天然药物化学史话：链霉素 原创 2018
猜你喜欢 本帖最后由 相识满天下(不要 于 18-02-22 :10:28 编辑1945年底，英国科学家Alexander Fleming、Ernt BoriChain和Howard Florey因青霉素的发现获得了该年度诺贝尔生理学或医学奖。时隔2个月后，1946年2月22日，美国罗格斯大学（RutgerUniverity）的Selman Abraham Wakman教授（1888&mdah;1973，图1）宣布其实验室发现了第2种可应用于临床的抗生素&mdah;&mdah;链霉素（treptomycin），此抗生素对结核杆菌Mycobacterium tuberculoi有特效，从化学结构看，链霉素也是第一种氨基糖苷类抗生素。自此，人类开始了战胜结核病（tuberculoi，TB）的新纪元。http://bbs.zhue.com.cn/data/attachment/forum/201802/22/0933494c4ug777mywngg.jpg在20世纪初，结核病俗称“痨病”，也被称为“白色瘟疫”，由于其具有高度传染性，而且感染患病后基本上无药可救，所以人们对其的恐惧程度甚至超过了曾经肆虐人类的黑死病。仅在过去的19～20世纪，结核病曾在全世界广泛流行，造成10亿多人死亡，如中国作家鲁迅、波兰作曲家肖邦、英国诗人雪莱等都是因为肺结核而过早去世。虽然人们尝试过多种方法治疗肺结核，但是没有发现一种真正有效的治疗方法，即使在Robert Koch于1882年发现结核杆菌之后，这种情形也长期没有改观。链霉素的发现结束了结核杆菌肆虐人类生命的几千年历史。本文通过回顾著名药物链霉素的研发历程，简要介绍链霉素的发现者SelmanAbraham Wakman教授，以此纪念前辈科学家的卓越贡献，希望能够给予从事相关研究的科学工作者以启迪。1“土壤教父”&mdah;&mdah;Wakman博士1910年，年轻的Wakman离开乌克兰来到美国罗格斯大学学习。由于从小就对万物生长所依靠的土壤非常感兴趣，他本科及硕士研究生学习阶段一直师从Jacob G. Lipman教授研究土壤中的微生物。在大学期间，Wakman收集了许多放线菌，并与其他人共同发现了一种新的放线菌灰色放线菌Actinomyce grieu。1948年Wakman与Arthur T. Henrici将这种放线菌更名为灰色链霉菌Streptomyce grieu，链霉素就是从这种放线菌中分离出来的。1916年在美国第17届细菌学会的年会上，Wakman发表了第一篇研究论文“Bacteria，Actinomycete and Fungi in Soil”。硕士毕业后，Wakman去美国加利福尼亚大学（Univerity of California，Berkeley）攻读博士学位，博士毕业后又回到罗格斯大学继续从事土壤放线菌的研究。从1920年开始，Wakman博士和他的第一个学生也是后来的同事Robert Starkey教授及其研究团队开始了长达十几年的土壤微生物研究。虽然1923年其在论文中曾经阐述了某些放线菌能产生杀死细菌的物质，但是他的关注点仍在土壤里的微生物，而非能对抗疾病的微生物。Wakman博士于1927年完成了897页的著作《土壤微生物学原理》（Principle of Soil Microbiology），这部作品是土壤微生物学领域的奠基性著作。后人将Wakman博士赞誉为“土壤教父（Man of the Soil）”，1949年4月Wakman博士登上了美国时代周刊封面。1939年是Wakman博士研究生涯的一个转折点：一是第二次世界大战爆发，急需控制传染病和流行病的药物；二是1939年9月Wakman博士参加了在纽约举办的第3届国际微生物学大会。在大会上，他的学生在纽约洛克菲勒医学研究所（RockefellerIntitute for Medical Reearch）工作的美籍法国科学家René Jule Dubo（1901&mdah;1982，图2）宣布从土壤微生物中发现了一个芽孢杆菌分泌的、可以杀死或抑制革兰阳性菌的短杆菌素（tryothricin，图2），并且对由葡萄球菌引起的局部感染有效。