染料和药物互助

染料和药物互助

一、由染料到抗疟药

梅毒有了基本治疗的药物以后，化学治疗剂的研究便转向疟疾。尽管金鸡纳树皮可以治疗疟疾，但它的来源有限。埃利希曾发现亚甲蓝有杀疟原虫的作用，但不强，不如金鸡纳树皮。埃利希的学生罗勒（Wilhelm Roehl）领导的拜耳化学治疗研究所，开始对亚甲蓝的结构进行改变。他们得到了一个亚甲蓝的二乙氨基乙基衍生物，发现这个化合物有较强的抗疟作用（这时已发现金丝雀可以感染上疟疾），化疗指数为8（即中毒剂量为治疗剂量的8倍，是比较安全的），但是这个化合物仍是蓝色染料，不适合药用。

这时他们已经搞清楚了金鸡纳树皮中的有效成分和它的化学结构。此后，他们把注意力转向了奎宁，化学家认为，奎宁的奎核碱部分难以进行取代反应，并认为二乙氨基乙基可能对疟原虫有特殊的亲和力，因为它可以使亚甲蓝的抗疟作用加强很多。考虑到局部麻醉药普鲁卡因的二乙氨基乙基侧链可以代替可卡因中复杂的双环结构的经验，他们用二乙氨基乙基代替奎核碱部分，合成了8－氨基喹啉类化合物，发现它有一些抗疟作用。

他们以8－氨基喹啉衍生物为基础进行化学结构的变化，又合成了几百个化合物，其中扑疟喹具有很好的抗疟作用。这个化合物在世界范围内进行了抗疟作用的临床试验，直至1928年他们才正式公布它的全部化学结构。以后，由于发现它对视神经的毒性，就被其他更好的药物如氯喹、伯喹等代替。

二、由染料到杀菌药

第一次世界大战爆发后，急需有效的药物处理战伤。枪炮溅起的泥土使伤口被严重感染，出现脓血症，因而人们非常需要有效的杀菌剂。英国的医学研究委员会组织力量来解决这个问题。当时，染料化学已相当发达，有上千种染料可供选择。通过初步试验，选出了两种染料作为处理伤口的试用药品，一种为亮绿，一种为黄素。经过大量的战伤试用，证明黄素在处理伤口的脓血病方面很有效，于是定名为吖啶黄。这种药只能外用于伤口，内服则毒副作用太大。直到1934年，才发现吖啶黄原来是两种吖啶类化合物的混合物。其中一个成分为3，6－二氨基吖啶的作用比另一个成分为氯化－3，6－二氨基－10－甲基吖啶的强很多。3，6－二氨基吖啶被定名为原黄，这种药在第二次世界大战时还在使用。

在发现吖啶黄有杀菌作用以后，人们对吖啶类染料进行了广泛的研究，1920年发现利凡诺的作用更好，毒性也低，但仍只能外用于伤口。这种药现在还用于外用消炎杀菌，改名为依沙吖啶。

为了寻找可以治疗全身性细菌感染疾病的体内用药，各国的制药公司都在进行广泛的研究。德国的I．G．染料工业研究所（由此可以说明早年药物的研究和发现与染料化学发展的密切关系）专门从事这方面的工作。杜马克（Gerhard Domagk）从1927年起担任这个研究所的实验病理学的主任，致力于寻找治疗全身性细菌感染的内用药物。他确定了一个筛选有效化合物的严格标准，那就是化合物必须具备能杀死小鼠体内那种传染性很强的溶血性链球菌的条件，才有必要对该化合物进行进一步的研究。这种溶血性链球菌，从显微镜下观看像是一串小小的珠子。在1918～1919年间世界范围的流行性感冒中，由这种细菌引起的肺炎是致死的主要原因。同时外伤，包括战伤、烧伤、烫伤，无论轻重常常会发生这种细菌的感染。如果是在病人的血液中发现这种细菌，那就意味着发生了败血病，就是不祥之兆，因为那时此病的死亡率是很高的。杜马克还确定了一个很明智的原则，那就是，不能单纯以体外培养液中有无杀菌作用作为判断一个化合物是否有效的标准。因为他知道，一个化合物在体外和体内的作用可以相差很大，有时是完全不同的。杜马克选用的这种溶血性链球菌，是从一个得败血病死亡的病人体内分离出来的，其后又在小鼠体内进行了很多次培养。接种了这种细菌的小鼠，在4天内100%死亡。化合物的杀菌作用必须是很突出才能使感染的小鼠不死。他的这种实验标准，对于发现治疗全身性细菌感染疾病的有效药物是一个决定性的因素。

