瘧原蟲浮生記

楊德紅，潘子琳，王坤，張留學(xué)，馬佰位，楊本勇

1中原工學(xué)院材化學(xué)院，鄭州 450007

2中原工學(xué)院能環(huán)學(xué)院，鄭州 450007

我是一只瘧原蟲，生長在一個擁有50萬年歷史的古老大家庭里。家族成員種類多達(dá)130多種，廣泛寄生于脊椎動物體內(nèi)，而能在人體寄生的只有威名遠(yuǎn)揚(yáng)的間日瘧原蟲、三日瘧原蟲、惡性瘧原蟲和卵形瘧原蟲。人類(中間宿主)和雌性按蚊(終宿主)是我們這4種瘧原蟲的共同宿主。寄生人體的我們功夫了得，能夠中斷機(jī)體供血，導(dǎo)致人類寒熱往來發(fā)作，引發(fā)兇險(xiǎn)的瘧疾，威脅人類生命健康，甚至左右人類歷史航向[1]。

別看我們個頭不大，殺傷力可不能小覷。2019年全球估計(jì)有2.29億瘧疾病例，死亡人數(shù)約40.9萬人[2]。非洲和東南亞是瘧疾高發(fā)區(qū)，中國目前仍存在輸入性病例風(fēng)險(xiǎn)。對全世界大約二分之一的人類而言，瘧疾迄今仍是公眾健康所面臨的最嚴(yán)重威脅之一。為了推動全球進(jìn)行瘧疾防治，自2008年起世衛(wèi)組織規(guī)定每年4月25日為“世界瘧疾日”。中國將每年的4月26日定為“全國瘧疾日”[3]。這是鉚足了勁兒要和我族一斗到底了。人類和瘧原蟲的斗爭橫穿浩瀚歷史長河，雙方死傷慘重，但誰都沒有屈服，相互較勁，劍拔弩張，仿佛在靜待誰先繳械投降。

這天，我正在和小伙伴們一起玩游戲，突然聞見了一股熟悉的味道，緊接著，耳邊就響起了叫喊聲：“啊，快跑啊快跑啊，人類又來殺滅我們了！”

“救命啊，救我！……”

伴隨著凄厲的慘叫聲，我們的族人一個接一個地倒下了，剩下的攜家?guī)Э?，不管不顧地向前沖，終于我們到達(dá)一處荒蕪之地，暫時歇息。

“爺爺，為什么人類這么憎惡我們，要對我們趕盡殺絕？”不遠(yuǎn)處，一只小瘧原蟲睜著好奇的雙眼看向一位白發(fā)蒼蒼的老爺爺，據(jù)說他在我們族里最年長，汲取了人類的智慧。

“這件事啊，說來話長，”旁邊的小瘧原蟲們一聽，都圍了上去?？粗蠹液闷娴臉幼?，老爺爺坐下來給我們講起了故事。

“我們的家族啊，是在沼澤地中生長起來的單細(xì)胞生物，一開始寄生在沼澤地里的按蚊體內(nèi)，繁衍不息。原本我們的祖先可以安于這樣平靜無波的日子，誰知道人類闖入了我們的家園。然后按蚊發(fā)現(xiàn)人類可以提供營養(yǎng)大餐，于是開始瘋狂地叮咬人類，此舉激發(fā)了我族的嗜血特性，藏在蚊子唾液腺內(nèi)的族人伺機(jī)噴涌而出，迅速抵達(dá)人體肝臟，攝取營養(yǎng)物質(zhì)，不斷繁殖壯大，我們的家族勢力日益增強(qiáng)。惡性瘧原蟲是我族的英雄血脈，羽斑按蚊是其最理想的宿主。很顯然，人體是一個比按蚊富庶的國度，地大物博，營養(yǎng)豐富。一夜暴富的結(jié)果導(dǎo)致我族越來越貪婪，我們一有機(jī)會就撲向誘人的紅細(xì)胞，那里有美味的血紅蛋白，飽餐之后我們的繁殖能力驟增。而被蠶食之后的紅細(xì)胞會被毫不留情地拋棄，喜新厭舊的我們馬不停蹄地奔向下一個目標(biāo)。我們?yōu)榘l(fā)現(xiàn)新大陸而高聲歡呼，人體血液內(nèi)充斥著我們的生活垃圾，紅細(xì)胞越來越少，并產(chǎn)生劇烈的免疫反應(yīng)。于是人體寄主忽冷忽熱、多汗、貧血，還會嘔吐、頭痛甚至昏迷和死亡。更嚴(yán)重的是此時如有蚊子叮咬病人，我們會巧妙地借助蚊子傳播給更多的人。沒錯，這是一種傳染病。這種打擺子的病人類醫(yī)學(xué)稱之為瘧疾，它從人類起源就伴生而來，萬年肆虐，給人類帶來了慘痛的記憶[4]。由于它的傳染性和致死率極高，古人對其束手無策，無論東西方社會，都認(rèn)為瘧疾是‘神慍怒而降于人間的災(zāi)難’。據(jù)說古希臘的亞歷山大大帝、文藝復(fù)興時期著名詩人但丁、中國漢武帝等歷代英杰，皆因瘧疾而亡。羅馬帝國時期瘧疾曾多次流行，特別是公元前1世紀(jì)的瘧疾大流行對羅馬帝國國力造成沉重打擊。瘧疾嚴(yán)重消減士兵的戰(zhàn)斗力，它改變國運(yùn)并非孤例。古籍中有對嶺南與云貴地區(qū)用兵的記載，屢現(xiàn)‘兵未血刃而病死者十二三’‘軍吏經(jīng)瘴疫死者十四五’等字樣。更有數(shù)據(jù)表明二戰(zhàn)時期南太平洋戰(zhàn)斗的美軍士兵的瘧疾發(fā)病率是千分之四千。瘧疾成為人類‘生命收割機(jī)’[1]?！?/p>

