青蒿素——跨越千年 來(lái)自傳統(tǒng)中藥的禮物

       導(dǎo)語(yǔ)

       青蒿素類藥物，是來(lái)自傳統(tǒng)中藥的禮物！它也為中國(guó)帶來(lái)了第一枚諾貝爾醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)！

       雖然青蒿素及其衍生物，甚至復(fù)方蒿甲醚都是中國(guó)自主研發(fā)的，但是復(fù)方蒿甲醚的海外銷售權(quán)卻在諾華公司手中。

       “青蒿素類抗瘧藥研發(fā)成功既是我國(guó)醫(yī)藥學(xué)界的驕傲，也是我國(guó)的遺憾！”

       青蒿素類藥物，是來(lái)自傳統(tǒng)中藥的禮物，2015年諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)將諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)?wù)绞谟杞o了中國(guó)科學(xué)家屠呦呦，以表彰她在抗瘧新藥青蒿素研究中的卓越貢獻(xiàn)。在了解青蒿素之前，首先讓我們了解一下青蒿素類藥物針對(duì)的疾病——也就是瘧疾。

       01

       瘧疾

       瘧疾是由雌性按蚊叮咬人體并將其體內(nèi)寄生的瘧原蟲(chóng)傳入人體而引起的蟲(chóng)媒傳染病。瘧原蟲(chóng)在蚊子體內(nèi)發(fā)育形成孢子，隨著按蚊叮咬吸血而進(jìn)入人體的血液，寄生在肝細(xì)胞和紅細(xì)胞中，破壞細(xì)胞并進(jìn)行大量增殖，引起臨床癥狀發(fā)作。

       瘧疾有間歇性發(fā)冷、發(fā)熱、出汗的臨床表現(xiàn)，有時(shí)還會(huì)引起脾腫大和貧血。重癥瘧疾患者可引起腦、肝、腎等臟器損害，并可引起循環(huán)系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)損傷甚至多系統(tǒng)功能衰竭。

       瘧疾因瘧原蟲(chóng)種類的不同而分為以下四種：惡性瘧、間日瘧、卵形瘧和三日瘧；

       惡性瘧原蟲(chóng)能侵犯任何年齡的紅細(xì)胞，患者血中瘧原蟲(chóng)密度高，繁殖周期短，故貧血、臨床表現(xiàn)嚴(yán)重；

       間日和卵形瘧原蟲(chóng)常僅侵犯較幼稚紅細(xì)胞，原蟲(chóng)密度低；

       三日瘧僅感染衰老紅細(xì)胞，原蟲(chóng)密度最低，貧血和其他臨床表現(xiàn)較輕。

       瘧疾曾經(jīng)是我國(guó)流行歷史最久遠(yuǎn)、影響范圍最廣、危害最嚴(yán)重的傳染病之一，新中國(guó)成立前每年約有3000萬(wàn)人患瘧疾，其中30萬(wàn)人死亡，病死率高達(dá)1%。在上個(gè)世紀(jì)，我國(guó)曾是世界上瘧疾流行最為嚴(yán)重的國(guó)家之一。20世紀(jì)40年代，我國(guó)估計(jì)有90%以上的人面臨著感染瘧疾的風(fēng)險(xiǎn)；在50年代到70年代，瘧疾也一直廣泛傳播，其發(fā)病率更是在1970年達(dá)到最高峰，為2961.10/10萬(wàn)；而到了2010年，我國(guó)瘧疾的發(fā)病率已經(jīng)下降至1/10萬(wàn)以下，并最終達(dá)成了無(wú)瘧疾的成就，這樣的勝利無(wú)疑讓人為之鼓舞。

       在了解完瘧疾之后，再讓我們看一看針對(duì)瘧疾的青蒿素是怎樣一步一步被發(fā)現(xiàn)并最終作為抗瘧藥物使用的。

       02

       青蒿素的研究歷程

       20世紀(jì)60年代后，在東南亞及非洲地區(qū)發(fā)現(xiàn)了抗藥性瘧原蟲(chóng)，傳統(tǒng)的抗瘧藥奎寧、氯喹等已不再有效，數(shù)以千萬(wàn)計(jì)的瘧疾患者的治療面臨嚴(yán)重的困難， 促使各國(guó)積極研究新的抗瘧藥物。其中抗瘧藥效最為顯著的當(dāng)屬我國(guó)發(fā)現(xiàn)的抗瘧新藥——青蒿素。

