2020-03-29
纵观历史，人类与传染病的搏斗从未停息。而药物是人类与疾病做斗争的最有力武器之一，也是人类能够繁衍生息至今的最重要保障。当前的新冠肺炎疫情环境下，大家对“特效药”和疫苗的渴求也体现了传染病药物的分量和我们对药物寄予的希冀。
本文主要内容整理自《The Practice of Medicinal Chemistry, 3rd Edition》第一章第二节“药物发现两百年”（Two Hundred Years of Drug Discoveries）第三部分“对抗微生物和病毒”（Fighting against microbes and viruses），该书以外的其它参考资料出处均标于文中。借用这些内容，我将向大家介绍一种重要的传染病药物——抗生素从无到有的过程。药物的发现是综合了药学、医学、化学、生物学等多学科的复杂工作，而且无时无刻不受到各种各样的社会、伦理或偶然因素影响，本文无法全面地展现抗生素研发的全貌；本文只从历史出发，从今人的角度重新审视人类药学发展的蹒跚步伐，看看人类如何摸着石头从蒙昧走向小有成就。
《The Practice of Medicinal Chemistry, 3rd Edition》作者为Louis Pasteur University药学院有机化学与药物化学教授Prof. Camille G. Wermuth；现在最新版本为第四版。这里以我个人比较熟悉的第三版为基础。该书的第二版国内现有正式出版的译本即《创新药物化学（第二版）》。该书对各类药物的发现都有很详细的记叙，这是一本专业工具书，对于非本专业从业人员来说没什么用，强烈不建议广大读者拿来读。
前几天，机核网上已发布文章《
谁才是药神？聊聊真实的药物研发》，作者
晨风零雨，文中已包含了本文提及的部分历史事件，而且笔法比我好了很多（真不是谦虚），这里再提一遍大家就当是从另外的视角再看一次吧。
本文仅代表我个人观点，与我所在研究机构及合作研究单位无关。
前抗生素时代——卤素、苯酚，各种外用消杀方法的诞生
人类认清传染病病原体的本质是一个漫长的过程。早在17世纪，荷兰人安东尼·列文虎克（Antony van Leeuwenhoek）就发明了显微镜，但商人出身的他并不喜欢与科学界交流成果，导致显微技术在当时未能得到推广和发展。 这种状况持续到19世纪，人类一直都没有系统地将“微生物”与疾病联系在一起，也就是说，没有病原微生物的概念。而消毒物的发明也基本不是用于防治疾病的目的——1785年，氯气的水溶液被应用于漂白织物。1789年，次氯酸钾被首次制备出来，而后又有人通过置换反应制出了次氯酸钠。这种物质成为含氯消毒液的成分是后话了。
19世纪20年代末，Robert Collins和Oliver W. Holmes相继发现，接生婆用含氯水洗手可以显著降低产褥热的发生率。1861年，有研究者发表论文称产褥热具有传染性，但该研究没能说服维也纳和布达佩斯的医生相信他们自己就是传染的源头，也就是说，没有在医生群体中引起重视。直到路易斯·巴斯德（Louis Pasteur）、罗伯特·科赫（Robert Koch）和约瑟夫·李斯特（Joseph Lister）证明了微生物的存在及其致病性，这才让世人开始警惕致病性微生物。这三位科学家被后世认为是医学微生物学的奠基人。
我国于1982年发行罗伯特·科赫发现结核杆菌一百周年纪念邮票（J74）
1881年，罗伯特·科赫发现在培养条件下，次氯酸盐能够杀灭细菌。数年后，次氯酸盐正式用于水的消毒处理。一战期间，次氯酸盐类又被应用于开放性创伤和化脓伤口的处理。1916年，一种以次氯酸钠和氯化钠为主要成分的家用消毒水在英国上市（Milton® fluid）。含氯消毒剂从此走进了千家万户的日常生活。
Milton® Fluid，相当于国内的84消毒液？
