由染色引发的“魔弹”遐想

由染色引发的“魔弹”遐想

埃利希（Paul Ehrlich，1854～1915年），一个德国小旅店老板的儿子，在斯特拉斯堡大学学医时很喜欢实验室的工作。他在科赫（Robert Koch）教授（发现结核杆菌的人）的实验室从事微生物的染色工作。为了便于在显微镜下观察，微生物需经染色才能看得清楚。他发现有些微生物或细胞可以用一种染料染上颜色，而另外一些微生物可被另外一种染料染色。他的博士论文题目是《显微镜下观察物质的理论和实践》。这个题目从表面看来并不怎么吸引人，但埃利希在论文工作中提出了一系列令人感兴趣和很有意义的问题，那就是：为什么特殊的细胞或细胞的特殊部分可以和特殊的染料结合？把问题引申一下就成为：为什么在化学上等同的物质与细胞同一未知物质相反应？这个问题实质上是涉及药物的作用理论问题。埃利希为它花费了一生的精力。

埃利希后来在医院实验室内从事疫苗和抗毒素的定量工作。在用免疫方法预防某些传染性疾病中，疫苗内细菌或毒素量的多少是很重要的。含量过低，接种后达不到预防的目的，含量过高，接种后对人又有危险。但当时对疫苗中的物质还是未知的，化学分析在当时还没有发展到解决这个问题的水平。埃利希创造性地利用小鼠对同种疫苗产生同等的反应所需用的量来对疫苗进行定量测定。他为生物测定方法奠定了基础。在做这些工作的过程中，他广泛研究了动物对外来物可产生免疫作用的问题。埃利希喜欢用化学观点来解释问题。他认为免疫作用是两种很复杂的物质间的反应。细胞内假设充满着原生质，原生质可能是很大的分子化合物。他假设原生质具有侧链，这种侧链使细胞可以从外界接受和固定物质。因此，他把这种侧链叫做“受体”。在19世纪末20世纪初，那时的化学水平还不能解决所谓原生质的组成问题。因此，对于他的设想，他给不出更具体的内容。他只是提出细胞的这部分结构（侧链）与特定的外来物质具有亲和力，可以相互结合。这种设想，以后就发展为解释药物作用的“受体学说”。

埃利希由过去做过的微生物和细胞染色的工作联想到，这些染料——比较简单的分子可以特异性地与微生物或细胞的侧链（受体）相结合，很可能会破坏微生物的正常功能，进而杀死微生物。微生物和细胞的染色是在体外的玻璃片上进行的。这种染色作用能否在病人的体内进行？如果可以的话，那不是就可以用化学物质来治疗传染性疾病了吗？有了这种想法，他就想寻找那种能在体内和微生物特异性结合而不影响宿主细胞功能的物质，他称之为魔弹（magic bullet）。

1880年，法国医生拉沃兰（Alphonse Laveran）在阿尔及利亚服军役中，发现疟疾是由一种微生物引起的。埃利希通过研究发现亚甲蓝可以将这种引起疟疾的微生物染色。亚甲蓝是一种外观有金属光泽的深蓝色固体，水溶液为蓝色，可以将一些微生物染成蓝色。1881年，埃利希用亚甲蓝给两位得疟疾的病人治疗，发现它有弱的治疗作用。由于当时已经知道金鸡纳树皮治疗疟疾的作用很好，因此他的报告在医学界没有引起大家的注意；但对埃利希来说，其意义是非凡的，这坚定了他的魔弹设想。他认为一定能够找到一种化学物质与微生物有特异性的“亲和力”而杀死它。他给他的这种设想起了个名字叫“化学治疗”（Chemo therapy），以区别于用疫苗的“免疫治疗”。

疟疾不是一个很好的研究对象，因为当时没有办法使动物染上疟疾，因此不能用动物进行试验。引起非洲睡病的一种锥虫可以在啮齿类动物的体内生长，并能感染给其他啮齿类动物，是一种很好的试验对象。埃利希在一位日本合作者的帮助下，用各种染料在感染了锥虫的小鼠身上做试验，寻找能杀死锥虫的染料。500多种染料被试验过了，没有一种能杀死锥虫，反而成千上万只小鼠被锥虫杀死了。埃利希的魔弹设想始终是可望不可及的遐想。埃利希虽然不是学化学出身的，但他很喜欢化学，总是从化学的观点去考虑问题。他想是不是这些染料在水中的溶解度不大，在小鼠体内达不到杀死锥虫所需要的浓度。于是他要求他的从事染料研究的朋友在染料上引入一些磺酸基团，因为磺酸基团可以增加染料在水中的溶解度。一种带有磺酸基团的红色染料可以使被锥虫折磨濒死的小鼠转危为安，而且在这只小鼠的血液中，锥虫像太阳光下的雪花一样全“融化”了。埃利希非常激动，认为他所设想的魔弹终于找到了。他把这种染料命名为锥虫红。

