科学家们在青蒿素的发现过程中有哪些成功因素

摘要：青蒿素的发现被国际社会认为是中国继麻黄素之后的第二大医学贡献，屠呦呦研究员由于在青蒿素的发现中作出重大贡献而获得2011年度美国拉斯克临床医学研究奖。通过对青蒿素的发现过程和化学结构确定的简单介绍谈几点教学思考。
关键词：青蒿素 化学结构 发现过程 化学教学 天然产物
世界上影响人数最多的疾病并非现在深受关注的艾滋病，而是一种堪称“历史悠久”的疾病——疟疾，也就是俗称的“打摆子”，同时，它也是当今除艾滋病外，上升趋势最为显著的一种传染病，每年2～3亿人感染此病，200多万人死亡。19世纪从南美洲金鸡纳树皮中得到的奎宁曾成为最有效的药物，治愈了众多的疟疾患者。20世纪第二次世界大战后模仿奎宁基本结构而合成的一批新药如氯喹、伯喹也曾救治过无数的病人。但是20世纪60年代出现抗药性疟原虫后，以往常用的抗疟药（如氯喹、磺胺、奎宁等）的效果便不复存在，以至于造成了无药可医的局面，特别在东南亚、非洲地区情况更为严重。青蒿素类药物的出现以其副作用低且不易产生抗药性而被誉为“治疗疟疾的最大希望”。
2011年的9月23日，我国81岁高龄的女药学家屠呦呦被授予2011年度美国拉斯克临床医学研究奖，获奖理由是“因为发现青蒿素——一种用于治疗疟疾的药物，挽救了全球特别是发展中国家的数百万人的生命。”站在奖台上的屠呦呦说：“青蒿素的发现是中国传统医学给人类的一份礼物。”
1.青蒿素发现与获奖意义
1.1青蒿素的发现
青蒿是传统中药，在长沙马王堆汉墓中就有青蒿作为药物的文字记载。青蒿为常用中药，是一年生菊科植物黄花蒿的干燥地上部分。中药青蒿具有清虚热、除骨蒸、解暑热、截疟、退黄之功效，在中国有两千多年的沿用历史。青蒿素又名黄蒿素，是我国药学工作者1971年从菊科植物黄花蒿叶中提取分离到的一种具有过氧桥的倍半萜内酯类化合物。20世纪60年代疟原虫对原有的药物产生抗体而使这些药物失效，我国政府临时组织“523”工作组，专门寻找新的抗疟药，但没有找到有效药物。1969年原本处于科研停顿状态的中医研究院应“523”办公室的请求，中途加入了这一研究行列，屠呦呦研究员临危受命，承担抗疟新药研究的重任，终于在1971年成功用乙醚提取出青蒿素。
1.2青蒿素的获奖意义
青篙素被国际社会认为是中国继麻黄素之后的第二大医学贡献，其突出贡献是突破了60多年来“抗疟药化学结构不含氮（原子）就无效”的传统医学观念，发现了迥异于以前的新型化学结构，其快速、高效、无抗药性、低毒的特征令全球医学界为之震惊和欢呼。
屠呦呦研究员获得的美国拉斯克临床医学研究奖是迄今为止中国生物医学界获得的世界级最高大奖。青蒿素对疟疾的良好疗效，是中医药对许多疑难杂症能产生特殊疗效的最好证明。青蒿素的发现使人们重新认识中药，使世界对中药的疗效产生了浓厚的兴趣并寄予厚望。
2.青蒿素的发现过程
青蒿素的发现缘起于20世纪60年代疟原虫对原有的药物产生抗体而使这些药物失效。而中国开始进行抗疟疾的研究是为了一项秘密的外援任务。1964年，越南战争爆发，当时越南常年恶性疟疾流行，越南和美国两军都因疟疾严重减员。越南领导人向中国求援，希望中国帮助他们解决能够替代氯喹的抗疟新药。1967年5月23日，毛泽东指示在全国范围内开展相关研究工作，周恩来批示特设“523办公室”，包括遍布全国60多个单位的500多名科研人员，调动全国的力量展开抗疟战。然而，前期工作的开展并不顺利，1969年以屠呦呦为首的中国中医研究院的科学家应邀加入“523办公室”。此时国内多个省份的科研人员已经筛选了4万多种抗疟疾的化合物和中草药，但都没有令人满意的结果，屠呦呦研究员首先面临的问题仍是怎么找药。她从整理历代医籍开始，四处走访老中医，编辑了以640方中药为主的《抗疟单验方集》，继而组织鼠疟实验筛选抗疟药物。虽然通过研究发现青蒿素可能是治疗疟疾的良药，但动物试药后结果并不理想，屠呦呦研究员猜想可能是温度对青蒿素的提取存在重要影响。1971年10月4日，经历了190次的失败之后，在实验室里，屠呦呦研究员用乙醚从中药青蒿的成株叶子中提取了中性部分，恰是这部分物质对鼠疟、猴疟疟原虫具有100%的抑制效果。继而在1972年从青蒿中分离出这部分的活性物质——青蒿素。1973年经临床研究取得与实验一致的结果，抗疟新药青蒿素由此诞生。1975年青蒿素注射剂在临床试验中取得了良好的效果。1976年周维善等经研究证明青蒿素为一种含有过氧基的新型倍半萜内酯。1977年解决了质量标准问题。1978年上海药物研究所成功地对青蒿素的化学结构进行了改造，得到了疗效比青蒿素高许多倍的蒿甲醚。1984年，科学家们终于实现了青蒿素的人工合成。1985年，青蒿素注射剂在临床实验中取得了良好的效果。1986年青蒿素获得一类新药证书，并获得“国家发明奖”。然而，屠呦呦研究员并未停止前行，在1992年7月，其独创的双氢青篙素再次获得国家一类新药证书，其抗疟疗效高于青篙素10倍，并获得国家科委评选的1992年度“全国十大科技成就奖”。