另一种被用于消毒的卤素是碘。碘单质于1811年被发现；1835年，一种被称为“碘酊”的制剂（即碘酒剂）被应用于伤口消毒；随后，碘单质又被碘仿取代。1829年，法国医生Jean Lugol发现碘化钾可以显著增加碘单质的水溶性，他在巴黎Saint-Louis医院将这种水溶性制剂用于牙科治疗过程中，随后，碘制剂被广泛用于消杀。1873年，碘酊被用于炭疽的治疗。至此，单质碘类被正式用于细菌性传染病的治疗；后来随着科学发展，单质碘类制剂经过反复改良，延用至今，现在用于治疗口腔溃疡的药物“华素片”，外用消杀药剂“碘伏”，都属于此类。
为医院卫生状况带来实质性变革的是苯酚的发现。1834年，德国人Friedlieb Runge通过蒸馏煤焦油制备出了苯酚。1860年前后，法国人首先将苯酚用于手术室消毒；同时，李斯特开始在医院推广无菌外科手术，使得创口感染的发生率显著降低。医院的感染控制是李斯特对医学界的重要贡献。
李斯特的手写处方，现存于爱丁堡的Royal College of Surgeons李斯特的显微镜，现存于伦敦的Royal Collegeof Surgeons李斯特的“鹅颈瓶”，现存于伦敦的Royal Collegeof Surgeons李斯特的手写处方，现存于爱丁堡的Royal College of Surgeons李斯特的显微镜，现存于伦敦的Royal Collegeof Surgeons李斯特的“鹅颈瓶”，现存于伦敦的Royal Collegeof Surgeons李斯特的手写处方，现存于爱丁堡的Royal College of Surgeons1 / 3
本组图片均来自于“Pioneers in infection control—Joseph Lister”，作者S.W.B. Newsom，doi:10.1016/j.jhin.2003.08.001
李斯特还首次使用液体培养基分离得到纯净的细菌菌种（Bacillus lactis，乳杆菌的一种），科赫随后又从固体培养基中完成了纯细菌菌落的分离。就这样，人类对微生物的认识更加直观、完善，当时很多的疾病也就找到了原因；了解到传染病的本质，是人类在19世纪最伟大的医学成就之一。微生物学和传染病学的进步又刺激了相应研究方法的完善，显微技术、微生物染色技术、灭菌技术迅速发展并广泛应用于微生物实验室和医院，微生物研究水平日新月异，在随后的几十年里，人类揭开了多种传染病的面纱，找到了它们的致病原。
但这时人类仍然没有可以口服及注射的抗菌药物，上述的次氯酸盐、碘、苯酚，都只能用于体表和浅部感染，人类面对大多数细菌性传染病，仍然束手无策，例如肺结核、梅毒、败血症，还不能得到有效救治；这不仅不能满足当时的医疗需求，也落后于同时代其它领域的药物性干预手段研究进展：对于一些病毒性传染病，如狂犬病、水痘，当时已经有疫苗可用了。
磺胺类药物的时代——染料工业带来的医药革命
突破这一困局的决定性成果，产生于一个意想不到领域：染料工业。1865年，德国人Friedrich Engelhorn创立BASF公司，主要生产煤焦油染料及其前体。1871年，BASF公司上市了一种化学合成染料，红色的茜草红（Alizarin），随后又创制了多种我们现在耳熟能详的化学染料：曙红（eosin，至今仍是生物医学研究中最广泛使用的染色剂之一），亚甲基蓝（现为水产用药，用于观赏鱼类），及偶氮染料。
德国的染料工业不仅贡献出了诸多有潜在药用价值的化学实体，由于不同的细胞对染料的反应不同，这些染料还被广泛用于医学研究，极大地促进了医学科学的发展。
现在BASF公司已经发展成一个国际性的化工企业；图为BASF公司的logo和slogan；国内公司名称为“巴斯夫化工有限公司”
