曾慶平

廣州中醫(yī)藥大學(xué)熱帶醫(yī)學(xué)研究所，廣州 510405

科技焦點(diǎn)

青蒿素：從抗瘧機(jī)理與積累模式到臨床應(yīng)用
——2015年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)簡(jiǎn)介

曾慶平

廣州中醫(yī)藥大學(xué)熱帶醫(yī)學(xué)研究所，廣州 510405

2011年，中國(guó)藥學(xué)家屠呦呦因發(fā)現(xiàn)青蒿素獲得素有“美國(guó)諾貝爾獎(jiǎng)”之稱的拉斯克-德貝基臨床醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。作為諾貝爾獎(jiǎng)“風(fēng)向標(biāo)”的拉斯克獎(jiǎng)獲得者，屠呦呦年年都被預(yù)測(cè)能獲諾貝爾獎(jiǎng)，但這樣的預(yù)言卻年年落空。

正當(dāng)獲獎(jiǎng)可能性幾乎被人淡忘之后，瑞典卡羅林斯卡醫(yī)學(xué)院卻出其不意地宣布，將2015年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)一分為二，一半獎(jiǎng)給青蒿素發(fā)現(xiàn)者屠呦呦，另一半由阿維菌素發(fā)明人William C.Campbell和SatoshiO mura共同分享（圖1）。

自諾貝爾獎(jiǎng)設(shè)立115年以來(lái)，第一次把這個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)?lì)C給中國(guó)女科學(xué)家，第一次把自然科學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給中國(guó)本土科學(xué)家，第一次讓本土中國(guó)人獲得生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。2015年10月5日，屠呦呦一舉創(chuàng)造了諾貝爾獎(jiǎng)歷史上的3個(gè)第一！

鮮為人知的是，2015年6月4日，屠呦呦還獲得由沃倫·阿爾伯特獎(jiǎng)勵(lì)基金會(huì)頒發(fā)的2015年度沃倫·阿爾伯特獎(jiǎng)，同樣表彰她在抗瘧領(lǐng)域做出的突出貢獻(xiàn)。

1 青蒿素的獲獎(jiǎng)理由是什么？

正如諾貝爾獎(jiǎng)網(wǎng)站披露的頒獎(jiǎng)詞所說(shuō)：“諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予屠呦呦是因?yàn)樗l(fā)現(xiàn)了一種抗瘧疾新療法”，也就是屠呦呦首先發(fā)現(xiàn)的青蒿素導(dǎo)致瘧疾治療方法的革新。這說(shuō)明4年前拉斯克-德貝基臨床醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)的頒獎(jiǎng)理由同樣得到諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)委會(huì)的認(rèn)可：屠呦呦“第一個(gè)把青蒿素帶到青蒿素項(xiàng)目組，第一個(gè)提取出有100%抑制率的青蒿素，第一個(gè)做了青蒿素抗瘧臨床實(shí)驗(yàn)”。青蒿素之所以屢獲巨獎(jiǎng)，是因?yàn)樗膯?wèn)世挽救了數(shù)百萬(wàn)瀕臨死亡的瘧疾患者的生命，是當(dāng)之無(wú)愧的“救命藥”。青蒿素的另一個(gè)可貴之處是，它能攻克抗氯喹瘧原蟲感染所致的瘧疾，也能對(duì)付多藥耐藥（multidrug resistant）瘧疾，而且?guī)资陙?lái)仍然保持奇高的治愈率，成為為數(shù)不多的抗瘧藥中一枝獨(dú)秀的“奇葩”！更神奇的是，正當(dāng)抗氯喹瘧原蟲肆掠而讓瘧疾患者無(wú)藥可救時(shí)，青蒿素猶如“及時(shí)雨”般地橫空出世，令世人嘆為觀止！

2 瘧原蟲對(duì)青蒿素會(huì)產(chǎn)生耐藥性嗎？

理論上，任何藥物在長(zhǎng)期應(yīng)用過(guò)程中若使用不當(dāng)都可能會(huì)出現(xiàn)敏感性降低和耐藥性提高乃至藥效逐漸喪失的結(jié)局。為此，世界衛(wèi)生組織強(qiáng)調(diào)，對(duì)瘧疾不可采用青蒿素單藥治療，并推薦使用基于青蒿素的聯(lián)合治療（artemisininbasedcombination therapies，ACTs）[1]，它實(shí)際上是由速效抗瘧藥青蒿琥酯或蒿甲醚與長(zhǎng)效抗瘧藥甲氟喹或本芴醇組成的復(fù)方抗瘧藥。

