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屠呦呦研究的“青蒿素”到底是个啥?

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结构论文专利

要了解化合物的结构,首先要测它的分子式和分子量,确定其类型。

“确定分子量需要高分辨率质谱仪,但我们没有,当时只有一个60兆的核磁共振仪和红外光谱。于是,就不得不用测定分子量的最古老方法,即樟脑冰点降低法,但重复性不好。”周维善说,“后来打听到北京某部有高分辨质谱仪,请该单位做出质谱后,才把分子量定了下来,再结合碳氢分析数据把分子式确定下来,这是一个有15个碳原子、22个氢原子和5个氧原子组成的化合物,我们也证明它是一个倍半萜类化合物。”

下一步就是通过对各种光谱数据的解读,将各个结构单元拼凑起来,也就是说,要凭借大脑将42个原子的结构想象出来。问题是,42个原子有相当多种可能的结构,究竟哪一种是正确的结构呢?这需要靠化学家的尝试、直觉和想象。

在质谱的分析中,他们发现一个特殊的碎片峰M+32,这明显说明分子中存在两个氧原子连在一起的情况,但它们是怎么连在一起的呢?

“为了分析这个M+32峰,我们费了多少脑筋啊!查资料、与同事讨论、与学生讨论。走在路上想,晚上睡觉也在想,有时半夜睡不着,就起来翻书,一直想啊、想啊,头发都想白了。”

这时,有机所甾体组的吴毓林也对青蒿素产生了兴趣。“他常到隔壁我们的实验室来看看,也提出意见。”吴毓林的妻子李英在中科院上海药物研究所工作,她也参与了“五二三项目”。

1975年4月,李英到成都参加全国“五二三项目”中医中药座谈会。在这个会上,梁晓天报告了另一种抗疟药鹰爪素的结构中也有一个M+32峰值,首次宣布这个峰值是一个过氧基团。李英将这个消息告诉了吴毓林,吴毓林又将它告诉周维善。“这时,我们就知道青蒿素中的这个峰也应该是一个过氧基团,并立即开始做实验来证明。”周维善说。

周维善小组设计了一系列复杂的氧化和还原反应,最终测定出青蒿素的结构。这是一个罕见的含有过氧基团的倍半萜内酯结构,而且,这个药物的分子中不含氮,突破了60多年来西方学者对“抗疟化学结构不含氮(原子)就无效”的医学观念。青蒿素的结构被写进有机化学合成的教科书中,奠定了今后所有青蒿素及其衍生药物合成的基础。

结构测定的工作在1976年就基本结束了,因为卫生部保密的要求,3年后,论文《青蒿素的结构和反应》才发表在1979年5月出版的《化学学报》上,但没有申请专利。

按照国际惯例,如此重要的药物化学结构应该先申请专利、再发表论文。但是,由于历史和体制的种种原因,当时的中国没有专利制度,从政府官员到科学家,基本上都没有知识产权的概念。这是一个遗憾。

合成竞争成功

青蒿素的结构做出来后,北京大学的有机化学家邢其毅教授对周维善说:“你的结构是做出来了,但我还不能相信,你要把它合成出来,而且合成出来的物质与天然产品一样,我才能相信你的结构是对的。”

其实,在青蒿素的结构测定完成之时,周维善已经考虑到了它的合成,他说:“因为这个结构是根据光谱数据解读出来的,也是由光谱数据证明的,还是一个相对构型,究竟对不对,还需要通过实验全合成了,证明对了,才能说这是青蒿素的绝对构型,这才是最后的证明。”

1978年,全国科技大会制定的科技规划中提出了青蒿素的全合成。作为结构测定的主持单位,中国科学院上海有机化学研究所承担了该项任务,1979年初,周维善、许杏祥等组成攻关小组,开始了历时5年的探索之路。

许杏祥的加入应该是一件顺理成章的事。他1965年从北京大学化学系毕业,报考了上海有机所的研究生,被分配到黄鸣龙的实验室,成为黄鸣龙的最后一个弟子。不久后,“文革”爆发,黄鸣龙成为反动学术权威和漏网右派,研究工作的权利被剥夺了,许杏祥就开始跟随周维善工作。