19世纪80年代，德国科学家保罗·埃尔利希（Paul Ehrlich）正在为“睡眠病”（即非洲锥虫病，由寄生虫“布氏锥虫”引起的传染病，因晚期症状为频繁的昏睡而得名）寻找有效的药物，他发现一种名叫Atoxyl的化合物效果不错，但这种化合物是一种剧毒的有机砷化合物。然后他又重新开始苦苦追寻，希望能找到一种“魔法子弹”，能够在“打死”微生物的同时不会毒害病患。直到1909年，他的团队一共在大鼠身上试验了900余种化合物，埃尔利希的日本同事Sahachiro Hata将目光锁定在“编号606”的化合物上（化学名略，它也是砷化物）。这个化合物对布氏锥虫没啥作用，但它能够杀死另一种臭名昭著的病原体——梅毒螺旋体（Treponema pallidum）。
埃尔利希（左）和Hata（右）；Sahachiro Hata受导师指派，到埃尔利希的实验室建立细菌感染的动物模型，他的导师是著名日本细菌学家北里柴三郎；而北里柴三郎的导师，正是医学微生物学奠基人之一的罗伯特·科赫
当时，梅毒是一种高发性、高致残率的严重疾病。埃尔利希和Hata将“编号606”反复在动物身上做实验，最终发现，动物可在3周内被治愈，死亡率为零。1910年7月， “编号606”制剂（商品名Salvarsan，即“胂凡钠明”）实现量产，它一经推出立即大获成功，使德国一跃成为化学制药界的领头羊。“魔法子弹”这一概念随即发展成为一个延用至今的治疗概念——“化疗”（chemotherapy）。这种药物的主要缺陷在于，它毕竟还是一种有毒的有机砷，由于当时对于砷化合物的管控力度不足，这类化合物仍然存在安全隐患，错开、滥用都会导致严重后果。
此外，埃尔利希还发现不同种类和生存状态的细胞对染料的吸收行为截然不同，基于此他建立了几种细胞染色观察方法，这也是他为医学做出的重要贡献之一。但实际上，他最主要的研究领域是免疫学，他因在免疫学方面的成就于1908年获得诺贝尔生理学和医学奖。Sahachiro Hata也曾获得诺贝尔奖提名。
1940年，保罗·埃尔利希的传记电影《埃尔利希博士的魔弹》在美国上映
时间很快到了1927年，德国拜耳实验室的科学家格哈德·多马克（Gerhardt Domagk）开始以寻找口服抗菌药为目标的研究项目。他采用了葡萄球菌感染的大鼠为动物模型，重点研究了偶氮染料。因为他认为，这类染料与羊毛的结合力极强，不易褪色或漂清，所以这类染料就可能会与细菌菌体的蛋白质相结合，达到杀死细菌的目的。这种思路放到现在当然不甚严谨，但在当时的医药学科背景下具备合理性。最终他找到了一种名为Chrysoidine的深红色染料，这种物质在制成磺酰脲衍生物，形成磺酰化Chrysoidine时表现出良好的治疗作用。又经过反复的实验研究，最终多马克认为这就是他想要的高效低毒抑菌药物，并将其命名为Streptozan，又很快被更名，即后来被人们熟知的：百浪多息（Protonsil）。百浪多息的诞生标志着抗微生物化疗药物迈进了新纪元。
1932年，第一例使用百浪多息治愈的病例被报导。关于这个病例，有两个版本的故事。第一个版本是，一名10个月大的幼儿感染了葡萄球菌，引发败血症，其它治疗均无效或无法应用的情况下，医生孤注一掷使用百浪多息，却出乎意料地治好了这个孩子。另一个版本是，多马克用百浪多息治愈了因感染葡萄球菌而生命垂危的女儿，但没有立即发表自己的成果，而是申请专利后才公布这种药物的惊人疗效。多马克因此获得了1939年的诺贝尔生理学和医学奖，但当时正是纳粹专政时期，他直到二战结束才拿到属于他的奖章。
德国化学家格哈德·多马克（1895-1964）
然而，多马克做到的仅仅是发现，他没能揭示该药背后的原理。百浪多息的作用机制是由法国巴斯德研究院的一支科研团队完成的。他们发现，百浪多息之所以在体外无抗菌作用（即对实验室培养的细菌无效），是因为这种药物分子需要动物体内的还原酶进行代谢，从偶氮键处将分子一分为二；而分成的两部分中，是磺酰胺部分起了治疗作用，如果没有它，染料部分本身没有任何效果！
我画了个示意图，大家将就看吧：左侧为百浪多息的分子式，经代谢后生成的对氨基苯磺酰胺能抑制细菌体内的重要营养物合成过程从而使细菌停止增殖；红框所示为“磺酰胺基”，是该药的药效基团。分子本身无效，后来修饰上去的附加基团却发挥了药效。
