【2018年物种日历】8月6日 产黄青霉

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2016年,正值索姆河战役100周年,伦敦的科学博物馆做了一个战争和医药相关的展览,我作为展览志愿者,带着各式各样的访客,了解那些我们现在看起来匪夷所思的战场医疗装置。其中一个有点像是输液瓶的东西,叫“卡勒尔·达金装置”(Carrel-Dakin Apparatus)。

它是干什么的呢?消毒的。输液瓶里装着英国化学家亨利·达金(Henry Dakin)发明并配置的消毒液,用于手术或外伤处理。这种液体配比必须非常精确,且伤口不能有杂物,还必须每两个小时消毒一次。然而这没能改变一战里大量感染伤员不得不截肢的结局——整个一战,光英国士兵就有6万多截肢的。


一个玻璃瓶子吊得高高的,但是下面的管子又有着奇奇怪怪的分岔,并没有连接任何针头。图片:Science Museum London

但是,这个装置很快就被人们弃用了,由于感染而截肢的士兵数量在二战时也急剧降低。因为我们有了青霉素

巧合的是,在一战后方参与感染抢救和研究的医生中,就有亚历山大·弗莱明(Alexander Fleming)。伦敦那场展览里还有他写的paper 呢。


弗莱明培养的青霉菌。图片:Science Museum London

全世界都是它的“画布”

青霉素(Penicillin,也就是盘尼西林)的名字来自青霉菌,也就是我们今天要讲的产黄青霉Penicillium chrysogenum)。Penicillium这个名字,来自这种霉菌在显微镜下的形态:菌杆加上头部散布孢子的菌丝,像一把小刷子一样,因此弗莱明用拉丁语“笔刷”(penicillus)为它命了名。在我们肉眼下,一团团的霉菌菌丝呈蓝绿色,因此而得名“青霉”。


电镜下的“笔刷”。图片:Just Images / youtube


这就是肉眼可以看到的青霉菌落了。图片:Crulina 98 / wikimedia

如果说青霉菌是笔刷,那么全世界都是它的画布。青霉菌属的真菌在我们身边广泛而大量地存在着。不过有时候它们也会让人恼,比如稻米染上的桔青霉、柑橘染上的扩展青霉等等。

然而,青霉菌除了让植物发霉,还有一个特质:它释出的青霉素,能够瓦解细胞壁中的肽聚糖,让细胞涨破然后死亡

细菌是有细胞壁的,然而动物(包括我们人类)却没有。所以,当我们被细菌感染时,青霉素就能帮我们瓦解细菌的攻击,而对我们造成的伤害可以尽可能小(除了个别人对青霉素过敏,所以需要非常小剂量的“皮试”)。


或许是许多人的童年阴影。因为是皮内注射,所以“皮试”比其他注射方式略疼一些,皮肤也会鼓起一个小包。图片:healthcarehk

实际上早在几百年前,就有人记载人们使用潮湿的面包加上蜘蛛丝擦拭伤口(上覆有青霉的孢子),能够减轻感染;而17世纪的英国,也已经有野路子的药师用霉菌治疗感染了。

当然更为人所知的,还是苏格兰医生(被英国人光荣地认为是自己人的)亚历山大·弗莱明的故事。1928年,弗莱明正在伦敦圣玛丽医院(今天的帝国理工)进行微生物研究,某一天,培养葡萄球菌的培养皿被污染了,进了一些(那时候还被认为是)恼人的青霉。然而他发现,青霉的周围一圈都没有任何葡萄球菌生长,所以他推测这种青霉是有杀菌功效的。那一团青霉,现在已经被做成了标本,收藏在伦敦科学博物馆的“摩登年代”展馆里(就是本文第二张图)。


青霉素主要针对革兰氏阳性菌,其中就包括金黄色葡萄球菌。图片:7月新番《工作细胞》

然而,光有弗莱明还不够。让这个不起眼的青霉发挥作用的,有不止一个巧合、不止一个人,以及不止一次历史进程。

他不是一个人在战斗

弗莱明虽然发现了青霉素的抗菌效果,并且发表成了论文,但实际上,嘴比较笨的他并没能说服别人接受这种抗生素的潜力,即使它有可能拯救生命。而且,医学出身的弗莱明缺少化学家或炼金术师一般的技术(你看他养菌就很笨手笨脚被污染了),一直无法培养出能够稳定产出的菌株,也无法真正提炼出青霉素。此外,当时正值磺胺类抗生素兴盛,所以几乎没人注意到这种无处不在但又毫不起眼的真菌。


“嘴比较笨”的弗莱明。从结果来看,似乎学术水平高并且有一定社交能力的人,才能在学术圈吃得开。图片:Imperial War Museums

庆幸的是,牛津大学的两个研究者慧眼识珠,发现了青霉的潜力。1938年,生化学家恩斯特·柴恩(Ernst Chain)和药理学家霍华德·弗洛里(Howard Florey)正在寻找具有抗生作用的微生物,偶然间翻到了弗莱明的论文。于是,他们赶紧跑到伦敦去找了弗莱明。

三人合作,很快就将这种真菌中的有效成分——青霉素提取了出来,确认了青霉素的化学特性,并开始了纯化过程(期间还有Norman Heatley的参与),准备进入动物实验阶段。当时,要提取动物试验所需的青霉素,他们每周都要培养500升霉菌,为此他们雇佣了一批“青霉素女孩”,每天负责青霉菌的培养与发酵。


感谢“青霉素女孩”。图片:National Library of Medicine

这时候又有一个巧合。他们的实验对象选的是小鼠,感染了致命链球菌的小鼠,一批注射了青霉素,一批对照,注射青霉素的小鼠都成功活了下来。但是,如果当时他们选用的是豚鼠(Guinea pig),这实验可能就黄了。

