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一代神藥盤尼西寧- 金牌抗生素的歷史沉浮,誰為中國帶來了青霉素|大象公會
一代神藥盤尼西林/青霉素金牌抗生素的歷史沉浮,誰為中國帶來了青霉素|大象公會
青霉素(青霉素的商品名:盤尼西林),曾經是"金葡菌"的一流殺手。它被發現于偶然,輝煌在"二戰"期間,沒落于自身濫用。它是二戰時期的美國神藥:盤尼西林,其制備技術被美國人播撒到了全世界,包括中國。
自青霉素橫空出世以來,至今90多歲了。它無愧于人類發明的抗菌神藥。青霉素的發明讓千百萬人的性命免遭病菌涂炭,讓人類一度望而卻步的細菌感染有了致命一擊的"殺手锏"。為此,1945年,三位科學家同時榮獲諾貝爾生理學或醫學獎。
文藝作品《陳毅市長》中,青霉素是被美帝國主義壟斷的神藥,黑暗落后的舊中國無法生產,國民黨政府不發展民族工業、不支持科學研究,人民只能高價購買洋藥救命。
提純青霉素,在二戰期間拯救了無數人的生命!許多抗日劇中對此都有驗證,《亮劍》中李云龍負重傷后,需要上級領導專門派人送去一盒珍貴的「盤尼西林」(青霉素的商品名)才得以幸免。其他想象力更豐富的影視作品里,青霉素更是要花費大量黃金購買、甚至通過特工行動奪取的神物。
其實,發現青霉素的故事,可能是科學史上最著名的偶然事件。1928年,英國人弗萊明度假歸來,發現度假前忘記清洗的培養皿中長出霉菌,殺死了周遭的葡萄球菌,由此發現了青霉素。
但弗萊明很快就發現殺菌的物質不在于霉菌本身,而是在培養液里。可是每當他嘗試將這種物質從溶液中分離出來時,卻發現它非常不穩定,在堿性或者高溫環境下都會迅速分解,即便在常溫下也會很快失活。所以弗萊明始終沒能成功分離出青霉素。
直到1939年,英國的生化學家錢恩(Ernst Chain)和弗洛里(Howard Florey)在一本積滿灰塵的《新英格蘭醫學雜志》上意外地發現了弗萊明的這篇論文。經過二人不懈的努力,他們對青霉菌培養物中的活性物質,青霉素進行提取和純化。終于使用凍干技術成功提純出青霉素晶體,才使它真正成為拯救生命的“神藥”。
經過18個月的艱苦努力,他們終于得到了100mg純度可滿足人體肌肉注射的黃色粉末狀的青霉素。同年8月,錢恩和弗洛里等人把對青霉素的重新研究的全部成果刊登在著名的《柳葉刀》雜志上。
華東理工大學藝術學院數媒160班的孫一文、李夢璇、胡曉宇、楊業海等幾名本科生制作《細菌殺手》的科普動畫短視頻
· 2008年電影《盤尼西林1944》中,抗戰敵我雙方為了爭奪兩箱青霉素展開激烈較量,造成大量傷亡
事實上,中國即使在抗戰時期也并非青霉素荒漠,美國更是早在1949年以前就通過各種渠道,向中國提供了青霉素的制備技術。
與傳說中美國「漫天要價」,堅持由美方人員操作進口美國設備的嘴臉截然相反,當時的美國既為中國捐贈過青霉素的生產設備,也培養和輸出了中國最早的一代青霉素專家,提供了他們工作必需的資料和菌株。
戰場上的盤尼西林
二戰的大部分時間里,無論國共、日本還是其他任何軍隊,都不可能搞到青霉素,因為這種新藥直到1943年才真正走出實驗室。
雖然1928年英國科學家亞歷山大·弗萊明就發現了青霉素,但直到1940年,錢恩、佛洛里、哈特利組成的牛津小組實驗室提取了青霉素結晶,才累積出足夠劑量用于臨床試驗。
