天然藥物化學史話：鏈黴素

1945年底，英國科學家Alexander Fleming、Ernst BorisChain和Howard Florey因青黴素的發現獲得了該年度諾貝爾生理學或醫學獎。時隔2個月後，1946年2月22日，美國羅格斯大學（RutgersUniversity）的Selman Abraham Waksman教授（1888—1973，圖1）宣布其實驗室發現了第2種可應用於臨床的抗生素——鏈黴素（streptomycin），此抗生素對結核桿菌Mycobacteriumtuberculosis有特效，從化學結構看，鏈黴素也是第一種氨基糖苷類抗生素。自此，人類開始了戰勝結核病（tuberculosis，TB）的新紀元。

在20世紀初，結核病俗稱「癆病」，也被稱為「白色瘟疫」，由於其具有高度傳染性，而且感染患病後基本上無藥可救，所以人們對其的恐懼程度甚至超過了曾經肆虐人類的黑死病。僅在過去的19～20世紀，結核病曾在全世界廣泛流行，造成10億多人死亡，如中國作家魯迅、波蘭作曲家肖邦、英國詩人雪萊等都是因為肺結核而過早去世。雖然人們嘗試過多種方法治療肺結核，但是沒有發現一種真正有效的治療方法，即使在Robert Koch於1882年發現結核桿菌之後，這種情形也長期沒有改觀。鏈黴素的發現結束了結核桿菌肆虐人類生命的幾千年歷史。本文通過回顧著名藥物鏈黴素的研發歷程，簡要介紹鏈黴素的發現者SelmanAbraham Waksman教授，以此紀念前輩科學家的卓越貢獻，希望能夠給予從事相關研究的科學工作者以啟迪。

1「土壤教父」——Waksman博士

1910年，年輕的Waksman離開烏克蘭來到美國羅格斯大學學習。由於從小就對萬物生長所依靠的土壤非常感興趣，他本科及碩士研究生學習階段一直師從Jacob G. Lipman教授研究土壤中的微生物。在大學期間，Waksman收集了許多放線菌，並與其他人共同發現了一種新的放線菌灰色放線菌Actinomycesgriseus。1948年Waksman與Arthur T. Henrici將這种放線菌更名為灰色鏈黴菌Streptomycesgriseus，鏈黴素就是從這种放線菌中分離出來的。1916年在美國第17屆細菌學會的年會上，Waksman發表了第一篇研究論文「Bacteria，Actinomycetes and Fungi in Soil」[1]。碩士畢業後，Waksman去美國加利福尼亞大學（University ofCalifornia，Berkeley）攻讀博士學位，博士畢業後又回到羅格斯大學繼續從事土壤放線菌的研究。

從1920年開始，Waksman博士和他的第一個學生也是後來的同事Robert Starkey教授及其研究團隊開始了長達十幾年的土壤微生物研究。雖然1923年其在論文中曾經闡述了某些放線菌能產生殺死細菌的物質[2]，但是他的關注點仍在土壤里的微生物，而非能對抗疾病的微生物。Waksman博士於1927年完成了897頁的著作《土壤微生物學原理》（Principles of Soil Microbiology），這部作品是土壤微生物學領域的奠基性著作。後人將Waksman博士讚譽為「土壤教父（Man of the Soil）」，1949年4月Waksman博士登上了美國時代周刊封面。

1939年是Waksman博士研究生涯的一個轉折點：一是第二次世界大戰爆發，急需控制傳染病和流行病的藥物；二是1939年9月Waksman博士參加了在紐約舉辦的第3屆國際微生物學大會。在大會上，他的學生在紐約洛克菲勒醫學研究所（RockefellerInstitute for Medical Research）工作的美籍法國科學家René Jules Dubos（1901—1982，圖2）宣布從土壤微生物中發現了一個芽孢桿菌分泌的、可以殺死或抑製革蘭陽性菌的短桿菌素（tryothricin，圖2），並且對由葡萄球菌引起的局部感染有效。儘管短桿菌素因其毒副作用沒有得到臨床應用，但對於Waksman教授來說是個很好的啟發。有趣的是，Waksman教授與Dubos博士同時獲得了1948年度的拉斯克基礎醫學研究獎（Albert Lasker BasicMedical Research Award），後者因對於抗生素的研究，也曾獲得過諾貝爾獎的提名。