“原來如此。爺爺，人類是因?yàn)槲覀儾虐l(fā)病的吧？我們那可不是簡單的腹黑啊，人類了解我們嗎？”一只小瘧原蟲閃著大眼睛問。

老爺爺輕撫那只小光頭兒，繼續(xù)說：“那時，我們并不清楚這其中的科學(xué)道理，畢竟我們的本能就是寄生，所以只能不斷繁衍，占據(jù)細(xì)胞。人類最初對我們一無所知，但是人類屬于智者，會思考，會探究，善于發(fā)現(xiàn)事物的本質(zhì)。古希臘將瘧疾稱為‘沼澤熱’，瘧疾被認(rèn)為與沼澤地上的水或有毒的水汽有關(guān)，瘧疾(Malaria)由‘壞’(mala)和‘空氣’(aria)兩個詞組成。醫(yī)生們試圖通過研究找尋瘧疾的致病菌，卻一直沒有重大突破。1880年，法國醫(yī)生拉韋朗在對瘧疾患者的尸體進(jìn)行解剖的時候，通過顯微鏡看到了紅細(xì)胞里存在的黑色顆粒(圖1)[5]，他立馬意識到這些黑色顆粒與瘧疾有關(guān)。拉韋朗是個非常謹(jǐn)慎的人，他廣泛收集證據(jù)，設(shè)計(jì)了更加細(xì)致的研究方案，他發(fā)現(xiàn)那些黑色顆粒是一種有生命的原生單細(xì)胞生物，取名瘧原蟲(圖2)，自此我們家族才有了正式的名號和歸宿。瘧原蟲是瘧疾的罪魁禍?zhǔn)祝f朗的發(fā)現(xiàn)揭開了人類歷史上致死人數(shù)最多的疾病——瘧疾的病因，這是人類首次認(rèn)識到原生動物竟具有致病能力，在細(xì)菌說盛行的時空這一論斷著實(shí)刷新了人類的三觀[6]?！?/p>

圖1 被瘧原蟲感染的紅細(xì)胞

圖2 瘧原蟲[4]

“爺爺，這種單細(xì)胞生物就是我們??？”一個稍大點(diǎn)的瘧原蟲首先明白過來。

“對。這是我們第一次以真實(shí)的面目出現(xiàn)在人類面前。然而，拉韋朗還是受到了學(xué)術(shù)界的極大質(zhì)疑：不是細(xì)菌才會致病嗎？若干種細(xì)胞寄生的原生生物的發(fā)現(xiàn)以及大量瘧原蟲的實(shí)例促使人類不得不改觀。1889年主流學(xué)術(shù)界終于肯定了拉韋朗的發(fā)現(xiàn)，認(rèn)為瘧原蟲的確是瘧疾的病原體。1897年英國生物學(xué)家羅納德·羅斯解剖了無數(shù)只蚊子，最后在按蚊體內(nèi)找到了瘧原蟲，證實(shí)了按蚊也是瘧原蟲的宿主。1899年意大利科學(xué)家格拉西的研究進(jìn)一步明確了瘧疾的傳播方式，隨后我們家族的生活史便昭然于天下(圖3)，從此我們不能再沉迷于暗世界和人類玩捉迷藏游戲啦。發(fā)現(xiàn)我族的這些隱秘?zé)o疑為人類治療瘧疾奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，人類防治瘧疾才有了新進(jìn)展[7]?！?/p>