杜马克在化学家克拉尔（Josef Klarer）和米席（Frity Mietgsch）的协助下开始从三类化合物（即金类、吖啶类和偶氮类）入手研究具有抗菌作用的化合物。这三类化合物都是别人已经报道过有杀菌作用的。他们发现金类化合物无论在小鼠还是在大动物体内，均有杀溶血性链球菌的作用，但在有效浓度下，金类化合物对肾脏能造成严重的损害，故不能用于治疗。吖啶类化合物在小鼠体内没有表现出杀菌作用，于是他们决定放弃吖啶类化合物。在偶氮类化合物中，一个刚被纽约的一位医生宣布有尿道消毒作用的苯偶氮吡啶，在实验中表现出良好的杀菌作用。这使克拉尔和米席受到很大鼓舞，于是决定集中研究偶氮类化合物。他们合成了一些苯偶氮吡啶的衍生物，把有杀菌作用的吖啶类化合物上的基团接到偶氮化合物的分子上。合成的这些化合物在培养液中显示出杀菌作用，但在小鼠体内就都显得软弱无力。杜马克他们感到有些失望。克拉尔和米席忽然想起，1909年赫连（Heinrich Horlein）曾经报道过，磺酰氨基（—SO₂ NH2）带到偶氮染料上时可使其在羊毛上的色泽持久。他们想，羊毛是蛋白质，而细菌也是由蛋白质构成的，把偶氮染料上带上磺酰氨基或许能增加它们对细菌的结合能力。没想到这个突然出现的想法，竟把它们引向成功。事情有时就是这样，在“山穷水尽疑无路”的时候仍锲而不舍地寻找出路，往往会出现“柳暗花明又一村”的景象。

他们合成了几个带磺酰氨基的偶氮化合物，但这些化合物在培养液中都没有杀菌作用。他们感到很奇怪，为什么没有带上磺酰氨基之前的偶氮化合物在培养液中都有不同程度的杀菌作用，而在带上磺酰氨基以后却变得无效了呢？是不是赫连的说法，即磺酰氨基对蛋白质有亲和力是不对的？杜马克认为，化合物在体外和体内的作用可以是不同的（究竟是什么道理，他还说不清楚），于是他们还是按照事先确定的原则，把这些化合物用感染了溶血性链球菌的小鼠做试验。使他们感到高兴的是这些小鼠4天后并没有死，而且活得很精神。于是他们申请了专利。接着又合成了一些带磺酰氨基的偶氮化合物，经实验发现，它们不仅有杀菌作用而且毒性很低。在1932年的圣诞节前夕，他们又申请了专利。在这批偶氮化合物中，有一个结构比较简单，抗菌作用最好的红色化合物，后来称之为百浪多息。

一位德国医生为挽救一名得了葡萄球菌（这种细菌染色后在显微镜下看为蓝色的像一串串葡萄的样子）败血症而奄奄一息的10个月大的孩子的生命，来找杜马克求援。杜马克把斯特普宗（即百浪多息原来的名称）给他，请他去试试。他立即给这个孩子服用半片，一天两次。三四天后，这个原先认为必死无疑的孩子竟奇迹般地活了下来，高烧逐渐退去，3个星期后出院了。这说明斯特普宗（原意是指能杀链球菌）也能治疗葡萄球菌引起的疾病，后来又发现这种药也有杀肺炎球菌的作用，便把它改名为红色百浪多息（简称百浪多息）。

杜马克在1935年2月15日发表了他的研究成果，一种砖红色的染料百浪多息，可使感染了溶血性链球菌的小鼠免于死亡，而对照组（即不给药的感染小鼠）的14只小鼠中，有13只死亡；但是杜马克的文章没有引起预计的轰动效应。因为医学界已经习惯于这种事情，他们认为有不少化学药品可以杀死细菌，但不一定能治病，只有在临床上得到证实了以后才能算数。在杜马克的文章发表以后，又陆续出现了几篇用百浪多息治愈全身细菌感染性疾病的报道，这才在医学界产生了巨大的影响。这样，各国都开始试用百浪多息。各国制药公司也都争先恐后地进行偶氮染料的研究。

由于百浪多息的水溶性差，杜马克研究组在1935年7月又合成了可溶性百浪多息，这是一种可做成注射剂的偶氮染料。以后他们又合成了许多带有磺酰氨基的偶氮染料，它们的作用都不比百浪多息或可溶性百浪多息更好。这主要是因为他们始终认为，偶氮基团（—N＝N—）是杀菌的有效基团，称为生效基团，而磺酰氨基（—SO₂NH₂）不过是帮助偶氮基团固着在细菌上，称它为助效基团。受这个指导思想的限制，此后他们没有取得更大的突破。