2鏈黴素的發現及開發

早在1932年，Waksman教授就受美國對抗結核病協會的委託研究結核桿菌落入土壤後為什麼會被迅速殺死的問題，當時已有科學家意識到有可能是土壤中的其他微生物分泌了某種抗菌物質從而消滅了結核桿菌。受到Dubos博士從土壤微生物中發現抗菌物質短桿菌素的啟發，再加上Fleming從青黴菌中發現青黴素的啟示，Waksman教授開始專註於從放線菌中發現抗菌物質。從這個思路入手，Waksman教授開始篩查土壤中可能存有的抗菌物質，此項研究工作單調而繁瑣，猶如大海撈針，絕非一人之力能夠完成，但Waksman教授堅信一定能找到有針對性的、能運用於人類醫學治療的抗菌素。

在葯業巨頭美國Merck公司的資助下，Waksman教授團隊的8個博士生從1939年開始系統地研究微生物，1939年研究了500多種；1940年研究超過了2 000種，H. Boyd Woodruff發現了他們課題組的第一個抗生素即放線菌素（actinomycin，又稱更生黴素）；1941年研究超過了5 000種；1942年篩選的菌種達到了8 000種，發現了棒曲酶素（clavacin）、煙麴黴酸（fumigacin）和鏈絲菌素（streptothricin），鏈絲菌素對包括結核桿菌在內的許多種細菌都有很強的抵抗力，但是對人體的毒性太強。在研究鏈絲菌素的過程中，Waksman教授及其同事開發出了一系列測試方法，對後來鏈黴素的發現起到了至關重要的作用[3-9]。

1942年，Waksman教授將anti和biotic連在一起，創造了antibiotic（抗生素）這個辭彙，同時對其進行了精確定義，專指由微生物產生的在稀釋條件下即可抑制或殺死其他微生物的化學物質[10-13]。1952年，在美國細菌學會上，Waksman教授正式提議「antibiotic」，從此這個詞在全世界被廣泛應用。抗生素定義的提出將如溶菌酶（lysozyme）及大腸桿菌素（colicin）等類物質排除在了抗生素的範圍以外，為尋找和研究抗生素提供了一個清晰的理論基礎。Waksman教授不僅提出了抗生素的概念，而且還制定了發現抗生素的系統方法，並在其他實驗室也得到了應用，因此他被稱為「抗生素之父」。

1942年5月，Albert Schatz（1920—2005，圖3）從羅格斯大學土壤學畢業後，來到Waksman教授的實驗室攻讀博士學位，並參與了放線菌素、棒曲酶素、鏈絲菌素等的研究工作。1943年10月19日，Schatz成功地從灰鏈黴菌Streptomycesgriseus中提取出一種新的抗生素，Waksman教授將其命名為鏈黴素，研究成果發表在1944年的《實驗生物學和醫學協會會刊》（Proceedings of the SocietyforExperimental Biologyand Medicine）上，引起科學界的巨大轟動。在發現鏈黴素以後，Waksman教授的研究團隊仍在不懈努力，先後又發現了灰黴素（grisein）、新黴素（neomycin）、弗氏菌素（fradicin）、殺念珠菌素（candicidin）、制假絲菌素（candidin）等一系列具有抗菌作用的活性物質。

