青霉素传奇
cartoon by alex gregory for "the new yorker"
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几年前在纽约客上刊登了一幅漫画。画中两个史前人在讨论: “有些事儿不大对劲儿——我们的空气是干净的，我们喝的水是无污染的矿泉水，我们每天都锻炼，我们吃的食物都是有机的和野生的。但是我们没人能活过30岁。”
这幅漫画让人发笑也令人思考。是呀，我们该如何解释原始人提出的疑问呢？是什么样的变化使现代人的寿命远超过去呢？我脑海里首先跳出来的一个词是"抗生素"。
我们经常读到网络流行的穿越小说：生活在现代社会的男主角或女主角因为一起事故穿越到古代。凭借着现代人的意识、知识和技能，他（她）占尽优势，呼风唤雨，闯出一片天地。但是如果真有穿越的可能，大部分回古代的人可能结局并不美好。除非他（她）带一些青霉素回去，轻微的外伤引起的感染或一场瘟疫就可能让主角一命呜呼。而且这种结局的几率还不低：唐代人的平均寿命为27岁；宋代人稍微好一些，但也只有30岁。
远的不说，100年前的第一次世界大战中，死于伤口感染的士兵数远远高于在战场上阵亡的人数。感染致死的主要原因有破伤风，菌血症、败血症，链球菌，和产气荚膜梭菌引起的坏疽。在1931年前，人类对第一杀手细菌感染束手无策：肺结核、肺炎、瘟疫、霍乱、脑膜炎……我们人类每天的日常生活都是一场冒险。一旦得了由于擦伤或咬伤而引起的皮肤感染，平均9个人中有1个会失去生命；感染上肺炎后，10人中有3人会丧命；生孩子的过程对所有母亲来说都是一个鬼门关，仅感染引起的死亡率就高达二百分之一。
但时隔20年，到了第二次世界大战，这种状况就大为改观。这20年发生了什么？答案是抗生素的发现。先是德国拜耳公司的科学家多马克（gerhard domagk）为首的团队研发的磺胺药，接着是英国研发出的青霉素（penicillin, 又译成盘尼西林）。二战结束后，世界进入了一个抗生素的黄金时代：链霉素、头孢菌素、四环素、氯霉素等相继上市。
磺胺药是人类第一个用化学合成的方法生产的抗生素。（按着最开始对抗生素的严格定义来说，磺胺药还不算抗生素。必须是微生物产生的可以杀死细菌的物质才能算抗生素。但现在普遍接受的是更广义的定义：不管其来源，任何能杀菌或抑菌的化合物都算抗生素。）它使人类第一次对链球菌引起的感染有了有效的治疗方式。磺胺药也可以治疗脊髓性脑膜炎，淋病和部分肺炎。
青霉素在历史上有着极其特殊的地位。同磺胺药相比，青霉素有更广谱的杀菌性和更小的副作用。它是第一个严格意义上的抗生素。开发它的历史也跌宕起伏。它的发现、开发和产业化与第二次世界大战的历史交织在一起。在英国一个实验室的偶然"事故"导致了它的发现。但论文发表后却将近10年无人问津。在二战前夕这篇论文被重新挖掘出来，由英国的另一个团队继续开发，将它推向世界舞台。但青霉素的最终大规模生产需要美国的国家机器参与，通过政府、农业部和制药工业的紧密合作来完成。青霉素成为盟国除了原子弹之外的第二个秘密武器，也缔造了美国现代医药产业。
青霉素的历史跨越超过20年，主要发生在欧美两个大洲，可以简单地分为三个阶段：发现、开发、和产业化。
一提起青霉素，大家就会想起亚历山大•弗莱明。在发现青霉素时, 来自苏格兰的弗莱明任职于人才济济的英国圣玛丽医院的疫苗研究实验室。该实验室是在1902年由41岁的传奇人物莱特爵士（sir almroth wright）建立的。莱特曾因为发明了伤寒疫苗而使英国部队在印度和第一次世界大战中减少了数万人的伤亡。
1906年，25岁的弗莱明开始在疫苗实验室任职。他又瘦又矮，性格内向，说话声音小。据他的朋友描述, 和弗莱明交谈并不是一件愉快的事：“和他谈话就好像和一个人在打网球。当你把球打过去后，他把球用手抓住，再揣进兜儿里。”
