互动科普

黑死病（Bubonic plague）、天花、小儿麻痹症、艾滋病——在人类历史的时间轴上，总有一些特定的点，代表着某种疾病，它们改变了当时的社会环境，决定着医学及科学的研究范围，甚至提前夺去了很多伟人的生命。不过，有一种疾病贯穿了整条时间轴，成为人类无法摆脱的梦魇——这就是结核病（tuberculosis，简称TB）。从化石证据来看，早在50万年前，结核病就开始危害人类健康，无论贫富长幼，无论冒险爱好者还是禁欲自制者，都无法免受这种疾病的侵袭——结核病菌通过咳嗽、吐痰、说话等极为常见和简单的方式，就能在人群间传播。

在世界传染病致死率排行榜上，结核病位列第二，仅次于艾滋病。尽管现有药物能治愈大多数结核病患者，但每年仍有200多万人因此丧生。主要原因是很多人未得到有效治疗，而那些获得药物的人又常常不能坚持治疗。

同时，结核病本身也在迅速“进化”，甚至比医学技术进步的速度更快。最近几年，科学家发现了一个令人担忧的现象：越来越多的结核病患者对多种主流药物都产生了耐药性。更可怕的是，能抵抗所有抗生素的结核病菌已经出现。

在发展中国家，结核病的威胁尤其巨大：90%的发病病例和98%的死亡病例都发生在这些国家，不仅给当地人们带来无限痛苦和悲伤，还累及国家经济。在15～54岁的人群中，结核病的发病率高达75%。据估计，今后10年，世界上最贫穷的国家为了对付结核病，将花费1万亿～3万亿美元，政府不得不减少在其他领域的支出，将有限资源更多地划拨给医疗卫生领域。发达国家也无法独善其身：虽然在这些国家，结核病发病率相对较低，但如果高度耐药的结核病菌开始在人群中蔓延，形式将立即逆转。

尽管情况不乐观，但希望仍在。利用最先进的分子生物学技术，科学家能以前所未有的精度，深入研究结核病菌与人体间的复杂作用，获得有价值的信息，开发出新型诊断技术和药物疗法。

短暂的成功

1882年，德国内科医生罗伯特·科赫（Robert Koch）首次发现了导致结核病的“元凶”——结核分支杆菌（Mycobacterium tuberculosis，Mtb），它们既能在人体内潜伏，也可以非常活跃地攻击人体。在潜伏期，免疫系统会抑制这些杆状细菌的繁殖，保护人体组织免受侵扰。在这一阶段，病人不会表现出任何症状，也不具有传染性。结核杆菌的潜伏期可能长达几个月、几年，甚至几十年，在这期间，它们不会迅速繁殖，也不会使宿主发病。大约90%的结核杆菌携带者终身不会发病，其余10%的携带者则会饱受疾病困扰，尤其是那些免疫力低下的人群，比如年幼的孩子、艾滋病患者或正在接受化疗的病人。

在发病患者体内，结核杆菌处于活跃状态，会在免疫系统作出有效反应前迅速繁殖，并向其他器官扩散。作为一种喜欢富氧环境的好氧菌，结核杆菌尤其偏爱肺部：75%的结核病患者肺部会发生病变，且情况各异。随着病菌数量增多，它们将摧毁肺部，引发严重咳嗽、胸闷、咳血等症状。在结核杆菌的强力攻击下，其他器官同样脆弱不堪（活跃的结核杆菌几乎能伤害所有器官）。儿童体内，结核菌可能侵袭脑脊柱（cerebrospinal column），引起高烧，并伴随全身休克（即脑膜炎，meningitis）。如果不及时治疗，50%的结核病患者会死亡，其中大多数死于肺部严重受损。

100年前，面对结核病的肆虐，人类无力还击，只能将患者送到疗养院隔离，限制疾病的传播。那时，结核病又叫做“痨病”，发病区域覆盖了世界大部分地区。1921年，法国巴斯德研究所的免疫学家阿尔贝·卡尔梅特（Albert Calmette）和卡米耶·介朗（Camille Guérin）研制出第一种可以预防结核病的疫苗，标志着人类开始向结核病发起反击（最初，科学家认为这种卡介苗可同时适用于成人和儿童，但后来一系列全面测试发现，它只对部分儿童起持续的保护作用）。