1944年,二次世界大戰時,青霉素在醫治傷員感染時顯示了極大的威力。挽救了大量的士兵傷員,曾經輝煌一時。青霉素得到軍方支持后,走上了工業化生產的道路。戰后,青霉素得到了更加廣泛應用,拯救了成千上萬人的生命。因這項偉大發明,1945年,弗萊明、弗洛里和錢恩因"發現青霉素及其臨床效用"而共同榮獲了諾貝爾生理學或醫學獎。
由于牛津大學無法提供經費,且在專利問題上與研究者有分歧,佛洛里和哈特利于1941年7月前往美國,尋求政府支持,很快對接到了美國農業部的北方研究實驗室。
掌握了青霉素基礎技術的美國政府,篩選出三家企業,準備規模化生產青霉素。它們都是今天的制藥巨頭:輝瑞、默沙東、施貴寶。
1943年3月1日,輝瑞建成全世界第一座青霉素規模化工廠,擁有14個7500加侖大型發酵罐,產量每月4500萬單位,是原定預期產量的5倍以上。
作為盟國,中國也開始收到美國援助的盤尼西林。由于包括香港在內的沿海口岸已盡數喪失,這些物資只剩下駝峰航線一條通路。
· 當時的青霉素工藝并不完善,成品為黃色無定形粉末,需要冷藏儲存,即使美軍也不可能實現「每個士兵背包里都有一份青霉素」
戰爭時期,青霉素需求巨大,僅援華就要每月4億單位,幾乎是輝瑞首個工廠產量的10倍。為了保證供應,美國政府與輝瑞協商,將其研發的深罐發酵工藝包授權給其他19家藥企使用。
抗戰末期,國共雙方也都各自搞了一些土法盤尼西林,源頭都來自美國的培養和協助。
國民黨方面,「中國青霉素之父」、威斯康辛大學博士樊慶笙,帶回了美國醫藥援華會(ABMAC)提供的血庫(包括血庫設備凍干血漿制備技術),以及三支極其珍貴的菌種,其中第三支由威斯康辛大學捐贈。
在昆明,樊慶笙等人1944年9月5日在舊皮鞋上獲得了帚狀霉菌,通過液面培養法,研制出了中國第一批5萬單位/瓶的青霉素。
他們當時服務的中央防疫處(「中防處」),是中國第一個國家衛生防疫機構,也是今天北京生物研究所和天壇生物公司的前身。
· 1945年9月2日,中防處昆明大樓前全體職員慶祝同盟國勝利大會合影
延安領導青霉素生產的,則是長期在晉察冀工作、白求恩犧牲后擔任衛生顧問的傅萊醫生(Richard Frey),他被稱為「奧地利白求恩」。
1944年夏,傅萊醫生以救濟中國總會(UCR)晉察冀代表的身份,通過美國援華委員會(CAC)的幫助,于次年初從英美索取到了青霉菌菌種和相關研究資料,并制定出研制計劃。
土法生產初制青霉素的小作坊,設在了延安城東柳樹店中國醫大內,失敗50多次后終獲成功。
· 延安時期的中國醫大
這些土制青霉素產量極低,昆明每周產量僅50萬單位,大概有10瓶,到抗戰結束不過百來瓶,延安產量大概更不足道。
真正開始探索工業生產青霉素的,是抗戰勝利后的國民政府。
天壇旁邊的青霉素制造室
戰爭結束后,中防處回遷北京,于1947年元旦在天壇附近建成了青霉素制造室。
「天壇廠」的發酵、提煉以及冷凍、真空干燥等設備均來自美國醫藥助華會的捐贈,是中國當時僅有的抗生素生產場所,相當于一個示范廠或中試車間。
除了規模有限,制造室的主要問題是生產的青霉素效價太低,只有100單位/毫升。此外,發酵用的培養基是一種專用的玉米浸出液(制備淀粉和葡萄糖的副產品),國內無法生產,只能依靠美國進口。
留美的童村博士,于1948年1月試驗成功用棉籽粕替代美國進口用品,發酵效價大幅提升。制造室又在培養基中加入苯乙酸,產量進一步提高,效價最終達到750單位/毫升,可周產10萬單位/瓶的青霉素500-1000瓶不等。青霉素制造室還擴大干燥箱,啟用自動分裝器,加裝了更大的冷藏室。