3.青蒿素的化学结构确定
青蒿素（Artemisinin）又名黄蒿素，是一种具有过氧桥的倍半萜内酯类化合物。分子式为C15H22O5，分子量为282.34，具有过氧键和δ-内酯环，有一个包括氧化物在内的1，2，4-三恶烷结构单元，在自然界中是非常罕见的，它的分子中包括7个手性中心，结构如图1所示。青蒿素为无色针状结晶，熔点为156～157℃，易溶于氯仿、丙酮、乙酸乙酯和苯，可溶于乙醇、乙醚，微溶于冷石油醚，几乎不溶于水。因其具有特殊的过氧基团，对热不稳定，易受湿、热和还原性物质的影响而分解。
4.教学启示
4.1利用天然产物，开展化学实验教学
所谓天然产物，广义指地球上所有的自然界产物，如岩石、石油、动植物等。狭义指化学这一学科内，由动植物体内分离出来的具有某种结构的物质，这些物质往往具有特殊作用和经济价值。许多天然产物是人类生活中的必需物质。与天然产物相反的概念是化学合成物质，化学合成物质具有研发成本高、筛选命中率低、研发周期长以及毒副作用大等缺陷，但从天然产物中提取的物质则没有这些缺点，因此我们应当学会充分利用天然产物，利用大自然赋予我们的物质，尤其是本土的特色物质进行研究。青蒿素就是从我国特有的青蒿中提取出来的，这是利用本土特色天然产物成功研制出新产品的最好例证。在化学教学中，教师可以充分利用天然产物，如植物中的色素、土豆中的酶、大理石中的碳酸钙、甘蔗中的糖，蜂蜜中的糖，矿物中的有用物质等，开展化学实验教学，培养学生实践能力。
4.2传承与创新并存，完善化学教学
青蒿素是我国医药卫生科学工作者继承祖国医药学遗产，运用现代化科学知识和方法，从青蒿中提取出来的。青蒿素的成功制取借鉴了许多中国传统的中草药医书，例如东晋名医葛洪的《肘后备急方》、元朝《丹溪心法》、明朝《普济方》、明朝李时珍《本草纲目》等。然而这些医书的记载都不是很详细，且没有说明其科学依据，屠呦呦研究员就以这些医书作为重要参考，并从东晋葛洪的处方“青蒿一握，水一升渍，绞取汁服”中得到了灵感，再结合自己的思考和实验，终于成功地提取出青蒿素。
传承与创新相结合不仅是进行科学研究时的重要原则，同时也是我们平时做人做事的重要准则，在化学教学活动中同样需要坚持这一准则。教师不能一味否定前人的成绩，一味否定传统的教学方法，一味把教科书视为神圣不可超越的或已经过时，也不能把前人的成绩视为完美无缺，而应有传承与创新的意识，充分发扬过去好的化学教学内容和好的化学教学方法，同时吸纳外来的、适合本土的化学教学信息，不断完善我国现有的化学教学内容和教学方式。
4.3注重团队协作，提高整体实力
屠呦呦研究员因发现青蒿素而获奖，但是青蒿素的发现其实不是其1个人的功劳，而是“523项目”小组的共同成果，只是屠呦呦的功劳最大，而拉斯克奖又只能由个人获得，不能为集体颁奖，所以才将该奖项颁发给在此研究中功劳最大的屠呦呦1人。在青蒿素的发现过程中，中国科学家发扬集体主义精神，团结合作，不分彼此，打破各个学科相互封闭的传统研究模式。可以说，团队协作是青蒿素得以诞生的最根本原因，虽然屠呦呦研究员功不可没，但是仅靠其1人，也是很难获得成功的。只有团结协作，才有可能出现第2个、第3个青蒿素这样的旷世之作。
在化学教学上也是如此，只有组建教学团队，团结协作，锐意教改，有效教学，才能大幅度提高化学教学质量，才会培养出化学学科拔尖人才。
4.4咬定青山不放松，遇到困难不放弃
青蒿素的发现和提取并不是一蹴而就的，它是屠呦呦研究员经过190次的失败实验，在第191次实验中获得成功的。科学是严谨的，条件稍有差别，得到的产物就会有很大差别，无论是科学家的研究还是平常的学生实验，在得不到确定产物时，不应立即放弃，而应多角度地进行分析、多次实验，坚持下去，这样才有可能获得最后的成功。目前，中学化学实验教学在实施过程中虽然遇到较大的阻力，但只要我们锐意教学改革，克服实验经费困难和课时不足，利用替代物品，长期坚持课内课外教学内容相结合，千方百计开展一些课内外的探究实验，让学生多动手、多观察、多思考、多提问，学生的创新意识和实践能力就一定能够得到培养，学生的科学素养也就一定能够得到提高。