青蒿素合成之初,正是中国实行改革开放之际。瑞士罗华制药到中国考察,并到上海有机所访问,周维善向他们详细介绍了青蒿素的结构。不久后,周维善的小组就获知瑞士也在做青蒿素的全合成。

一场竞争开始了,但实验相当困难。

许杏祥说:“青蒿素是一个含过氧基团的倍半萜内酯化合物,分子式C15H22O5,15个碳中7个是手性碳,罕见的过氧以内型的方式固定在两个四级碳上而成‘桥’。显然这一奇特结构的全合成是极具挑战性的。首当其冲的当然要数过氧桥的架设,研究实践已证明倍半萜骨架上手性碳的构建同样艰辛。”

1982年,年近花甲的周维善对组里同志说:“青蒿素不全合成成功,我决不退休!”

在青蒿素的全合成设计中,最关键的一步是如何加入过氧基团,在试过多种方法后,许杏祥提出以青蒿酸代替香草醛作为合成的起始物。

“这是一个非常重要的建议!”周维善说,“经组里同志,特别是许杏祥和朱杰的细心努力,青蒿素的合成终于实现了,合成的青蒿素与天然青蒿素完全一致,那天是1983年1月6日,全组同志真是无比高兴。但我们的工作还没有完,要继续完成双氢青蒿酸的全合成,这样才称得上青蒿素的全合成。”

一年后,即1984年初,他们实现了青蒿素的全合成,他们的论文《青蒿素及其一类物结构和合成的研究》发表在1984年第42期的《化学学报》上。

1977年,青蒿素项目在全国科学大会上获重大成果奖;1987年,青蒿素全合成成果获国家自然科学奖二等奖。

“最有效的抗疟药”

今天,疟疾仍然是危害人类最大的疾病之一,全世界每年有5亿人罹患此病,100多万人因此死亡。

“青蒿是一种作为青蒿素来源的中药植物,用于生产最有效的抗疟药物。”2007年3月12日,世卫组织在发表专著《青蒿种植与采集指南》的新闻稿中如是说。

由于疟原虫抗药性的形成,如今40%的世界人口处于罹患对其他药物具有抗药性的风险之中。2001年,世卫组织向恶性疟疾流行的所有国家推荐以青蒿素为基础的联合疗法,到2007年,“在需要以青蒿素为基础的治疗的76个国家中,有69个已采纳世卫组织使用这一疗法的建议。这些治疗药物的提供仍然未达到需求。在全世界估计需要以青蒿素为基础的联合疗法的6亿患者中,只有约8200万人正在通过公共部门的销售系统(占发展中国家抗疟药销售的90%)获得治疗。”

青蒿素结构和全合成的实现,为青蒿素衍生药物开发奠定了基础,但其本身由于工艺复杂、成本太高而不能投入生产。世界上青蒿素药物的生产主要依靠中国从野生和栽培的青蒿中提取,但青蒿中青蒿素的含量只有0.1%~1%,非常低。专门种植青蒿也占用了大量土地。

科学的方法可以提高青蒿素的产量,2005年10月,周维善联合洪孟民、金国章等7位中国科学院院士,联名致信中国科学院,呼吁加强青蒿素衍生物合成及其化学结构优化合成的研究:“中国企业参与国际青蒿素类药的竞争,唯一的办法是创新技术,通过申请专利保护自己的知识产权,保障自己在国际市场上的优势,争取与国际制药企业同台竞争的地位。”

他们呼吁,加强发展中药青蒿、青蒿素及其衍生物的科学技术研究,使其在资源、化学、新用途和复方抗疟药等方面不断创新以继续保持国际领先地位,并推进青蒿素类药科技成果的产业化、国际化发展,使青蒿素产品在较短时间里争回我国青蒿素在国际市场应有的地位,为发展中医药事业作出贡献。

如今,85岁的周维善已经不在科研的第一线了,但青蒿素仍然是萦绕在他心中的一份牵挂,他说:“青蒿素的原料很短缺,生物化学是解决方法之一,要继续做研究。”

(科学时报)

 

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编辑: 高晴标签: 屠呦呦
 
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