头孢菌素—药物史系列4
除了青霉素类抗生素，如青霉素钠、青霉素钾、氨苄西林钠、阿莫西林、哌拉西林等，我们平时还会使用一种很常见的头孢菌素类抗生素，如头孢氨苄、头孢羟氨苄、头孢唑啉钠、头孢拉定、头孢曲松钠等。头孢菌素类药物因抗菌、杀菌能力较强，且在临床上的毒性较低，和青霉素类药物相比，出现过敏性反应的几率较低且更加稳定可以口服，因而在临床中应用地较为广泛。头孢菌素类药物常用的约有 30 多种。头孢菌素和青霉素同属于β-内酰胺类抗生素，都提取自真菌，且具有相似的结构和药效，因此人们将头孢霉素称为青霉素的孪生兄弟。下面我们就来介绍一下头孢菌素的历史。
1 顶头孢霉菌
几乎在青霉素面向公众推出的同时，寻找更好的抗生素的研究就已开始。因为没有一种万能抗生素，包括青霉素，有些细菌对它有耐药性，有些患者则对它过敏。如果没有替补，依然会失去很多生命。二战结束一年后，青霉素发现者亚历山大弗莱明就警告人们青霉素可能会变得无效。在1945年接受诺贝尔奖时，弗莱明详细描述了青霉素将如何走向失败。而头孢菌素的发现，使得新一代抗菌药物的问世成为可能。更加令人意外的是，头孢类抗菌药物开启了一个抗生素的“黄金时代”。
很早以前人们就发现在使用青霉菌发酵青霉素时，发酵液中多多少少的还同时有与青霉素类似的另一种抗生素，但当时科学家并不知道这种抗生素就是头孢菌素。从青霉素开始，科学家越来越意识到自然界处处存在可能成为药物的天然化合物，因此科学家习惯于四处收集土壤样本。头孢菌素的发现，就是来自意大利撒丁岛卡利亚里大学的医学教授约瑟佩·布洛祖，从撒丁岛排污河中的顶头孢霉菌中提取出来的。
二战结束时，意大利许多城市因为卫生条件落后而发生了伤寒流行，但卡利亚里有一个地区，虽然人们在一个排污的河流中游泳并吃河里的生鱼，却少有生病者。布洛祖教授注意到了这一情况，他认为河中可能有对抗病菌的物质，并很可能是由河中的微生物产生。于是他用琼脂糖培养基培养河水，得到了一种顶头孢霉菌。
这些顶头孢分会泌一种物质，可以有效抵抗引致伤寒的伤寒杆菌。但这种物质不稳定，难以纯化。经过多次试验，使用过滤、离心、提取（水、乙酰、丙酮等多种溶剂），最后得到了一种混合状态的物质。布洛祖把包含了有效物质的混合物用于临床试验，得到了令人振奋的结果，特别是对于葡萄球菌感染及伤寒有特效。
二战战败后，意大利并没有资金支持科研。幸运的是，布洛祖把一份头孢制剂和相关说明送给了撒丁岛上的盟军军医布莱思·布鲁克少校，希望能够引起重视。布鲁克少校咨询了英国医学研究委员会，委员会中的一位学者推荐了钱恩的诺奖伙伴兼同事弗洛里。1948年，弗洛里收到了布鲁克少校的信，于是他立即联系布洛祖得到了菌株，然后组织牛津大学的盖·纽顿和爱德华·亚伯拉罕等人开始研究。
2 头孢菌素的发现
研究整整持续了六年，爱德华·亚伯拉罕等人陆续从顶头孢霉菌中分离了三种头孢类化合物：头孢菌素P、N、C，但后来的人们发现头孢菌素P和N其实都不是头孢菌素，其中头孢菌素P其实是一种甾体，而头孢菌素N其实是青霉素N。因此头孢菌素C是人类发现的第一种头孢菌素，其对酸和酶的稳定性要好于青霉素且毒性小，但抗菌效果一般。1957年，本丹·凯利和在克里夫登的同事们得到了一种突变菌株，可以大量产生头孢菌素C。