弗莱明虽然不擅长人际交往，但他喜欢和细菌、真菌相处。作为外科医生出身，他训练有素，有敏锐的观察力, 和超强的动手能力。他在培养皿中的培养基上接种细菌时，经常将几种不同菌株划到一个培养皿中。等菌群长出来时，培养皿中竟是一幅彩色的芭蕾舞演员的画。这表现了他性格里戏谑的一面，也体现了他的对不同菌种惊人的了解和细致的手法。要知道，他在接种细菌时并不能看到其颜色，就好像在黑暗中作画一样。
弗莱明的科学生涯中的两次最大的发现都来自“意外”。1922年，他一不留神让自己的鼻涕掉落到手中的培养皿中，结果后来发现鼻涕周围不长菌——这让他进一步发现了溶菌酶。第二次“意外”导致了青霉素的发现。1928年，根据弗莱明后来的回忆，当他8月份离开实验室去休假时，他把几十个长有葡萄球菌的培养皿遗忘在实验台上。当他9月3日回来时，他发现其中一个培养皿已被真菌污染。由于“不小心”，实验室的一扇窗户一直开着，某些真菌从室外飘进来，污染了那个培养皿。他看到了比六年前更惊奇的现象：真菌菌落周围所有葡萄球菌都消失了，形成一个空环。弗莱明准确地猜测，是那种真菌分泌了某种物质，杀死了葡萄球菌。那种真菌是青霉菌，弗莱明把那种神秘物质称为青霉素。
弗莱明 （alexander fleming, 1881-1955) 和被青霉菌污染的培养皿。
但是弗莱明描述的过程有太多的巧合：实验室的那扇窗很少有人打开过；空气中恰含有青霉菌，并且准确落到了培养皿中；他不早不迟，恰好在青霉菌菌落长到一定大小，还没来得及覆盖整个培养皿时回到实验室。多少年后人们弄清了青霉素的机理时，再回头看，发现弗莱明的解释不大合理。青霉素的机理是阻止细菌在细胞分裂的过程中建造新的细胞壁，所以它对已经建立的菌群杀伤作用并不大，不会在已铺满了菌的培养基表面上生生地造出一个无菌环带。
事实的真相我们无法判断。一种解释是弗莱明好玩的天性。他也许是在玩儿，也许是想从真菌中寻找溶酶体。但一旦一个重要的发现诞生于世，他需要演义一套正儿八经的故事来解释这一发现的由来。毕竟“我当时只是闹着玩儿的，没想到能拿到诺贝尔奖”登在报纸上显得不那么庄重。另一种解释是弗莱明记忆的偏差。青霉素的发现当时并没有引起多大反响。在10多年以后，由英国另一个科学团队证明了青霉素的价值。在全国的关注下，当记者采访弗莱明时，弗莱明需要回忆发现青霉素的经过。很多细节他可能已经忘记了。由于时代久远，回忆的历史可能和事实有很大的出入。
但不管事情的来龙去脉，历史的河流在1928年9月初的那天出现了一个停顿。弗莱明拾起那个注定要载入史册的培养皿，掀开皿盖。他湛蓝的双眼凝视着地球上最古老的两类生物正在厮杀的战场。窗外是伦敦闹市的炎热和喧嚣，窗内是静若雕像的他。时光停止了流转，瞬间凝固成永恒。半晌，弗莱明喃喃地说道，“有意思。”
弗莱明关于青霉素的几点发现也是科学上不可磨灭的开创性的工作：1）青霉素可以杀死几种细菌，包括葡萄球菌和链球菌，但对某些细菌如伤寒杆菌无效。2）青霉素对非细菌细胞无害。这样从理论上讲，它可以成为副作用小的抗生素，并可在人体内使用。这同以往的抗菌物质都不一样。消毒剂比如水银或苯酚，可以杀菌，但对人细胞也有毒性，所以不能用于体内。
但弗莱明的工作也有其局限性。他始终没有在受感染的动物中进行过测试，其根本原因是无法得到纯的或高浓度的青霉素。有三个瓶颈他始终无法克服：1）无法提取高浓度的青霉素, 纯度最多只达到1ppm或0.0001%; 2）产量太低; 3) 无法解决青霉素的不稳定问题。青霉素在提纯的过程中往往失活。
由于拿不到浓缩品，弗莱明对“霉汁”里的青霉素是什么东西判断不清——他当时认为是一种酶。
弗莱明的工作没法继续进行并不仅仅是他本身的局限性，而是更系统性的问题：疫苗试验室里全是免疫学家和微生物学家，没有化学家。这种局限性也反映了实验室之父赖特的弱项。他长期忽视化学和统计。他亲手组建的团队不是一个完整的团队。以今天的眼光来看，短板很明显。