       圖1.青蒿素的結(jié)構(gòu)式，來(lái)源：藥渡數(shù)據(jù)

       中醫(yī)關(guān)于瘧疾的記載可以追溯到幾千年前，而青蒿作為藥材的使用也是如此。首次提到青蒿用于瘧疾治療可以追溯到東晉（公元317—420年）葛洪的《肘后備急方》，隨后青蒿和其他技術(shù)在瘧疾防治中的應(yīng)用在中國(guó)一系列歷史醫(yī)學(xué)著作中常有記載，其中包括頗具影響力的李時(shí)珍的《本草綱目》（明代，公元1368—1644年）。這些豐富的古代記載對(duì)于青蒿素的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。

       1967年5月23日中國(guó)政府設(shè)立了名為“523”的國(guó)家項(xiàng)目，加強(qiáng)抗瘧藥物的研究，1969年，屠呦呦教授被選為該項(xiàng)目的研究組組長(zhǎng)，該研究組致力于在中藥中篩選抗瘧新藥。

       在1971年，青蒿的提取物引起了他們的特別關(guān)注，因?yàn)樗a(chǎn)生了理想但不穩(wěn)定的抑制率，屠呦呦注意到，青蒿的使用方法是使用浸泡青蒿的水，即青蒿的“汁液”，她從文獻(xiàn)資料和自己對(duì)中醫(yī)的了解中提出了低溫條件提取有效成分的想法。在1971年10月前后進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，該物質(zhì)對(duì)鼠類瘧疾顯示出了100%的驚人療效，這毫無(wú)疑問(wèn)地確認(rèn)了青蒿提取物的有效性。

       青蒿素類抗瘧藥組成復(fù)方或聯(lián)合用藥方法已被世界衛(wèi)生組織（WHO）確定為全球治療瘧疾必須使用的唯一用藥方法。利用青蒿素類藥復(fù)方加服小劑量的伯喹治療現(xiàn)癥病人以阻止瘧疾傳播的技術(shù)，也被WHO確認(rèn)和推薦。

       在了解了瘧疾和青蒿素等一系列知識(shí)后，大家一定很好奇青蒿素是如何對(duì)瘧原蟲(chóng)產(chǎn)生作用的，下面就讓我們進(jìn)入青蒿素的作用機(jī)理部分。

       03

       青蒿素作用機(jī)理

       圖2. 青蒿素的激活

       青蒿素先進(jìn)入被感染的紅細(xì)胞內(nèi)，而后進(jìn)入瘧原蟲(chóng)的體內(nèi)。由于瘧原蟲(chóng)在成熟后會(huì)攝取紅細(xì)胞內(nèi)的血紅蛋白作為營(yíng)養(yǎng)和能量來(lái)源，血紅蛋白的重要組成部分——血紅素將會(huì)被釋放出來(lái)，而血紅素可以激活青蒿素，通過(guò)與過(guò)氧橋相關(guān)的開(kāi)環(huán)反應(yīng)使青蒿素帶上致命的氧自由基。這時(shí)，青蒿素就像是一頭被激怒的野獸一般，在瘧原蟲(chóng)體內(nèi)大開(kāi)殺戒。

       圖3.激活的青蒿素與瘧原蟲(chóng)體內(nèi)物質(zhì)的作用

       研究表明，被激活后的青蒿素可以與瘧原蟲(chóng)體內(nèi)多達(dá)124物質(zhì)結(jié)合，涉及到多種重要生理過(guò)程。瘧原蟲(chóng)正常的生命活動(dòng)被青蒿素?cái)嚨锰旆馗?，再也無(wú)力在宿主的紅細(xì)胞內(nèi)興風(fēng)作浪。有人或許會(huì)提出這樣一個(gè)問(wèn)題，青蒿素依賴自由基發(fā)揮殺傷作用，是否會(huì)導(dǎo)致宿主自身細(xì)胞的損傷呢？答案是不會(huì)，而且這正是青蒿素最為高明之處，它像是帶有一個(gè)激活的開(kāi)關(guān)一樣，只有當(dāng)?shù)竭_(dá)被瘧原蟲(chóng)侵染的紅細(xì)胞內(nèi)，接收到血紅素傳來(lái)的危險(xiǎn)信號(hào)，這個(gè)開(kāi)關(guān)才會(huì)被打開(kāi)，整個(gè)過(guò)程仿佛像是一件精心設(shè)計(jì)的武器在目標(biāo)附近定點(diǎn)爆破，不得不讓人感嘆生命的奇妙之處。