1959年，盖·纽顿和爱德华·亚伯拉罕使用霍奇金博士发明的X射线晶体学方法，对新抗生素的化学结构进行了鉴定。然后他们就头孢菌素C和头孢菌素的核心结构7-氨基头孢烯酸（简称7-ACA）申请了专利。在这一研究中，科学家们发现头孢菌素的核心是7-氨基头孢烯酸，是从头孢菌素C中衍生出来，并已证实与青霉素的核心结构（即6-氨基青霉烷酸，6-APA）相似。
之后，牛津大学研究人员进一步从顶头孢霉菌中制备出了具有抗菌效用且对β-内酰胺酶稳定的7-ACA。它对葡萄球菌的抗菌活性是头孢菌素C的几百倍。不过，这些都还停留在实验室的小量制备，要想成为药品，必须能够找到大规模生产的方法。
3 头孢菌素的生物合成路径
随着顶头孢霉生理特征研究的深入，生物学家开始将工作重心集中在头孢菌素C的生物合成路径的研究上。头孢菌素的生物合成始于三个主要氨基酸的非核糖体缩合：L-α-氨基己二酸，L-半胱氨酸和L-缬氨酸，以产生三肽δ-（L-α-氨基己二酰）-L- 半胱氨酰-D-缬氨酸（或其缩写，ACV）。在该途径的第二步期间，发生三肽环合反应以形成异青霉素N，这是该合成途径中第一个具有抗生素活性的中间体。异青霉素N通过双酶系统（酰基辅酶A合成酶和酰基辅酶A消旋酶）和辅酶硫酯水解转化为青霉素N。随后青霉素N通过扩环酶将五个原子的噻唑烷环扩展成六个二氢噻唑环，转化为脱乙酰氧基头孢菌素C。头孢菌素生物合成的最后一步是将脱乙酰头孢菌素C乙酰化合成头孢菌素C。
基于人们对于青霉素和头孢菌素的生物合成路径的认知，现在人们利用基因工程方法，增加扩环酶基因，相当于将“调节阀门”打开，同时利用基因工程方法使流向青霉素合成的基因“关闭”，使头孢霉素的合成“流”加大，既可增加头孢霉素的合成产量，同时大幅度的减少青霉素的合成。这也就是现在所说的代谢工程。青霉菌经过这样的技术改造，可以在工业上大量生产头孢霉素。
4 头孢菌素的产业化
为了把头孢菌素推向市场，牛津大学公开对外授权这一专利。一直致力于开发新一代抗生素的礼来、葛兰素史克参与到这场竞争中。在获得牛津大学授权之后，礼来制药集中人力和资源，尝试各种途径，采取了化学裂解法来大量制取7-ACA（PS：后来人们从微生物中找到了头孢霉素酰化酶，它可以直接将头孢霉素的侧链切下，获得头孢霉素母核）。通过实验，研究者发现7-ACA的抗菌效果、抗菌谱和安全性仍然无法达到要求，必须对这一化合物进行进一步修饰才有可能得到更为优良的头孢菌素。
当时人们对于药物的构效关系研究还不够深入，但基于对于青霉素结构的了解以及其他药物结构修饰的经验，礼来公司最终在1964年推出了第一种的头孢菌素类药物—头孢噻吩，商品名Keflin。这时距布洛祖教授在地中海发现顶头孢霉菌已经过去了差不多20年的时间。头孢菌素类药物头孢噻吩首次在医院亮相时， 由于它不用像青霉素那样要做皮试，使大家牢牢地记住了它。这种新的化合物治疗细菌感染性疾病极其有效，且副作用少。头孢菌素能有效对抗置人于死地的葡萄球菌，包括对青霉素存在耐药性的菌株。葛兰素史克研发的头孢菌素Ⅱ也于同年上市，虽然一度因为可以肌注、血药浓度高等原因更受欢迎，但因不宜口服等因素，逐渐让位，在今天主要作为兽药用于动物感染。
5 头孢菌素构效关系和作用机制
