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[转载]青霉素的诞生:演绎了四名科学家之间的爱恨情仇

已有 669 次阅读 2021-2-16 15:49 |个人分类:医学史话|系统分类:科研笔记|文章来源:转载

 资料来源:《赛先生》(文章来源于礼来亚洲资本,作者金淘沙拣)

青霉素被认为20世纪最伟大的发明之一,但它从一个科学现象到变成真正的治病救人的药并不简单。四名科学家轮番上阵,从弗莱明,到弗洛里、钱恩、希特利,都为青霉素的诞生做出巨大的贡献,然而诺贝尔奖最多只能奖励3个人,最后最年轻、也是实验室的“和事佬”希特利被排除在获奖名单中。实际上,如果没有希特利在人际关系紧张的实验室环境里“来往穿梭”,处理各种复杂关系,青霉素的诞生可能没那么顺利。

青霉素的诞生历程,也生动地演绎了这四名科学家之间的爱恨情仇。“他们也会受欲望、虚荣心和恐惧所支配。当后人们仰望着他们立起的丰碑时,很少有人会知道他们曾经的焦虑和挣扎”。

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图片来自kidsdiscover.com

01  前言

数年前在《纽约客》上刊登了一幅漫画。画中两个史前人在讨论:“有些事儿不大对劲儿——我们的空气是干净的,我们喝的水是无污染的矿泉水,我们每天都锻炼,我们吃的食物都是有机的和野生的。但是我们没人能活过30岁。”

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Cartoon by Alex Gregory for “The New Yorker”

这幅漫画让人发笑也令人思考。是呀,我们该如何解释原始人提出的疑问呢?是什么样的变化使现代人的寿命远超过去呢?我脑海里首先跳出来的一个词是“抗生素”。

我们经常读到网络流行的穿越小说:生活在现代社会的男主角或女主角因为一起事故穿越到古代。凭借着现代人的意识、知识和技能,他(她)占尽优势,呼风唤雨,闯出一片天地。但是如果真有穿越的可能,大部分回古代的人可能结局并不美好。除非他(她)带一些青霉素回去,轻微的外伤引起的感染或一场瘟疫就可能让主角一命呜呼。而且这种结局的几率还不低:唐代人的平均寿命为27岁;宋代人稍微好一些,但也只有30岁。

远的不说,100年前的第一次世界大战中,死于伤口感染的士兵数远远高于在战场上阵亡的人数。感染致死的主要原因有破伤风、菌血症、败血症、链球菌和产气荚膜梭菌引起的坏疽。在1931年前,人类对第一杀手细菌感染束手无策:肺结核、肺炎、瘟疫、霍乱、脑膜炎……我们人类每天的日常生活都是一场冒险。一旦得了由于擦伤或咬伤而引起的皮肤感染,平均9个人中有1个会失去生命;感染上肺炎后,10人中有3人会丧命;生孩子的过程对所有母亲来说都是一个鬼门关,仅感染引起的死亡率就高达二百分之一。

但时隔20年,到了第二次世界大战,这种状况就大为改观。这20年发生了什么?答案是抗生素的发现。先是德国拜耳公司的科学家多马克(Gerhard Domagk)为首的团队研发的磺胺药,接着是英国研发出的青霉素(penicillin, 又译成盘尼西林)。二战结束后,世界进入了一个抗生素的黄金时代:链霉素、头孢菌素、四环素、氯霉素等相继上市。

磺胺药是人类第一个用化学合成的方法生产的抗生素(按着最开始对抗生素的严格定义来说,磺胺药还不算抗生素。必须是微生物产生的可以杀死细菌的物质才能算抗生素。但现在普遍接受的是更广义的定义:不管其来源,任何能杀菌或抑菌的化合物都算抗生素)。它使人类第一次对链球菌引起的感染有了有效的治疗方式。磺胺药也可以治疗脊髓性脑膜炎,淋病和部分肺炎。

青霉素在历史上有着极其特殊的地位。同磺胺药相比,青霉素有更广谱的杀菌性和更小的副作用。它是第一个严格意义上的抗生素。开发它的历史也跌宕起伏。它的发现、开发和产业化与第二次世界大战的历史交织在一起。在英国一个实验室的偶然“事故”导致了它的发现,但论文发表后却将近10年无人问津。在二战前夕这篇论文被重新挖掘出来,由英国的另一个团队继续开发,将它推向世界舞台。但青霉素的最终大规模生产需要美国的国家机器参与,通过政府、农业部和制药工业的紧密合作来完成。青霉素成为盟国除了原子弹之外的第二个秘密武器,也缔造了美国现代医药产业。

青霉素的历史跨越超过20年,主要发生在欧美两个大洲,可以简单地分为三个阶段:发现、开发和产业化。

02  发现

关键词1  弗莱明

一提起青霉素,大家就会想起亚历山大·弗莱明。在发现青霉素时, 来自苏格兰的弗莱明任职于人才济济的英国圣玛丽医院的疫苗研究实验室。该实验室是在1902年由41岁的传奇人物莱特爵士(Sir Almroth Wright)建立的。莱特曾因为发明了伤寒疫苗而使英国部队在印度和第一次世界大战中减少了数万人的伤亡。

