

  一个重要却还无法回答的问题是青蒿素或青蒿素衍生物的药效在未来还能保持多久?也许我们能从其它抗疟药物的历史得到一些启示。在前一种天然药物奎宁 (quinine) 的引入之前,疟疾在全球是一种死亡率极高的疾病。奎宁的使用迅速降低了人类患疟疾的死亡率。在意大利,奎宁价格的下降导致奎宁使用量的增加,进而使得患者死亡率急剧下降。而当恶性疟原虫对合成的抗疟药氯喹 (chloroquine) 产生抗性后,小孩患疟死亡率迅速升高的情形也就不足为奇了。在氯喹抗性被鉴定出是由于位于疟原虫的PfCRT转运蛋白的编码基因的突变引起之后 (Fidock et al., 2000) ,这些突变也被阐明其实并非源于非洲、而是从东南亚引入非洲的 (Wooton et al., 2002)。

  非洲国家与地区的公共卫生组织目前遇到的一个主要棘手的问题是对何时改变疟疾治疗策略作决定。因为可选择的疗法有限,在决定改变疗法之前需要对其功效进行一番周密的评估。然而,在改变疗法的过程中患者的死亡 (尤其是儿童) ,常常会在新疗法引入之前发生。磺胺-乙胺嘧啶 (sulfadoxine-pyrimethamine,商品名为:凡西达Fansidar) 是在氯喹之后引入非洲地区的一种抗疟组合药。在其使用后不久,便有大量的报道指出恶性疟原虫对凡西达产生了抗性。研究显示,凡西达抗性的发生是因为疟原虫二氢叶酸还原酶编码基因和二氢喋酸合成酶编码基因的突变引起的。同样,甲氟喹作为单一的抗疟药引入亚洲后也产生了抗药性。不幸的是,甲氟喹抗性疟原虫的产生也削弱了Fansimef (一种由凡西达和甲氟喹组合的复方药) 的药效。另外,由于甲氟喹的造价昂贵,这种药并不适合在非洲地区使用。

  坚持使用青蒿素类复方药至少在一段时间内能阻止青蒿素抗药性的发生 (图1)。为了保护青蒿素的功效,我们需要谨慎地评估伴侣药物的疗效。我们希望这些青蒿素复方能长期有效,以减少因疗法的更替而带来的死亡。

  另一个要面临的问题是一旦产生青蒿素抗性,接下来我们将采用什么药物? 有证据称,与以往的报道或泰国其它地区的情况相比较,柬泰边境地区的临床治疗过程中疟原虫被清除的周期正在延长, 可能显示对青蒿素及衍生药物的抗性正在柬泰边界悄然发生 (Dondorf et al., 2009)。然而,体外和体内试验显示,使用和以往相同剂量的青蒿素均能杀灭所谓的‘抗性’疟原虫。 尽管人们在青蒿素抗性的问题上还存在着争议,谨慎的做法是假定它是抗药性发生的早期并设法去限制这些‘抗性’疟原虫的传播。在某种程度上,这也映射出与其它药物如氯喹抗性和磺胺-乙胺嘧啶的早期抗性相似的流行病发展模式。 这二者的抗性都起源于东南亚、而后传播至非洲地区。因为疟原虫抗药性的产生和传播极其迅速,我们一定要提高警惕。从这个角度奎宁其实是个特例。在使用奎宁的百余年里,治愈所需奎宁剂量的增加的幅度 (耐药性上升幅度) 还是相对缓慢的。我们希望这种情况也能发生在其他中草药如青蒿素上。

抗疟治疗的未来

  基于青蒿素的结构和作用机制,研究人员也正努力研制其它的抗疟化合物。我们已经知道青蒿素的抗疟活性与血红蛋白的消化和血红素铁的释放有关; 它们最终诱导虫体内的氧化应激反应 (Klonis et al., 2011)。正如Klayman1985年所指出的,只有极少的天然产物含过氧基团,这种过氧化物也为我们在研发新抗疟药上提供了一个契机 (Charman et al., 2011)。

  但是谁将去开发这些新的药物?虽然青蒿素的发现源于战争;我们希望未来会有更加和平的动力去驱动抗疟新药的研发。然而,长期以来,疟疾都不被制药商所关注。 制药商们更愿意将资源和精力投放到富庶国度里有利可图的疾病上。为填补这一欠缺 ,像Medicines for Malaria Venture (MMV) 等公私合资的组织或许能给我们提供一个药物研发的成功典范。高通量大规模筛选化合物等现代化手段也可能带给我们新的抗疟药。

  另外一个与疾病治疗和防治密切相关的问题是对于降低死亡率的效果有多大?在全球许多地区,青蒿素复方疗法和经菊酯类杀虫剂处理的蚊帐几乎是同时应用于来控制疟疾。这些措施已经降低了非洲许多地区的疟疾发病率,但仔细的数据分析的结果仍然令我们无法推断究竟是哪一种措施导致了疟疾患病率以及相应的死亡率的降低 (O’Meara et al., 2010)。令人不安的是在非洲,近年蚊媒对菊酯类杀虫剂的抗性有明显上升的趋势 (Ranson et al., 2011)。在塞内加尔的Dielmo村庄,一条源于地下泉水的小溪流经这村庄导致了疟疾感染一直保持在一个较高的水平。对这个地区的一项研究指出, 当地的疟疾患病率虽然在采取防治措施后有了显著降低,最近却有回升的迹象 (Trape et al., 2011) .这个现象有可能与耐药性蚊媒的出现有关。 一旦耐药性蚊媒广泛扩散和蔓延,加上因为疟疾疫情的减少导致人群保护性免疫力的下降,人们就只能完全依赖于青蒿素复方疗法来进行防治。只要传播疟原虫的蚊媒仍在非洲地区滋生,疟疾就有可能复燃。

  尽管战胜疟疾的任务仍然很艰巨,屠呦呦和她中国的同事们发现的青蒿素给我们带来了希望。青蒿素的发现不愧是现代医学史上的一项伟大的成就。(作者单位:美国国立卫生研究院过敏与传染病研究所,疟疾与媒介研究室)

致谢

  在文稿和文中插图的起草期间Susan Pierce博士 (LIG, NIAID) 和Thomas E. Wellems博士 (LMVR, NIAID) 提出了一些宝贵的意见;厦门大学的李剑博士及Cancer Cell的杨晓虹博士在英译中过程中提供了大力协助;插图由Alan Hoofring绘制;在此一并向他们表示感谢!本项工作得到了美国国立卫生研究院 (NIH) 过敏与传染病研究所 (NIAID) 所内研究计划项目的资助。

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