疟原虫浮生记

2022-10-20杨德红潘子琳王坤张留学马佰位杨本勇

大学化学 2022年9期

杨德红，潘子琳，王坤，张留学，马佰位，杨本勇

1中原工学院材化学院，郑州 450007

2中原工学院能环学院，郑州 450007

我是一只疟原虫，生长在一个拥有50万年历史的古老大家庭里。家族成员种类多达130多种，广泛寄生于脊椎动物体内，而能在人体寄生的只有威名远扬的间日疟原虫、三日疟原虫、恶性疟原虫和卵形疟原虫。人类(中间宿主)和雌性按蚊(终宿主)是我们这4种疟原虫的共同宿主。寄生人体的我们功夫了得，能够中断机体供血，导致人类寒热往来发作，引发凶险的疟疾，威胁人类生命健康，甚至左右人类历史航向[1]。

别看我们个头不大，杀伤力可不能小觑。2019年全球估计有2.29亿疟疾病例，死亡人数约40.9万人[2]。非洲和东南亚是疟疾高发区，中国目前仍存在输入性病例风险。对全世界大约二分之一的人类而言，疟疾迄今仍是公众健康所面临的最严重威胁之一。为了推动全球进行疟疾防治，自2008年起世卫组织规定每年4月25日为“世界疟疾日”。中国将每年的4月26日定为“全国疟疾日”[3]。这是铆足了劲儿要和我族一斗到底了。人类和疟原虫的斗争横穿浩瀚历史长河，双方死伤惨重，但谁都没有屈服，相互较劲，剑拔弩张，仿佛在静待谁先缴械投降。

这天，我正在和小伙伴们一起玩游戏，突然闻见了一股熟悉的味道，紧接着，耳边就响起了叫喊声：“啊，快跑啊快跑啊，人类又来杀灭我们了！”

“救命啊，救我！……”

伴随着凄厉的惨叫声，我们的族人一个接一个地倒下了，剩下的携家带口，不管不顾地向前冲，终于我们到达一处荒芜之地，暂时歇息。

“爷爷，为什么人类这么憎恶我们，要对我们赶尽杀绝？”不远处，一只小疟原虫睁着好奇的双眼看向一位白发苍苍的老爷爷，据说他在我们族里最年长，汲取了人类的智慧。

“这件事啊，说来话长，”旁边的小疟原虫们一听，都围了上去。看着大家好奇的样子，老爷爷坐下来给我们讲起了故事。

“我们的家族啊，是在沼泽地中生长起来的单细胞生物，一开始寄生在沼泽地里的按蚊体内，繁衍不息。原本我们的祖先可以安于这样平静无波的日子，谁知道人类闯入了我们的家园。然后按蚊发现人类可以提供营养大餐，于是开始疯狂地叮咬人类，此举激发了我族的嗜血特性，藏在蚊子唾液腺内的族人伺机喷涌而出，迅速抵达人体肝脏，摄取营养物质，不断繁殖壮大，我们的家族势力日益增强。恶性疟原虫是我族的英雄血脉，羽斑按蚊是其最理想的宿主。很显然，人体是一个比按蚊富庶的国度，地大物博，营养丰富。一夜暴富的结果导致我族越来越贪婪，我们一有机会就扑向诱人的红细胞，那里有美味的血红蛋白，饱餐之后我们的繁殖能力骤增。而被蚕食之后的红细胞会被毫不留情地抛弃，喜新厌旧的我们马不停蹄地奔向下一个目标。我们为发现新大陆而高声欢呼，人体血液内充斥着我们的生活垃圾，红细胞越来越少，并产生剧烈的免疫反应。于是人体寄主忽冷忽热、多汗、贫血，还会呕吐、头痛甚至昏迷和死亡。更严重的是此时如有蚊子叮咬病人，我们会巧妙地借助蚊子传播给更多的人。没错，这是一种传染病。这种打摆子的病人类医学称之为疟疾，它从人类起源就伴生而来，万年肆虐，给人类带来了惨痛的记忆[4]。由于它的传染性和致死率极高，古人对其束手无策，无论东西方社会，都认为疟疾是‘神愠怒而降于人间的灾难’。据说古希腊的亚历山大大帝、文艺复兴时期著名诗人但丁、中国汉武帝等历代英杰，皆因疟疾而亡。罗马帝国时期疟疾曾多次流行，特别是公元前1世纪的疟疾大流行对罗马帝国国力造成沉重打击。疟疾严重消减士兵的战斗力，它改变国运并非孤例。古籍中有对岭南与云贵地区用兵的记载，屡现‘兵未血刃而病死者十二三’‘军吏经瘴疫死者十四五’等字样。更有数据表明二战时期南太平洋战斗的美军士兵的疟疾发病率是千分之四千。疟疾成为人类‘生命收割机’[1]。”