尽管短杆菌素因其毒副作用没有得到临床应用，但对于Wakman教授来说是个很好的启发。有趣的是，Wakman教授与Dubo博士同时获得了1948年度的拉斯克基础医学研究奖（Albert Laker BaicMedical Reearch Award），后者因对于抗生素的研究，也曾获得过诺贝尔奖的提名。http://bbs.zhue.com.cn/data/attachment/forum/201802/22/0933499jar1zgavdxwd5df.jpg2链霉素的发现及开发早在1932年，Wakman教授就受美国对抗结核病协会的委托研究结核杆菌落入土壤后为什么会被迅速杀死的问题，当时已有科学家意识到有可能是土壤中的其他微生物分泌了某种抗菌物质从而消灭了结核杆菌。受到Dubo博士从土壤微生物中发现抗菌物质短杆菌素的启发，再加上Fleming从青霉菌中发现青霉素的启示，Wakman教授开始专注于从放线菌中发现抗菌物质。从这个思路入手，Wakman教授开始筛查土壤中可能存有的抗菌物质，此项研究工作单调而繁琐，犹如大海捞针，绝非一人之力能够完成，但Wakman教授坚信一定能找到有针对性的、能运用于人类医学治疗的抗菌素。在药业巨头美国Merck公司的资助下，Wakman教授团队的8个博士生从1939年开始系统地研究微生物，1939年研究了500多种；1940年研究超过了2 000种，H. Boyd Woodruff发现了他们课题组的第一个抗生素即放线菌素（actinomycin，又称更生霉素）；1941年研究超过了5 000种；1942年筛选的菌种达到了8 000种，发现了棒曲酶素（clavacin）、烟曲霉酸（fumigacin）和链丝菌素（treptothricin），链丝菌素对包括结核杆菌在内的许多种细菌都有很强的抵抗力，但是对人体的毒性太强。在研究链丝菌素的过程中，Wakman教授及其同事开发出了一系列测试方法，对后来链霉素的发现起到了至关重要的作用。1942年，Wakman教授将anti和biotic连在一起，创造了antibiotic（抗生素）这个词汇，同时对其进行了精确定义，专指由微生物产生的在稀释条件下即可抑制或杀死其他微生物的化学物质。1952年，在美国细菌学会上，Wakman教授正式提议“antibiotic”，从此这个词在全世界被广泛应用。抗生素定义的提出将如溶菌酶（lyozyme）及大肠杆菌素（colicin）等类物质排除在了抗生素的范围以外，为寻找和研究抗生素提供了一个清晰的理论基础。Wakman教授不仅提出了抗生素的概念，而且还制定了发现抗生素的系统方法，并在其他实验室也得到了应用，因此他被称为“抗生素之父”。1942年5月，Albert Schatz（1920&mdah;2005，图3）从罗格斯大学土壤学毕业后，来到Wakman教授的实验室攻读博士学位，并参与了放线菌素、棒曲酶素、链丝菌素等的研究工作。1943年10月19日，Schatz成功地从灰链霉菌Streptomyce grieu中提取出一种新的抗生素，Wakman教授将其命名为链霉素，研究成果发表在1944年的《实验生物学和医学协会会刊》（Proceeding of the Society for Experimental Biologyand Medicine）上，引起科学界的巨大轰动。在发现链霉素以后，Wakman教授的研究团队仍在不懈努力，先后又发现了灰霉素（griein）、新霉素（neomycin）、弗氏菌素（fradicin）、杀念珠菌素（candicidin）、制假丝菌素（candidin）等一系列具有抗菌作用的活性物质。