不朽的青霉素：戰(zhàn)爭(zhēng)中生出的「薔薇」｜Dr.Why

1940年9月的一天，48歲的牛津警察局長(zhǎng)，阿爾伯特·亞歷山大（Albert Alexander），像往常一樣在自己的花園里修剪玫瑰花，結(jié)果一不小心被玫瑰花刺刺傷了自己的臉。沒(méi)想到這看似不起眼的傷口，卻很快在亞歷山大的臉上腫了起來(lái)，隨之蔓延到了眼睛和頭部。

之后，亞歷山大被緊急送往醫(yī)院。在注射了大量的磺胺類藥物后，亞歷山大的病情并沒(méi)有控制下來(lái)而是繼續(xù)惡化，并最終導(dǎo)致了肺部和肩部的膿腫。

幸運(yùn)的是，幾天后，這一消息傳到了正在進(jìn)行青霉素試驗(yàn)的霍華德·弗洛里（ Howard Florey）的耳朵里。在了解了具體情況后，弗洛里便跑去亞歷山大所在的拉德克利醫(yī)院，問(wèn)那里的醫(yī)生，是否可以試試他最新提取出來(lái)的青霉素。當(dāng)時(shí)，他的青霉素已經(jīng)在老鼠身上進(jìn)行了試驗(yàn)并取得了成功。

不知道是抱著病急亂投醫(yī)的態(tài)度，還是死馬當(dāng)活馬醫(yī)的決心，亞歷山大的家人當(dāng)即就同意了。接下來(lái)，醫(yī)生們開(kāi)始了青霉素的試探性治療。

在接連注射了幾天的青霉素后，亞歷山大的病情開(kāi)始逐漸好轉(zhuǎn)。但遺憾的是，這一現(xiàn)象只持續(xù)了5天的時(shí)間。5天后因?yàn)榍嗝顾氐暮谋M，亞歷山大的病情又很快復(fù)發(fā)，幾周之后，便離開(kāi)了人世[1]。

就這樣，看似幸運(yùn)又不幸運(yùn)的亞歷山大，成為了青霉素臨床試驗(yàn)的第一人。（說(shuō)來(lái)也甚是有趣，發(fā)現(xiàn)青霉素的也叫亞歷山大，不過(guò)他姓弗萊明……）

但其實(shí)歷史上關(guān)于青霉素的使用，可以說(shuō)在很早以前就有了。兩千多年前，聰明的古埃及人用發(fā)霉的食物或土壤來(lái)治療傷口；在唐朝，長(zhǎng)安城的裁縫會(huì)把長(zhǎng)有綠毛的糨糊，涂在被剪刀劃破的手指上來(lái)幫助傷口愈合[2]······

現(xiàn)在再次提起青霉素，多少覺(jué)得有點(diǎn)親切感，不是因?yàn)橛玫奶喽锹?tīng)的太多，名字雖然并不陌生但故事卻鮮為人知。青霉素的出現(xiàn)，可以說(shuō)開(kāi)創(chuàng)了用抗生素治療疾病的新紀(jì)元！這種在戰(zhàn)爭(zhēng)中誕生的 “救命藥”，能稱得上二戰(zhàn)時(shí)期最偉大的發(fā)明。

意外的發(fā)現(xiàn)

1914年，第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)，戰(zhàn)爭(zhēng)的殘酷帶走了許多年輕士兵的生命。當(dāng)時(shí)，身為陸軍醫(yī)療隊(duì)長(zhǎng)的蘇格蘭微生物學(xué)家，亞歷山大·弗萊明（Alexander Fleming），在救援期間發(fā)現(xiàn)，士兵的死亡并非完全因?yàn)閼?zhàn)傷，有些是因?yàn)闊o(wú)法控制的傷口感染。

盡管，當(dāng)時(shí)有普遍用于防治傷口感染的核黃素，但其效果往往都不盡人意。一般情況下核黃素只對(duì)表面細(xì)菌感染有效，而對(duì)傷口內(nèi)部感染無(wú)效。在目睹了太多傷員因?yàn)榧?xì)菌感染，最終死于敗血癥后，弗萊明暗下決心：一定要找到一種新藥來(lái)消滅這些細(xì)菌！

