抗生素的發明、演進與困境

 
2018/09/03 陳彥旭 | 高雄醫學大學醫學系     667
 

抗生素的發明與應用,是拯救人類性命最重要的里程碑,除了使無數的感染症患者因而得救,也讓參與此項發明與運用的三位科學家於1945年榮獲諾貝爾醫學獎。

 

關於抗生素的發明與應用,首先要從大家熟知的盤尼西林(penicillin)的發明與生產說起,這雖是一場美麗的意外,卻也是人類智慧發揮的極致,值得讀者細細品味與思考。

 

關於發明盤尼西林的三位科學家分別為亞歷山大.佛萊明(Alexander Fleming)、霍華.佛羅理(Howard Flory)以及鮑利斯.錢恩(Ernst Boris Chain)。由於佛萊明博學多聞與敏銳觀察事物之特質,在一次受汙染的金黃色葡萄球菌實驗中,他發現黴菌汙染處的周邊無法生長金黃色葡萄球菌,而深入探究其原因,進而發現青黴菌(Penicillium notatum)之黴汁具有某種物質可以殺死細菌,他稱之為青黴素,也就是大家所熟知的盤尼西林,並將其發現發表於1929年的《英國實驗病理學期刊》(British Journal of Experimental Pathology)。之後,分別由來自澳洲的牛津大學病理系主任霍華.佛羅理負責青黴素之生物實驗,以及旅英的德國生化學家鮑利斯.錢恩負責青黴素之化學分析與純化,也開啟了盤尼西林未來能臨床應用於人類之路。經過多位科學家與藥廠共同努力,最後讓此藥物於第二次世界大戰末期實際商業化;當時不僅救助許多感染症患者及受傷感染的軍人,而成為改變世界歷史的一雙幕後推手。

 

青黴素的發明,使人類在與致病微生物之間的戰爭中獲得勝利,同時發現原來不同微生物間也可能會彼此產生一些物質互相對抗,使人類進入一段抗生素研發的黃金歲月。另外,受到這項發明的啟發,許多科學家及藥廠投入更多的心力,不論是上山下海,甚或到外太空去尋找新的微生物及其產物來研發新的抗生素。因此,之後的數十年中多種新一類抗生素如雨後春筍般陸續被發明與上市,也因此產生了多位諾貝爾獎得主,例如1952年的生理醫學獎得主賽爾曼瓦克斯曼(Selman Waksman)係於1944年發現了第一個治療肺結核的抗生素「鏈黴素」(streptomycin)而獲獎。這段黃金歲月中人類在與微生物之間的戰爭不斷領先,甚至造成有些人過度樂觀地認為人類將從此不會因為感染症而致病或者死亡。

 

抗生素的發明確實是人類對抗疾病相當重要之里程碑,迄今仍持續拯救無數的生命。然而,微生物也是另一類的生命體,它也在尋找其出路。微生物擁有幾項人類所沒有的優勢,例如:它們是百萬大軍,一滴痰液中就有上百萬的微生物,只要有少數具抗藥性的微生物能存活,就可能讓抗生素之治療失效;微生物分裂產生下一代所需的時間極短,如大腸桿菌約數十分鐘就分裂產生下一代,甚至可能隨時突變,以應付外在惡劣的生存條件;微生物間存在非常好的分享工具,當同種或不同種的微生物相接觸就有機會產生接合管,分享彼此的基因,包括抗藥基因或毒性基因等,讓彼此變得更強壯。

 

種種優勢使具抗藥性之微生物也迅速出現,例如:金黃色葡萄球菌在盤尼西林上市後約五年,就在人類身上發現具盤尼西林抗藥性之金黃色葡萄球菌,而讓盤尼西林在某些病人身上失效。同樣的歷史在許多類新的抗生素身上不斷重複。除迅速產生抗藥性外,藥廠研發新一類抗生素的利潤也越來越少。其原因包括研發成本越來越高,從研發一種新抗生素至上市約需10億至20億美金之成本,以及政府對於新藥上市的法規也越來越嚴謹,造成越來越少的藥廠願意研發新的抗生素。

 

1960年代後迄今約莫50~60年,人類就只有3~4種新一類抗生素被發明,也因此人類逐漸面臨所謂「後抗生素時代」(post-antibiotic era),亦即人類可能面臨遭遇俗稱「超級細菌」(多重抗藥性細菌)感染,卻沒有抗生素可用的困境。因此,近年來,世界各國都在與時間賽跑,努力推廣所謂「抗生素管理計畫」 (antibiotic stewardship program),希望藉由各種適當管理機制,減少不必要之抗生素濫用,進而減緩抗藥性產生的速度。此外,許多先進國家也以政府的力量,除運用政府補助和快速通關等方式,鼓勵更多藥廠願意投入新一代抗生素之研發,或者在抗生素之外,尋求另一種出路來治療感染症。

 

微生物與人類間亦敵亦友的關係,相信還有相當長的一段路要走,如何聯合好的微生物對抗致病的微生物,甚至化敵為友,在在需要更多人類智慧的投入以及產官學研的通力合作。

 

(本文由科技部「主題科學傳播」執行團隊撰稿)

責任編輯:郭啟東/國立中山大學
 
 
 
  • 延伸閱讀:
     
    • Rethinking antibiotic research and development: World War II and the penicillin collaborative. Quinn R. Am J Public Health. 2013;103(3):426-34.
    • Antimicrobial Stewardship Programs: Principles and Practice. Cunha CB. Med Clin North Am. 2018;102(5):797-803.
     
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