· 童村畢業于約翰·霍普金斯大學,后師從北方研究實驗室與牛津小組直接對接的羅伯特·科希爾,學術路線完全嫡傳,是《陳毅市長》中老化學家的原型之一。左一為童村
1948年,中防處生產了11338瓶20萬單位/瓶青霉素,達到了戰時昆明產量的約100倍,共售出10143瓶,既補貼了研制經費,也惠及了病患。
像京津滬這樣的大城市,從此便有機會獲得實用化的國產青霉素,尤其是北京協和醫院。
天壇廠本來只是一個開始。
1945年,聯合國善后救濟總署決定為六個歐洲國家分別援建一座400億單位年產能的青霉素工廠。最終,除了蘇聯境內的烏克蘭和白俄羅斯,其他意大利、捷克斯洛伐克、波蘭、南斯拉夫四座工廠均建成。
· 1943年11月,43個國家建立了聯合國善后救濟總署,美國是發起國、最大捐贈者及其不少宏大計劃的主導設計者
在滿目瘡痍的戰后歐洲,青霉素援建的意義十分重大。世界衛生組織開始籌建后,青霉素援建計劃被轉給了世衛臨時委員會,成了后者的天字一號工程。
中國也一度被納入了青霉素援建計劃。1947年,在天壇廠的投產儀式上,劉瑞恒博士宣布了美國對華援助的青霉素三年生產計劃,而他擔任首席衛生官的行政院善后救濟總署正是對口于聯合國善后救濟署。
與歐洲各國的援建廠相比,天壇廠的投資和規模要小得多,美國醫藥援華會提供的設備僅1.6萬美元,而援助前者的工廠單個要投資25萬美元。
按照計劃,下一個規模更大的青霉素工廠,將興建在工業基礎更好的上海。1948年4月,童村調往上海,出任政府善后事業保管委員會青霉素實驗組兼任組長。
中防處的青霉素研制工作,則暫由馬譽澂主持,他于1948年8月受到國民政府衛生部派遣,前往加拿大多倫多衛生學院進修青霉素制造;次年春,他通過該院院長引薦,前往康諾醫學研究所附屬青霉素廠實習4個月。1949年夏,他又去美國進行3個月的青霉素生產考察。
· 1947年秋冬,馬譽澂(左)和童村正在做青霉素提煉工藝的試驗
其中,加拿大的多倫多大學和康諾研究所,都是美國援助東歐青霉素標準工廠的設計單位,馬譽澂的行程顯然是為中國引進相同的工廠做準備。
之所以要通過加拿大,除了青霉素工廠的大部分設備本來就產自加拿大,也是因為戰爭已經結束,美國政府強制企業授權的戰時安排已經難以為繼。因此,美國采取曲線方案,向加拿大提供青霉素生產授權,并通過該國援建海外青霉素工廠,以避免政府和本國私人企業的利益沖突。
不過,等到馬譽澂1949年8月回國的時候,中國的政權更迭已完成大半,北京、上海、南京都不再屬于他原先服務的政府了。
美國 · 加拿大 · 捷克 · 中國
馬譽澂赴北美進修考察時,青霉素的生產技術早已經歷了迭代和飛躍。
早在1944年上半年,加州埃默里維爾「謝爾發展實驗室」就利用沙氏離心機分離青霉素發酵液,回收效率從75%提高至85%。
1945年,芝加哥的化學工程師沃爾特·波得彼爾尼亞克利用自己的波氏逆流萃取器,進一步將青霉素發酵液回收效率提高至98%。更重要的是,這為提取臨床所需的有效組分維生素G創造了條件,生產白色、結晶的青霉素也變得更為容易。
馬譽澂在美國有沒有看到波氏逆流萃取器不得而知,但他肯定看到了青霉素結晶制備工藝,這是天壇廠不具備的。
參觀之后,他提出了從青霉素原始提取液中直接制取結晶的新工藝思路,并建議用醋酸鹽作結晶劑。
1949年8月,馬譽澂回到北京中央生物制品研究所(即原來的中防處和天壇廠),作為《陳毅市長》老化學家的原型之一,在新政權下主持青霉素研制工作。
· 馬譽澂等研制的青霉素鉀鹽晶體照片