1906年,25岁的弗莱明开始在疫苗实验室任职。他又瘦又矮,性格内向,说话声音小。据他的朋友描述, 和弗莱明交谈并不是一件愉快的事:“和他谈话就好像和一个人在打网球。当你把球打过去后,他把球用手抓住,再揣进兜儿里。”

弗莱明虽然不擅长人际交往,但他喜欢和细菌、真菌相处。作为外科医生出身,他训练有素,有敏锐的观察力, 和超强的动手能力。他在培养皿中的培养基上接种细菌时,经常将几种不同菌株划到一个培养皿中。等菌群长出来时,培养皿中竟是一幅彩色的芭蕾舞演员的画。这表现了他性格里戏谑的一面,也体现了他的对不同菌种惊人的了解和细致的手法。要知道,他在接种细菌时并不能看到其颜色,就好像在黑暗中作画一样。

关键词2  “意外”

弗莱明的科学生涯中的两次最大的发现都来自“意外”。1922年,他一不留神让自己的鼻涕掉落到手中的培养皿中,结果后来发现鼻涕周围不长菌——这让他进一步发现了溶菌酶。第二次“意外”导致了青霉素的发现。1928年,根据弗莱明后来的回忆,当他8月份离开实验室去休假时,他把几十个长有葡萄球菌的培养皿遗忘在实验台上。

当他9月3日回来时,他发现其中一个培养皿已被真菌污染。由于“不小心”,实验室的一扇窗户一直开着,某些真菌从室外飘进来,污染了那个培养皿。他看到了比六年前更惊奇的现象:真菌菌落周围所有葡萄球菌都消失了,形成一个空环。弗莱明准确地猜测,是那种真菌分泌了某种物质,杀死了葡萄球菌。那种真菌是青霉菌,弗莱明把那种神秘物质称为青霉素。

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弗莱明 (Alexander Fleming, 1881-1955) 和被青霉菌污染的培养皿。

但是弗莱明描述的过程有太多的巧合:实验室的那扇窗很少有人打开过;空气中恰含有青霉菌,并且准确落到了培养皿中;他不早不迟,恰好在青霉菌菌落长到一定大小,还没来得及覆盖整个培养皿时回到实验室。多少年后人们弄清了青霉素的机理时,再回头看,发现弗莱明的解释不大合理。青霉素的机理是阻止细菌在细胞分裂的过程中建造新的细胞壁,所以它对已经建立的菌群杀伤作用并不大,不会在已铺满了菌的培养基表面上生生地造出一个无菌环带。

事实的真相我们无法判断。一种解释是弗莱明好玩的天性。他也许是在玩儿,也许是想从真菌中寻找溶酶体。但一旦一个重要的发现诞生于世,他需要演义一套正儿八经的故事来解释这一发现的由来。毕竟“我当时只是闹着玩儿的,没想到能拿到诺贝尔奖”登在报纸上显得不那么庄重。另一种解释是弗莱明记忆的偏差。青霉素的发现当时并没有引起多大反响。在10多年以后,由英国另一个科学团队证明了青霉素的价值。在全国的关注下,当记者采访弗莱明时,弗莱明需要回忆发现青霉素的经过。很多细节他可能已经忘记了。由于时代久远,回忆的历史可能和事实有很大的出入。

但不管事情的来龙去脉,历史的河流在1928年9月初的那天出现了一个停顿。弗莱明拾起那个注定要载入史册的培养皿,掀开皿盖。他湛蓝的双眼凝视着地球上最古老的两类生物正在厮杀的战场。窗外是伦敦闹市的炎热和喧嚣,窗内是静若雕像的他。时光停止了流转,瞬间凝固成永恒。半晌,弗莱明喃喃地说道,“有意思。”

03  瓶颈

弗莱明关于青霉素的几点发现也是科学上不可磨灭的开创性的工作:

(1)青霉素可以杀死几种细菌,包括葡萄球菌和链球菌,但对某些细菌如伤寒杆菌无效。

(2)青霉素对非细菌细胞无害。这样从理论上讲,它可以成为副作用小的抗生素,并可在人体内使用。这同以往的抗菌物质都不一样。消毒剂比如水银或苯酚,可以杀菌,但对人细胞也有毒性,所以不能用于体内。

但弗莱明的工作也有其局限性。他始终没有在受感染的动物中进行过测试,其根本原因是无法得到纯的或高浓度的青霉素。有三个瓶颈他始终无法克服:

(1)无法提取高浓度的青霉素, 纯度最多只达到1ppm或0.0001%;

(2)产量太低; 

(3)无法解决青霉素的不稳定问题。青霉素在提纯的过程中往往失活。

由于拿不到浓缩品,弗莱明对“霉汁”里的青霉素是什么东西判断不清——他当时认为是一种酶。

弗莱明的工作没法继续进行并不仅仅是他本身的局限性,而是更系统性的问题:疫苗试验室里全是免疫学家和微生物学家,没有化学家。这种局限性也反映了实验室之父赖特的弱项。他长期忽视化学和统计。他亲手组建的团队不是一个完整的团队。以今天的眼光来看,短板很明显。

弗莱明于1929年发表了青霉素的体外数据:“关于青霉菌培养物的抗菌作用”。但由于三个瓶颈——青霉素的不稳定性,低纯度和低产量,使以后的科学家(包括他自己)很难做后续的工作。在随后的8年里,他的论文无人引用,在图书馆的角落里静静地落满了灰尘。