最近幾年來(lái)，東南亞各國(guó)相繼發(fā)現(xiàn)青蒿素復(fù)方耐藥性病例，即青蒿素復(fù)方治療依然有效，但瘧原蟲的敏感性有所降低，從5 h內(nèi)清除50%瘧原蟲延長(zhǎng)至5 h以上（圖2）。同時(shí)，瘧原蟲的復(fù)燃率有所提高，從原來(lái)的5%上升至15%～20%[2,3]。據(jù)瘧疾臨床專家李國(guó)橋教授介紹，造成青蒿素復(fù)方復(fù)燃率升高的原因并不是瘧原蟲對(duì)青蒿素產(chǎn)生抗性，而是瘧原蟲對(duì)與之配伍的長(zhǎng)半衰期抗瘧藥敏感性降低。

李國(guó)橋還引述掌握的瘧原蟲體外抗性篩選數(shù)據(jù)來(lái)支持自己的觀點(diǎn)：當(dāng)瘧原蟲在添加本芴醇的培養(yǎng)基上傳遞20～30代時(shí)，抗性指數(shù)可達(dá)到100，傳遞200代后，抗性指數(shù)更高達(dá)400。相反，若將本芴醇與蒿甲醚合用，則瘧原蟲的抗性指數(shù)始終保持在40～60不變，而蒿甲醚的抗性指數(shù)最高也不會(huì)超過(guò)10。

為什么瘧原蟲不易對(duì)青蒿素產(chǎn)生耐藥性呢？這要從青蒿素分子中特有的“過(guò)氧橋”（peroxide bridge）說(shuō)起，因?yàn)檫@個(gè)—O—O—結(jié)構(gòu)被公認(rèn)為青蒿素殺滅瘧原蟲的關(guān)鍵因素。以往研究發(fā)現(xiàn)，凡是抗氧化劑（如維生素E生育酚、維生素C抗壞血酸、谷胱甘肽、二硫蘇糖醇等）都能降低青蒿素的活性，凡是促氧化劑（如維生素B2核黃素、維生素K甲萘醌等）都能提高青蒿素的活性[4]。同時(shí)，抗氧化酶抑制劑可提高青蒿素的抗瘧活性[5]，暗示青蒿素活性與氧化—抗氧化平衡動(dòng)態(tài)有關(guān)。

由于青蒿素作用十分迅速，瘧原蟲根本來(lái)不及誘導(dǎo)抗氧化酶及抗氧化劑的合成。同時(shí)，紅細(xì)胞本身不含細(xì)胞核，沒(méi)有染色體和基因組，也就不可能上調(diào)抗氧化酶基因的表達(dá)。因此，紅細(xì)胞與棲身其中的瘧原蟲因缺乏足夠的抗氧化活性物質(zhì)保護(hù)，幾乎不可能抵御青蒿素的凌厲攻勢(shì)，一旦遭遇必陷滅頂之災(zāi)。

3 青蒿素為何能殺滅瘧原蟲？

瘧原蟲可寄生于人體的肝細(xì)胞和紅細(xì)胞中（圖3）。雖然青蒿素抗瘧疾的分子機(jī)制仍不明確，但青蒿素依賴過(guò)氧橋的自由基形成并發(fā)揮抗瘧作用是明確的。以前有人認(rèn)為，青蒿素主要作用于瘧原蟲吞食血紅蛋白后產(chǎn)生的瘧色素（hematoin），瘧色素中的螯合鐵可以使青蒿素的過(guò)氧橋還原，從而大量形成氧自由基殺死瘧原蟲[6]。另一種理論認(rèn)為，青蒿素可能打破細(xì)胞的氧化還原循環(huán)，因?yàn)榍噍锼啬芤种漂懺x消化泡膜上的谷胱甘肽-S-轉(zhuǎn)移酶[7]。

有人以酵母為模型研究青蒿素作用機(jī)理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)青蒿素靶向酵母菌的線粒體，其中的電子傳遞鏈可激活青蒿素釋放活性氧自由基（ROS），導(dǎo)致線粒體膜去極化[8]。隨后的研究證實(shí)，青蒿素只攻擊瘧原蟲的線粒體，而且作用于線粒體時(shí)并不抑制呼吸中的電子傳遞，表明青蒿素作用的特異性可能源于自我催化[9]。

最近有人提出一個(gè)新的假說(shuō)，認(rèn)為氧自由基導(dǎo)致瘧原蟲ATP酶（PfATP6）受到抑制，由此阻斷其能量代謝過(guò)程而致死[10]。PfATP6被確認(rèn)為青蒿素作用靶點(diǎn)的證據(jù)是：青蒿素也能抑制哺乳動(dòng)物鈣ATP 酶（SERCA）[11]；PfATP6 與SERCA突變能調(diào)節(jié)對(duì)青蒿素的敏感性[12]；用去污劑使PfATP6與SERCA液化，兩者對(duì)青蒿素都不敏感[13]。