22年后，美国微生物学家塞尔曼·瓦克斯曼（Selman Waksman）领导的研究小组发现了链霉素，尽管有些副作用，但它是第一个能有效治疗结核病的药物。瓦克斯曼的发现开启了一扇创新之门，上世纪50年代，新抗生素陆续出现，弥补了链霉素的缺点，成功治愈了很多结核病患者。

在富裕国家，医学技术的进步大大降低了结核病的发病率，“疗养院”时代就此结束。上世纪70年代，很多科学家认为，结核病已被彻底打败，将不再危害人类。但实际上，随着国际交流日趋频繁，最大规模的疫情才刚刚开始。更糟糕的是，受影响最严重的恰恰是最穷困的人群——那些最贫穷国家的人民，不久之后他们还将面对新的致命病毒HIV。

今天，首个抗结核病药物问世已有半个多世纪，但世界卫生组织估计，世界上仍有1/3的人（超过20亿人）感染结核杆菌，每年约有800万结核杆菌携带者发病，而每个发病者每年至少会将病菌传染给10～15人，导致结核病继续蔓延。

艾滋病的暴发使结核病的威胁更为巨大。如果一位艾滋病患者同时携带结核杆菌，他的发病几率将是非艾滋病结核杆菌携带者的30～50倍，因为HIV会破坏免疫系统，让人体无法抵抗结核杆菌的侵袭。事实上，结核病是导致艾滋病患者死亡的第一诱因。世界范围内，1/3的艾滋病患者死于结核病，而在医疗条件极差的非洲撒哈拉沙漠以南地区，这一比例上升到1/2。即便能获得抗结核病药物，艾滋病患者的健康状况依然很可能恶化——抗HIV的药物与治疗结核病的主流药物可能发生相互作用，危及人体健康，因此病人往往不得不中止艾滋病治疗，直到结核病得到有效控制。

超强耐药菌

不过，最让人担忧的是，结核杆菌的耐药性越来越强。是什么原因导致了现在这个局面？这得从结核病的治疗方法说起。目前采用的治疗方案都是上世纪60年代开发的，整个过程非常复杂，需要联合使用上世纪五六十年代问世的4种主流药物：异胭肼（isoniazid）、乙胺丁醇（ethambutol）、呲嗪酰胺（pyrazinamide）和利福平（rifampin）。治疗过程中，患者要在医护人员的直接监控下，服用130份药物。只要患者能遵循医嘱，持续接受6～9个月的治疗，上述药物组合就能有效克制活跃的、尚对药物敏感的结核杆菌。

耐药菌株的产生，往往是由于病人感觉病情好转，或出于某些原因药物供应跟不上，致使疗程中断，让病菌获得充足的时间进化出耐药性。耐药菌株一旦出现在某位病人体内，就会通过该病人向人群蔓延（正因为如此，有些机构认为，如果病人不接受完整的治疗还不如根本不治疗）。

据世界卫生组织统计，每年800万新增病例中，近5%的患者体内都存在耐药菌，能抵抗异胭肼和利福平这两种广泛使用的抗结核病药物。这类病例叫做“耐多药结核病”（multidrugresistant TB，MDR-TB），一般来说是可以治愈的，但需要使用具有严重副作用的非主流抗结核病药，疗程可能长达两年，治疗费用是普通结核病的1,400倍。由于耐多药结核病多发于贫困国家，人们通常不会采用成本高昂的治疗方案，再加上很多耐多药结核病患者并未得到合理诊断，因此在世界范围内，大约只有2%的耐多药结核病患者得到了妥善治疗。

最糟糕的是，近几年的健康状况调查显示，广泛耐药结核杆菌已悄然扩散。2006年，广泛耐药结核病（extensively drug-resistant TB，XDR-TB）在南非夸祖鲁纳塔尔省暴发，患者体内的结核杆菌几乎能抵抗所有非主流抗结核病药物。这一事件引起全球关注，多家报纸头条刊登了相关新闻。虽然广泛耐药结核病没有耐多药结核病那么普遍，但广泛耐药结核杆菌仍可能不断进化和扩散——危机笼罩着所有正在使用非主流抗结核病药物的地区。世界卫生组织的记录表明，截至2008年6月，49个国家已经确认发现了广泛耐药结核病病例，这还只是个很保守的数据，因为到目前为止，只有少数国家的实验室能鉴别广泛耐药结核杆菌。