圖3 瘧原蟲生活史[1]

“我們的生活豐富多彩，生命歷程圖，一目了然呢?！蔽页脵C(jī)嘚瑟一下。

“別高興太早。人類迅猛反擊，進(jìn)行了浩浩蕩蕩的滅蚊大仗，誓要滅絕蚊類，阻斷傳播鏈。但是，諸如蚊帳之類的物理預(yù)防并不能徹底阻礙瘧疾繼續(xù)流行人間，因?yàn)檫@對我們族人毫發(fā)無損，只不過在搶占地盤時不能像從前那樣暢通無阻而已。我們對人類世界真是流連忘返，饕餮大餐誰能拒絕？人類轉(zhuǎn)而開始琢磨針對蚊蟲的化學(xué)藥品。DDT就這樣出現(xiàn)在我們視野中?！?/p>

“DDT，那是什么？”小瘧原蟲們迫不及待。

“大名鼎鼎的DDT，又名雙對氯苯基三氯乙烷(圖4)，1874年由維也納醫(yī)學(xué)家歐特馬·勤德勒首次合成后幾十年間寂寂無名，直到1939年瑞士化學(xué)家穆勒發(fā)現(xiàn)它是一種非常有效的昆蟲神經(jīng)性毒劑[7]。它本是為了解決人類因蟲害引起的糧食危機(jī)而來，為20世紀(jì)上半葉防止農(nóng)業(yè)病蟲害，減輕瘧疾、傷寒等蚊蠅傳播的疾病危害作出了很大的貢獻(xiàn)，據(jù)美國數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，使用DDT后農(nóng)田的單位產(chǎn)量比未使用時提高了60%。1948年，穆勒獲得諾貝爾獎，DDT走向神壇。但是好景不長，1962年DDT被證實(shí)會危害環(huán)境和人體健康！正如美國海洋生物學(xué)家Rachel Carson在警世之作《寂靜的春天》中描寫的那樣，因?yàn)槿祟愡^度使用化學(xué)藥品以及化肥而導(dǎo)致環(huán)境污染、生態(tài)破壞，最終也給人類帶來了沉重的災(zāi)難。由此打破了DDT原本輝煌的格局，人們開始重新審視化學(xué)藥品的環(huán)保問題?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)由于其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定不容易降解，DDT會通過食物鏈富集，它所引起的污染很難消除，一些鳥類因它接近滅絕。它易溶于脂肪，能夠長期積累，它擾亂人體荷爾蒙分泌，對人類有明顯的致癌性。1972年全球以美國為首的多個國家不得不宣布禁用DDT[8]?！?/p>

圖4 DDT的化學(xué)結(jié)構(gòu)式

“DDT沒錯吧，爺爺？人類很快弄明白錯誤的應(yīng)該是自己的使用方式。世界衛(wèi)生組織于2002年宣布重新啟用DDT以控制蚊子的繁殖以及預(yù)防瘧疾、登革熱、黃熱病等卷土重來[9]。這應(yīng)該也是人類應(yīng)對疫情態(tài)勢的無奈之舉。”我忍不住撇嘴。

“瘧疾早在18世紀(jì)一度成為制約歐洲向熱帶擴(kuò)張的關(guān)鍵因素。人類多么希望找到高效抗瘧疾的藥物??！抗瘧最直接的思路還是對致病微生物瘧原蟲的抑制與殺滅。這時，沉寂已久的金雞納樹皮再次出現(xiàn)在了人類的視野中。神奇的金雞納樹祖籍南美安第斯山脈的厄瓜多爾，被印第安人稱為生命之樹，此乃治愈瘧疾的偏方。1630年這個秘密被傳教士從秘魯帶到了歐洲，于是英國人很快在印度尼西亞爪哇島建起了金雞納樹種植園。17世紀(jì)末查理二世用它治愈了瘧疾，金雞納樹成了救命的天價(jià)良藥。相傳1692年康熙皇帝曾不幸染上瘧疾，幸虧有兩個法國的傳教士帶了金雞納樹皮粉，康熙服用后瘧疾痊愈，此藥在中國被尊奉為圣藥[6]?！?/p>