“原来如此。爷爷，人类是因为我们才发病的吧？我们那可不是简单的腹黑啊，人类了解我们吗？”一只小疟原虫闪着大眼睛问。

老爷爷轻抚那只小光头儿，继续说：“那时，我们并不清楚这其中的科学道理，毕竟我们的本能就是寄生，所以只能不断繁衍，占据细胞。人类最初对我们一无所知，但是人类属于智者，会思考，会探究，善于发现事物的本质。古希腊将疟疾称为‘沼泽热’，疟疾被认为与沼泽地上的水或有毒的水汽有关，疟疾(Malaria)由‘坏’(mala)和‘空气’(aria)两个词组成。医生们试图通过研究找寻疟疾的致病菌，却一直没有重大突破。1880年，法国医生拉韦朗在对疟疾患者的尸体进行解剖的时候，通过显微镜看到了红细胞里存在的黑色颗粒(图1)[5]，他立马意识到这些黑色颗粒与疟疾有关。拉韦朗是个非常谨慎的人，他广泛收集证据，设计了更加细致的研究方案，他发现那些黑色颗粒是一种有生命的原生单细胞生物，取名疟原虫(图2)，自此我们家族才有了正式的名号和归宿。疟原虫是疟疾的罪魁祸首，拉韦朗的发现揭开了人类历史上致死人数最多的疾病——疟疾的病因，这是人类首次认识到原生动物竟具有致病能力，在细菌说盛行的时空这一论断着实刷新了人类的三观[6]。”

图1 被疟原虫感染的红细胞

图2 疟原虫[4]

“爷爷，这种单细胞生物就是我们啊？”一个稍大点的疟原虫首先明白过来。

“对。这是我们第一次以真实的面目出现在人类面前。然而，拉韦朗还是受到了学术界的极大质疑：不是细菌才会致病吗？若干种细胞寄生的原生生物的发现以及大量疟原虫的实例促使人类不得不改观。1889年主流学术界终于肯定了拉韦朗的发现，认为疟原虫的确是疟疾的病原体。1897年英国生物学家罗纳德·罗斯解剖了无数只蚊子，最后在按蚊体内找到了疟原虫，证实了按蚊也是疟原虫的宿主。1899年意大利科学家格拉西的研究进一步明确了疟疾的传播方式，随后我们家族的生活史便昭然于天下(图3)，从此我们不能再沉迷于暗世界和人类玩捉迷藏游戏啦。发现我族的这些隐秘无疑为人类治疗疟疾奠定了坚实的基础，人类防治疟疾才有了新进展[7]。”

图3 疟原虫生活史[1]

“我们的生活丰富多彩，生命历程图，一目了然呢。”我趁机嘚瑟一下。

“别高兴太早。人类迅猛反击，进行了浩浩荡荡的灭蚊大仗，誓要灭绝蚊类，阻断传播链。但是，诸如蚊帐之类的物理预防并不能彻底阻碍疟疾继续流行人间，因为这对我们族人毫发无损，只不过在抢占地盘时不能像从前那样畅通无阻而已。我们对人类世界真是流连忘返，饕餮大餐谁能拒绝？人类转而开始琢磨针对蚊虫的化学药品。DDT就这样出现在我们视野中。”

“DDT，那是什么？”小疟原虫们迫不及待。

“大名鼎鼎的DDT，又名双对氯苯基三氯乙烷(图4)，1874年由维也纳医学家欧特马·勤德勒首次合成后几十年间寂寂无名，直到1939年瑞士化学家穆勒发现它是一种非常有效的昆虫神经性毒剂[7]。它本是为了解决人类因虫害引起的粮食危机而来，为20世纪上半叶防止农业病虫害，减轻疟疾、伤寒等蚊蝇传播的疾病危害作出了很大的贡献，据美国数据统计，使用DDT后农田的单位产量比未使用时提高了60%。1948年，穆勒获得诺贝尔奖，DDT走向神坛。但是好景不长，1962年DDT被证实会危害环境和人体健康！正如美国海洋生物学家Rachel Carson在警世之作《寂静的春天》中描写的那样，因为人类过度使用化学药品以及化肥而导致环境污染、生态破坏，最终也给人类带来了沉重的灾难。由此打破了DDT原本辉煌的格局，人们开始重新审视化学药品的环保问题。科学家发现由于其化学性质稳定不容易降解，DDT会通过食物链富集，它所引起的污染很难消除，一些鸟类因它接近灭绝。它易溶于脂肪，能够长期积累，它扰乱人体荷尔蒙分泌，对人类有明显的致癌性。1972年全球以美国为首的多个国家不得不宣布禁用DDT[8]。”