于是，戰(zhàn)爭(zhēng)結(jié)束后，弗萊明回到了圣瑪麗醫(yī)院細(xì)菌實(shí)驗(yàn)室工作。1928年，弗萊明便開(kāi)始了對(duì)葡萄球菌的研究，這是一種存在廣泛且危害極其嚴(yán)重的細(xì)菌，大多情況下的傷口感染化膿，都是因?yàn)樗谧鞴帧?/p>

為了對(duì)付這個(gè)“小妖精”，弗萊明幾乎嘗試了各種藥物，但結(jié)果都大失所望。幾經(jīng)挫敗后的弗萊明決定先陪家人出去度個(gè)假，順便也讓自己換個(gè)心情。

一個(gè)月后，弗萊明像往常一樣，回到了那凌亂不堪的實(shí)驗(yàn)室。或許他怎么也沒(méi)有想到，從邁進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的那一刻開(kāi)始，他將會(huì)成為一個(gè)諾獎(jiǎng)得主！

當(dāng)弗萊明踱到窗臺(tái)附近時(shí)，窗臺(tái)上的一個(gè)培養(yǎng)皿立即引起了他的注意：那個(gè)原本貼著葡萄球菌標(biāo)簽的培養(yǎng)皿里，竟然長(zhǎng)出了一團(tuán)青色的霉菌！

仔細(xì)觀察后，弗萊明發(fā)現(xiàn)了一個(gè)更加有趣的現(xiàn)象：在青色霉菌的周圍，有一圈空白的區(qū)域，原來(lái)生長(zhǎng)在那里的葡萄球菌莫名地消失了。

與弗萊明一起回到實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)助理，對(duì)這種現(xiàn)象卻不以為意：頂多就是葡萄球菌被污染了而已，扔掉就是了，何必大驚小怪呢？

但一個(gè)能得諾貝爾獎(jiǎng)的人，勢(shì)必會(huì)跟普通人不一樣，敏銳的弗萊明立即意識(shí)到這也許就是葡萄球菌的克星[3]！

激動(dòng)的弗萊明立即把這個(gè)培養(yǎng)皿放在顯微鏡下，開(kāi)始了近距離的觀察。果不其然，青色霉菌的周圍，確實(shí)沒(méi)有了葡萄球菌的身影！

這一發(fā)現(xiàn)更加堅(jiān)定了弗萊明的想法，既然青色霉菌是葡萄球菌的克星，那會(huì)不會(huì)也能殺死其他細(xì)菌呢？

Alexander Fleming

于是，弗萊明開(kāi)始了他的實(shí)驗(yàn)。首先，他把青色霉菌轉(zhuǎn)移到另一個(gè)培養(yǎng)皿上，對(duì)其進(jìn)行培養(yǎng)。隨后，弗萊明將不同的細(xì)菌，放到長(zhǎng)有青色霉菌的培養(yǎng)皿中進(jìn)行觀察。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果有點(diǎn)出人意料，這些青霉菌確實(shí)對(duì)某些特定的細(xì)菌，比如肺炎球菌、白喉?xiàng)U菌等有作用。

這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)一步增加了弗萊明對(duì)這種霉菌的研究興趣。在之后的研究中，弗萊明發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生抗菌作用的并不是霉菌本身，而是霉菌分泌的一種物質(zhì)，弗萊明將它命名為青霉素（penicillin）。

牛津團(tuán)隊(duì)的助力

盡管弗萊明之后曾試圖分離純化青霉素，但都沒(méi)有成功。這也許跟他的身份多少有點(diǎn)關(guān)系，畢竟弗萊明只是一位微生物學(xué)家，而不是化學(xué)家。顯然，他并不擅長(zhǎng)這種提純工作。盡管如此，他仍然保留了對(duì)青霉菌菌株的培養(yǎng)。

1929年，弗萊明在《不列顛實(shí)驗(yàn)病理學(xué)雜志》上發(fā)表了《關(guān)于霉菌培養(yǎng)的殺菌作用》的研究論文[4]，遺憾的是當(dāng)時(shí)并沒(méi)有引起人們的注意[5]。