药物研发屡战屡败

如果把抗结核病药物研发进度过缓，归咎于科学家错误地认为20世纪50年代开发的主流药物足以对付结核病，对科学家来说是不公平的，也掩盖了部分事实。由于绝大多数结核病患者都集中在最贫穷国家，大型制药公司从上世纪50年代后，基本未继续投入大量资金研发新型抗结核病药物。目前，制药巨头普遍认为，每研发一种新型药物，平均需要投入1.15亿～2.4亿美元，花费7～10年时间，这样的投入远远超过抗结核病药物可能带来的回报。

不过，得益于政府计划和比尔与梅琳达·盖茨基金会（Bill and Melinda Gates Foundation）等私人慈善组织的资助，许多研究项目正在开发新型抗生素，用来治疗耐药结核病，并且缩短普通结核病的治疗时间。

少数前景良好的新药已开始早期临床试验。其中，一种名为SQ109的药物能阻止病菌细胞壁的合成，最近刚刚完成Ⅰ期 （安全性）临床试验；另一种候选药物是PA-824，不论结核杆菌是在高速分裂还是缓慢生长，该药物都能发挥攻击作用。科学家对PA-824寄予厚望，希望它能够显著缩短结核病的治疗时间。目前，PA-824已处于Ⅱ期（有效性）临床试验阶段。

然而，上述药物能否通过试验检验尚属未知：历史上进入早期临床试验的候选抗生素中，最终成功上市的不足10%。抗生素的研发成功率为何如此低下？最主要的原因是，科学家的研发理念已经过时。15年前，新抗生素的研制总是遵循一条简单规则：首先寻找一种对细菌生存极为关键、在人体内又不存在类似物的酶；接着，从药物库中筛选出对这些酶具有强力抑制作用的化合物（即酶抑制剂），并利用化学合成技术，制造更多的抑制剂衍生物；然后，根据某些药物特性，比如看它们能否从胃部顺利进入血液循环，从衍生物中选取适合用作药物的物质。即便是大型制药公司、经验丰富的药物开发科学家，使用这种方法开发新型抗生素，也都屡战屡败。

因此，在对抗结核病的战场上，遍布着失败候选药物的“尸体”，其中很多都是关键病菌酶的强力抑制剂。有些候选药物虽能有效抑制从细菌里分离出的酶，但用活的结核杆菌进行试验时，它们却失效了。还有些药物能在试管里杀灭或抑制结核杆菌，但在患病动物体内，却威风不再。研制抗生素时，试管和活体试验结果不一致向来是困扰科学家的大难题，而针对结核杆菌的试验则是最极端的案例。大多数时候，对于候选药物为什么失效，科学家也是一头雾水。问题的关键在于，细菌是一种自主的生命形式，能迅速适应外界威胁，并作出恰当反应，唯有这样，它们才能在进化的无情选择中存活下来。细菌就像今天的飞机，拥有各种形式的救险装置：旁道、故障保险、紧急备份系统等。正如科幻电影《侏罗纪公园》 （Jurassic Park）中，杰夫·戈尔德布拉姆（Jeff Goldblum）扮演的角色所说：“生命总能找到生存方法。”在我们真正弄清结核杆菌与人体间的复杂作用前，抗结核病新药的前景依然模糊。让人欣慰的是，我们已取得了很多进展。

全新的研发手段

1998年，科学家完成对结核杆菌基因组的测序（本文作者巴里三世曾参与了该项研究），这是人类认识结核病的一个重要转折点，也让我们对结核杆菌有了更深入的认识。最重要的发现是，在所有与结核杆菌在人体内生存相关的酶类和化学反应中，我们在进行试管试验时，只考虑到了其中的1/3！我们发现，结核杆菌基因组中的很大一部分，都在编码用于合成和降解脂类的蛋白质，这些蛋白质或许可以用作药物靶标。分析结核杆菌基因组时，我们还得出了一个令自己都感到吃惊的结论：结核杆菌完全可以在没有空气的环境中生存——这个与传统看法相反的结论如今已得到证实。在无氧环境中，结核杆菌的新陈代谢减缓，更不容易受到现有抗生素的影响。如果我们能让无氧环境中仍在维系结核杆菌生命的代谢因子失效，无疑将缩短结核病的治疗时间。