http://bbs.zhue.com.cn/data/attachment/forum/201802/22/093348vbue6euejuac64up.jpg1944年3月，一批链霉素被送到梅奥医学中心（Mayo Clinic&rquo;），由William Hugh Feldman博士（1892&mdah;1974）和Horton Corwin Hinhaw博士（1902&mdah;2000）（图4）进行动物和人体试验。当时的实验结果非常惊人，链霉素不仅抗结核杆菌效果显著，而且对多种动物没有毒性，对多种形式的结核病，如皮肤、骨、肺、脑膜、关节和泌尿道结核均有效。这是Wakman教授实验室发现的第一个没有毒性的抗生素，后来也成为第一个用来治疗结核病的药物，Feldman和Hinhaw也因此获得了1952年诺贝尔奖提名。尽管随后许多研究表明链霉素对人体并非完全无害，过度使用仍会对听觉、前庭神经和肾脏等产生不良影响，严重的甚至导致死亡，但在当时医药界对肺结核束手无策的情况下，这种新发现的抗生素无疑成为许多肺结核患者的救命良药。随后链霉素也被证实对鼠疫、霍乱及伤寒等多种传染病也有效。作用机制研究表明链霉素主要与细菌体内的核糖体30 S亚单位结合，抑制细菌蛋白质的合成，使细菌不能正常生长或者代谢而死亡。http://bbs.zhue.com.cn/data/attachment/forum/201802/22/093348m8m3jmmmqbqbjxhb.jpg尽管在20世纪40年代，核磁共振技术尚未发展起来，化合物的结构仍需通过化学方法进行解析，但Merck公司的Karl AugutFolker博士（1906&mdah;1997）凭借着深厚的化学功底很快就确定了链霉素的平面结构（图5）：一个N-甲基葡萄糖胺通过链霉糖和一个链霉胍相结合的大分子，结果发表在1948年的《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society，JACS）。随后科学家们受到链霉素的启示，开发了一大批和链霉素药理作用相似的抗菌药物，它们都具有类似的化学结构，因此统称为氨基糖苷类（aminoglycoide）抗生素。Folker博士还发现了新生霉素（cathomycin）和环丝氨酸（cycloerine，一种结核菌抑制药），并领导了维生素B12晶体的分离提纯工作。http://bbs.zhue.com.cn/data/attachment/forum/201802/22/093348m5bqq715xfbfzxx.jpg1946年Merck公司投入350万美元建立了第一家制造链霉素的工厂。当时链霉素的工业制造大概可分成4个部分：第1步是把链霉菌在培养液中发酵得到含链霉素0.005%的发酵液；第2步是通过多种方法包括过滤、活性炭吸附、沉淀等得到链霉素粗品；第3步是粗品的提纯，以除去其中有毒的化合物和杂质；第4步是把第3步的产品经过升华、磨碎等几道工序，完成包装出售。由于Merck公司与Wakman及罗格斯大学协商将专利权归属罗格斯大学，仅保留生产许可权，随后8家医药企业开始同时生产链霉素，使得这一抗生素迅速大量进入市场。1950年Solomon等研究发现在链霉素的制备过程中生成的衍生物双α-羟基链霉胺 具有很高的毒性。值得一提的是，从发明到实现大规模工业生产，链霉素仅仅经历了短短3年的时间，成为新药研究与开发历史上的一个奇迹。3“世纪之争”随着链霉素效益的产生，围绕着链霉素知识产权的问题，已经博士毕业的Schatz将其导师和罗格斯大学告上了法庭，随后达成庭外和解，罗格斯大学将3%的专利收入分给Schatz。1952年10月，Schatz要求诺贝尔奖委员会承认其在链霉素发现中所做的贡献，但是诺贝尔奖委员会仍将当年的诺贝尔生理学或医学奖单独授予了Wakman教授。围绕着Schatz博士与Wakman教授对链霉素的贡献之争直到21世纪还在继续，也引发了人们对科研工作中成果发现归属权的讨论。纵观链霉素的整个开发过程，Wakman教授已经对土壤中微生物进行了20多年的系统研究，特别是从1939年起先后组织超过50人把研究重点转移到从放线菌中寻找抗结核抗生素上来，到1943年已经筛选了10 000余种微生物，发现了数种抗生素，建立起了一套完整的筛选方案。