不過(guò)，這并沒(méi)有妨礙弗萊明成為一名“預(yù)言家”。他曾在論文里指出，青霉素將來(lái)一定會(huì)“大展宏圖”，盡管預(yù)言被證實(shí)稍微來(lái)的晚了些。

10年后，分離青霉素的工作，被牛津團(tuán)隊(duì)的霍華德·弗洛里（ Howard Florey）和恩斯特·柴恩（Ernst Chain）重新拾起。

這項(xiàng)具有里程碑意義的工作，正式開(kāi)始于1939 年。當(dāng)時(shí)，弗洛里已經(jīng)對(duì)細(xì)菌和霉菌之間的互相殺傷方式，產(chǎn)生了濃厚的興趣。在查閱了弗萊明青霉素的文章后，弗洛里和他的同事雄心勃勃，決定揭開(kāi)青霉素抗菌作用背后的奧秘。 

Ernst Chain（左）與Howard Florey（右）

然而，經(jīng)過(guò)數(shù)月的緊張實(shí)驗(yàn)，弗洛里和他的同事，也只是提取了少量的粗制青霉素而已。

為了盡快使青霉素走向臨床，他們決定先在8只感染了鏈球菌的小鼠身上進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)過(guò)程非常簡(jiǎn)單，一半小鼠注射了青霉素，另一半小鼠沒(méi)有注射青霉素。實(shí)驗(yàn)結(jié)果不負(fù)眾望，注射了青霉素的小鼠，都成功的活了下來(lái)[6]。

在接下來(lái)的幾個(gè)月里，他們重復(fù)并擴(kuò)展了試驗(yàn)，取得了滿意的結(jié)果。1940年，弗洛里和柴恩在《柳葉刀》上發(fā)表了文章，展示了青霉素的生產(chǎn)和純化，以及青霉素的動(dòng)物試驗(yàn)結(jié)果[7]。

轉(zhuǎn)戰(zhàn)美國(guó)研發(fā)

試驗(yàn)的成功使弗洛里意識(shí)到青霉素的潛在醫(yī)學(xué)價(jià)值，但問(wèn)題來(lái)了：青霉素的生產(chǎn)量不足！盡管增加了霉菌培養(yǎng)物的產(chǎn)量，但不得不說(shuō)，這樣的過(guò)程太過(guò)緩慢。

落后的技術(shù)加之因戰(zhàn)爭(zhēng)而每況愈下的英國(guó)經(jīng)濟(jì)，致使本土的制藥企業(yè)，根本沒(méi)有能力將青霉素投入批量生產(chǎn)。

好在弗洛里憑借自己的三寸不爛之舌，獲得了洛克菲勒基金會(huì)的贊助。不過(guò)，當(dāng)時(shí)基金會(huì)有一個(gè)附加條件，就是去美國(guó)研究[6]。

很快，弗洛里不顧柴恩的反對(duì)去到了美國(guó)。在美國(guó)農(nóng)業(yè)部首席霉菌學(xué)家，羅伯特·托姆（Robert Thom）的推薦下，弗洛里來(lái)到了農(nóng)業(yè)部北部地區(qū)研究實(shí)驗(yàn)室（NRRL），那里有著成熟的發(fā)酵部門。

NRRL的研究人員，安德魯·梅奧（Andrewp Moyer）很快就發(fā)現(xiàn)，通過(guò)向發(fā)酵培養(yǎng)基中添加玉米漿可以大大增加青霉素的產(chǎn)量。

1941年珍珠港事件后，美國(guó)參戰(zhàn)，戰(zhàn)爭(zhēng)的到來(lái)更是加快了青霉素的研究。

二戰(zhàn)時(shí)期青霉素的宣傳畫(huà)

1943年，NRRL的技術(shù)員，瑪麗·亨特（Mary Hunt ），在農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)尋找發(fā)霉的水果時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一種在美國(guó)甜瓜上生長(zhǎng)的青霉菌。