       圖4.青蒿素的耐藥機(jī)理

       而有關(guān)青蒿素的耐藥機(jī)理同樣奇妙。盡管青蒿素有著強(qiáng)大的抗瘧作用和高安全性的激活機(jī)制，但瘧原蟲(chóng)們已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)化出對(duì)抗青蒿素的狡猾耐藥機(jī)制。我們知道青蒿素依賴于瘧原蟲(chóng)代謝產(chǎn)生的血紅素進(jìn)行激活，但瘧原蟲(chóng)事實(shí)上在侵入紅細(xì)胞內(nèi)后會(huì)先進(jìn)行一段短時(shí)間的休眠——環(huán)狀體期。在這一段時(shí)期，瘧原蟲(chóng)就像冬眠一樣，不吃不喝，缺少了瘧原蟲(chóng)吃剩的血紅素，青蒿素便也無(wú)法從沉睡中醒來(lái)。瘧原蟲(chóng)們抓住了這個(gè)機(jī)會(huì)，其體內(nèi)PfKelch13基因的突變會(huì)使得瘧原蟲(chóng)休眠期延長(zhǎng)，使得更多的瘧原蟲(chóng)能夠逃逸青蒿素的殺傷，進(jìn)而導(dǎo)致青蒿素治療后瘧疾會(huì)出現(xiàn)頻繁的復(fù)發(fā)。這何嘗不是一場(chǎng)自然界的軍備競(jìng)賽，生命的精妙也在這一過(guò)程中體現(xiàn)的淋漓盡致。

       青蒿素產(chǎn)生作用的機(jī)理想必大家已經(jīng)很清楚了，然而，真正用于臨床的卻非青蒿素，而是其衍生物蒿甲醚等物質(zhì)，那么這又是為什么呢，讓我們一起來(lái)看看吧。

       04

       青蒿素衍生物

       前文對(duì)于青蒿素的作用的機(jī)理做了詳細(xì)的闡述，青蒿素的抗瘧作用是很強(qiáng)勢(shì)的。但在具體的應(yīng)用時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題，從青蒿素的結(jié)構(gòu)式我們可以清楚的看出來(lái)，青蒿素的脂溶性和水溶性都很弱，難以直接應(yīng)用于臨床。事實(shí)上，許多經(jīng)典藥物被發(fā)現(xiàn)時(shí)，都無(wú)法直接應(yīng)用于臨床，需要通過(guò)一定的結(jié)構(gòu)改造才能成藥并應(yīng)用。

       我們可以通過(guò)上文了解到，青蒿素產(chǎn)生藥效的是其結(jié)構(gòu)中的過(guò)氧橋結(jié)構(gòu)，而底下的羰基與藥效無(wú)關(guān)，且具有一定的改進(jìn)空間。針對(duì)這個(gè)位點(diǎn)，可以通過(guò)加成反應(yīng)的手段來(lái)添加基團(tuán)，得到如下圖的三種衍生物：蒿甲醚、蒿乙 醚、青蒿琥酯。

       圖5.青蒿素的衍生物——青蒿琥酯，來(lái)源：藥渡數(shù)據(jù)

       圖6.青蒿素的衍生物——蒿乙 醚，來(lái)源：藥渡數(shù)據(jù)

       圖7.青蒿素的衍生物——蒿甲醚，來(lái)源：藥渡數(shù)據(jù)

       其中，蒿甲醚的藥效為三種衍生物中最好的，蒿甲醚作為青蒿素的衍生物，有以下四個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

       一是脂溶性好，這是我們?cè)谶M(jìn)行對(duì)于青蒿素分子進(jìn)行改造時(shí)，已經(jīng)預(yù)料到優(yōu)點(diǎn)，加成增加的甲基增加了蒿甲醚的脂溶性，使其可以更好的制劑；

       二是抗瘧效果好，由于青蒿素發(fā)生作用時(shí)，要發(fā)生加成反應(yīng)生成雙氫青蒿素才能發(fā)揮作用，而蒿甲醚發(fā)生這個(gè)反應(yīng)更加容易，實(shí)驗(yàn)證明，蒿甲醚的抗瘧作用是青蒿素的10-20倍；

