青蒿素的危機(jī)

李雙文

2015年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予了中國(guó)科學(xué)家屠呦呦、愛爾蘭科學(xué)家威廉·坎貝爾和日本科學(xué)家大村智。屠呦呦獲獎(jiǎng)的理由是發(fā)現(xiàn)和提取了青蒿素，坎貝爾和大村智獲獎(jiǎng)的理由是發(fā)明了治療盤尾絲蟲病和淋巴絲蟲病的藥物阿維菌和伊維菌素。盡管青蒿素被譽(yù)為治療瘧疾的“神藥”，但是，青蒿素在瘧疾治療中也面臨一些問題。

瘧原蟲的耐藥性

人類對(duì)瘧疾的抗?fàn)幈憩F(xiàn)為道高一尺魔高一丈的拉鋸戰(zhàn)。無論何種藥物，瘧原蟲在適應(yīng)了一段時(shí)間后就會(huì)對(duì)藥物產(chǎn)生耐藥性，瘧原蟲對(duì)青蒿素和雙氫青蒿素同樣如此。因此，屠呦呦獲得今年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)只是對(duì)過去中國(guó)科研人員成績(jī)的肯定，但同時(shí)也提出了一個(gè)問題，如何應(yīng)對(duì)越來越嚴(yán)重的瘧原蟲的耐藥性。

瘧原蟲對(duì)青蒿素產(chǎn)生耐藥性的危機(jī)早就讓世界衛(wèi)生組織（WHO）和全球飽受瘧疾之害地區(qū)的人們頭痛。世界上瘧疾耐藥性最嚴(yán)重的地區(qū)當(dāng)屬湄公河三角洲。早在20世紀(jì)五六十年代瘧原蟲就已經(jīng)兩次對(duì)關(guān)鍵藥物，如氯喹和乙胺嘧啶等產(chǎn)生了耐藥性。瘧原蟲的耐藥是因?yàn)槠浠虍a(chǎn)生了突變，而且，從那時(shí)起，瘧原蟲的耐藥基因已經(jīng)向世界各地傳播。同時(shí)，寄生蟲的耐藥又是一個(gè)全球性問題。

此后，中國(guó)科學(xué)家發(fā)明的青蒿素和雙氫青蒿素的使用抑制了瘧疾的耐藥性。當(dāng)然，瘧原蟲耐藥也有使用方法問題，即單一使用某種藥物會(huì)讓寄生蟲很快產(chǎn)生基因突變，從而產(chǎn)生耐藥性。意識(shí)到這一點(diǎn)，世界衛(wèi)生組織一再提醒各國(guó)衛(wèi)生部門謹(jǐn)慎用藥，并且推廣瘧疾治療的聯(lián)合用藥（以青蒿素為基礎(chǔ)的綜合療法，ACTs），但是，瘧疾的耐藥性還是不可避免地再次出現(xiàn)，而且是針對(duì)瘧疾的特效藥青蒿素。2003～2004年，首例青蒿素耐藥（ACTs耐藥）病例出現(xiàn)在泰國(guó)-柬埔寨邊界。2009年，以青蒿素為基礎(chǔ)的綜合療法對(duì)泰國(guó)、柬埔寨等國(guó)的一些瘧疾已經(jīng)明顯失效。

因此，世界衛(wèi)生組織不得不承認(rèn)，過去10多年，治療瘧疾最有效的藥物青蒿素已經(jīng)在柬埔寨、緬甸、越南、老撾以及泰國(guó)邊境地區(qū)越來越多的患者中失去作用。這個(gè)事實(shí)讓人們無奈和惋惜，因?yàn)?，青蒿素是幾十年來?duì)抗瘧疾最有效的藥物，也是中藥中經(jīng)過了現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)醫(yī)學(xué)，包括藥理學(xué)、病理學(xué)、生物化學(xué)、分子生物學(xué)和基因?qū)W檢驗(yàn)并得到國(guó)際認(rèn)可和推崇的一種藥物。

在21世紀(jì)初，世界衛(wèi)生組織寧愿相信瘧疾對(duì)以青蒿素為基礎(chǔ)的綜合療法耐藥的原因是伴侶藥的問題，而非青蒿素的問題。但是，嚴(yán)酷的現(xiàn)實(shí)告訴人們，瘧原蟲對(duì)青蒿素的耐藥既是藥物的問題，又是瘧原蟲適應(yīng)環(huán)境和藥物自身的問題。