04  开发

青霉素的继续开发需要一个完整的团队。而这个团队出现在9年后离圣玛丽医院不到60英里的牛津大学。团队的主要成员个性鲜明,相互之间矛盾重重,但才能高度互补。以今天的眼光来看,牛津团队都离完美相差甚远。但就是这样一支团队,在战火纷飞的年代, 克服现实中的重重困难和人性的种种缺点,将一个已被世人遗忘的发现从故纸堆里找出来,打磨掉锈渍,让青霉素焕发出应有的光芒,把它从科学的发现转变为临床的应用。

关键词1  团队

团队的领头人是霍华德·弗洛里(Howard Florey)一位来自澳大利亚的医生。他身材修长,年轻时酷爱体育。1922年1月23日,凭借着罗德奖学金,刚获得医学博士的23岁的弗洛里来到牛津大学的病理系进修。在一串串闪闪发光的名字中间,弗洛里无疑是第一个改变世界的罗德学者。

两年之后,在发表了4篇论文后,弗洛里又获得了洛克菲勒基金会的资助,在美国的几个实验室轮流做科研。1927年他从剑桥大学获得了病理学的博士学位,并随后留校任教。1935年回到牛津大学成为威廉·邓恩病理学院的主任。

弗洛里才华横溢,热爱科研,一周有7天在实验室里工作。他性情生冷,做事简单粗暴,不擅于和人打交道。他的婚姻是一场灾难。他的夫人艾塞尔也是一个医生,是他在澳大利亚医学院的同班同学。他们1926年结婚,等到了婚姻第5年时,两人已经势同水火。他们经常召开互相控诉大会——她指责他故意破坏她的事业,并悍然宣布他有口臭;他抱怨她不讲卫生、性冷淡、做饭难吃,甚至指出她“不是一个生理上正常的女人”(她耳聋)。

弗洛里执管邓恩病理学院后的第一个任务是雇请优秀的生物化学专家。恩斯特·钱恩(Ernst Chain)是来自德国的一位化学家,比弗洛里小8岁。他的父亲是来自俄罗斯的犹太人,母亲是德国人。1930年,刚获得化学博士学位的钱恩离开德国来到英国从事科研工作。

他有用之不竭的奇思妙想和惊人的记忆力。在实验室里,他就相当于今天的科技文献互联网索引。很多同事向他请教时,他都能准确地指出相关的论文,期刊的名称和页数,甚至一字不差地把原文的重要段落背下来,以及那个段落在论文的第几页上。他还是一个钢琴演奏家——在1933年时,钱恩还在科学和音乐两个事业选择上犹豫不决。长期的音乐训练赋予了他灵巧的双手和细至纤毫、举重若轻的实验技巧。他的缺点是傲慢,对别人总是毫不掩饰自己在智力上的优势。他个儿不高,留着小胡子,头总是微微前倾,一副“随时准备攻击”的样子。

幸运的是,团队的第三位成员是比钱恩小5岁的诺曼·希特利(Norman Heatley)。他是土生土长的英国人,身材颀长,举止优雅,性格温和,为人谦虚。希特利是剑桥大学毕业的生化博士,也是一位机械天才——他能在最短的时间把多余的零配件、别人丢弃的垃圾和日常用品组装成一台台能高效运转的实验装置。他是实验室里的万金油和问题解决者——他集电工、水管工、木匠、机械工、焊工、玻璃工、光学技工于一身。也就是说,希特利是最理想的实验室同事。即使在今天,他也是每个实验室最梦寐以求的人才。

1936年,25岁的希特利加入了邓恩学院。他的顶头上级是30岁的钱恩,学院的首席生化学家,而钱恩的老板是38岁的弗洛里,学院的主任。即使是温雅如玉的希特利,初进实验室也受到了文化冲击,同事、上级尤其是钱恩的自大和野心令他震惊。希特利本来是归钱恩管,但经过几次冲突后,在弗洛里的默许下,他直接汇报给弗洛里。

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关键词2  工程问题

1937年左右,弗洛里团队在研究溶菌酶时首次注意到弗莱明的1929年青霉素论文。但是是谁先读到这篇论文还存在争议——钱恩和弗洛里后来都坚持是自己先发现了这篇论文,然后推荐给对方。事情久远,已无法考证,但有一点是可以肯定的:在之前的8年里,弗莱明的论文的引用数为0。

阻止青霉素重见天日的根本障碍是,还没人能够成功地生产即使很少量的相对纯一些、稳定一些的青霉素。攻克这一障碍不再是一个单纯的科学问题,而变成了一个工程问题。而解决工程问题的最佳人选是希特利。在攻克很多具体问题时,弗洛里和钱恩要完全依赖希特利的双手和大脑的完美结合。

当希特利接手项目时,生产青霉素的现有方法是让青霉菌在厚度不超过1.5厘米的琼脂盘上充分生长。当霉菌的枝状菌丝体在琼脂表面上生长,变干后,在其表面上会形成黄色的“霉汁”,可用玻璃吸管收集。还有一些霉汁浸透到琼脂中,并使其变黄,也会被收集起来。

在不断观察、反复实验后,希特利在青霉素的生产和提纯过程中引进了几点创新:

(1)改进培养青霉菌的培养基和控制条件,增大产量并缩短其生长周期。比如在1939年12月份,他尝试在培养基里加入了啤酒酵母,发现虽然产量只有少许提高,但生产霉汁的周期却从3周缩短到10天。到1940年3月时,希特利已经一次能为钱恩提供100多毫克的青霉汁。

(2)他发明了定量测量抗菌活性的方法。测量活性是评估每批霉汁或青霉素的产率、纯度的前提条件。希特利发明了一个巧妙的方法:他在培养皿底部抠下几个小圆洞,然后用玻璃试管的圆底儿补上。培养皿上接种细菌,而不同量的霉汁加在散落在其间的玻璃凹底里。霉汁的活性可通过测量玻璃凹底周围的无菌环的半径来测量。

(3)把青霉汁转变为青霉素粗品。希特利改进了青霉素的纯化方法,通过加酸加碱来改变青霉素溶液的酸碱度,再在水相溶液和乙醚溶液之间多次萃取。弗莱明的青霉素样品的纯度只有1ppm,希特利制备的第一批霉素的纯度增加至0.02%,虽然也不高,但提高了200倍。

(4)用改进的纯化方法,他也解决了稳定性问题。溶解在碱液中的青霉素粗品在室温下放11天都没问题。

关键词3  动物实验

希特利的样品为钱恩的下游实验提供了基础。他们尝试着把青霉素粗品注射到小鼠体内。和弗莱明一样,钱恩也一直认为青霉素是某种蛋白,是一种溶菌酶。但随着更多实验的完成,他们发现青霉素可以穿过玻璃纸的筛孔,又不会引起小鼠的免疫反应。青霉素不可能是蛋白!另外,令他们惊喜的是,青霉素对小鼠没有毒性。理想的抗生素只杀死细菌,而不损害宿主细胞。他们意识到青霉素有可能就是这种理想的抗生素。

在战争年代,能心无旁骛地做科研是一种奢侈。很多天的上午,团队的所有成员需要去装沙袋,加固实验室,为即将到来的德国空袭做准备。下午才是科研的时间。就是在这种条件下,他们完成了一次又一次的实验。

1940年5月25日, 弗洛里用化脓性链球菌感染了8个小鼠。中午12点,两只小鼠被服用了10毫克青霉素(粗品),另外两只服用5毫克。这4只小鼠又在4点15分,6点20分和10点追加服用了相应的剂量。5月26日凌晨3点28分,对照组的4只小鼠都已经死亡。而给药组的4只全都活着。青霉素第一次在小鼠中被证明对化脓性链球菌感染有效。

在实验室值最后一班的是希特利。当等到对照组最后一只小鼠倒下时,他放下实验记录,解脱、欢乐、幸福已充溢着他的全身。他4点钟离开实验室。迎着天边的第一道曙光,希特利在空空荡荡的街道上骑着自行车。他仿佛在云中飘行。在那个凌晨,他见证了即将改变世界的奇迹。

在实验室的奇迹发生的同一天,英吉利海峡对面的法国也在上演着奇迹。被德国纳粹军队压迫到敦刻尔克的英国陆军的主力开始从海上成功撤离。四年以后,英国和盟国军队在诺曼底重返欧洲大陆。这一次,他们装备了10万单位的青霉素。

关键词4  资金

让我们的目光继续凝视着1940年的英国。邓恩学院的实验团队需要越来越多的青霉素。这个问题必须靠希特利去解决,而且前提是实验室几乎没有任何资金。

实验室一直被钱的问题所困扰。科研在当时主要有两种资助模式:工业模式和慈善模式。德国制药业是工业模式的典范。20世纪上半叶,在莱茵河两岸集中着德国的几大制药行业巨头,他们起家于染料公司,从染料扩展到化工,又由化工进入到医药。他们资金雄厚,在化学合成方面独步世界。保罗·埃尔利希(Paul Ehrlich)和Hoechst AG公司的申凡纳明(Salvarsan, 治疗梅毒的首个有效药)、多马克博士和拜耳公司的磺胺药就是在德国工业模式下成功开发的产品。

而邓恩学院资金的来源主要靠捐赠,包括来自个人和洛克菲勒基金会,只有极少部分来自英国政府(英国医学研究委员会)。而英国的制药公司财力远逊于德国的公司,并且对青霉素项目不感兴趣。由于二战,政府能提供的资金非常有限。医学研究委员会每年提供的研究基金仅为300到550英镑。即使来自洛克菲勒基金会的资金也远远不够,比如在1936年基金会一次性提供了购买精密仪器的资金只有250英镑。钱恩的年薪只有200英镑,持续的经济窘境使他长期处于焦虑状态。直到1939年,实验室的经济情况才稍微好转一些。洛克菲勒基金会那年提供了1300英镑的资助,其中有300英镑是希特利的薪水。

实验室在各项开销上能省就省。为了每年节省25英镑,弗洛里关闭了楼里的电梯。实验室的旧冰箱以前是手动的——如果看管人觉得冰箱温度高了,就把压缩机打开开始制冷。钱恩负责扩大和改造冰箱,最后花销超出预算15英镑。为此事弗洛里大发雷霆,并在随后的数年里时不时地跟钱恩提起此事,直到1948年钱恩离开邓恩学院。