1950年初,馬譽澂在研究所工廠內進行了中試放大,生產出了中國第一批結晶青霉素鉀針劑。
1952年8月,馬譽澂奉調華東工業部上海醫藥器械制造公司藥品三廠,任研究室副主任,與先前來此工作的童村會合,參與創辦中國第一家抗生素專業生產廠——國營上海第三制藥廠。
· 1953年5月,上藥三廠正式投產,從此成為中國抗生素工業的領軍企業,1980年代更名為先鋒藥業
除了工藝包、生產裝置、技術人員,上藥三廠在其他關鍵方面也不乏北美嫡傳,如其研究使用的W49-133無色青霉菌菌株,便是張為申博士從威斯康辛大學帶回的。
· 張為申還用白玉米面加少量乳糖,部分替代了原料中的進口乳糖。發酵時間因此延長后,他又通過補充無機鹽和增大通氣量等措施,對發酵時間予以控制
從援華委員會和醫藥助華會,到威斯康辛大學和北方研究實驗室的菌株和工藝,再到美國倡議建立的聯合國善后救濟署,中國的抗生素工業在美國或直接或間接的帶動下孕育而生,實現了艱難的起步。
不過,上藥三廠初期的生產工藝畢竟落后,其生產的青霉素一直有較嚴重的質量問題,尤其是結晶顆粒大,即使細致研磨,注射時還是容易堵塞針頭。
直到1956年,在捷克斯洛伐克的援助下,上藥三廠才完全掌握了青霉素的微顆粒結晶技術。
為什么是捷克斯洛伐克,而不是更直系親近的老大哥蘇聯?
因為,捷克斯洛伐克雖然沒有當時最先進的波氏逆流萃取器,但是有沙氏離心機,仍然是出自美國捐贈的加拿大改版青霉素工藝包。
關于現在網絡還在傳播的土法制取青霉素
為什么我說個人不可能呢?別的東西先不說,就說生產量你就不一定能達到
首先最最最重要的是你能不能拿到高產菌株。現代高產菌株的產量是最早弗萊明發現的青霉素菌株的20000倍以上。現代菌株是由紫外線誘變產生再篩選得來的,每個公司基本上成熟的菌株都是保密的,你能拿到嗎?
如果是想靠自然突變種,最好的自然突變種來自美國一個農場腐爛的哈密瓜,產量大致上是弗萊明最早菌株的200倍。
而弗萊明早期制取青霉素用作臨床實驗時,每個月才能生產出給1個病人使用1次的用量(1萬5千單位)。為了討論方便,假設咱們的安全點里就和弗萊明的實驗條件相同(實際上大多數安全點是不可能達到的)
根據1943-1944年的研究,青霉素治療淋病雙球菌需要24-48小時內給藥10萬-15萬單位(治愈率95%);治療arthritis, peritonitis,或其余系統性疾病需要每日給藥10萬-20萬單位,持續5-7天。
我就先一般性假設你準備生產的青霉素主要被用于治療一般感染,每治好一人,共需消耗30萬單位。(這消耗量已經很低了,因為還有抗藥性的存在)
假設使用了自然界中的最好菌株(200倍),那么每月能生產300萬單位,只能治療10人。注意!這可以說是早期工業化生產青霉素的水平了,小團體如果專攻這一方向可能還能達到,個人每個月能有一人量就強無敵了。為什么呢?咱們繼續說
生產青霉素有幾大難點,咱們就大概說一下
無菌
有人看到這里估計要懟我,青霉素不是殺菌的嗎?滅個屁啊?因為青霉素主要針對細菌,對它的同類真菌殺傷力很小。許多有害霉菌可以和青霉菌共生,它們分泌的真菌毒素有些具有很大毒性。更坑爹的是很多真菌毒素還十分穩定,加熱至180攝氏度也無法使其失活(比如一些毒蘑菇的毒素)。所以不是從單菌落長起的青霉千萬不要亂用,之前那個樓主的核桃嘛…………如果用他做菌株,絕對是涼了。而青霉素菌是典型的好氧菌,對氧氣需求量極大,因此在生長過程中必須不斷通入空氣,對此,空氣必須做到滅菌處理。這在安全點里如何做到?