“金雞納樹儼然是我們家族的克星，它究竟藏著什么不為人知的秘密呢？”好奇寶寶追問。

“1820年法國科學(xué)家仔細(xì)研究金雞納樹皮，從中分離出了治療瘧疾的有效成分‘奎寧’，也稱‘金雞納霜’。1852年巴斯德證明了奎寧為左旋體，1854年德國人斯特雷克確定其分子式為C20H24NO2[10]。后來人類發(fā)現(xiàn)金雞納樹的樹根、樹枝、樹干中，含有生物堿多達(dá)25種以上，樹皮中含量尤其豐富，其中70%為奎寧(圖5)[11]。堯雷格第一個將奎寧應(yīng)用到抗瘧大戰(zhàn)中，他還獨(dú)辟蹊徑，設(shè)想利用瘧原蟲引起的高熱來減輕梅毒病人的癥狀，實(shí)驗(yàn)獲得成功[7]?！?/p>

圖5 奎寧和金雞納樹

“奎寧針對的可是我們瘧原蟲家族成員，它是咋改變我族‘原生’的呢？”瘧原蟲們七嘴八舌。

“奎寧通過與瘧原蟲的DNA結(jié)合，形成復(fù)合物，抑制DNA的復(fù)制和RNA的轉(zhuǎn)錄，從而抑制蛋白質(zhì)合成；還能降低我們的氧耗量，抑制我們體內(nèi)的磷酸化酶、干擾糖代謝；可以抑制血紅素聚合酶作用致瘧原蟲死亡。總之，它能通過多種途徑殺滅各種瘧原蟲紅內(nèi)期裂殖體，尤其對惡性瘧有特效?？鼘幙墒呛K了咱們的族人，不能自由繁殖，人類打擺子的癥狀也因它而減輕甚至消失?？烧l又能料到這廝作為治療瘧疾的特效藥竟然持續(xù)了一百多年之久啊！”

“那人類是不是有救了？”小瘧原蟲們遲疑道。

老爺爺搖搖頭：“奎寧來源有限，天然提取量太少，被感染者急需用藥，供不應(yīng)求。美國南北戰(zhàn)爭時期南方地區(qū)因瘧疾而死的戰(zhàn)士比戰(zhàn)死的還要多，二戰(zhàn)期間奎寧更是成為敵我雙方搶奪的重要資源。于是化學(xué)家們希望施展化學(xué)合成大法，人工制備奎寧。怎奈一開始人類對其化學(xué)結(jié)構(gòu)認(rèn)識不夠，研究起來困難重重。著名科學(xué)家珀金和霍夫曼曾經(jīng)進(jìn)行過這方面的工作，運(yùn)氣不佳都失敗了。珀金沒有合成出奎寧，卻由此發(fā)現(xiàn)了人工合成染料苯胺紫，開創(chuàng)了近代染料化學(xué)和煤焦油工業(yè)[12]，這人生也是開掛了?！?/p>

“哇——！”驚嘆聲四起。

“巴斯德在著名的酒石酸拆分實(shí)驗(yàn)中曾嘗試奎寧拆分劑，發(fā)現(xiàn)奎寧用硫酸處理后轉(zhuǎn)化為奎寧辛。1908年，德國化學(xué)家拉貝受此啟發(fā)，不僅推導(dǎo)出奎寧的結(jié)構(gòu)式，還用奎寧辛合成出奎寧。但是直到1940年奎寧立體結(jié)構(gòu)才被確證。1944年美國化學(xué)家Woodward和Doering一起從間羥基苯甲醛出發(fā)，經(jīng)過多步反應(yīng)得到奎寧辛(圖6)[13]，再結(jié)合上文拉貝的工作，人類總算完成了奎寧的表全合成。2001年Stork等人實(shí)現(xiàn)了奎寧立體選擇性的全合成，2004年Jacobsen等創(chuàng)造了全新的不對稱合成奎寧的路線。這是現(xiàn)代合成化學(xué)家掌控合成方法和策略的必然結(jié)果。然而其復(fù)雜冗長的化學(xué)工藝和高昂的成本讓人望而止步，人類并沒有按照化學(xué)家們研究出來的全合成路線進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)，奎寧主要源于植物提取或半合成?？鼘帉θ祟惖亩靖弊饔每杀葘ξ覀兇蠖嗔?。

圖6 奎寧辛合成線路

盡管如此，那時奎寧仍是首選抗瘧藥，人類還開發(fā)了氯喹等毒副作用較小的喹啉類生物堿藥物(圖7)[10]?？墒庆`活機(jī)智如我們，怎么能束手待斃？許多國家和地區(qū)盲目過量增加藥物劑量甚至把抗瘧藥物添加在食品中讓人長期食用，這帶給我們絕佳的反擊機(jī)會，歷練了我族雄厚的內(nèi)功，家族成員越挫越勇，重新強(qiáng)大起來。我們悄悄磨煉抗藥性，讓人類珍視的藥物失去效能?？鼘庮愃幬锏挠行室呀?jīng)從最初的95%下降到30%以下[14]?！?/p>