图4 DDT的化学结构式

“DDT没错吧，爷爷？人类很快弄明白错误的应该是自己的使用方式。世界卫生组织于2002年宣布重新启用DDT以控制蚊子的繁殖以及预防疟疾、登革热、黄热病等卷土重来[9]。这应该也是人类应对疫情态势的无奈之举。”我忍不住撇嘴。

“疟疾早在18世纪一度成为制约欧洲向热带扩张的关键因素。人类多么希望找到高效抗疟疾的药物啊！抗疟最直接的思路还是对致病微生物疟原虫的抑制与杀灭。这时，沉寂已久的金鸡纳树皮再次出现在了人类的视野中。神奇的金鸡纳树祖籍南美安第斯山脉的厄瓜多尔，被印第安人称为生命之树，此乃治愈疟疾的偏方。1630年这个秘密被传教士从秘鲁带到了欧洲，于是英国人很快在印度尼西亚爪哇岛建起了金鸡纳树种植园。17世纪末查理二世用它治愈了疟疾，金鸡纳树成了救命的天价良药。相传1692年康熙皇帝曾不幸染上疟疾，幸亏有两个法国的传教士带了金鸡纳树皮粉，康熙服用后疟疾痊愈，此药在中国被尊奉为圣药[6]。”

“金鸡纳树俨然是我们家族的克星，它究竟藏着什么不为人知的秘密呢？”好奇宝宝追问。

“1820年法国科学家仔细研究金鸡纳树皮，从中分离出了治疗疟疾的有效成分‘奎宁’，也称‘金鸡纳霜’。1852年巴斯德证明了奎宁为左旋体，1854年德国人斯特雷克确定其分子式为C20H24NO2[10]。后来人类发现金鸡纳树的树根、树枝、树干中，含有生物碱多达25种以上，树皮中含量尤其丰富，其中70%为奎宁(图5)[11]。尧雷格第一个将奎宁应用到抗疟大战中，他还独辟蹊径，设想利用疟原虫引起的高热来减轻梅毒病人的症状，实验获得成功[7]。”

图5 奎宁和金鸡纳树

“奎宁针对的可是我们疟原虫家族成员，它是咋改变我族‘原生’的呢？”疟原虫们七嘴八舌。

“奎宁通过与疟原虫的DNA结合，形成复合物，抑制DNA的复制和RNA的转录，从而抑制蛋白质合成；还能降低我们的氧耗量，抑制我们体内的磷酸化酶、干扰糖代谢；可以抑制血红素聚合酶作用致疟原虫死亡。总之，它能通过多种途径杀灭各种疟原虫红内期裂殖体，尤其对恶性疟有特效。奎宁可是害惨了咱们的族人，不能自由繁殖，人类打摆子的症状也因它而减轻甚至消失。可谁又能料到这厮作为治疗疟疾的特效药竟然持续了一百多年之久啊！”

“那人类是不是有救了？”小疟原虫们迟疑道。

老爷爷摇摇头：“奎宁来源有限，天然提取量太少，被感染者急需用药，供不应求。美国南北战争时期南方地区因疟疾而死的战士比战死的还要多，二战期间奎宁更是成为敌我双方抢夺的重要资源。于是化学家们希望施展化学合成大法，人工制备奎宁。怎奈一开始人类对其化学结构认识不够，研究起来困难重重。著名科学家珀金和霍夫曼曾经进行过这方面的工作，运气不佳都失败了。珀金没有合成出奎宁，却由此发现了人工合成染料苯胺紫，开创了近代染料化学和煤焦油工业[12]，这人生也是开挂了。”