虽然在资金困窘的条件下最能展现希特利的心灵手巧,但在遇到特别棘手的问题时,希特利也只能采取极端手段。为了培养足够量的青霉菌,希特利需要足够大的容器。于是学院厨房里的烤盘和糕点器皿总是莫名其妙地丢失。16个便盆神秘地从距离病理实验室1.5英里的牛津大学医院消失,又神秘地出现在病理实验室里。

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关键词5  荣誉与冲突

1940年8月24日,弗莱明论文发表之后又过了11年零5个月,几乎在德军轰炸机开始大规模地出现在伦敦上空的同时,弗洛里团队的关于青霉素的论文在著名医学期刊“柳叶刀”上发表。论文只有短短两页,描述了青霉素在小鼠实验中对葡萄球菌,链球菌和梭菌等病原体引起的感染的疗效。

弗洛里团队成员之间一直有着各种冲突。弗洛里要花很大精力平衡内部的各种关系。在经历了几次对论文署名顺序的激烈争论后,弗洛里干脆规定实验室的所有论文的作者按姓名字母顺序排序。这篇“柳叶刀”论文就是这样的。

1941年,弗洛里和希特利因为青霉素扩大化生产一事去美国。弗洛里没有带上钱恩,甚至都没有事先通知他。虽然美国之行和钱恩的工作关系不大——他的主要任务是结晶青霉素,解决它的化学结构,钱恩还是大为恼火。他已经意识到青霉素有可能让他得诺贝尔奖。他最大的担心是弗洛里把他的荣誉夺走。作为一个犹太裔移民,他对自己有可能受到的不公平待遇极为敏感。(钱恩在战后才知道,他在德国的母亲和妹妹于1942年死于纳粹集中营里。)他从未信任过弗洛里,而弗洛里对他的态度也一直很恶劣。

使事情更为复杂的是,弗洛里的夫人和情人都在他的实验室里工作。大家基本是捏着鼻子容忍着彼此,竟然创造了改变世界的成果。

青霉素引起了媒体的注意,也引发了对这一成果的荣誉的争夺。1940年9月2日,59岁的弗莱明突然出现在邓恩学院。据他说,他是想来看看用“我的旧青霉素”已经做了什么。钱恩大吃一惊,“天啊,他还活着?!”

关键词6  临床

1941年1月,希特利的“作坊”已经生产出足够多的青霉素,甚至达到了用到病人身上的量。服用青霉素的第一个志愿者是Elva Akers,一个癌症晚期病人。在注射了100毫克青霉素后,Akers几乎立刻发高烧,并不时有癫痫发作。弗洛里和同事们的心都沉到了谷底。但钱恩和另一位化学家亚伯拉罕很快找到原因。引起Akers发烧的并不是青霉素,而是样品中混有的杂质。他们又用更严格的提纯方法——将样品反复过层析柱——制备了更纯的样品。第二次注射后,Akers没有任何不良反应,既不发烧也不颤抖。

青霉素在人体的安全性被初步证明,下一步要看它的疗效了。用青霉素治疗的第一个病人是阿尔伯特·亚历山大(Albert Alexander)。他是一个警察,1940年9月在自己家的玫瑰花园干活时被花刺划破脸。细菌——至少包括链球菌和葡萄球菌的感染先从伤口开始,进而扩散到头皮。他住院后,尽管服用了磺胺药,病情还是越来越严重,感染已进到了肺部。到41年2月,亚历山大浑身流脓,甚至左眼都有脓肿。他后来很快失去了左眼。

2月12日,200毫克的青霉素液(很久以后医生们才知道,这时样品的青霉素浓度不到5%)通过静脉注射进入到亚历山大的体内,之后每隔3小时再注射100毫克。仅过了一天,亚历山大已经有了惊人的改善:他的烧退了,不流脓了,脸也不肿了。他甚至可以进食了。

问题是实验室生产青霉素的速度远远比不上病人消耗的速度——病人一小时的剂量需要希特利的机器连续运转几天制备。弗洛里团队通过小鼠实验知道,青霉素可以很快通过尿液排到体外,尿中的青霉素仍有活性。所以医生每次给药后又多了一步,收集亚历山大的尿,再用自行车送到邓恩实验室回收青霉素。(是的,这家医院就是一年前16个便盆不翼而飞的那家。)

与亚历山大同期接受青霉素治疗的还有另外一个病人,亚瑟·琼斯(Arthur Jones), 一个15岁的男孩儿。他是因为臀部手术而受到感染。他和亚历山大接受同样的疗程、同样的剂量。到2月底,所有的青霉素,包括回收的,都用光了。琼斯活下来了,而亚历山大没有。他于3月15日病逝。

在1941年的夏天,牛津团队用青霉素治疗了更多的病人——主要以儿童为主,因为儿童需要的剂量小。

要想进行更大的临床实验,要想用青霉素挽救更多的生命,仅靠邓恩实验室显然是不行的。下一轮扩大的临床试验就需要数千克的纯青霉素。在整个英国也找不到这种生产能力。在二战的战火席卷欧洲大陆时,世界上只有一个地方可以将青霉素产业化——美国。