1944年3月，一批鏈黴素被送到梅奧醫學中心（Mayo Clinic』s），由William Hugh Feldman博士（1892—1974）和Horton Corwin Hinshaw博士（1902—2000）（圖4）進行動物和人體試驗[14-18]。當時的實驗結果非常驚人，鏈黴素不僅抗結核桿菌效果顯著，而且對多種動物沒有毒性，對多種形式的結核病，如皮膚、骨、肺、腦膜、關節和泌尿道結核均有效。這是Waksman教授實驗室發現的第一個沒有毒性的抗生素，後來也成為第一個用來治療結核病的藥物，Feldman和Hinshaw也因此獲得了1952年諾貝爾獎提名。儘管隨後許多研究表明鏈黴素對人體並非完全無害，過度使用仍會對聽覺、前庭神經和腎臟等產生不良影響，嚴重的甚至導致死亡[19]，但在當時醫藥界對肺結核束手無策的情況下，這種新發現的抗生素無疑成為許多肺結核患者的救命良藥。隨後鏈黴素也被證實對鼠疫、霍亂及傷寒等多種傳染病也有效。作用機制研究表明鏈黴素主要與細菌體內的核糖體30 S亞單位結合，抑制細菌蛋白質的合成，使細菌不能正常生長或者代謝而死亡。

儘管在20世紀40年代，核磁共振技術尚未發展起來，化合物的結構仍需通過化學方法進行解析，但Merck公司的Karl AugustFolkers博士（1906—1997）憑藉著深厚的化學功底很快就確定了鏈黴素的平面結構（圖5）：一個N-甲基葡萄糖胺通過鏈霉糖和一個鏈霉胍相結合的大分子，結果發表在1948年的《美國化學會志》（Journal of the American Chemical Society，JACS）。隨後科學家們受到鏈黴素的啟示，開發了一大批和鏈黴素藥理作用相似的抗菌藥物，它們都具有類似的化學結構，因此統稱為氨基糖苷類（aminoglycosides）抗生素。Folkers博士還發現了新生黴素（cathomycin）和環絲氨酸（cycloserine，一種結核菌抑製藥），並領導了維生素B12晶體的分離提純工作[20-23]。

1946年Merck公司投入350萬美元建立了第一家製造鏈黴素的工廠。當時鏈黴素的工業製造大概可分成4個部分：第1步是把鏈黴菌在培養液中發酵得到含鏈黴素0.005%的發酵液；第2步是通過多種方法包括過濾、活性炭吸附、沉澱等得到鏈黴素粗品；第3步是粗品的提純，以除去其中有毒的化合物和雜質；第4步是把第3步的產品經過升華、磨碎等幾道工序，完成包裝出售。由於Merck公司與Waksman及羅格斯大學協商將專利權歸屬羅格斯大學，僅保留生產許可權，隨後8家醫藥企業開始同時生產鏈黴素，使得這一抗生素迅速大量進入市場。1950年Solomons等[24]研究發現在鏈黴素的製備過程中生成的衍生物雙α-羥基鏈霉胺[bis-(α-hydroxystreptomycyl)-amine]具有很高的毒性。值得一提的是，從發明到實現大規模工業生產，鏈黴素僅僅經歷了短短3年的時間，成為新葯研究與開發歷史上的一個奇蹟。

3「世紀之爭」[14-18,25-26]

隨著鏈黴素效益的產生，圍繞著鏈黴素知識產權的問題，已經博士畢業的Schatz將其導師和羅格斯大學告上了法庭，隨後達成庭外和解，羅格斯大學將3%的專利收入分給Schatz。1952年10月，Schatz要求諾貝爾獎委員會承認其在鏈黴素發現中所做的貢獻，但是諾貝爾獎委員會仍將當年的諾貝爾生理學或醫學獎單獨授予了Waksman教授。