圖7 喹啉類抗瘧疾藥物

“所謂適者生存，我們家族的適應(yīng)能力果然強(qiáng)悍！”小瘧原蟲們竊喜。

“人類不得已又踏上尋找新藥的征途。世界制藥巨頭紛紛投擲巨額資金和優(yōu)秀團(tuán)隊(duì)試圖攻克這一難題，然而理想有效的抗瘧新藥遲遲未現(xiàn)。1965年‘美越戰(zhàn)爭’遭遇熱帶叢林耐藥性瘧原蟲，氯喹失效，瘧疾造成的非戰(zhàn)斗性減員是戰(zhàn)斗性減員人數(shù)的4-5倍。應(yīng)對越南求助，中國政府成立了523辦公室，專門研發(fā)抗瘧新藥。屠呦呦是中醫(yī)研究院523項(xiàng)目科研組組長。課題組系統(tǒng)收集整理歷代醫(yī)籍、本草和民間方藥，千篩萬選后篩查出對鼠瘧原蟲抑制率達(dá)60%-80%的青蒿提取物[15]。呦呦鹿鳴，食野之蒿。晉朝葛洪的《肘后備急方》給中國科學(xué)家屠呦呦帶來靈感，1972年她用乙醚從黃花蒿中低溫提取到對鼠瘧療效近100%的青蒿素，并通過現(xiàn)代波譜技術(shù)確定其結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)青蒿素屬于半萜類化合物[16]。隨后以青蒿素為先導(dǎo)化合物人類又研制出高效、速效、低毒的雙氫青蒿素、青蒿琥酯和蒿甲醚等抗瘧疾藥物。青蒿素中的過氧橋鍵可以在體內(nèi)亞鐵離子影響下，形成兩個氧自由基從而抑制原蟲生存繁衍；作用于瘧原蟲的膜系結(jié)構(gòu)，阻斷蟲體攝取營養(yǎng)；無亞鐵離子時抑制半胱氨酸蛋白酶，影響瘧原蟲的營養(yǎng)供給，從而降低人類病死率[10]。屠呦呦榮獲2015年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(圖8)。

圖8 屠呦呦的圓形郵票小型張[6]

青蒿素的發(fā)現(xiàn)，是中國傳統(tǒng)醫(yī)藥獻(xiàn)給世界的一份厚禮，惠及全球。以青蒿素類藥物為基礎(chǔ)的聯(lián)合療法充分考慮了瘧原蟲的耐藥性問題，挽救了全球數(shù)百萬人的生命，至今仍是世衛(wèi)組織推薦的瘧疾良方。2010至2017年，世界各國共采購超過27.4億個以青蒿素為基礎(chǔ)的復(fù)方藥物療程；其中通過國家瘧疾規(guī)劃發(fā)放的用于世衛(wèi)組織非洲區(qū)域的占98% (14.2億)[17]。青蒿素為長久以來飽受瘧疾侵蝕的非洲大陸，播撒福音?！?/p>

“爺爺，我們該怎么辦？”瘧原蟲們瞬間焦慮。

“我們與人類的抗?fàn)幋似鸨朔?，綿延不絕。人類從發(fā)現(xiàn)、認(rèn)識到逐步殺滅我們，創(chuàng)制了一系列的‘核武器’，單說與瘧疾相關(guān)的諾貝爾獎就產(chǎn)生了6項(xiàng)(表1)[18]，越來越多的國家獲得世衛(wèi)組織無瘧疾認(rèn)證。瘧疾研究的至高目標(biāo)是開發(fā)疫苗，預(yù)防個體感染瘧疾、阻斷瘧原蟲傳播，人類設(shè)想通過大規(guī)模的疫苗注射消滅病原蟲，目前已有疫苗進(jìn)入臨床階段，疫苗商業(yè)化勢如破竹[19]。這樣下去，瘧疾終有一天會被消滅，而我們，”老爺爺看向所剩無幾的族人，口中呢喃道，“盡管我族有超強(qiáng)的繁衍本領(lǐng)，然而在聰明的人類面前，我們就要被逐出家門了?！?/p>

表1 瘧疾與諾貝爾獎

“我們還能回到沼澤地嗎？”瘧原蟲寶寶們惶恐不已。

“那是我們家族在地球上的最后一片凈土！”黑暗里的空氣拉長爺爺?shù)膰@息，“寄生，不勞而獲還到處制造‘人禍’，難敵人類鄙視和仇恨。也許我們該思考獨(dú)立生存的意義了?！?/p>

夜闌更深，徒留我輩凌亂似風(fēng)。往事堪堪，前路茫茫，有何可期？