1936年，百浪多息的神奇疗效震惊欧洲医学界；该药同年被引进到美国，并因治好了罗斯福总统的儿子的葡萄球菌感染而在美国一举成名。随后，20世纪三、四十年代期间，全世界范围内迅速创制出超过5000种磺胺类仿制药，其中，吡啶磺胺（sulfapyridine）被用于肺炎的治疗，丘吉尔在二战期间的肺炎感染就是用这种药治疗的；磺胺噻唑（sulfathiazole）可用于治疗肺炎和葡萄球菌感染，还有磺胺嘧啶银等等，不再一一叙述。
抗生素时代——从大自然中寻找抗菌利器
20世纪30年代，对于医药界是崭新的时代，因为抗生素诞生了。1939年，洛克菲勒医学研究院的雷内·杜博斯（René Dubos）土壤中的一种杆菌中提取出了一种物质并将其命名为“短杆菌素”（tyrothricin）；这种物质治愈了肺炎链球菌感染的小鼠。后来，进一步研究表明，短杆菌素实际上是两种化合物的混合物。可惜的是，短杆菌素毒性极强，无法成药。虽然没能成药，但这证明了从环境微生物中寻找抗菌药物的可行性。
青霉素——第一个成药抗生素
第一个抗生素的故事现在几乎家喻户晓：1928年，亚历山大·弗莱明（Alexander Fleming）望向被青色霉菌污染的细菌培养皿，却意外发现霉菌溶解了细菌菌落。随后他从这种霉菌的汁液中提取出了一种化合物，并将其命名为青霉素（penicillin），但青霉素出于各种原因被遗忘多年：弗莱明最初的实验结果难以重现，青霉素的化学结构在当时的技术手段下难以确定。后来，二战战场伤员饱受感染困扰，为解决这一难题，药理学家霍华德·弗洛雷和生物学家波利斯·钱恩重新审视了弗莱明的成果，并于1940年将其正式发表。1941年，第一例青霉素治愈病例被报导；次年，青霉素实现量产。1945年，弗莱明、弗洛雷和钱恩获得诺贝尔医学奖；同年，弗莱明接受《纽约时报》采访时，提出过度滥用青霉素可能导致细菌耐药性。
从1928年最初发现，直到1942年实现量产，各种因素导致了青霉素的迟到，这在
晨风零雨大佬的文章中有更为详尽的叙述。农业在其中也做出了相应的贡献，使用农副产品加工中的发酵设备和农产品玉米浆进行发酵生产，使青霉素的产量提高了10倍以上。1944年，青霉素存量已经足够治疗诺曼底登陆战役中所有伤员。同时，梅毒、淋病的治疗效率也因青霉素的引入而极大地提高。
20世纪40年代初（注），女科学家多洛希·克劳福特·霍奇金（“霍奇金夫人”，丈夫是英国历史学家、作家托马斯·霍奇金）测定了青霉素的分子结构，为青霉素的化学合成和结构优化提供了基础，后来她因X射线单晶衍射测定化合物分子结构获得诺贝尔化学奖。
多洛希·克劳福特·霍奇金（1910-1994），英国化学家，她建立的“X射线单晶衍射法测定晶体的分子结构”至今仍是最有力的化学结构测定方法之一
20世纪50年代，麻省理工学院的John Sheehan首先完成了青霉素及其衍生物的化学全合成，但他的方法不适合量产。同时，为了弥补青霉素抗菌谱较窄以及出现耐药性的缺点，研究者们开始对它进行结构改造。1960年有两家公司推出了甲氧西林（methicillin），但几乎同时，耐甲氧西林的金黄色葡萄球菌（methicillin-resistant S. aureus, MRSA）被发现。1961年，氨苄青霉素（ampicillin）被合成出来，成为第一个（暂时）打破耐药性的广谱青霉素衍生物。女演员伊丽莎白·泰勒在拍摄《埃及艳后》过程中感染葡萄球菌性肺炎，正是这种新型广谱抗生素救了她一命。此后，又有许多青霉素衍生物成功问世，例如：氟氯西林、双氯西林、苯唑西林等。
注：文献显示成果发表于1949年，书中所述“20世纪40年代初”与实际发表时间略有出入：Crowfoot D, Bunn C W, Rogers-Low B W, et al. X-ray crystallographic investigation of the structure of penicillin[J]. The chemistry of penicillin, 1949: 310-367.