依賴于現(xiàn)代科學(xué)，如基因?qū)W，現(xiàn)在研究人員確認(rèn)了青蒿素失效的主要原因是因?yàn)榀懺x的一個(gè)基因突變。這個(gè)發(fā)現(xiàn)是逐步確認(rèn)的。2012年，發(fā)表在英國(guó)《自然》雜志的一篇研究文章提出，一種名為K13的基因突變蛋白與瘧原蟲耐受青蒿素有緊密關(guān)聯(lián)性。2013年在美國(guó)《新英格蘭醫(yī)學(xué)雜志》上發(fā)表的另一篇文章則提示，東南亞的瘧疾耐藥性普遍存在K13基因突變。研究人員確認(rèn)K13基因位點(diǎn)在瘧原蟲的第13個(gè)染色體上，其編碼的K13蛋白形狀與風(fēng)車類似。

2015年初，美國(guó)哥倫比亞大學(xué)的大衛(wèi)·費(fèi)多克等人和位于泰國(guó)曼谷的瑪希隆大學(xué)-牛津大學(xué)熱帶醫(yī)學(xué)聯(lián)合研究所的鄧多普等人在美國(guó)《科學(xué)》雜志在線發(fā)表的兩篇文章確認(rèn)了K13基因是如何讓瘧原蟲對(duì)青蒿素耐藥的。

費(fèi)多克等人利用鋅指核酸酶技術(shù)來修復(fù)瘧原蟲的基因，如果對(duì)耐藥性瘧原蟲的K13突變基因進(jìn)行修復(fù)，則瘧原蟲不會(huì)耐藥。在給耐藥性瘧原蟲植入普通的K13基因后會(huì)讓它們對(duì)青蒿素再次敏感，相反，把突變后的K13基因植入對(duì)藥物敏感的瘧原蟲后又會(huì)讓它們對(duì)青蒿素產(chǎn)生耐藥性。

鄧多普等人分析了來自東南亞和非洲的1000多名患者攜帶的瘧原蟲的所有信使RNA分子，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，有K13基因突變的瘧原蟲會(huì)使參與蛋白折疊和修復(fù)的基因的功能增強(qiáng)，從而降低參與DNA復(fù)制的基因表達(dá)。這個(gè)機(jī)制會(huì)幫助瘧原蟲修復(fù)青蒿素對(duì)它們的殺傷。這個(gè)機(jī)理也體現(xiàn)在，瘧原蟲是通過放緩生長(zhǎng)速度以減輕青蒿素對(duì)其進(jìn)行傷害，于是，瘧原蟲的耐藥就不可避免地產(chǎn)生了。

抗御瘧疾的深層機(jī)理

現(xiàn)在，另一些研究人員通過對(duì)腸道菌的研究從分子角度解釋了為何兒童比成人更容易患瘧疾，因此也揭示了瘧原蟲耐藥的另一種機(jī)理。

葡萄牙古爾班基安研究所的研究人員發(fā)現(xiàn)，人體內(nèi)共生的腸道菌表面有一些糖分子，這些糖分子稱為聚糖。人體免疫系統(tǒng)識(shí)別這些聚糖之后，能產(chǎn)生高水平的天然血液循環(huán)抗體，后者就是人體抗御疾病的衛(wèi)士之一。于是，他們提出一個(gè)假說，針對(duì)腸道菌表面聚糖的天然抗體，也能夠識(shí)別病原體表達(dá)的相似的糖分子，例如識(shí)別瘧原蟲表面類似的糖分子，從而攻擊瘧原蟲，避免瘧疾的產(chǎn)生。

這種假說的基礎(chǔ)是，人體某些腸道菌表面的糖分子與瘧原蟲表面的糖分子相似，故而前者誘導(dǎo)機(jī)體產(chǎn)生的抗體可以通過相似性來攻擊瘧原蟲。而且，由于成年人機(jī)體中誘導(dǎo)產(chǎn)生的抗體滴度足夠大，所以比兒童更能有效地抗御瘧疾。

假說需要實(shí)驗(yàn)來證實(shí)。古爾班基安研究所的伊爾馬茲等人在研究中發(fā)現(xiàn)，人體腸道內(nèi)一種最常見的大腸桿菌——大腸埃希氏菌能產(chǎn)生類似瘧原蟲的聚糖半乳糖殘基，因此，這些大腸桿菌的半乳糖殘基能誘導(dǎo)機(jī)體生成天然的抗體，稱為抗半乳糖殘基抗體。這些抗體產(chǎn)生后，會(huì)識(shí)別瘧原蟲產(chǎn)生的半乳糖殘基，把瘧原蟲當(dāng)成外來入侵物而發(fā)起攻擊。攻擊的過程是，抗半乳糖殘基抗體激活免疫系統(tǒng)中的補(bǔ)體系統(tǒng)，從而呼喚免疫系統(tǒng)的其他成員來殺死瘧原蟲，由此阻止這種寄生蟲從組織和皮膚進(jìn)入血液而導(dǎo)致瘧疾的產(chǎn)生。