随着合成化学的发展，人们可以通过化学方法合成大量不同结构的头孢类衍生物，因此了解头孢菌素的构效关系变的越来越重要。基于前人工作的总结，头孢菌素的构效可以粗略归结为以下几点：（1）7位用甲氧基取代可增加β-内酰胺环的稳定性。（2）β-内酰胺环、双键和羧基是活性必需结构。（3）环中的硫原子可影响抗菌效果，可以被其他原子取代，如O和CH2。（4）通过3位取代基的改造可以提高抗菌活性，改善药代动力学性质。（5）7位酰胺基改造可扩大抗菌谱，提高活性。
头孢菌素的作用机制与青霉素类似，都是通过抑制细菌细胞壁生成而达到杀菌的效果（PS:由于动物细胞没有细胞壁，所以其对于动物毒性很小）。首先头孢菌素与转肽酶结合使其失活，进而抑制多肽的链接，最终阻碍糖链的形成，造成细胞壁缺失。
6 抗生素黄金时代
由于头孢类药物毒性小、抗菌性强以及易于修饰改造等优点，头孢类药物一经上市就迅速获得了医生和患者的青睐，从而开启了一个抗生素的黄金时代。随后50多种头孢类药物陆续问世，各大药企纷纷云集头孢类药物的开发，由于抗菌药物的药物效果验证起来比较容易，因此，其“短平快”的研发过程使其成为众多制药公司的最爱。第一代头孢菌素类药物的早期品种均为注射制剂，1967年，礼来公司开发出第一个可口服的头孢菌素类药物头孢氨苄，随后可口服的头孢拉定和头孢羟氨苄等也相继问世。
在头孢药物开发的热潮中，有两大重磅药物最值得关注，一个就是罗氏的罗氏芬，一个就是礼来开发的希刻劳。礼来公司因为在抗菌药物上的成功，迅速从一家小药厂成长为一家享誉世界的药厂。随后，礼来制药相继推出多种头孢菌素制剂，其中1979年的第二代头孢菌素产品希刻劳（头孢克洛）成为世界上非常畅销的口服抗生素之一。该药1985年即取代头孢氨苄成为当年全球最畅销的抗生素，并连续10个年度作为世界第一畅销抗生素排名世界十大畅销药物行列，在医生处方量与零售药店销售额方面均居世界抗菌药物首位，成为名副其实的“重磅炸弹”药物。
罗氏公司研发的第三代头孢药物—头孢曲松，命名为罗氏芬，于1982年首先在瑞士上市，20世纪90年代初已在全球28个国家地区获得注册，是头孢菌素类抗生素的发展史上的“里程碑”药物，在其最辉煌的岁月里，销售额高达10亿美元。罗氏芬已列名世界卫生组织基本药物标准清单，为公卫系统所需最有效和最安全的药物之一。
牛津大学的科学家盖·纽顿和爱德华·亚伯拉罕通过专利许可费，两人得到了巨额的利润，而他们捐献了大部分利润，设立多个基金会从事慈善工作。到20世纪末，牛津大学得到了他们3000万英镑的捐赠。头孢菌素的专利许可费用总计达到了惊人的1.5亿英磅。
经过半个多世纪的发展，头孢菌素已经发展到了第5代。至今为止，头孢菌素仍然是最大份额的抗感染药。据报道，2015年全球头孢菌素及其复合抗生素市场规模为119亿美元，占全球药品市场9507亿美元的1.3%。据中国医药工业信息中心PDB数据，2010年头孢菌素占国内抗感染药金额的比例最高，达46.7%（93.4亿元/200.1亿元），此后平缓下行，至2016年1季度，占比下降至36.1%（22.5亿元/62.3亿元）。
7 结语
头孢菌素的发现和开发都建立在人类前期对于青霉素认知和了解之上，因此头孢菌素的发展历史相比于青霉素要顺利和平淡许多，但这些都不影响头孢菌素在药物史上的地位。在青霉素对于许多超级细菌束手无策的时候，头孢菌素的出现很好的缓解了这些难题。如果说青霉素的发现使人类进入了抗生素时代，那么头孢菌素的出现则开启了抗生素的黄金时代。