但是埃利希高兴得太早了，锥虫红只对少数几种锥虫有效，并不能杀死其他种类的锥虫。而且，锥虫红用于治疗人的锥虫性疾病时，必须用很大的剂量，常导致病人双目失明甚至死亡，因此魔弹的设想还是没有实现。

埃利希发表他的锥虫红实验结果后，引起了拜耳公司研究所也在研究染料杀菌作用的人们的注意。他们也试验了一些带有磺酸基团的染料，杀锥虫的效果都不强，而且这些染料不是红色就是蓝色，用这种染料在小鼠身上做试验，小鼠的皮肤会变为红色或蓝色，他们想这种染料若用于人，让人的皮肤也染上颜色，病人是绝对不会接受的。他们希望能有一些无色的类似染料的化合物供试验。于是拜耳公司的化学家合成了一些尿素类的磺酸萘化合物，而不是偶氮类化合物（偶氮—N＝N—是产生颜色的结构部分）。拜耳研究所终于在1917年找到一个代号为“Bayer 205”的化合物，不论对动物还是对人的锥虫都有效。他们以“Germanin”的商品名把这种药投放市场，但没有公布它的化学结构。原因是怕其他国家的药厂发展同类型的化合物。而且拜耳公司只将这种药提供给德国医生使用，绝不让它流落到外国能够测定其化学结构的人手中。法国巴斯德研究所的弗尔纽（Ernest Fourneau）对此非常恼火，决心要搞清楚“Bayer 205”的化学结构。他分析了拜耳公司申请的有关“Bayer 205”的17篇专利，最后把“Bayer 205”可能的化学结构缩小到25个萘磺酸的尿素衍生物之内，认为它必定是这25个化合物中的一个。于是他的研究组合成了这些化合物并进行杀锥虫的试验，发现编号为“Fourneau 309”的化合物效果最好，与“Bayer 205”几乎相等。弗尔纽在1924年公布了“Fourneau 309”的化学结构。拜耳公司因为并未发表过有关“Bayer 205”化学结构的文章，所以不能说弗尔纽侵犯了他们的专利，真是有苦难言。直到1928年，拜耳公司不得不承认“Bayer 205”的化学结构与“Fourneau 309”是一样的。吸取了这个教训，以后大家凡申请关于药物的专利时，都要明确提出药物的化学结构，以免吃哑巴亏。这个故事告诉我们，保护知识产权首先要说清楚你的知识产权是什么内容，不然你就不能说别人侵犯了你的知识产权。

我们把话题再拉回到埃利希的研究组来。在锥虫红用于治疗人的锥虫病失败以后，埃利希读到一篇发表在英国医学杂志上的文章，文中说“阿托西”在实验动物身上可以杀死锥虫。这引起了埃利希的注意。“阿托西”是1868年由比尚普（Bechamp）合成的有机胂类化合物，这个化合物曾由法国巴斯特研究所送给埃利希做杀锥虫试验，结果无效。埃利希让他的同事重复那篇文章的工作，实验结果和文献报道一致。埃利希突然明白了他以前所做试验无效的原因。因为以前的试验，是在培养液中做的，而不是在动物体内。埃利希认为阿托西在动物体内之所以能够杀死锥虫，或是由于刺激了体内的免疫功能，或是由于在体内被代谢为活性物质。这使他认识到，不能单纯依靠在培养液（或试管）中进行实验。

埃利希的老师科赫教授接受了德国睡病研究委员会指派的一项工作，到东非洲去评价阿托西用于治疗睡病的功效。睡病是一种锥虫所感染的疾病，死亡率相当高。科赫发现，注射500mg的阿托西就可以使血液中的锥虫消失，但要治愈睡病必须坚持用药6个月。但是试验结果表明，有2%的病人因视神经受损伤而失明。这是一个不小的百分比。科赫要求埃利希一起解决这个问题。

埃利希根据他找到锥虫红的经验认为，应该对阿托西的结构进行改变，制作一些它的类似物。不过按照比尚普认定的化学结构，阿托西是不容易发生反应的胂酸苯酰胺，因此埃利希对它进行结构改变的可能性就受到了极大的限制。一次偶然的试验使他发现阿托西与亚硝酸发生反应生成了重氮盐，这使他相信它是4－氨基苯的胂酸，比尚普认定的结构是不正确的。这样他就可以制作一些阿托西的衍生物了。

