关于青霉素，你不可不知的背后故事
青霉素是世界范围内第一个应用于临床的高效、低毒、广谱的重要抗生素。它的研制成功大大增强了人类抵抗细菌性感染的能力，带动了抗生素家族的诞生。它的出现开创了用抗生素治疗疾病的新纪元。
然而20世纪40年代以前，人类一直未能掌握一种能高效治疗细菌性感染且副作用小的药物。当时如果有人患了细菌性感染一类的疾病，那就意味着灾难降临。
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、链球菌等。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。
为了改变这种局面，科研人员进行了长期探索，然而在这方面所取得的突破性进展却源自一个意外发现。
一、惊不惊喜，意不意外？
1928年,英国细菌学家亚历山大·弗莱明（Alexander Fleming ，1881-1955）首先发现了世界上第一种抗生素——青霉素，这是一次因幸运的“过失”而创造的奇迹。8月的一天，弗莱明出去度假，但他忘了自己还在实验室培养葡萄球菌，器皿的盖子还没盖，细菌全部暴露在空气中。
当他9月3日回来时，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。天呢，他看到了惊奇的现象：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。在用显微镜观察这只培养皿时，弗莱明发现，霉菌周围的葡萄球菌菌落已被溶解。这意味着霉菌的某种分泌物能抑制葡萄球菌。此后的鉴定表明，上述霉菌为青霉菌，当时弗莱明将那种神秘的物质称为青霉素。
1929年，弗莱明发表了他的研究成果，遗憾的是，这篇论文发表后一直没有受到科学界的重视。
弗莱明在论文中提到青霉素可能是一种抗菌素，但仅此而已。此后他没有开展观察青霉素治疗效果的系统试验。他给健康的兔子和老鼠都注射过细菌培养液的过滤液——进行青霉素的毒性试验，但从未给患病的动物注射过。如果当时他做了这方面的试验，这种“神奇药物”很可能会提早10年问世。
由于当时技术不够先进，认识不够深刻，弗莱明并没有把青霉素单独分离出来。
二、弗莱明的贡献与局限
弗莱明关于青霉素的几点发现在科学上具有开创性意义：
（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。有三个瓶颈制约了他：
（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。
由于这三个瓶颈——青霉素的不稳定性，低纯度和低产量，使以后的科学家，包括弗莱明自己，很难做后续的工作。在随后的若干年里，他的论文无人引用。
三、超强给力的团队
青霉素被认为20世纪最伟大的发明之一，但它从一个科学现象到变成真正的治病救人的药并不简单。如果历史仅仅停留在弗莱明的发现阶段，恐怕今天也没有青霉素了。但历史就是这样，在创造世界的同时也在不断创造着奇迹。
在弗莱明论文沉寂了近10年后，一个超强阵容的研究团队出现了，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，另一位是恩斯特·钱恩（Ernst Chain），来自德国的化学家，比弗洛里小8岁。第三位是比钱恩小5岁的诺曼·希特利（Norman Heatley）。他是土生土长的英国人。
青霉素在历史上有着极其特殊的地位。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，由英国牛津团队继续开发，将它推向世界舞台。这存在偶然，但最终也是历史的必然。
既然青霉素可以杀死葡萄球菌，就有可能杀死能使人致病的细菌，1938年，德国化学家厄恩斯特·钱恩在旧书堆里看到了弗莱明的那篇论文，于是开始做提纯实验。直到1940年，英国的病理学家弗洛里(H.W.Flory)和德国的生物化学家钱恩(E.B.Chian) 通过大量实验证明青霉素可以治疗细菌感染，具有治疗作用，并建立了从青霉菌培养液中提取青霉素的方法。同年，这个团队给8只小鼠注射了致死剂量的链球菌，然后给其中的4只用青霉素治疗。几个小时内，只有那4只用青霉素治疗过的小鼠还健康活着。此后一系列临床实验证实了青霉素对链球菌、白喉杆菌等多种细菌感染的疗效。
1941年前后，这个团队开始对青霉素的分离与纯化，并发现其对传染病的疗效，但是青霉素会使个别人发生过敏反应，所以在应用前必须做皮试。所用的抗生素大多数是从微生物培养液中提取的，有些抗生素已能人工合成。
通过一段时间的紧张实验，牛津团队终于用冷冻干燥法提取了青霉素晶体。之后，弗洛里在一种甜瓜上发现了可供大量提取青霉素的霉菌，并用玉米粉调制出了相应的培养液。在这些研究成果的推动下，美国制药企业于1942年开始对青霉素进行大批量生产。
到了1943年，制药公司已经发现了批量生产青霉素的方法。当时英国和美国正在和纳粹德国交战。这种新的药物对控制伤口感染非常有效。
青霉素在二战末期横空出世，迅速扭转了盟国的战局。战后，青霉素更得到了广泛应用，拯救了数以千万人的生命。到1944年，药物的供应已经足够治疗第二次世界大战期间所有参战的盟军士兵。因这项伟大发明，1945年，弗莱明、弗洛里和钱恩因“发现青霉素及其临床效用”而共同荣获了诺贝尔生理学或医学奖。
在半个多世纪里，人们利用各种传统的遗传学方法对产生青霉素的菌种进行大量的改造，不断改进培养基和发酵条件，不断地完善发酵设备及有关设备，对发酵工艺控制等方面作了大量工作，使青霉素的生产水平不断提高。
在青霉素开发的过程中，牛津团队并非完美。团队主要成员来自三个不同的国家，他们有过争吵，有过猜疑，但这都丝毫没能影响他们对科学探究的脚步，虽然三个人性格不合，但才华高度互补。他们的世纪合作为改变人类命运做出了不可估量的贡献。
四、幕后英雄
最后我们来聊聊希特利。
众说周知，在青霉素诞生的历史上，从弗莱明，到弗洛里、钱恩、希特利，都做出了巨大的贡献。但是第二次世界大战结束后，弗洛里、弗莱明和钱恩因为青霉素而被授予诺贝尔生理或医学奖，而最年轻的希特利却无缘大奖，这是怎么回事？据说诺贝尔奖最多只能奖励3个人。
希特利贡献几何？
希特利是剑桥大学毕业的生化博士，也是一位机械天才，在青霉素的生产和提纯过程中他有过很多创新：
（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。
尽管如此，希特利最后还是与诺奖失之交臂，也许这其中尚有不为人知的其他原因，但无论如何，这都不能不说是一种遗憾。希特利是青霉素的幕后英雄，直到今天，这一点恐怕也是不争的事实。
本文参考公众号赛先生、中国科学院微生物研究所有关文章编写