這種機(jī)理顯然能解釋為何在熱帶和亞熱帶的瘧疾高發(fā)地區(qū)，只有一部分成年人被蚊蟲叮咬之后會(huì)感染瘧疾，但5歲以下的兒童明顯更容易受到感染。因?yàn)?，成年人擁有更多的抗半乳糖殘基抗體，能抵御瘧原蟲進(jìn)入血液。嬰幼兒體內(nèi)還沒有足夠多的大腸桿菌，因此不能誘導(dǎo)機(jī)體生成高濃度的抗半乳糖殘基抗體，以抗御瘧疾的產(chǎn)生。

青蒿

進(jìn)一步的研究證明了這一點(diǎn)。伊爾馬茲等人把人工合成的半乳糖殘基輸入小鼠體內(nèi)，讓小鼠產(chǎn)生了高水平的抗半乳糖殘基抗體，結(jié)果，這些抗體讓小鼠的瘧疾發(fā)病率大大減少，這說明正是抗半乳糖殘基抗體的水平不高才使嬰幼兒容易患瘧疾。

自然賦予人類這種天然的抗御瘧疾的原理給人以道法自然的啟示。瘧原蟲固然能造成人患病，但是，人體自身的微生物也提供了一種天然的防御方法，即通過腸道菌產(chǎn)生與瘧原蟲相似的半乳糖殘基，誘發(fā)機(jī)體產(chǎn)生抗體，以抗御瘧疾。這種方法顯然有治本的作用，因?yàn)?，如果把人體內(nèi)大腸桿菌產(chǎn)生的與瘧原蟲相似的半乳糖殘基作為抗原來生產(chǎn)疫苗，就有可能不僅預(yù)防成人患瘧疾，還能預(yù)防兒童患瘧疾，真正實(shí)現(xiàn)預(yù)防優(yōu)于治療的目標(biāo)。

同時(shí)，由于這是微生物之間的相生相克和模仿，很難刺激瘧原蟲的抗藥（疫苗）性，因此，這可能是研發(fā)抗瘧疾長(zhǎng)效疫苗的一種途徑。當(dāng)然，目前這只是一種設(shè)想，但在疾病防治方面擁有道法自然的神韻，也因此不僅可能是攻克瘧原蟲抗藥性的一條途徑，而且也可能是預(yù)防和根除瘧疾的一種希望。

如何化解瘧原蟲的耐藥性？

人類要想贏得抗擊瘧原蟲以及其他寄生蟲戰(zhàn)爭(zhēng)的勝利需要采取更為新穎的方式，除了在用藥手段上創(chuàng)新外，還需要有新的方法，如研發(fā)新的藥物，或在青蒿素的基礎(chǔ)上采用復(fù)方藥物，以及用基因工程的方法來治療瘧疾。

基因工程主要是針對(duì)瘧原蟲的基因進(jìn)行修飾，即改造瘧原蟲的基因，可用的手段已經(jīng)比較明晰。例如，可以通過鋅指核酸酶來修復(fù)瘧原蟲變異的K13基因。鋅指核酸酶是將一個(gè)非特異性的核酸內(nèi)切酶FokI（FokI是一種存在于細(xì)菌的限制酶）與含有鋅指的結(jié)構(gòu)進(jìn)行融合，可對(duì)特定的基因序列進(jìn)行切割和修復(fù)。被切開的DNA可以由切除的修復(fù)機(jī)制使切開處的單鏈部分被刪除，然后又重新連接到一起。

通過鋅指核酸酶為耐藥性瘧原蟲植入普通的K13基因，可以讓它們對(duì)青蒿素再次敏感。另一種方法是用CRISPR/Cas基因修飾系統(tǒng)（也稱基因編輯器或基因剪刀），這種基因剪刀已經(jīng)被研究人員嘗試用來切割艾滋病病毒（HIV）感染者和患者體內(nèi)細(xì)胞中的艾滋病病毒，從而根除潛伏的艾滋病病毒。

不過，這兩種相似的方法都存在一個(gè)較大的難題，即如何對(duì)數(shù)以千萬計(jì)的瘧原蟲和艾滋病病毒進(jìn)行基因的切割和修復(fù)，因?yàn)?，這個(gè)工程太龐大了。對(duì)艾滋病病人實(shí)施基因工程清除艾滋病病毒的工作量還小一些，但對(duì)人體內(nèi)和蚊子體內(nèi)的瘧原蟲實(shí)施基因工程的改造則是一個(gè)極為龐大的工程。

同時(shí)，瘧原蟲的基因突變也使其抗藥性成為一種特質(zhì)，因此要利用瘧原蟲的基因突變研發(fā)新的藥物和疫苗可能計(jì)劃沒有變化快。不過，伊爾馬茲等人的研究結(jié)果提供了一種攻克瘧原蟲抗藥性的本元思路，即道法自然。如同自然界的各種生物相生相克一樣，也有一些微生物是瘧原蟲的克星，如果能利用這一點(diǎn)來研發(fā)“以物治蟲”或“以蟲治蟲”的藥物和疫苗，將會(huì)事半功倍。

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