Schatz进入Wakman教授实验室仅3个月就发现链霉素，主要应该归功于Wakman教授设计的研究计划及已经完成的近万种微生物筛选工作的经验积累，当然这也与Schatz博士的研究分不开。如果说Fleming等发现青霉素的过程多少有些偶然因素的话，那么链霉素的发现则是Wakman教授倾其一生精力、持之以恒，“巧妙地、系统地和成功地研究土壤微生物才导致了链霉素的发现”（Nobel Committee&rquo; wording）。这也正是为什么发现青霉素是3人获奖，而发现链霉素是Wakman教授独自一人获奖的原因。但是不可否认，在链霉素成功发现的道路上，许多人都做出了重要的贡献，包括Koch发现了结核杆菌；Dubo从土壤微生物中发现具有抗菌作用的短杆菌素；病理学家Beaudetet提供给Wakman放线菌菌株；Wakman及众多学生系统研究了土壤中多种微生物；Schatz从灰链霉菌中分离出链霉素；Folker确定了链霉素的结构；Feldman和Hinhaw进行了大量动物和临床研究。也可以说，链霉素的发现是集中了多个学科门类的许多科学家的智慧和艰辛劳动的结晶。4结语人类利用天然产物作为药物来治疗疾病的历史悠久，现在天然产物仍然是发现治疗重大疾病的药物或重要先导化合物的主要来源。Wakman教授在科学研究上最大的贡献是制定了发现抗生素的系统实验方法并被其他实验室所应用，当然也包括发现链霉素，他的这些贡献极大地推动了20世纪40年代抗生素的发展。Wakman教授一生中共发表了近500篇论文和28部著作，除了发现链霉素以外，还发现了20多种其他抗生素，建立了放线菌链霉菌属Streptomyce，与Arthur T. Henrici共同合作重新划分了放射菌（actinomycete）的分类系统，他采用的深层培养方法（ubmerged culture approach）推广到了Merck公司用来生产青霉素和链霉素。很多人认为Wakman教授是真正的抗生素之父，而不是Fleming。20个世纪40年代青霉素和链霉素的发现可以说是在短时间内治愈了许多困扰了人类数千年的各种外伤感染和肺结核等顽疾，大幅度地降低了人类的死亡率，明显提高了人类的平均寿命，甚至可以说改变了人类的发展进程；特别是极大地鼓舞了科学家研究抗生素的信心，从此迎来了抗生素研究与发展的黄金时代，抗生素的研究进入了有目的、有计划、系统化的阶段，为人类医学的突破指引了前进的方向。在短短的10余年间，相继又发现了金霉素（aureomycin，1947）、氯霉素（chloramphenicol，1948)、土霉素（terramycin，1950）、制霉菌素（nytatin，1950）、红霉素（erythromycin，1952)、卡那霉素（lanamycin，1958）等，同时还建立起了大规模的抗生素制药工业。抗生素在人类与疾病作斗争的发展史上留下了辉煌的一页。虽然抗生素的发现改变了20世纪的医学进程，但是非常遗憾的是抗生素的不合理应用甚至滥用导致了严重的耐药性。最近几年结核病又有抬头趋势，据世界卫生组织（WHO）报道，2014年全世界约有960万人患结核病，其中150万人死于该疾病。结核病还是艾滋病毒阳性患者的首要死因，2015年三分之一的艾滋病患者的死亡是由结核病引起的。我国是结核病发病人数较高的国家，仅次于印度。2016年WHO世界防治结核病日的主题是联合起来消除结核病。但是新的抗生素的研发越来越困难，目前临床上应用的抗生素基本都是20世纪80年代以前发现的，近30年来抗生素的研究难有新的突破。本文为《天然药物化学史话》系列文章之一。文中部分图片源自网络，在此向原作者表示衷心感谢。 谢谢分享，收藏 多谢！ 感谢版主！在浩瀚的科技史料中，让往昔璀璨夺目，今日仍功高至伟的科学家再次眩目于天下。致敬！向所有为人类的生命，健康，幸福和发展做出巨大贡献和牺牲的前人致敬！
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