這個(gè)不經(jīng)意的發(fā)現(xiàn)，直接讓青霉素的生產(chǎn)發(fā)生了天翻地覆的變化。研究人員發(fā)現(xiàn)，如果將這種霉菌暴露在X射線下，將會(huì)產(chǎn)生一種突變的青霉菌株，而這可以使青霉素的含量增加1000倍！

于是，利用這種突變的青霉菌菌株，再加上科學(xué)家們新發(fā)明的巨大發(fā)酵罐，美國(guó)制藥企業(yè)開(kāi)始了青霉素的大批量生產(chǎn)。

青霉素的橫空出世迅速扭轉(zhuǎn)了盟軍的戰(zhàn)局。戰(zhàn)后，青霉素更是得到了廣泛的應(yīng)用。1945年，弗萊明、弗洛里和柴恩因?yàn)?strong>“發(fā)現(xiàn)青霉素及其對(duì)各種傳染病的療效”而共同榮獲了諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

抗菌和耐藥機(jī)制

青霉素作為一種β-內(nèi)酰胺類抗生素藥物（其他的比如頭孢菌素類抗生素以及阿莫西林、氨芐西林等各種叫西林的藥物），其抗菌機(jī)制主要是破壞細(xì)菌的細(xì)胞壁，導(dǎo)致細(xì)菌滲透壓改變，最終因?yàn)榄h(huán)境中的水分過(guò)多滲入到細(xì)菌細(xì)胞中，細(xì)胞破裂而死（簡(jiǎn)單理解就是被迫喝水太多撐死了吧）。

青霉素結(jié)構(gòu)示意圖（紅線圈出來(lái)的就是β-內(nèi)酰胺環(huán)）

細(xì)菌的結(jié)構(gòu)跟我們?nèi)祟惖募?xì)胞不同，它們?cè)诩?xì)胞膜之外還有像鎧甲一樣的細(xì)胞壁。細(xì)菌細(xì)胞壁的主要成分叫做肽聚糖，肽聚糖的骨架由N-乙酰葡糖胺（NAG）和N-乙酰胞壁酸（NAM）交替連接成多糖鏈；這些多糖鏈再經(jīng)由每個(gè)NAM引出來(lái)的寡肽（幾個(gè)氨基酸）與相鄰多糖鏈上的NAM相連，構(gòu)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而這就形成了細(xì)菌的細(xì)胞壁。在這個(gè)過(guò)程中，寡肽的連接需要一種叫做DD-轉(zhuǎn)肽酶（又叫青霉素結(jié)合蛋白PBP）的蛋白[8]。

肽聚糖連接示意圖：淺紫色為NAM，深紫色為NAG，紅色是寡肽，綠色是PBP

而青霉素就是通過(guò)自己的β-內(nèi)酰胺環(huán)與PBP結(jié)合，這樣一來(lái)，PBP就不能再與寡肽結(jié)合，所以肽聚糖鏈也就不能形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，細(xì)菌的細(xì)胞壁就遭到破壞，細(xì)胞失去了保護(hù)屏障，外界水分進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部過(guò)多，最終脹裂而亡[8]！

青霉素抗菌機(jī)制示意圖：粉色為青霉素的β-內(nèi)酰胺環(huán)，其余同上圖

在這里需要多說(shuō)幾句的是，不同的細(xì)菌細(xì)胞壁肽聚糖的含量會(huì)有所不同，對(duì)青霉素的敏感程度也就不同。這也就是為什么青霉素只對(duì)某些細(xì)菌引起的感染更為有效，比如肺炎鏈球菌、溶血性鏈球菌等。

所以，當(dāng)你因?yàn)榧?xì)菌感染而生病時(shí)，不要隨便亂用青霉素等β-內(nèi)酰胺類抗生素。一是它可能根本不管用，二是這還會(huì)加劇細(xì)菌的耐藥性。

那么，細(xì)菌青霉素耐藥的機(jī)制又有哪些呢？主要有兩種方式，一種是通過(guò)改變PBP的結(jié)構(gòu)，讓青霉素不能與PBP結(jié)合；另一種是產(chǎn)生β-內(nèi)酰胺酶，在青霉素還沒(méi)有跟PBP結(jié)合之前，就把它降解掉[9]。