       三是對(duì)于已經(jīng)對(duì)氯喹等藥物產(chǎn)生抗藥性的瘧原蟲(chóng)，蒿甲醚的作用更好；

       四是蒿甲醚的副作用更小。目前使用較多的復(fù)方蒿甲醚的有效成分為蒿甲醚和苯芴醇，二者配合既能迅速控制瘧疾又能根治瘧疾。

       雖然青蒿素及其衍生物，甚至復(fù)方蒿甲醚都是中國(guó)自主研發(fā)的，但是復(fù)方蒿甲醚的海外銷售權(quán)卻在諾華公司手中。“青蒿素類抗瘧藥研發(fā)成功既是我國(guó)醫(yī)藥學(xué)界的驕傲，也是我國(guó)的遺憾！”在看完下面青蒿素的專利和商業(yè)化的部分后，也許大家會(huì)對(duì)這句話有更深的理解。

       05

       青蒿素的專利和商業(yè)化

       圖8. 賽諾菲公司（左）和諾華公司（右）

       青蒿素是一種由中國(guó)原創(chuàng)的，且在全世界范圍內(nèi)救助了幾百萬(wàn)瘧疾患者的重要藥物。然而令人遺憾的是，青蒿素的商業(yè)化主要由國(guó)外制藥公司完成。1988年，賽諾菲公司最早看到青蒿素的商業(yè)前景，他們與桂林制藥合作，并且開(kāi)始在世界其它地方推廣青蒿素單獨(dú)作為藥物治療瘧疾。然而，單獨(dú)使用青蒿素進(jìn)行治療取得的效果并不好。之后再在90年代，中國(guó)軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院開(kāi)發(fā)出了復(fù)方蒿甲醚，但是卻沒(méi)有將復(fù)方蒿甲醚推廣到其它國(guó)家的能力，只好尋找國(guó)際大藥廠合作，最后找到了諾華公司，并將復(fù)方蒿甲醚的海外銷售權(quán)賣給了諾華。2009年，美國(guó)FDA批準(zhǔn)復(fù)方蒿甲醚上市，這是FDA批準(zhǔn)的我國(guó)首 個(gè)原創(chuàng)藥物。

       圖9. FDA（圖源網(wǎng)絡(luò)）

       青蒿素的研發(fā)是我國(guó)醫(yī)藥工業(yè)自主創(chuàng)新的典型范例，其成功經(jīng)驗(yàn)對(duì)我國(guó)新藥研發(fā)提供了十分有意義的啟示，主要表現(xiàn)在：

       一、運(yùn)用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)手段，對(duì)傳統(tǒng)中藥藥材的再開(kāi)發(fā)：我國(guó)傳統(tǒng)中醫(yī)藥歷史悠久，品種眾多，是一筆無(wú)法估計(jì)的財(cái)富。

       二、新藥研發(fā)應(yīng)以市場(chǎng)為導(dǎo)向：市場(chǎng)是實(shí)現(xiàn)新藥價(jià)值的途徑，能否實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益，是檢驗(yàn)新藥是否成功的標(biāo)準(zhǔn)。

       三、知識(shí)產(chǎn)權(quán)的重要性：青蒿素類抗瘧藥研發(fā)成功既是我國(guó)醫(yī)藥學(xué)界的驕傲，也是我國(guó)的遺憾。從青蒿素類抗瘧藥研發(fā)的艱辛歷程和因知識(shí)產(chǎn)權(quán)法律不健全而失去核心專利的教訓(xùn)不難看出知識(shí)產(chǎn)權(quán)對(duì)新藥研發(fā)的重要性。

       致謝

       感謝吳興新老師，孫雪晴助教的指導(dǎo)幫助，感謝藥渡平臺(tái)的支持。

       關(guān)于筆者

       尋藥真理團(tuán)

       他們是南京大學(xué)新藥研發(fā)策略課程的學(xué)生，本篇為該課程中新藥2組學(xué)生成員殷子潤(rùn)、楊博峰、王俁涵、伊力尕爾共同完成。

       他們朝氣蓬勃、他們斗志昂揚(yáng)，他們腳踏實(shí)地學(xué)習(xí)新藥研發(fā)知識(shí)，他們堅(jiān)信吾愛(ài)吾師吾更愛(ài)真理。

       他們是新一代醫(yī)藥行業(yè)接班人，他們是新藥研發(fā)領(lǐng)域的未來(lái)之光！

       *本文僅為學(xué)術(shù)內(nèi)容交流，不構(gòu)成任何用藥建議！

       參考文獻(xiàn)

       1. Wang, J., et al., Haem-activated promiscuous targeting of artemisinin in Plasmodium falciparum. Nature Communications, 2015. 6.