埃利希认为，一个化合物若能杀死原虫，它必须是与原虫有很高的亲和力。他把这种化合物称为亲寄生物性的。按照同样的想法，他把对宿主产生毒性的化合物称为亲组织性的。由此，他提出了一个新的概念，就是“治疗指数”，也就是亲寄生物性与亲组织性的比例。当一个化合物的亲寄生物性高，亲组织性低时，它的治疗指数就高。人们希望用于治疗疾病的药物，应该具有尽可能高的治疗指数。这个概念至今仍在使用。埃利希坚信，改变一个化合物的化学结构可以改变它的治疗指数。

按照这种想法，埃利希请他领导的化学家合成阿托西的多种衍生物。1908年，他发现乙酰阿托西（阿萨西汀）的毒性比阿托西要弱许多，但杀锥虫的作用也降低了，且用量要比阿托西大才能杀死锥虫。这个化合物常使小鼠不停地转动。他认为是它损伤了小鼠的神经，让小鼠失去了平衡。如果真如此，那它也会导致病人的失明。埃利希认为，对神经的损害是长期大量使用砷类化合物的积蓄结果。因此改变阿托西的结构，提高它的杀锥虫作用，就可以降低化合物的使用剂量，达到提高治疗指数的目的。他们在苯环上带入氯（—Cl）、羟基（—OH）、氰基（—CN）、磺酸基（—SO₃H）和氨基（—NH₂），但是这些化合物中没有一个比阿托西的杀锥虫作用更强，仍具有不同程度的神经毒性。

在这段时间内，埃利希发现，苯胂酸在试管里杀死锥虫所需要的浓度，要比在小鼠体内治疗锥虫病需要的浓度低。联想阿托西在培养液中没有杀锥虫作用的事实，埃利希认为，胂酸类化合物在动物体内是经过代谢活化的。而在苯胂酸中砷已经是＋5价最高价了，不可能再氧化，只能进行还原反应了。这可以说是在化学知识指导下的思考。这种思考最终导致寻找魔弹的突破。他根据这个想法，请化学家合成胂酸的还原物。他们合成了两个系列的胂化物，一类是偶胂氧化物，另一类是偶胂苯类化合物（偶胂的结构为—As＝As—）。偶胂氧化物的毒性比较大，而偶胂苯类的作用不强，但比苯胂酸要强，可是对宿主的毒性低。埃利希抓住这个特点，把研究范围限制在偶胂苯类化合物。这也间接证明了他设想的＋5价砷在体内被还原而活化是正确的。1908年，他们合成的化合物418号被证实是有效而安全的化合物。418曾用于锥虫病的治疗，后来发现少数病人对这个化合物可产生致死性的过敏，而被迫停止使用。

此时的埃利希已经积累了丰富的经验，在418的基础上他们又制作了一些新的化合物，终于在1909年发现代号为606的化合物杀锥虫的作用很强，仅需注射1针就可把患锥虫病小鼠体内的锥虫消灭，而且不损伤神经（小鼠不会不停地旋转），是安全有效的化疗药物。

梅毒是由梅毒螺旋体引起的一种极不光彩的性传染病，当时在欧洲流行甚广，但没有有效的药物治疗。埃利希的专门研究梅毒螺旋体的朋友告诉他，梅毒螺旋体与锥虫虽然形态不一样，但很多方面是相似的。埃利希在日本学者秦佐八郎的参与下，用感染了梅毒螺旋体的兔子（梅毒螺旋体在培养基中不能生长，只能在动物体内生长），来试验他们合成的所有砷化合物，当然也试验了606。结果发现，606在兔子身上治疗梅毒的作用非常突出。于是他们在病人身上做实验，证明606是很有效的药物。埃利希非常兴奋，他设想的魔弹终于找到了。

1910年4月19日，埃利希在内科学会上报告了在他领导下进行的工作，引起了轰动效应。很多地方的医生和病人都来索取606，以后606就以“胂凡纳明”的正式名称在市场上出售。

胂凡纳明不溶于水，可溶于稀碱水溶液中，但在溶液中又不稳定，必须在使用前配制溶液并立即注射，使用起来很不方便。于是有人在胂凡纳明的结构基础上制成可溶于水，比胂凡纳明稳定的化合物，命名为新胂凡纳明。在青霉素发现以后，青霉素对梅毒的疗效比胂化合物好，且很安全，因此，胂制剂已不再使用。这是后话。

尽管如此，埃利希的功绩是不可磨灭的，他提出了药物作用的受体学说开创了化学治疗的时代，提出了评价化学治疗剂的标准：化疗指数，被后人称为“化学治疗之父”。埃利希的成功给我们以启示：科学事业的成功必须依靠勤奋的工作和不屈不挠的精神。当然，对埃利希来说，他的天赋是一个成功的条件，但不屈不挠的勤奋工作是更重要的因素。606的成功是有605个化合物作为基础的。606这个数字就足以说明成功来之不易。