4 青蒿為何積累青蒿素？

青蒿素是從青蒿（Artemisia annua L.）中提取出來(lái)的單體化合物（圖4），而野生青蒿廣泛分布在世界各地，只不過(guò)中國(guó)云貴川地區(qū)的青蒿富含青蒿素，如四川酉陽(yáng)青蒿中所含有的青蒿素比其他地區(qū)高出10倍以上。因此，可以說(shuō)，高產(chǎn)青蒿素的青蒿是中國(guó)獨(dú)有的“土特產(chǎn)”，中國(guó)也當(dāng)之無(wú)愧地成為世界上最大的青蒿素原料出口國(guó)。

青蒿素屬于倍半萜類化合物，根據(jù)此類化合物可能充當(dāng)植物抗逆成分的觀點(diǎn)[14]，推測(cè)青蒿素可能是生物脅迫（biotic stress，如病、蟲、創(chuàng)傷）及非生物脅迫（abiotic stress，如旱、澇、暑、寒、鹽堿）誘導(dǎo)的抗性產(chǎn)物[15]。有證據(jù)顯示，青蒿素是由其前體接受單線態(tài)氧（sin?glet oxygen）而生成的，因而青蒿素有活性氧自由基的“貯存庫(kù)”之稱[16]。

換言之，生態(tài)環(huán)境條件越極端的地區(qū)，當(dāng)?shù)厍噍镏械那噍锼睾吭礁?，因?yàn)閻毫託夂蚰艽碳ぜ?xì)胞中的葉綠體大量釋放單線態(tài)氧。有報(bào)道稱，四川酉陽(yáng)山如“雞爪”起伏不平，河似“樹(shù)根”蜿蜒遍布，常出現(xiàn)“一邊是驕陽(yáng)一邊是雨”的奇異天氣，這或許能理解為何當(dāng)?shù)厣L(zhǎng)的青蒿中青蒿素含量在全國(guó)數(shù)一數(shù)二。

5 青蒿素能否人工合成？

早在1983年，國(guó)外就已成功地化學(xué)合成青蒿素[17]。中國(guó)科學(xué)家也在同年報(bào)道了青蒿素的全合成[18,19]。但是，人工合成青蒿素的成本太高，難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。隨后，美國(guó)伯克利加州大學(xué)的科學(xué)家Keasling團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，開(kāi)啟了青蒿素半合成的新時(shí)代，即首先在微生物工程菌體內(nèi)合成青蒿素前體，然后再通過(guò)體外化學(xué)轉(zhuǎn)化獲得青蒿素。2003 年，他們?cè)诨蚬こ檀竽c桿菌中首次合成了青蒿素前體青蒿酸[20]。2006 年，他們又在基因工程酵母中合成了更多的青蒿素前體，包括青蒿酸和雙氫青蒿酸[21]。

由于微生物體內(nèi)缺乏活性氧自由基的來(lái)源，也不具備青蒿素前體轉(zhuǎn)化的油性環(huán)境，因而未能實(shí)現(xiàn)青蒿素的“一步法”全合成，而只能采用“兩步法”將酵母合成的雙氫青蒿酸通過(guò)體外光化學(xué)催化轉(zhuǎn)變成青蒿素（圖5）。從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)看，酵母來(lái)源的青蒿素價(jià)格每公斤為350～400美元，而青蒿來(lái)源的青蒿素價(jià)格最低為每公斤120美元，最高可達(dá)每公斤1200美元[22]。中國(guó)科學(xué)家采用獨(dú)特的非光化學(xué)催化法也已成功地將青蒿酸轉(zhuǎn)變成青蒿素。

利用工程微生物工業(yè)化生產(chǎn)青蒿素完全可達(dá)到高效、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的程度，用這種青蒿素給藥一次只需花費(fèi)25美分。酵母青蒿素目前已由賽諾菲公司在意大利投資設(shè)廠進(jìn)行規(guī)模生產(chǎn)，2014年已生產(chǎn)出55～60 t青蒿素，這相當(dāng)于青蒿素總供應(yīng)量的1/3。2014年8月，第一批總共1700 萬(wàn)份青蒿素已運(yùn)往非洲國(guó)家，用于瘧疾患者臨床救治[23]。

6 青蒿素未來(lái)研究展望

青蒿素不僅可以抗瘧疾，而且具有抗衰老、抗肥胖、抗炎、抗癌和抗菌等多種潛在功效（圖6）。

青蒿素之所以能“一藥多用”，是因?yàn)槠涮赜械倪^(guò)氧橋賦予了“一因多效”。這個(gè)“因”是指青蒿素與血紅素的結(jié)合，這個(gè)“效”是指青蒿素結(jié)合血紅素蛋白并抑制其活性后產(chǎn)生的一系列健康效應(yīng)[24]。