三、磺胺类药物的发现

法国和德国于1935年讨论百浪多息在法国上市的问题，没有达成协议。按照法国的法律，百浪多息在法国没有被临床确认为有效的药物之前，只能在法国按染料来申请专利。这样，法国巴斯德研究所的弗尔纽教授就让他的助手合成百浪多息并用于临床试验，更名改姓为“柔必亚坐”，在法国进行生产。弗尔纽和特利弗耶等人，也开始研究这类化合物。他们没有受杜马克的影响，设计了两类化合物，一类带有偶氮基团但没有磺酰氨基（系列1），另一类既有偶氮基又有磺酰氨基（系列2）。他们发现系列1的化合物都没有杀菌作用，而系列2不论X，Y，Z是什么基团都有杀菌作用。他们又注意到两个现象：一是百浪多息只有在体内才有杀菌作用；二是百浪多息是砖红色的固体，但动物和人用了以后，大小便都不带红色。他们想，这两个现象表明，百浪多息一定是在体内经代谢后变成了一个不带红色的有效化合物。他们分析百浪多息的化学结构，认为最可能发生变化的部位是偶氮基团。如果偶氮基团破坏，红色也会消失。百浪多息若从偶氮基团处断开将生成4－氨基苯磺酰胺。这个化合物在1908年作为染料的中间体已被合成过。他们按照文献报道的方法，很快地得到了这个化合物并进行试验，发现它具有与百浪多息一样的杀菌作用，而且在培养液中也有杀菌作用。这就证明他们的设想是正确的。几个月后，他们又从用百浪多息治病的病人尿中分离出4－乙酰氨基苯磺酰胺。已知氨基的乙酰化是体内的一种正常代谢反应，因此，百浪多息通过在体内形成4－氨基苯磺酰胺来发挥杀菌作用，就更进一步被证实。因为4－氨基苯磺酰胺是20多年前就已公开的化合物，无法申请专利保护，他们就没有公布他们的发现，只是发表了百浪多息的偶氮基团不是杀菌作用的必要部分的看法。敏感的德国人立即正视这个问题，杜马克不得不修正他的想法。他们很快得到了4－氨基苯磺酰胺，迅速实验以后就由拜耳药厂狡猾地以“白色百浪多息”的名称投放市场。法国人不得不承认“白色百浪多息”就是他们发现的4－氨基苯磺酰胺。法国人这样做就是要揭穿事实，不让德国人独占市场。于是各国药厂一拥而上都进行了生产，大家均以氨苯磺胺的名称出售。

这个事件充分暴露了资本主义社会的激烈竞争和尔虞我诈。

氨苯磺胺没有被发现百浪多息的德国人发现，而是被法国人发现。这个事实告诉我们活跃的学术思想的重要性，机械地、狭隘地考虑问题，往往会走入死胡同。

氨苯磺胺（SN）出现以后，各国制药公司为了要有自己的专利产品，都争先恐后地合成其衍生物。于是在两三年间就合成了两三千个化合物。到1940年，就有近10种疗效比SN强，毒副作用比SN低的磺胺类药物相继上市，如磺乙酰胺（SA）、磺胺吡啶（SP）、磺胺噻唑（ST）、磺胺嘧啶（SD）、磺胺胍（SG）、磺胺甲嘧啶（SM₁）、磺胺二甲嘧啶（SM₂）等。我们把这类药物统称为磺胺类药物。

磺胺药物的出现，使肆虐的细菌性疾病得到了控制。细菌可以任意夺走人生命的时代就一去不复返了。例如脑膜炎的死亡率由39%一下就降到3．5%，肺炎的死亡率也由25%降到4%，人类的生命有了一定的保障。这要感谢杜马克等人的正确实验方法，他们的思想和工作导致了磺胺类药物的发现。

四、磺胺类药物是怎样发挥作用的

氨苯磺胺和后来发现的磺胺类药物的“杀菌”作用与那些已知的杀菌剂如苯酚、吖啶类等不同，它们并不是立即将细菌杀死，而是要经过一段“酝酿”的时期。尽管磺胺吡啶、磺胺噻唑、磺胺嘧啶等可以“杀死”的细菌种类（我们称之为抗菌谱）比氨苯磺胺多，但也只是少数的细菌可以被磺胺类药物“杀死”。很多种细菌对磺胺类药物并不敏感。临床应用磺胺类药物治疗疾病的经验表明，磺胺类药物对于有坏死组织、血块和脓液的伤口是无效的，这究竟是怎么一回事？很多研究机构都对这些问题产生了很大的兴趣，开展了研究，纷纷提出各种解释。这里我们只对一个研究室的工作加以介绍，因为他们的研究结果和解释被以后的研究证实是正确的。