把从结核杆菌基因组中挖掘的信息，转化成拯救结核病患者的药物和方法，将是曲折而艰难的过程。不过最近，科学家已经利用这些信息，在结核病诊断技术上取得了巨大进步。全球50%以上的新生儿都注射了结核病疫苗，但正是由于这一保护性措施，致使疾病诊断变得非常复杂。用于儿童的结核病疫苗含有一种低毒结核杆菌，虽然失去了致病能力，但仍能诱导儿童免疫系统抵抗结核杆菌。问题是，广泛使用的结核病诊断方法根本无法区分，免疫反应究竟是由致病性结核杆菌触发还是由疫苗引起。因此，从检测结果来看，结核杆菌感染者与注射过疫苗的人的情况几乎相同。

在结核杆菌基因组测序阶段，美国西雅图的科学家曾发现，用于生产结核病疫苗的低毒病菌缺失了一大段DNA序列。法国巴斯德实验室、美国阿尔伯特·爱因斯坦医学院和华盛顿大学的科学家通过研究证实，这段序列正是致病性结核杆菌所必需的。因此，科学家也许可以利用这段缺失序列，来提高结核病诊断技术的精确度：如果能找到一种方法，专门鉴别由结核杆菌致病因子引起的免疫反应，就可以将感染者和注射过疫苗的人区分开来。事实上，相关诊断方法早在2005年就已问世，并通过了美国食品及药品管理局（FDA）的认证，最近许多研究也证实，这一方法的确能准确诊断结核病。遗憾的是，该方法成本高昂，目前仅在发达国家使用。

在寻找结核杆菌潜在致命弱点的过程中，基因组序列并非唯一数据来源。如今，从细胞内的所有蛋白质（蛋白质组学，proteomics）到所有基因编码的mRNA（转录组学，transcriptomics），再到细胞代谢的中间产物与最终产物（代谢物组学，metabolomics），细胞的各种成分和生化过程都已成为科学家的研究对象。虽然这些研究尚处于初始阶段，但已硕果累累。

2008年11月，本文作者巴里三世与同事在《科学》杂志发表文章称，当用试验药物PA-824对付结核杆菌时，病菌转录组作出的反应就像接触了剧毒物质氰化钾（potassium cyanide）一样。该发现是一个重要线索，意味着在药物代谢过程中，结核杆菌会释放一氧化氮（nitric oxide），而一氧化氮通常是人体免疫细胞产生的防御分子。根据巴里三世的发现，我们和其他研究组正在合成新的药物，以刺激结核杆菌释放更多的一氧化氮，从而达到比PA-824更好的抗结核病效果。

作为以上研究方法的补充，结构基因组学（structural genomics）可以揭示结核杆菌所有蛋白质的三维结构。在结核杆菌内，很多蛋白的功能还是一个谜，而结构基因组学研究则有望揭开谜底，帮助科学家设计和合成新型药物，攻击病菌关键蛋白质上的特定位点。这一研究策略被很多科学家看好。一个由17个国家的科学家组成的国际协会正全力研究结核杆菌的结构基因组学。至今，该协会已鉴定了结核杆菌内约10%的蛋白质的结构。

另一个值得关注的“组学”分支是化学基因组学（chemical genomics），这是一个新兴研究领域，完全逆转了传统药物研究的流程。以前，药物开发都是从已知功能的蛋白质入手，寻找能够抑制该蛋白活性的化合物，而化学基因组学的研究流程则是从具有某种理想特性（如能在细胞培养过程中阻碍结核杆菌复制）的已知化合物开始，逆向寻找会被这种化合物削弱活性的细菌酶。此类化合物可以是任何化学物质——既可能是化学实验室里合成的分子，也可能是从植物、微生物甚至动物体内分离出来的物质。上述化合物的作用，就是严格筛选易受影响的酶或者生化过程，科学家将根据病菌的这些“弱点”开发新的药物。