“哇——！”惊叹声四起。

“巴斯德在著名的酒石酸拆分实验中曾尝试奎宁拆分剂，发现奎宁用硫酸处理后转化为奎宁辛。1908年，德国化学家拉贝受此启发，不仅推导出奎宁的结构式，还用奎宁辛合成出奎宁。但是直到1940年奎宁立体结构才被确证。1944年美国化学家Woodward和Doering一起从间羟基苯甲醛出发，经过多步反应得到奎宁辛(图6)[13]，再结合上文拉贝的工作，人类总算完成了奎宁的表全合成。2001年Stork等人实现了奎宁立体选择性的全合成，2004年Jacobsen等创造了全新的不对称合成奎宁的路线。这是现代合成化学家掌控合成方法和策略的必然结果。然而其复杂冗长的化学工艺和高昂的成本让人望而止步，人类并没有按照化学家们研究出来的全合成路线进行工业化生产，奎宁主要源于植物提取或半合成。奎宁对人类的毒副作用可比对我们大多了。

图6 奎宁辛合成线路

尽管如此，那时奎宁仍是首选抗疟药，人类还开发了氯喹等毒副作用较小的喹啉类生物碱药物(图7)[10]。可是灵活机智如我们，怎么能束手待毙？许多国家和地区盲目过量增加药物剂量甚至把抗疟药物添加在食品中让人长期食用，这带给我们绝佳的反击机会，历练了我族雄厚的内功，家族成员越挫越勇，重新强大起来。我们悄悄磨炼抗药性，让人类珍视的药物失去效能。奎宁类药物的有效率已经从最初的95%下降到30%以下[14]。”

图7 喹啉类抗疟疾药物

“所谓适者生存，我们家族的适应能力果然强悍！”小疟原虫们窃喜。

“人类不得已又踏上寻找新药的征途。世界制药巨头纷纷投掷巨额资金和优秀团队试图攻克这一难题，然而理想有效的抗疟新药迟迟未现。1965年‘美越战争’遭遇热带丛林耐药性疟原虫，氯喹失效，疟疾造成的非战斗性减员是战斗性减员人数的4-5倍。应对越南求助，中国政府成立了523办公室，专门研发抗疟新药。屠呦呦是中医研究院523项目科研组组长。课题组系统收集整理历代医籍、本草和民间方药，千筛万选后筛查出对鼠疟原虫抑制率达60%-80%的青蒿提取物[15]。呦呦鹿鸣，食野之蒿。晋朝葛洪的《肘后备急方》给中国科学家屠呦呦带来灵感，1972年她用乙醚从黄花蒿中低温提取到对鼠疟疗效近100%的青蒿素，并通过现代波谱技术确定其结构，发现青蒿素属于半萜类化合物[16]。随后以青蒿素为先导化合物人类又研制出高效、速效、低毒的双氢青蒿素、青蒿琥酯和蒿甲醚等抗疟疾药物。青蒿素中的过氧桥键可以在体内亚铁离子影响下，形成两个氧自由基从而抑制原虫生存繁衍；作用于疟原虫的膜系结构，阻断虫体摄取营养；无亚铁离子时抑制半胱氨酸蛋白酶，影响疟原虫的营养供给，从而降低人类病死率[10]。屠呦呦荣获2015年诺贝尔生理学或医学奖(图8)。

图8 屠呦呦的圆形邮票小型张[6]

青蒿素的发现，是中国传统医药献给世界的一份厚礼，惠及全球。以青蒿素类药物为基础的联合疗法充分考虑了疟原虫的耐药性问题，挽救了全球数百万人的生命，至今仍是世卫组织推荐的疟疾良方。2010至2017年，世界各国共采购超过27.4亿个以青蒿素为基础的复方药物疗程；其中通过国家疟疾规划发放的用于世卫组织非洲区域的占98% (14.2亿)[17]。青蒿素为长久以来饱受疟疾侵蚀的非洲大陆，播撒福音。”

“爷爷，我们该怎么办？”疟原虫们瞬间焦虑。

“我们与人类的抗争此起彼伏，绵延不绝。人类从发现、认识到逐步杀灭我们，创制了一系列的‘核武器’，单说与疟疾相关的诺贝尔奖就产生了6项(表1)[18]，越来越多的国家获得世卫组织无疟疾认证。疟疾研究的至高目标是开发疫苗，预防个体感染疟疾、阻断疟原虫传播，人类设想通过大规模的疫苗注射消灭病原虫，目前已有疫苗进入临床阶段，疫苗商业化势如破竹[19]。这样下去，疟疾终有一天会被消灭，而我们，”老爷爷看向所剩无几的族人，口中呢喃道，“尽管我族有超强的繁衍本领，然而在聪明的人类面前，我们就要被逐出家门了。”