1939年，英国伦敦的米多赛克斯医院的费尔德（Field）实验室里，来了一位微生物化学家伍兹（Donald Woods）。他根据临床应用磺胺类药物的经验（即磺胺类对于有坏死组织、血块、脓液的伤口是无效的），在细菌培养基中同时加入磺胺药与脓液或血块，发现细菌仍可以生长繁殖，而不加脓液只加磺胺药的细菌培养基中则细菌没有生长。他又发现，加入酵母提取液也一样能使细菌生长。他提出一个设想：即坏死组织、脓液、血块及酵母提取液中，一定含有一种可以与磺胺药对抗的物质。他在脓液和酵母提取液中，发现有大量的对氨基苯甲酸（PABA）存在。于是他在细菌培养液中加入PABA，发现磺胺药不能使细菌停止生长。因此伍兹认为，PABA是细菌的一种必要物质，就像是构建细菌身体的一种“建筑块”，有了这种建筑块，细菌才能构建。磺胺类药物在结构上与PABA相似，则错被细菌拿来当作“建筑块”，但这种假的建筑块却没有PABA的功能，这样细菌就不能生长了。伍兹在费尔德实验室只工作了不到一年，就因为战争的需要（第二次世界大战）到别处去工作了。费尔德在此基础上进一步实验，发现被认为是磺胺类药物杀死的细菌中，若加入PABA，细菌又能继续生长。这表明磺胺类药物的作用，不是杀死细菌而只是抑制了细菌的生长。这就间接证明了磺胺类药物与PABA竞争，充当假“建筑块”的说法。由此更加完善了他们的所谓抗代谢的学说，即用一个与必要的代谢物结构相似的化合物与其竞争，抑制病原体（即引起疾病的物质，这里指的是细菌，在其他种疾病中可以是原虫、病毒、癌细胞等）的生长，达到治疗疾病的目的。磺胺类药物既然是与PABA竞争，就有一个“量”的问题。磺胺类药物的分子越多，细菌拿错的机会就越大，因此必须保证磺胺类药物在体内有足够高的浓度，才能达到完全抑制细菌生长的目的。这个学说也能解释，磺胺类药物之所以对坏死组织、血块、脓液中的细菌没有作用，是因为细菌所处的环境中有大量PABA。

既然磺胺类药物是抑制细菌的生长，那么病是怎样治愈的呢？原来人体内有自己的防御系统，例如白细胞（也称白血球）等，在有外来物，即病原体入侵时，防御系统就与入侵者战斗。入侵者的数量很多时，防御系统寡不敌众就败下阵来，于是疾病就发生了。如果入侵者的数量少，防御系统就可以把入侵者消灭，疾病就不会发生。磺胺类药物抑制了细菌的生长，防御系统就可以有足够的力量把细菌消灭。按照这个道理，可以解释，磺胺类药物的抑菌作用需要有一段“酝酿”的时期。

伍兹和费尔德的抗代谢学说，对以后的药物研究产生了巨大的影响，开创了抗代谢物设计的途径。他们的成功揭示了一个道理，那就是不同学科领域的人一起合作，可以发挥各自的所长，弥补各自的所短，发挥出更大的力量。现代的科学飞速发展，一个人不可能掌握许多学科领域的内容和新进展，更需要强调多学科的交叉合作。

后来人们研究清楚PABA是一种叫二氢叶酸的组成部分，二氢叶酸可进一步被体内的二氢叶酸还原酶还原成四氢叶酸，然后变成叶辅酶。叶辅酶是合成DNA和蛋白质所需的一种重要的辅酶，缺乏它细菌就不能生长繁殖。

一些细菌所需要的二氢叶酸必须自己合成，由一种称为二氢叶酸合成酶的物质把二氢蝶啶焦磷酸酯、PABA和谷氨酸催化合成为二氢叶酸。

经X光结晶学及量子化学方法的计算表明，磺胺类药物无论在分子的大小还是电荷分布上都与PABA相似。在有大量磺胺类药物存在下，二氢叶酸合成酶会出现分辨失误，错把磺胺类药物当做PABA合成了没有二氢叶酸作用的物质，这样细菌的生长便受到抑制。

那么，这样就会出现一个问题，就是如果服了磺胺类药物以后，人体内二氢叶酸的合成是不是会受影响？人的生命活动是否也会受到影响了呢？其实是不会的。原来动物体内所需要的二氢叶酸是由食物提供的，不需要自己合成。植物、动物组织中都含有大量二氢叶酸，人在吃蔬菜、肉、蛋类食物时就摄取了二氢叶酸，而有些细菌不能利用环境中的二氢叶酸，只能自己合成。因此，磺胺类药物可以抑制细菌的生长，而不会影响人的生命活动过程。磺胺类药物对人体的毒性和副作用，是由于其他方面的原因造成的，例如前面提到的可在尿中结晶出来堵塞肾脏的肾小管等毒副作用，在这里就不多说了。

磺胺类药物发现以后，一些对磺胺类药物敏感的细菌所引起的疾病，如肺炎、细菌性脑膜炎、产褥热、猩红热等，受到了控制。但是对于曾经称作“白色瘟疫”的结核病，在那时还没有能够治疗的药物。