溫度、濕度、pH控制
青霉發酵需要溫度控制在20-24攝氏度之間,相對于溫度來說,發酵的濕度不太重要,pH則是另一個重點,青霉的最佳生長pH為6.5,一旦超過8很容易死亡。然而青霉的代謝產物屬堿性,因此發酵裝置內的pH值上升很快——早期的一個生產探索方向是穩定培養液的pH值便于長期生產,但這個努力可恥的失敗了。
因此普遍采用的是短期生產法:發酵開始后不控制pH,只是監控pH變化,至pH=8時,結束發酵。這點和許多藥品的長期連續生產是不同的(也顯著提高了成本)。通常情況下,發酵第2-3日時開始有青霉素產出,持續4-5日后pH值到達界限,整個期間一共7-8日。這段時間可不能說太短,還得分出寶貴的勞動力去看管著
而且,我查到的發酵培養基里有這些東西
1% 葡萄糖溶液
80% 酒精
1% 乳糖
1% 碳酸鈣
0.4% 磷酸氫鈉
1.5g/L 磷酸二氫鉀
5g/L 硫酸鉀
12g/L 硫酸銨
8.5% 玉米發酵液
抗泡沫劑
苯乙酸(有就可以生產青霉素G,沒有就只能青霉素K了,抗菌譜相對窄)
這些可都是耗材,得備多少?
假設我們在安全點備上了全套的發酵設備,成功的保質保量生產了,別高興太早,還有提純等著懟你
當pH=2(中等酸性)時,青霉素可以從過濾后的菌液里被萃取到乙醚, 乙酸正戊酯或其他類似有機溶劑中。 但是,pH=2時,青霉素在室溫下極快速度失活(5分鐘失活99%),因此,這個萃取過程必須在4-5攝氏度下完成,而且越快越好,因為即使在4攝氏度下,青霉素依然失活得很快(4-5小時,失活70%),因此該步驟必須使用離心機(分離并去除所有不溶的雜質)。 當青霉素被萃取到有機溶劑里以后,加入pH在6-7之間的水溶液,并強烈搖晃,就可以把青霉素萃取回水相中。
而這一步僅僅是粗提,青霉培養液里還會產生熱原質,這種物質無法被粗提步驟去除。直接打就看運氣了……
粗提產物接下來有兩條路子走
A. 采用某種方法來檢測每個批次的pyrogen(熱原質)含量
這個方法倒是還成,就是要消耗實驗動物,安全點里面還要養小白鼠,雖然也可以當肉食來源,可是試驗用的小白鼠培育也是一個麻煩事
B. 進一步提純
兄弟,你這是瘋狂搞事啊
實際上,抗生素的生產是很復雜的,很多土法制造的就是在賭運氣,正兒八經造條件又過于復雜,歷史上,在1944年9月5日,我國自行研制青霉素成功,第一批出品僅5瓶,每瓶5000單位。其中兩瓶送往重慶,兩瓶分送英、美兩國鑒定,均獲好評。余下一瓶他們自己保存,據說至今仍珍藏于中國醫學科學院抗生素研究所。
我個人覺得,大部分人的安全點達不到44年我國實驗室的水平,現在還有老哥對土法制作能用的青霉素有信心嗎?除了提高身體素質以外還是乖乖囤貨吧
原文出自: 周小康,大象公會Elephantia原創
以上就是100唯爾(100vr.com)小編為您介紹的關于青霉素的知識技巧了,學習以上的一代神藥盤尼西寧- 金牌抗生素的歷史沉浮,誰為中國帶來了青霉素|大象公會知識,對于青霉素的幫助都是非常大的,這也是新手學習化工專業所需要注意的地方。如果使用100唯爾還有什么問題可以點擊右側人工服務,我們會有專業的人士來為您解答。
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