弗莱明于1929年发表了青霉素的体外数据：“关于青霉菌培养物的抗菌作用”。但由于三个瓶颈——青霉素的不稳定性，低纯度和低产量，使以后的科学家（包括他自己）很难做后续的工作。在随后的8年里，他的论文无人引用，在图书馆的角落里静静地落满了灰尘。
青霉素的继续开发需要一个完整的团队。而这个团队出现在9年后离圣玛丽医院不到60英里的牛津大学。团队的主要成员个性鲜明，相互之间矛盾重重，但才能高度互补。以今天的眼光来看，牛津团队都离完美相差甚远。但就是这样一支团队，在战火纷飞的年代, 克服现实中的重重困难和人性的种种缺点，将一个已被世人遗忘的发现从故纸堆里找出来，打磨掉锈渍，让青霉素焕发出应有的光芒，把它从科学的发现转变为临床的应用。
团队的领头人是霍华德•弗洛里 （howard florey），一位来自澳大利亚的医生。他身材修长，年轻时酷爱体育。1922年1月23日，凭借着罗德奖学金，刚获得医学博士的23岁的弗洛里来到牛津大学的病理系进修。在一串串闪闪发光的名字中间，弗洛里无疑是第一个改变世界的罗德学者。
两年之后，在发表了4篇论文后，弗洛里又获得了洛克菲勒基金会的资助，在美国的几个实验室轮流做科研。1927年他从剑桥大学获得了病理学的博士学位，并随后留校任教。1935年回到牛津大学成为威廉•邓恩病理学院的主任。
弗洛里才华横溢，热爱科研，一周有7天在实验室里工作。他性情生冷，做事简单粗暴，不擅于和人打交道。他的婚姻是一场灾难。他的夫人艾塞尔也是一个医生，是他在澳大利亚医学院的同班同学。他们1926年结婚，等到了婚姻第5年时，两人已经势同水火。他们经常召开互相控诉大会——她指责他故意破坏她的事业，并悍然宣布他有口臭；他抱怨她不讲卫生、性冷淡、做饭难吃，甚至指出她“不是一个生理上正常的女人”（她耳聋）。
弗洛里执管邓恩病理学院后的第一个任务是雇请优秀的生物化学专家。恩斯特·钱恩（ernst chain）是来自德国的一位化学家，比弗洛里小8岁。他的父亲是来自俄罗斯的犹太人，母亲是德国人。1930年，刚获得化学博士学位的钱恩离开德国来到英国从事科研工作。他有用之不竭的奇思妙想和惊人的记忆力。在实验室里，他就相当于今天的科技文献互联网索引。很多同事向他请教时，他都能准确地指出相关的论文，期刊的名称和页数，甚至一字不差地把原文的重要段落背下来，以及那个段落在论文的第几页上。他还是一个钢琴演奏家——在1933年时，钱恩还在科学和音乐两个事业选择上犹豫不决。长期的音乐训练赋予了他灵巧的双手和细至纤毫、举重若轻的实验技巧。他的缺点是傲慢，对别人总是毫不掩饰自己在智力上的优势。他个儿不高，留着小胡子，头总是微微前倾，一副“随时准备攻击”的样子。
幸运的是，团队的第三位成员是比钱恩小5岁的诺曼•希特利（norman heatley）。他是土生土长的英国人，身材颀长，举止优雅，性格温和，为人谦虚。希特利是剑桥大学毕业的生化博士，也是一位机械天才——他能在最短的时间把多余的零配件、别人丢弃的垃圾和日常用品组装成一台台能高效运转的实验装置。他是实验室里的万金油和问题解决者——他集电工、水管工、木匠、机械工、焊工、玻璃工、光学技工于一身。也就是说，希特利是最理想的实验室同事。即使在今天，他也是每个实验室最梦寐以求的人才。
1936年，25岁的希特利加入了邓恩学院。他的顶头上级是30岁的钱恩，学院的首席生化学家，而钱恩的老板是38岁的弗洛里，学院的主任。即使是温雅如玉的希特利，初进实验室也受到了文化冲击，同事、上级尤其是钱恩的自大和野心令他震惊。希特利本来是归钱恩管，但经过几次冲突后，在弗洛里的默许下，他直接汇报给弗洛里。
1937年左右，弗洛里团队在研究溶菌酶时首次注意到弗莱明的1929年青霉素论文。但是是谁先读到这篇论文还存在争议——钱恩和弗洛里后来都坚持是自己先发现了这篇论文，然后推荐给对方。事情久远，已无法考证，但有一点是可以肯定的：在之前的8年里，弗莱明的论文的引用数为0。