化学基因组学研究的好处在于，我们能借用自然选择的力量对付结核杆菌。在发现人类这个“优良宿主”前，结核杆菌和其他分支杆菌只能寄生在相对恶劣的环境中，它们不得不通过无休止的“军备竞赛”，与其他数不清的细菌争夺食物，整个细菌生态系统经历过多个轮回的自然选择。在大多数情况下，分支杆菌都是进化的“失败者”，在细菌世界中处于受控制的地位——生态系统中的细菌多样性可以证明这一点。如果科学家能从“优势细菌”的“武器库”中，挑选出适用的“武器”，就可以开发出一系列全新的抗结核病药物。这并不难办到：利用“组学”方法，识别“优势细菌”的防御分子，从中筛选出具有抗结核病能力的物质，并确定它们在结核杆菌上的作用目标。这样一来，我们就可以摧毁结核杆菌的整个生命系统，而不是单单针对某一个生化过程或蛋白质（如果仅破坏某一个目标，病菌很可能还有备用机制）。

“复制”结核杆菌

要全面发挥“组学”方法的威力，我们还需要借助先进的信息技术，来分析研究中得到的大量数据。事实上，应用于生物学的信息技术已发展成一门独立学科——生物信息学（bioinformatics）。只有在生物信息学工具的帮助下，科学家才有希望清除药物开发的另一道障碍：“突发特性”。所谓突发特性，是指生物系统的某些行为特征有时无法通过生物成分的基本生化性质来预测，比如知觉就是脑部生化过程的突发特性。

体外结核杆菌的一种突发特性是，它们倾向于形成“结状”结构——外形弯曲，就像麻绳表面。这样的表面结构是病菌表面分子间复杂作用的结果，但从表面分子的性质分析，根本预测不到这种结构的形成。在人体内，结核杆菌的表面分子和免疫细胞之间的相互作用会形成肉芽瘤（granuloma）——由人体细胞和细菌构成的、药物难以渗入的大体积集合物，这也是结核杆菌和人体细胞间的相互作用导致的突发特性。

在生物信息学的协助下，我们希望能弄明白，当结核杆菌在体外试验中受到新型药物攻击时，病菌内4,000个基因、相应蛋白质和代谢副产物之间如何相互反应。过去10年中，我们也开始整理人体研究数据，了解结核杆菌在病人体内如何活动。这一切工作的目标，都是为了在计算机上“复制”结核杆菌——也就是说，通过计算机程序模拟结核杆菌，让它的行为和真实结核杆菌在人体内的表现一样。这是一个极为重要的突破，科学家可以据此准确预测哪种细菌成分可以成为最佳药物靶标，哪些候选药物才能最有效地攻击药物靶标。

要实现这个目标，科学家首先得详细了解结核杆菌的所有生化过程（即一系列生化反应），鉴别出由这些生化过程导致的更多突发特性。这是个非常艰难的任务，现在还有大约1/3的结核杆菌蛋白功能尚属未知，更别说与此相关的生化反应和突发特性了。不过，根据目前的研究进度，我们相信在未来20年内，就会诞生一个完整的计算机模拟结核杆菌，它将与试管里，甚至人体内的“同伴”表现得完全一样。

当然，对抗结核病的最好方法就是预防，而不是患病后再治疗。为此，科学家正在研发比卡介苗更有效的结核病疫苗。一些研究人员试图改进现有疫苗；还有些人则致力于开发全新疫苗。但目前此类研究注定会屡战屡败，因为我们根本不知道现有疫苗为何失效，也不知道如何在不进行人体试验的情况下预测疫苗的有效性。

对于疫苗能够有效预防的疾病，初次感染恢复后人体就会获得免疫力，此后不会再次感染。但对于结核病，初次感染却没有这样的保护能力。因此，基于减毒结核杆菌开发的疫苗并没有太好的预防效果。尽管单纯依靠计算机模拟结核杆菌的不断完善就能大大加速抗结核病药物的开发，但要研制有效的结核病疫苗，就必须同时在计算机上模拟结核杆菌和人体。只有这样，我们才能系统地研究病菌变化对人体产生的影响。

马尔科姆·格拉德威尔（Malcolm Gladwell）在他的畅销书《引爆流行》（The Tipping Point）中，把“引爆点”定义为“改变势头变得不可阻挡之处”。现在，我们就处于一个“引爆点”上：人类对更精确的结核病诊断技术、抗结核病药物和疫苗的需求，已强烈到无以复加的地步。虽然还有大量工作等待我们去完成，但随着人类基因组和结核杆菌基因组的破译，世界各国投入空前的人力物力来对抗结核病，局势改变的势头已不可阻挡。