當(dāng)青蒿素與腫瘤細(xì)胞或細(xì)菌的一氧化氮合酶結(jié)合后，就能有效地抑制其活性，切斷保護(hù)性一氧化氮的合成，因而可作為抗腫瘤藥或抗生素的增效劑發(fā)揮抗癌或抗菌作用[25,26]。青蒿素可與誘導(dǎo)型一氧化氮合酶結(jié)合，迅速阻斷一氧化氮迸發(fā)誘導(dǎo)的缺氧、血管再生和組織增殖，有效中止類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎的發(fā)病進(jìn)程[27]。青蒿素與線粒體細(xì)胞色素c氧化酶的結(jié)合，能模擬熱量限制激發(fā)的線粒體增殖效應(yīng)，發(fā)揮減肥及延壽等作用[28,29]。

有趣的是，青蒿素與2,4-二硝基苯酚、白藜蘆醇、二甲雙胍、雷帕霉素等化合物的結(jié)構(gòu)完全不同，但卻具有相似的抗衰老作用。這是因?yàn)檫@些候選的“長(zhǎng)壽藥”都靶向線粒體，而且通過(guò)一氧化氮發(fā)揮作用。

7 青蒿素獲獎(jiǎng)啟示

1）溫故知新，絕不可生搬硬套。東晉葛洪所著《肘后備急方》寫道：“青蒿一握，以水二升漬，絞取汁，盡服之”。正是其中的“水漬”和“絞汁”讓屠呦呦琢磨出青蒿素可能不耐熱的想法。誠(chéng)然，古訓(xùn)的經(jīng)驗(yàn)之說(shuō)難能可貴，但它僅僅是教病人如何抓藥治病，并不強(qiáng)求一定要完全利用青蒿素。實(shí)際上，青蒿素不溶于水而溶于油，青蒿素因?qū)η噍镉卸径桓綦x在充滿芳香油的腺毛（glandular trichome）中。假如機(jī)械地套用“水漬法”，那么青蒿素的提取量將很低。

2）古為今用，中醫(yī)藥現(xiàn)代化是否還有必要？屠呦呦在多次熱提取青蒿素失敗后，果斷改用冷萃取法，一方面有機(jī)緣巧合與運(yùn)氣的成分，另一方面也有受先人啟發(fā)的因素，說(shuō)明不僅中醫(yī)藥本身是現(xiàn)代醫(yī)藥開(kāi)發(fā)的素材，而且中醫(yī)藥典籍也是現(xiàn)代醫(yī)藥研究的寶藏。有人擔(dān)心中藥或中藥復(fù)方一旦被拆散，其藥性不再或大大減弱，反對(duì)中藥的單藥提取及其藥效研究。這種擔(dān)心是沒(méi)有必要的，畢竟拆方效果最終要靠藥效說(shuō)話，而且不可能每種中藥必須配伍才會(huì)有效。

3）屠呦呦獲獎(jiǎng)，同行應(yīng)有怎樣的心態(tài)？青蒿素項(xiàng)目獲得諾貝爾獎(jiǎng)應(yīng)該是實(shí)至名歸、貨真價(jià)實(shí)！至于對(duì)“個(gè)人功勞”還是“集體榮譽(yù)”的糾結(jié)，隨著青蒿素獲得拉斯克—德貝基臨床醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)與諾貝爾獎(jiǎng)也就塵埃落地了。這是主流科學(xué)評(píng)價(jià)的“游戲規(guī)則”，中國(guó)人應(yīng)該學(xué)會(huì)適應(yīng)。屠呦呦是中國(guó)青蒿素研究的杰出代表，她的獲獎(jiǎng)是國(guó)際學(xué)術(shù)界對(duì)中國(guó)自然科學(xué)研究成就的認(rèn)可和肯定，這是全體中國(guó)人的驕傲！

4）預(yù)測(cè)諾貝爾獎(jiǎng)及高影響力論文還有用嗎？從今年的生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)來(lái)看，湯森路透的預(yù)測(cè)再次落空。這反映出諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)選委員會(huì)與科學(xué)研究團(tuán)隊(duì)追求的理念不同，前者更青睞實(shí)用成果，而后者多注重前沿研究，導(dǎo)致從成果發(fā)布到頒獎(jiǎng)的相對(duì)滯后性，他們的預(yù)測(cè)或許在今后可以兌現(xiàn)。高影響力學(xué)術(shù)期刊固然集中了絕大部分高水平的研究成果，但影響因子較低的學(xué)術(shù)期刊不一定只發(fā)表低水平論文，更有可能收羅原創(chuàng)但初步的創(chuàng)新性成果，青蒿素研究中發(fā)表的論文就是鮮活的例子。

摘編自《科技導(dǎo)報(bào)》2015年20期：16～20頁(yè)，圖、表、參考文獻(xiàn)已省略。