PBP結(jié)構(gòu)改變，不能與β-內(nèi)酰胺環(huán)結(jié)合

當(dāng)然，這兩種方式都離不開(kāi)基因的改變。對(duì)于前一種方式，細(xì)菌可以吸收環(huán)境中的耐藥基因，整合到自己的基因中，如此一來(lái)，這段基因編碼出的PBP蛋白結(jié)構(gòu)就發(fā)生了改變，也就不能與青霉素結(jié)合。

而對(duì)于后一種方式，細(xì)菌比人類細(xì)胞多出來(lái)一種環(huán)狀的DNA，叫做質(zhì)粒。某些質(zhì)粒中的抗性基因剛好編碼β-內(nèi)酰胺酶。當(dāng)這種質(zhì)粒進(jìn)入到原本沒(méi)有抗性的細(xì)菌之后，細(xì)菌經(jīng)過(guò)繁殖就可以將這種抗性基因傳遞給它的子孫后代，如此一來(lái)就能產(chǎn)生β-內(nèi)酰胺酶，切斷青霉素的β-內(nèi)酰胺環(huán)，不讓青霉素與PBP結(jié)合。

β-內(nèi)酰胺酶（灰綠色）降解β-內(nèi)酰胺環(huán)，使之不能與PBP結(jié)合

有研究顯示，如果抗生素耐藥性從目前的水平繼續(xù)增加，到2050年，每年將會(huì)有1000萬(wàn)人缺乏有效治療而死亡，不僅如此，還會(huì)牽扯到強(qiáng)大的經(jīng)濟(jì)鏈條，使世界GDP下降2%-3%[10]。

所以，雖然青霉素開(kāi)啟了抗生素治療疾病的新紀(jì)元，但越來(lái)越多的耐藥細(xì)菌的出現(xiàn)卻是我們必須重視的問(wèn)題！

最后，用2017年世界提高抗生素認(rèn)識(shí)周的主題結(jié)尾吧：“服用抗生素之前要咨詢合格醫(yī)務(wù)人員！”

附贈(zèng)一段YouTube上，點(diǎn)擊量超過(guò)65萬(wàn)的β-內(nèi)酰胺類藥物抗菌與耐藥機(jī)制的小視頻吧，考驗(yàn)英語(yǔ)聽(tīng)力和看圖理解能力的時(shí)間到啦

參考文獻(xiàn)：

1.Ligon B L. Penicillin: its discovery and early development[C]//Seminars in pediatric infectious diseases. WB Saunders, 2004, 15(1): 52-57.

2. https://www./article/48356

3. Bendiner E. Alexander Fleming: player with microbes[J]. Hospital Practice, 1989, 24(2): 283-316.

4. Fleming A: On the antibacterial action of cultures of a penicillium, with special reference to their use in the isolation of B.influenzae. Br J Exp Path X:3-13, 1929

5. Jones K R, Cha J H, Merrell D S. Who's winning the war? Molecular mechanisms of antibiotic resistance in Helicobacter pylori[J]. Current drug therapy, 2008, 3(3): 190-203

6.Riley Jr H D. The story of penicillin (Alexander Fleming)[J]. The Journal of the Oklahoma State Medical Association, 1972, 65(3): 107.）

7. Chain E, Florey H W, Gardner A D, et al. Penicillin as a chemotherapeutic agent[J]. The lancet, 1940, 236(6104): 226-228.8. Walsh C. Molecular mechanisms that confer antibacterial drug resistance[J]. Nature, 2000, 406(6797): 775.

8.Tipper D J, Strominger J L. Mechanism of action of penicillins: a proposal based on their structural similarity to acyl-D-alanyl-D-alanine[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 1965, 54(4): 1133-1141.

9. Waxman D J, Strominger J L. Penicillin-binding proteins and the mechanism of action of beta-lactam antibiotics1[J]. Annual review of biochemistry, 1983, 52(1): 825-869.

10. O’Neill J. Antimicrobial resistance: tackling a crisis for the health and wealth of nations[J]. The Review on Antimicrobial Resistance, 2014, 20. 

本文     默默寫(xiě)稿的 靜靜 

      作者     不時(shí)催稿的 WXY707