链霉素和抗结核药物
其实，从环境微生物中寻找药物的努力早已开始。美国化学家赛尔曼·瓦克斯曼（Selman Abraham Waksman）早在1914年就开始从事相关研究，但直到1939年才有所收获。他发现了放线菌（链霉菌）对细菌的生长有抑制作用；次年，他的团队从放线菌中提取出了放线菌素（actinomycin），这个化合物对当年科赫分离培养的细菌有抑制作用，但较强的毒性导致其无法成药。几个月后，他和同事又发现了这个化合物的氨基糖苷，即链霉素（streptomycin）。
1942年，欧洲有数十万人死于肺结核，全世界范围内患者总数超过五百万。磺胺类药物和青霉素对结核分枝杆菌（Mycobacterium tuberculosis）无效，瓦克斯曼发现了链霉素对结核的作用和潜在价值。默克公司（Merck）在此基础上迅速开始生产链霉素；同时，梅奥医学中心的研究人员也在动物水平上证实了链霉素高效低毒的性质。1944年11月20日，临床医生首次将链霉素给予重症结核患者，结果患者迅速康复，症状减轻的同时，痰中的细菌也消失了。然而还是出现了问题，链霉素使这名患者发生了耳聋，原来是链霉素对内耳表现出毒性；现在临床上可以通过合理用药来减轻或消除氨基糖苷类抗生素的耳毒性。单独使用链霉素使病原菌很快出现了耐药性，瓦克斯曼又指导他的研究团队又研发了多种抗生素药物。1952年，瓦克斯曼因发现链霉素及其它17种抗生素获得了诺贝尔生理学和医学奖。
瓦克斯曼（左）与默沙东研发总监Randolf Major（中）及青霉素的发现者弗莱明（右）在 瓦克斯曼位于罗格斯大学的研究室中讨论抗生素活性筛选技术。照片来自“Selman A. Waksman, Winner of the 1952 Nobel Prize for Physiology or Medicine”，作者H. Woodruff，doi:10.1128/AEM.01143-13
1951年，施贵宝制药（Squibb Co.）和豪夫迈·罗氏有限公司（Hoffmann-LaRoche）分别独立开发出了药效更强的抗结核药物。使用了五万只小鼠测试了超过五千种备选化合物后，异烟肼（isonicotinic acid hydrazide）脱颖而出。链霉素和异烟肼的联合应用成为当时效果非常出众的结核病治疗手段。随后的二十年里，乙胺丁醇、利福平等抗结核药物相继问世，成为对抗结核病的有力武器。
除了上述的几类药物，诞生于20世纪50-70年代的还有四环素、大环内酯类抗生素（红霉素等）、喹诺酮类（诺氟沙星等）。后来随着人类对海洋的探索，抗生素发现的范围也拓展到了海洋天然化合物，海洋来源的抗生素，例如万古霉素，也成为了对抗感染的新武器。
耐药性问题——抗生素蓬勃发展背后的隐忧
随着时间推移，有的细菌进化出了对抗抗生素的能力。短杆菌素的发现者雷内·杜博斯早已预见到了耐抗生素菌株的出现的潜在可能，并开始提倡谨慎使用抗生素。出于对耐药性问题的恐惧，杜博斯后来甚至放弃了抗菌天然化合物研究。抗生素的大规模使用促进了病原体的进化适应，使细菌能够在强效药物的杀伤作用下存活。抗生素耐药性为微生物提供了有利于生存的性质，也就使它们更难以被从人身内驱除。最终，微生物越难消灭，医院内交叉感染的风险就越高。另外一个极大的隐忧是，现在已经开发了很多已知类型的抗生素类似物，却极少发现新结构类型的抗生素。
常见抗生素基本上都有相应的耐药菌株被发现
抗生素耐药性在全球范围内已经成为日益严重的威胁，尤其是对于那些收治了难治性、致命性感染患者的医院。现在每个大类的抗生素都有相应的抗性机制被发现，寻找新的抗生素来对付那些具有多重耐药性的病菌是未来十年里（也就是现在）药物化学界面临的最大挑战，未来人类必将需要全新类型的抗生素或者更老牌抗生素的强化改良版本。
医药界将抗生素的研发与微生物耐药性的进行形象地比喻为“军备竞赛”，除了寻找新型抗生素之外，研究者们也在积极寻求抗生素以外的治疗手段，以面对未来可能威胁人类安全的“超级细菌”。