阻止青霉素重见天日的根本障碍是，还没人能够成功地生产即使很少量的相对纯一些、稳定一些的青霉素。攻克这一障碍不再是一个单纯的科学问题，而变成了一个工程问题。而解决工程问题的最佳人选是希特利。在攻克很多具体问题时，弗洛里和钱恩要完全依赖希特利的双手和大脑的完美结合。
当希特利接手项目时，生产青霉素的现有方法是让青霉菌在厚度不超过1.5厘米的琼脂盘上充分生长。当霉菌的枝状菌丝体在琼脂表面上生长，变干后，在其表面上会形成黄色的“霉汁”，可用玻璃吸管收集。还有一些霉汁浸透到琼脂中，并使其变黄，也会被收集起来。
在不断观察、反复实验后，希特利在青霉素的生产和提纯过程中引进了几点创新：
1. 改进培养青霉菌的培养基和控制条件，增大产量并缩短其生长周期。比如在1939年12月份，他尝试在培养基里加入了啤酒酵母，发现虽然产量只有少许提高，但生产霉汁的周期却从3周缩短到10天。到1940年3月时，希特利已经一次能为钱恩提供100多毫克的青霉汁。
2. 他发明了定量测量抗菌活性的方法。测量活性是评估每批霉汁或青霉素的产率、纯度的前提条件。希特利发明了一个巧妙的方法：他在培养皿底部抠下几个小圆洞，然后用玻璃试管的圆底儿补上。培养皿上接种细菌，而不同量的霉汁加在散落在其间的玻璃凹底里。霉汁的活性可通过测量玻璃凹底周围的无菌环的半径来测量。
3. 把青霉汁转变为青霉素粗品。希特利改进了青霉素的纯化方法，通过加酸加碱来改变青霉素溶液的酸碱度，再在水相溶液和乙醚溶液之间多次萃取。弗莱明的青霉素样品的纯度只有1ppm，希特利制备的第一批霉素的纯度增加至0.02%，虽然也不高，但提高了200倍。
4．用改进的纯化方法，他也解决了稳定性问题。溶解在碱液中的青霉素粗品在室温下放11天都没问题。
希特利的样品为钱恩的下游实验提供了基础。他们尝试着把青霉素粗品注射到小鼠体内。和弗莱明一样，钱恩也一直认为青霉素是某种蛋白，是一种溶菌酶。但随着更多实验的完成，他们发现青霉素可以穿过玻璃纸的筛孔，又不会引起小鼠的免疫反应。青霉素不可能是蛋白！另外，令他们惊喜的是，青霉素对小鼠没有毒性。理想的抗生素只杀死细菌，而不损害宿主细胞。他们意识到青霉素有可能就是这种理想的抗生素。
在战争年代，能心无旁骛地做科研是一种奢侈。很多天的上午，团队的所有成员需要去装沙袋，加固实验室，为即将到来的德国空袭做准备。下午才是科研的时间。就是在这种条件下，他们完成了一次又一次的实验。
1940年5月25日, 弗洛里用化脓性链球菌感染了8个小鼠。中午12点，两只小鼠被服用了10毫克青霉素（粗品），另外两只服用5毫克。这4只小鼠又在4点15分，6点20分和10点追加服用了相应的剂量。5月26日凌晨3点28分，对照组的4只小鼠都已经死亡。而给药组的4只全都活着。青霉素第一次在小鼠中被证明对化脓性链球菌感染有效。
在实验室值最后一班的是希特利。当等到对照组最后一只小鼠倒下时，他放下实验记录，解脱、欢乐、幸福已充溢着他的全身。他4点钟离开实验室。迎着天边的第一道曙光，希特利在空空荡荡的街道上骑着自行车。他仿佛在云中飘行。在那个凌晨，他见证了即将改变世界的奇迹。
在实验室的奇迹发生的同一天，英吉利海峡对面的法国也在上演着奇迹。被德国纳粹军队压迫到敦刻尔克的英国陆军的主力开始从海上成功撤离。四年以后，英国和盟国军队在诺曼底重返欧洲大陆。这一次，他们装备了10万单位的青霉素。
（未完待续）
下期预告：
牛津大学医院里病人使用的16个便盆为什么不翼而飞？青霉素是如何缔造美国现代制药工业的？请看《青霉素传奇》（续）。5月5号星期六推送，敬请关注。
参考资料也将在下集文末列出。
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