05  产业化

关键词1  美国之行和北方实验室

1941年7月2日,在洛克菲勒基金会的资助下,弗洛里和希特利几经周折,到达美国东海岸,寻求解决青霉素工业化生产的问题。他们随身携带的最大的一笔财富是几小瓶青霉素粉和青霉菌孢子。在这次高效率的行程中,通过朋友的介绍和洛克菲勒基金会的牵线,他们有机会和几个关键人物见面讨论,包括美国国家研究委员会执行委员会主席罗斯·哈里森 (Ross Harrison)、美国农业部植物工业局的一名真菌学家Charles Thom、美国科学研究与发展办公室(OSRD)的医学研究委员会(CMR)主席里查兹(Alfred Newton Richards)。

当时美国领先世界的是农业。农场、森林和牧场占全国经济的20%。与农业有关的科研项目和实验室遍布全国,但最著名的是农业部的四大科研中心。7月14日,弗洛里和希特利拜访了位于伊利诺州皮奥里亚市(Peoria, Illinois)的北方地区研究实验室(简称“北方实验室”),四大中心之一。

在随后的几年里,北方实验室将完成将青霉素产业化最迫切的三项任务:(1)找到了产率最高的青霉菌菌株;(2)找到最佳培养基配方,缩短霉菌的生长周期;(3)改善发酵技术。用传统农业打比方的话,他们找到了“更好的种子,更好的土壤,更好的种植和收获技术”。

“更好的种子”——在弗洛里访问之前,北方实验室已经通知科研人员在全世界范围寻找、收集不同菌株的青霉菌。但产率最高的菌株是实验室内部的一名叫玛丽·亨特(Mary Hunt)实验员找到的。她经常去逛皮奥里亚的农贸市场, 看到发霉的水果和蔬菜就两眼放光。1943年,她中了大奖, 淘了一个发霉的哈密瓜。20世纪40年代末期,世界上几乎所有青霉素都来自那个哈密瓜上的霉菌及其后代。

“更好的土壤” ——在寻找最适培养基配方的过程中,北方实验室也比较运气。在四十年代,美国盛产玉米。北方实验室的一个主要任务是找到玉米等过剩农作物的工业用途。玉米浆是制玉米淀粉的副产物。实验室的微生物和真菌学家安德鲁·莫耶(Andrew Moyer)和远道而来的希特利合作, 在几周之内发现玉米浆加上糖竟然能将青霉素的产率提高了一千倍!(但希特利又一次受到不公平的待遇:莫耶后来在相关的论文和专利上只属了自己的名字,而故意省略掉希特利的名字。)

“更好的种植和收获技术”——青霉菌通过发酵产生青霉素(二级代谢产物)。但迄今为止,青霉菌只在培养基(通常是琼脂)表面发酵。青霉素的生产受二维平面的限制,即使把培养基铺成足球场那么大,产量也有限。北方实验室发酵部门的负责人罗伯特·科格希尔(Robert Coghill)首先提出了把酿造啤酒的深度发酵法照搬过来,从二维变成三维培养。深度发酵法已经被辉瑞用来生产柠檬酸。但与生产啤酒或柠檬酸不同的是,青霉素发酵生产需要很严格的无菌条件。到1941年秋季,皮奥里亚团队研制出一个类似搅拌洗衣机的旋转鼓,还配有一个注射器,可以不断地将无菌空气引入到发酵液中。这样的旋转鼓将成为未来五年工业制造青霉素的主要装置。

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1941年9月,弗洛里结束了美国之行,回到了英国。但希特利没有和他一起回来——按照弗洛里的指示,他先留在了北方实验室,1941年12月他又去默克公司工作了6个月,直到1942年7月才回到英国。除了帮助青霉素项目取得了巨大进展外,希特利在美国的一年时间里收获了也失去了一份短暂的爱情。在北方实验室工作时,他和也是刚来不久的瑞士访问学者吉塔·布克哈德(Gita Burkhard)相识、相爱。这段浪漫随着吉塔于41年9月返回瑞士而结束。同许多战乱中浮萍漂泊的恋情一样,他们一旦分开便再无相见之日。

关键词2  美国现代制药工业的诞生

OSRD的CMR负责人、弗洛里的朋友里查兹意识到青霉素对美国的重要性。1941年12月7日发生的日本袭击珍珠港事件又增加了生产青霉素的迫切性。生产几公斤的青霉素是不够的,美国必须探索在战斗中抗感染的各种可能手段,准备的青霉素越多越好。里查兹开始推动了备战的国家机器,并建立政府-企业联盟共同解决青霉素问题。对美国更为有利的是,由于英国医学研究委员会和洛克菲勒基金会的反对,牛津团队没有对青霉素申请专利保护。青霉素的开发权和生产技术的知识产权开始被OSRD,美国制药公司和农业部控制。

美国政府需要招募合格的、足够多的美国公司来提高青霉素产量。1943年,政府从申请的175家公司中选择了17个,其中有现在大家都熟知的名字:默克,施贵宝、辉瑞、礼来、雅培和瑞士制药公司罗氏在新泽西州的子公司。每个公司都被承诺可以免费获得关于青霉素发酵的所有信息,并可以独立拥有自己在项目里产生的任何新技术的知识产权。就这样,美国与化工、制药有关的公司被分为两个阵营:青霉素联盟圈里的和圈外的。