圍繞著Schatz博士與Waksman教授對鏈黴素的貢獻之爭直到21世紀還在繼續，也引發了人們對科研工作中成果發現歸屬權的討論。縱觀鏈黴素的整個開發過程，Waksman教授已經對土壤中微生物進行了20多年的系統研究，特別是從1939年起先後組織超過50人把研究重點轉移到從放線菌中尋找抗結核抗生素上來，到1943年已經篩選了10000餘種微生物，發現了數種抗生素，建立起了一套完整的篩選方案。Schatz進入Waksman教授實驗室僅3個月就發現鏈黴素，主要應該歸功於Waksman教授設計的研究計劃及已經完成的近萬種微生物篩選工作的經驗積累，當然這也與Schatz博士的研究分不開。如果說Fleming等發現青黴素的過程多少有些偶然因素的話，那麼鏈黴素的發現則是Waksman教授傾其一生精力、持之以恆，「巧妙地、系統地和成功地研究土壤微生物才導致了鏈黴素的發現」（Nobel Committee』s wording）。這也正是為什麼發現青黴素是3人獲獎，而發現鏈黴素是Waksman教授獨自一人獲獎的原因。但是不可否認，在鏈黴素成功發現的道路上，許多人都做出了重要的貢獻，包括Koch發現了結核桿菌；Dubos從土壤微生物中發現具有抗菌作用的短桿菌素；病理學家Beaudetet提供給Waksman放線菌菌株；Waksman及眾多學生系統研究了土壤中多種微生物；Schatz從灰鏈黴菌中分離出鏈黴素；Folkers確定了鏈黴素的結構；Feldman和Hinshaw進行了大量動物和臨床研究。也可以說，鏈黴素的發現是集中了多個學科門類的許多科學家的智慧和艱辛勞動的結晶。

4結語

人類利用天然產物作為藥物來治療疾病的歷史悠久，現在天然產物仍然是發現治療重大疾病的藥物或重要先導化合物的主要來源[27-30]。Waksman教授在科學研究上最大的貢獻是制定了發現抗生素的系統實驗方法並被其他實驗室所應用，當然也包括發現鏈黴素，他的這些貢獻極大地推動了20世紀40年代抗生素的發展。Waksman教授一生中共發表了近500篇論文和28部著作，除了發現鏈黴素以外，還發現了20多種其他抗生素，建立了放線菌鏈黴菌屬Streptomyces，與Arthur T. Henrici共同合作重新劃分了放射菌（actinomycete）的分類系統，他採用的深層培養方法（submerged culture approach）推廣到了Merck公司用來生產青黴素和鏈黴素。很多人認為Waksman教授是真正的抗生素之父，而不是Fleming。

20個世紀40年代青黴素和鏈黴素的發現可以說是在短時間內治癒了許多困擾了人類數千年的各種外傷感染和肺結核等頑疾，大幅度地降低了人類的死亡率，明顯提高了人類的平均壽命，甚至可以說改變了人類的發展進程；特別是極大地鼓舞了科學家研究抗生素的信心，從此迎來了抗生素研究與發展的黃金時代，抗生素的研究進入了有目的、有計劃、系統化的階段，為人類醫學的突破指引了前進的方向。在短短的10餘年間，相繼又發現了金黴素（aureomycin，1947）、氯黴素（chloramphenicol，1948)、土霉素（terramycin，1950）、制黴菌素（nystatin，1950）、紅霉素（erythromycin，1952)、卡那黴素（lanamycin，1958）等，同時還建立起了大規模的抗生素製藥工業。抗生素在人類與疾病作鬥爭的發展史上留下了輝煌的一頁[31-35]。

雖然抗生素的發現改變了20世紀的醫學進程，但是非常遺憾的是抗生素的不合理應用甚至濫用導致了嚴重的耐藥性。最近幾年結核病又有抬頭趨勢，據世界衛生組織（WHO）報道，2014年全世界約有960萬人患結核病，其中150萬人死於該疾病。結核病還是艾滋病毒陽性患者的首要死因，2015年三分之一的艾滋病患者的死亡是由結核病引起的。我國是結核病發病人數較高的國家，僅次於印度。2016年WHO世界防治結核病日的主題是聯合起來消除結核病。但是新的抗生素的研發越來越困難，目前臨床上應用的抗生素基本都是20世紀80年代以前發現的，近30年來抗生素的研究難有新的突破。

本文為《天然藥物化學史話》系列文章之一。文中部分圖片源自網路，在此向原作者表示衷心感謝。

參考文獻（略）

來 源：張 青，王於方，付 炎，霍長虹，吳一兵，張嫚麗，李力更，史清文. 天然藥物化學史話：鏈黴素 [J]. 中草藥, 2018, 49(4):761-766.

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！