2015年12月1日

中國首位諾貝爾生醫獎獲得者屠呦呦—抗瘧藥物青蒿素的發現

作者/洪欣儀(現任成功大學藥學系助理教授)、吳天賞(現任成功大學藥學系特聘教授)

中國中醫科學院無博士學位、未出國留學且無院士頭銜的首席女科學家屠呦呦,今年84 歲獲得2015 年諾貝爾生醫獎,也是有史以來第12位女性獲獎。原因是屠呦呦帶領科研組發現及證實中藥裡的青蒿所含之青蒿素具有優越的抗瘧疾效果。此藥物挽救了無數的生命,其中大部分是生活在全球最貧困地區的兒童。

發現青蒿素
1950年代越戰時期,不管是美軍或是越軍都因熱帶叢林地區瘧疾肆虐,造成部隊大量人員傷亡。中國方面為了協助解決瘧疾的困擾,指示全國各部門參加以瘧疾防治藥物研究為任務的緊急工作。這項研究工作除了解決當時唯一的抗瘧疾藥物「奎寧類」的抗藥性,還期望從中藥中尋求突破。

1969年,屠呦呦被指派加入此研究,她首先收集中醫典籍裡關於瘧疾治療各種經驗方,命名為《抗瘧單驗方集》,包含了640多種中草藥,其中就包含青蒿。屠呦呦及其同事利用現代科學方法,萃取植物裡的有效成分並進行藥效試驗。但在初步的篩選中,青蒿萃取物對瘧疾的抑制率只有68%,比胡椒還不如,而且效果不太穩定,因此青蒿沒有成為重點研究對象。直到東晉葛洪的《肘後備急方·治寒熱諸瘧方》中的文字給了屠呦呦靈感:「青蒿一握,以水二升漬,絞取之,盡服之。」青蒿絞汁服用與一般中草藥煎煮的方式不同,她懷疑有效成分在高溫下可能會被破壞。於是屠呦呦所屬的北京中藥所改以乙醚提取,控制溫度低於60℃,發現提取物對鼠瘧原蟲的抑制率可達100%,但毒性偏大。在去除酸性部分後,得到抗瘧效價高、毒性小的乙醚中性提取物,青蒿抗瘧研究由此取得了新進展。

青蒿的乙醚中性提取物經過動物毒性試驗和少量人體試服,證明無明顯副作用後,於19728~10月進行臨床觀察,共29例,獲得了不錯的結果,尤其是對奎寧類藥物已經具抗藥性的惡性瘧仍然有不錯的效果。同一時間,青蒿乙醚中性提取物被進一步分離純化,使用矽膠管柱層析,與石油醚– 乙酸乙酯梯度沖提,分離得到編號為Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的三種結晶。經鼠瘧原蟲篩選後,證實結晶Ⅱ是唯一有抗瘧作用的化合物,於是將50~100 mg的結晶Ⅱ給小鼠灌胃,發現可使鼠瘧原蟲由陽性轉為陰性。中藥研究所便將結晶Ⅱ命名為「青蒿素Ⅱ」。

在沒有高解析度核磁共振儀及質譜儀的時代,青蒿素的結構鑑定是以IR(紅外光)、UV(紫外光)配合大量化學反應研究,得到結構的大致狀況。但令研究員困惑的是,分子式C15H22O5,以核磁共振光譜儀看來僅有一個氫原子與氧原子連在同一個碳上,在此情況下很難在15個碳上排進5個氧原子,當初研究員曾思考青蒿素是否為過氧化物,但青蒿素是一個很穩定的分子,熔點在150℃左右都未見分解。所幸當時發現的另一個天然物鷹爪甲素是個過氧化物,也同樣具有抗瘧的活性,於是研究員通過定性及定量的分析,證實青蒿素也是個過氧化物。綜合所知,研究員提出了過氧基團位於內酯內的可能結構(圖一)。1975年透過單晶X-ray繞射分析(X-ray single crystal diffractometer)確認了實際結構,而絕對立體結構則是在1978 年由反常散射的X-ray 分析確定。


圖一:青蒿素的可能結構(左)及確切的結構(右)。

研製效果更好的衍生物
青蒿素具特殊骨架又有良好的抗瘧活性,立即引起藥物化學家的興趣,並展開一系列的結構修飾工作,希望能藉由改變結構的官能基團來知道結構與抗瘧活性的關係,以發展出更具抗瘧活性的分子;另一方面,青蒿素的溶解度不佳,不利於吸收,所以一部分的研究致力於改善此問題。首先,研究者利用氫化法去除過氧化物,卻造成抗瘧活性喪失;而另一個設計僅是還原內酯環的羰基變回羥基,保留過氧化物的基團(圖二-1),此設計不僅保留了青蒿素原本的活性,還提供了一個很好的官能基,利於後續的結構修飾。之後的一系列青蒿素衍生物包括現在臨床使用的蒿甲醚(Artemether,圖二-2)及青蒿琥酯(Artesunatum,圖二-3)都是由此設計衍生出來的。

圖二:為保留過氧化物的基團,為蒿甲醚,為青蒿琥酯。

 青蒿素的來源
在蒿屬的植物中,以黃花蒿和青蒿含有最多的青蒿素,且兩者在中國大陸都有廣泛的分布。由於青蒿素的需求增加,目前在中國大陸許多地區都有種植。儘管過去有試圖以組織培養技術來取得青蒿素,但成本太高且效果不理想,故仍以人工栽培為主。除了選擇有效成分含量高的品系外,溫室種植的溫度調控可增加43% 的青蒿素含量,此外,肥料及收割時間也會影響青蒿素的含量。

當完成青蒿素的結構鑑定的同時,科學家便開始研究青蒿素的半合成與全合成的路徑。半合成主要由青蒿酸經三步驟氧化還原而得。全合成步驟在1983年被發現,經由13個步驟,總產率為2.1%。雖然經過幾次的改良將步驟縮短到10步,總產率提高到3.6%,但難度較高,產率也不易提升,因此還是以半合成或是人工栽培提取的方式為主流。

青蒿素的臨床開發應用
青蒿素開發至今,我們對它的抗瘧機轉、毒副作用及臨床應用性已經有一定的了解。在藥效上可分為兩步驟,首先當瘧原蟲寄生在紅血球時,青蒿素可同時在紅血球內部累積,此時青蒿素可被血紅素內的鐵催化,造成結構中的過氧橋裂解,產生自由基。此自由基進一步與瘧原蟲的蛋白質結合,使蛋白質失去功能而造成瘧原蟲的死亡。青蒿素類是低毒性的,主要的毒副作用是神經系統的損傷及心臟毒性,一般不易發生。

雖然臺灣目前被列為瘧疾根除的區域,但是青蒿素對發展中國家如:中國大陸、越南、非洲等有很大的貢獻,救了無數人的性命,所以屠呦呦才得以獲獎。中草藥已有數千年的臨床使用經驗,相信未來會有更多的應用,造福人群。從此次生醫獎給我們所有年輕朋友與研究者的啟示,即是專心鑽研與付出從事對人類有益的研究工作,能呈現重大貢獻者,不分是否有博士學位或重大頭銜,均有機會獲得肯定。

黃花蒿。(Kristian Peters)

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