这些圈里的公司当时并不能算真正的制药公司:默克的主要产品是维生素,施贵宝以外科手术用的麻醉剂而闻名,而辉瑞最赚钱的产品是柠檬酸。但入选青霉素项目改变了他们的未来,并给他们带来了大量的实惠。仅在1943年,CMR就批准了对青霉素进行研究的总计超过270万美元的54份合同,并同意为生产商每百万单位的青霉素支付200美元。

此外,由战争生产委员会批准,制药公司耗资近2300万美元建了16家新的青霉素工厂。作为鼓励,政府允许像默克和辉瑞这样的公司在记账时把他们的投资贬值期定为五年,以获得优惠的税收减免。战争生产委员会还花费了将近800万美元的联邦资金建了6家青霉素工厂。这些工厂在战争结束后被低价出售给私营企业。

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1944年8月14日Life杂志上刊登的青霉素生产的广告

青霉素联盟给制药行业带来了巨大的变化。在1929年左右,药物开发和制造业在美国利润最高的行业里只能排第16名,到1944年它跃居为最赚钱的。这种领先地位将持续近二十年。在青霉素联盟之前,这个行业是分散的,由数百家公司组成,没有一家拥有超过3%的全国市场。

1944年,20家左右的公司成为行业的领头者,他们的产品总计占所有药物市场的80%,而该市场已增长了十倍。这20名获胜企业与其他公司的区别是,他们是圈里的,拥有青霉素合同。每个获得OSRD生产合同的公司都很快超过了其同行。从经济角度而言,一份合同相当于“增加300名研究人员或1000万美元的利润”。这相当于把行业的其他竞争者按着不让动弹,而让圈里的企业先领跑二十年。

1942年,在丘吉尔的督促下,英国制药公司也加入了青霉素扩大化生产。1943年,英国的青霉素产量和美国差不多,但到了1944年,英国的总产量只有美国的四十分之一。

06  后续科研

关键词1  化学结构

弗洛里很早就意识到,只有破解青霉素的化学结构,才有可能弄清它的抗菌机理,才有可能进一步改进它的结构和疗效,才会充分发挥它在治疗方面或科学突破的最大潜力。从1941年起,钱恩和亚伯拉罕继续尝试破解青霉素的化学结构。他们不断提纯青霉素,并试图拿到它的结晶。

1942年,牛津大学的化学晶体学实验室的多萝西·霍奇金(Dorothy Hodgkin)开始与钱恩合作。她是X射线晶体衍射专家。钱恩和亚伯拉罕提供青霉素的晶体,她来分析。这种合作持续了3年。1945年,霍奇金终于解出了青霉素的化学结构。1964年,霍奇金凭借破译维生素B12的结构而获得诺贝尔化学奖。迄今她仍然是英国唯一的获得诺贝尔奖的女科学家 (霍奇金的故事很多很精彩。她热爱中国,曾多次访问中国。英国前首相撒切尔夫人是她的学生。她灿烂的一生需要我们仔细研读)。

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关键词2  诺贝尔奖

在青霉素开发的过程中,弗洛里团队不是一个完美的团队。团队主要成员来自三个不同的国家,虽然性格不合,但才能高度互补。弗洛里虽然有很多瑕疵,但他是一个承前启后的关键人物,也是一个成功的领导。他知道雇人就雇最强的,即使自己不喜欢对方。他有远见——他意识到要想大规模生产青霉素,美国是最合适的地方。他有网络——他依靠几个朋友和熟人使他和希特利的美国之行取得最大效果。

弗莱明、弗洛里、钱恩、希特利这些科学上的巨匠在生活中也是普普通通的人。他们也有喜怒哀乐。他们也会受欲望、虚荣心和恐惧所支配。当后人们仰望着他们立起的丰碑时,很少有人会知道他们曾经的焦虑和挣扎。

硝烟散尽,尘埃落定。1945年9月2日,第二次世界大战结束。同年12月,弗洛里、弗莱明和钱恩因为青霉素而被授予诺贝尔生理或医学奖。

而做出巨大贡献的希特利无缘诺贝尔奖,不能不说是一种遗憾。他是青霉素背后的无名英雄。

1945年12月10日,在二战结束后的第99天,在斯德哥尔摩举行的诺贝尔奖晚宴上,诺贝尔医学院生物化学系主任Theorell教授向三位获奖者致词说:“这一成果需要多年的辛勤工作,准确的直觉,深刻而广泛的知识,密切的团队合作和一些运气。在历史上最大的这场战争中,你们把青霉素奉献给全人类。但青霉素的用途只与和平有关。它连一只小鼠都伤害不了,却能治愈一个人。”

弗洛里从瑞士领奖回来,带了一套蓝色的葡萄酒杯送给希特利。希特利把它们摆放在橱柜里,但从来没有用过。他偶尔会拿出来看看——他喜欢这些酒杯的颜色。数年以后,有几个酒杯摔碎了,他也丝毫不介意。他早已看淡世间沧桑。生活还要前行,科研依然继续。

07  结语

关键词1  青霉素在德国

到二战结束,青霉素一直掌握在盟国手里。德国在二战期间未能开发、使用青霉素令人费解,但我们推断可能有以下几个原因:

(1)德国虽然在化工上处于领先的地位,但大部分化工资源被用来生产别的军需品:橡胶和汽油。

(2)德国制药企业的强项是化工合成, 在发酵生产方面并不占优势。德国科学家也因为磺胺药的成功而轻视青霉素。他们认为青霉素的化学结构不清楚,只能用“原始”的发酵方法生产,是科学的倒退。