因为豚鼠对青霉素异常敏感,如果给它们注射青霉素,也会因过敏挂掉。当然,我们现在对于动物药理药代的理解已经很完善了,不会出现选错实验动物的情况。但在当时,还真说不准呢。

让青霉素上战场

既然动物实验成功了,剩下的问题就是怎么量产了。弗莱明最初发现的特异青霉菌Penicillium notatum)是无法胜任这个角色的,它的培养很不稳定,产量非常有限。虽然三人组通过青霉素让一个严重感染的患者病情大有好转,但很快辛辛苦苦培养并提取的青霉素就被用完了,病人最后依然不治身亡。

此时,1939年,二战在欧洲打响;1941年,美国也卷入战事。大量的伤员亟待强力抗生素解救他们的性命,化学家、药学家和医学家们纷纷投入了“量产青霉素”的探寻中。


上世纪40年代,美国生产的青霉素类药品。图片:National Library of Medicine

弗洛里来到美国,试图说服当地研究机构和制药公司投入青霉素的研制。战事不等人,他们的想法得到了美国官方的支持,并开始面向世界各地征集霉菌样本——前面也提到了,青霉菌在自然界中原本就大量存在着。

战斗机飞行员从世界各地带来土壤样本,平民们在自家后院观察是否有霉菌出现。终于,在美国伊利诺伊州皮奥利亚小镇集市上,研究人员发现了一颗发霉的蜜瓜,这颗蜜瓜上的青霉能够大量分泌青霉素,这些青霉就是本文的真·主角——产黄青霉。威斯康辛大学的研究者对这种特殊的青霉菌株进行了射线照射,变异菌株的青霉素产量更上了一个台阶。


实验员玛丽·亨特(Mary Hunt)带回了这只发霉的蜜瓜,高效量产青霉素就从这颗瓜开始,玛丽也因此有了一个昵称——“发霉的玛丽”(Moldy Mary)。图片:nww2m.com

随后要解决的是青霉菌本身批量培育的问题。这时候二战前线战事越来越紧急,参与抗生素研究的科学家和团队越来越多,几乎每周都有新的尝试方法问世。因为青霉素在表面培养的时候特别容易被污染、效率也不高,液体培养成为了值得考虑的方向。

美国农业部的实验室研究出了液体培养法;与此同时,来自辉瑞(Pfizer)制药的研究团队通过大型深槽装入玉米浆培养液来养青霉菌(反正美国玉米多)。很快,青霉素变成了一种能够工业量产的东西,后来更是引入冻干法来制得青霉素粉末,配制出相对纯净的注射液。


研究者在实验室中制备青霉素。图片:Richard Stone / Imperial War Museums

1942年,出现第一名成功接受青霉素治疗的烧伤士兵;1943年上半年,全美所有药厂生产的青霉素只够用于180位严重感染的伤员,而1943年下半年,产量就已经翻了50倍。1944年六月诺曼底战役之前,青霉素的月产量已经达到1943年全年产量的5倍,无数受伤士兵得以凯旋,并逃脱了截肢的厄运。

1945年,诺贝尔生理学或医学奖授予弗莱明、柴恩和弗洛里,以表彰他们发现并提取青霉素对医药事业乃至全人类福祉的贡献。同年,第二次世界大战落下帷幕。


青霉素在战争上挽救了无数人的生命。图片:National Library of Medicine

这是一场持久战

有了抗生素,我们终于可以摆脱奇奇怪怪的消毒水装置,以及无处不在的截肢乃至生命风险,量产青霉素低廉的价格也让它成为了常用药品。然而,正是因为它的常用,我们和细菌之间的持久战——或者说,军备竞赛——在注射第一针青霉素的时候就开始了。

细菌变异的速度十分可怕。它们可以将外源基因纳为己有,同时快速增殖,等待恶劣环境的筛选。面对抗生素的攻击,一些细菌变异成为耐药菌乃至抗药菌——后者不仅耐药,还能分泌特殊的酶让青霉素失活。

在上世纪五十年代,也就是青霉素开始在临床上大量使用时,一个病人每次注射青霉素只需要20万单位;而到了九十年代,一个病人每次注射的青霉素需要80~100万单位,用量增加到近5倍


牛津大学的多萝西·霍奇金(Dorothy Hodgkin)确定了青霉素的分子结构,在这基础上,人们得以合成更多的青霉素类药物。图片:Science Museum London

人们尝试通过改变青霉素本身寻找解决办法。比如,将青霉素做人工修饰以“骗”过耐药菌(如氨苄青霉素、羟氨苄青霉素等等),同时也不断地从自然界捕获各种各样的霉菌,提取出更有潜力的抗生素。

1944年,人们从灰色链霉菌中发现了链霉素;1948年,意大利科学家从排水沟里找到了可以分泌头孢霉素的顶头孢菌;还有1952年的红霉素、1963年的庆大霉素等等,对抗生素的开发在上世纪70、80年代达到顶峰。

与此同时,人们也逐渐意识到滥用抗生素的后果。于是,当现在发现或合成出超强抗生素时,总会有一种矛盾的心态——想要开发出来治病救人,然而又担心催生另一批超级耐药菌。

“最强的抗生素永远都在实验室。”这是一个如此无奈的现实。


当具有耐药突变的细菌越来越多时,抗生素也就失去了应有的效果。图片:NIAID – NIH / wikimedia

然而回过头来,捕获在自然界中无处不在的真菌,并让它们深刻地改变我们的生命乃至历史进程,这期间短短半个多世纪的探索堪称传奇。人类进入微观世界的旅程,也才刚刚开始而已。

这样说的话,你会不会对我们的未来更期待一些呢?

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