(3)等德国人开始重视青霉素时,已经太晚了。到1945年,德国每月仅生产30克青霉素,只够治疗50名左右病人。在二战末期, 德国仅有的生产青霉素的厂房也被盟军轰炸殆尽。

关键词2  青霉素的影响和意义

青霉素的成功开启了抗生素的黄金时代。1943年,还在读博士的艾伯特·斯卡兹(Albert Schatz)在美国发现了链霉素。1945年,意大利药理学家朱塞贝·布罗楚(Giuseppe Brotzu)发现了和青霉素机理类似的头孢菌素。在随后的两年里,广谱抗生素四环素和氯霉素被发现并应用到临床上。50年代又目睹了红霉素、甲氧西林的开发和使用。

磺胺药、青霉素和其它后续的抗生素使人类第一次可以治愈由细菌感染的疾病。人们的平均寿命大幅提高。仅以美国为例,从1938年到1956年,儿童疾病的死亡率下降了90%以上,人口平均寿命增加了十年以上。人口学家把这段时期称为“死亡率转变的重大拐点”。青霉素和其它抗生素创造了“现代医学奇迹的奇迹”。

青霉素的研发过程几乎成为现代医药研发过程的模板:生物现象的观察、体外实验、动物实验、人的安全性实验、扩大化生产、临床实验……和青霉素历史不同的是, 在当代药物研发过程中,弄清化合物的分子结构一定要先完成。

青霉素的独特之处在于它是通过发酵过程生产的小分子药。而这个发酵过程也成为如今生物蛋白药的生产流程的模板。现各大药厂广泛使用的上游过程(细胞株的选择和优化、细胞培养和收集)和下游过程(细胞分离或裂解、药物浓缩和提纯)中的很多概念和技术都来源于青霉素的发酵过程。

青霉素和抗生素黄金年代也改变了医生这个职业。在20世纪30年代,美国医生的组成很杂,混有很多非正规治疗师。因为在当时的历史条件下,医学院培训出来的医生和其它流派的行医者相比并不具优势——他们在病菌感染疾病面前都一筹莫展。他们那时的主要职责不是治愈,而是安慰。但抗生素改变了一切。

从磺胺、青霉素开始,更多更强大的药物的出现,使得医疗行业需要更加集中的控制和监督。医生增加了处方权——他们有权决定哪个患者用什么药。越来越多的新药被认为药性太强,副作用太大或者太容易被滥用而不能直接销售给消费者。医生成为这些药物的看门人。这些更有影响力的医生以新的方式接受培训:医学院校日益重视建立在最新,最“科学”的研究基础上的分子生物学,生理学,微生物学和药理学等课程。没有掌握新方法的医师逐渐被边缘化。

关键词3  后抗生素时代

日月如梭,光阴荏苒。时间到了21世纪,抗生素抗性成为威胁人类生存的最大危机之一。细菌繁殖快,突变也快,而且它们之间可以交换对生长有利的基因。从这点来说,出现对任何抗生素产生抗性的病菌只是早晚的事。但抗生素的滥用,尤其是在农业和养殖业中的大规模使用,加速了这一过程。而对我们更为不利的是,今天新开发的抗生素寥寥无几。由于经济的原因,各大制药公司没有足够的动力去开发新的抗生素。开发任何新药都耗资耗时,但抗生素上市后,或由于开处方时的严格限制而销量受到影响,或由于抗性病菌的出现和蔓延而很快失去使用价值。没有国家的政策支持,药厂连研发的成本都收不回来。

如果任由抗生素抗性的继续恶化,人类很有可能进入后抗生素时代,在一百年后再次对病菌感染无能为力。我们有可能又回到了文章开头那副漫画里的时代。我们绝不希望看到,弗莱明、弗洛里、钱恩、希特利和霍奇金等人用汗水和才智换来的成果付之东流。群星闪耀的青霉素时代不应该只是数万年来人类在微生物统治下奋起反抗的昙花一现。

自2016年以来,第一个已知的广泛耐药性伤寒疫情正在巴基斯坦蔓延。2018年2月,一个得了伤寒的婴儿在巴基斯坦的一家医院里接受治疗。

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参考文献

1.Miracle Cure: The Creation of Antibiotics and the Birth of Modern Medicine William Rosen Viking (2017

2.The Demon under the Microscope: From Battlefield Hospitals to Nazi Labs, One Doctor’s Heroic Search for the World’s First Miracle Drug Thomas Hager Three Rivers Press (2006

3.The Mold in Dr. Florey's Coat: The Story of the Penicillin Miracle Eric Lax Henry Holt and Co. (2004

4.http://www.wikipedia.org/

5.http://zhidao.baidu.com

6.Imaging the Post-Antibiotics Future Maryn McKenna 11/20/2013 http://medium.com/@fernnews/imagining-the-post-antibiotics-future-892b57499e77

7.‘We’re Out of Options’: Doctors Battle Drug-Resistant Typhoid Outbreak Emily Baumgaertner The New York Times 04/13/2018

8.http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1945/florey-speech.html



http://wap.sciencenet.cn/blog-279293-1272429.html

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