Jerome Horwitz(1919-2012)。 图源: WALTER P REUTHER LIBRARY, WAYNE STATE UNIVERSITY
导读：
科学探索的过程有时像海底寻宝，很难预定何时能够成功。从最初失败的抗癌药物到全球首个抗艾滋病药物，齐多夫定的故事，就是科研曲折中的一个意外收获。 如今，尽管新一代抗HIV药物不断涌现，作为开创性药物，齐多夫定的历史地位和科学价值仍然不可忽视。在2024年世界艾滋病日到来之际，让我们一起回顾这款药物从研发到临床应用的曲折过程。它是一款60年前为治疗癌症而合成的药物，最初在动物实验阶段就被淘汰了。然而，在被束之高阁的二十多年后，它却意外成为第一个获批上市、用于治疗艾滋病的药物，为早期绝望的HIV感染者带来了生的希望。20世纪60年代，人们对艾滋病还一无所知，医学界的大量精力与经费都投入到癌症的治疗研究中。那时人们对癌症的了解也非常限。科学家抱着试试看的心态，把很多哪怕只有微小潜力的化合物都拿来做生物测试，但真正具有抗癌活性的药物寥寥无几。
此时正在韦恩州立大学（Wayne State University）医学院任职的杰罗姆·霍维茨（Jerome Horwitz），不满于这种“撞大运”似的随机筛选方法，他希望依靠更理性的策略来寻找对抗癌症的新药。
霍维茨的思路是合成一种“诱饵分子”，这种分子与细胞内的天然组分有微小的结构差异，一旦以假乱真的被酶利用，就能干扰癌细胞的复制。
实际上，他的这一策略源自格特鲁德·B·埃利恩（Gertrude B. Elion）和乔治·H·希钦斯 （George H. Hitchings），这两位化学家早在1951年就开发出巯嘌呤 （6-mercaptopurine）。那时DNA的化学结构还没有被完全确认，人们只知道核酸中含有碱性的芳香杂环化合物：嘌呤和嘧啶。人工合成的巯嘌呤和生物中天然存在的腺嘌呤有相似的结构，它可以竞争性地抑制嘌呤的转变过程，干扰肿瘤细胞的复制。在小鼠和白血病患者的临床试验中，巯嘌呤效果明显，在其被合成出来仅两年后，就被美国食品与药物管理局（FDA）批准用于白血病的治疗。
巯嘌呤（左）和腺嘌呤（右）分子结构式对比
到了60年代，人们已经知道DNA是由4种脱氧核苷酸通过3',5'-磷酸二酯键聚合而成的大分子。基于巯嘌呤成功的先例，霍维茨就把研究兴趣放在核苷酸类似物的开发。
霍维茨先将脱氧胸苷(Thymidine) 3位上的羟基进行磺酰基化，然后再与一些亲核试剂反应，就合成出来一组新的核苷酸类似物，这其中就包括带有叠氮基团（N3）的齐多夫定（azidothymidine, AZT）。霍维茨在60年前报道的合成路线，如今看来也十分简洁。叠氮是一个廉价易得的亲核试剂，所以经常被用来改变分子的构型，只不过当时将含有叠氮基团的分子用作药物还是一个相当大胆的尝试。
1964年报道的齐多夫定合成路线。现在的有机合成中，叠氮化钠（NaN3）比霍维茨当年所用的叠氮化锂（LiN3）更常见。
天然脱氧胸苷（T）与齐多夫定（AZT）的分子结构式对比
霍维茨期待这些核苷酸类似物能像巯嘌呤一样作为诱饵分子，一旦被酶利用进入DNA中，就能杀灭癌细胞。然而事与愿违，多次的动物实验都表明，这些化合物对于白血病等癌症并没有显著疗效。后来，人们还测试过AZT的抗菌活性，但结果一样令人失望。霍维茨事后回忆，测试结果对他的打击犹如“当头一棒”，他只能暂时放弃AZT的药物实验。因为生物活性测试的结果不佳，霍维茨当时都没有为这些核苷酸类似物申请任何专利，但他还是将合成方法发表在1964年美国化学会的Journal of Organic Chemistry期刊上。这也成为有关AZT分子的第一篇公开报道。
''My colleagues and I said that we had a very interesting set of compounds that were waiting for the right disease''
----Jerome P. Horwitz (参考文献4)
值得一提的是，20多年后当AZT一举成名，另一位生化学家理查德·贝尔茨（Richard Beltz ）也站出来宣称他早在1961年就合成了这种分子。他还曾把1克AZT 交给耶鲁大学以测试抗癌活性，后同样因为无效而放弃了继续研究。遗憾的是，贝尔茨当时只关注了药理研究，而忽视了合成本身的意义，他什么也没有发表。由于除了贝尔茨事后的回忆，没有公开的论文可以佐证他的发现，所以他错失了成为合成AZT第一人的机会。这似乎是”Publish or Perish”的一个很好的例证。
“Dr. Horwitz was properly given credit of being the first to synthesize AZT. I have never disagreed with historians about this, because it was simply my own fault that I didn't get a paper out on it in 1962 or 1963. By 1964 it was too late.”
----Richard Beltz (参考文献5)
20世纪80年代初，美国的洛杉矶、旧金山和纽约等城市逐渐出现了一些不明原因的严重免疫系统受损病例。患者在本应身强体健的年龄，患上了肺孢子虫肺炎或卡波西肉瘤等罕见疾病。这类病症起初集中在男同性恋群体中出现，但很快扩散到其他人群，在多国引发了健康危机。1982年9月，美国疾病管制与预防中心（CDC）将该类病例统一命名为获得性免疫缺陷综合征（AIDS，中文译为“艾滋病”）。1983年，法国巴斯德研究所的科学家从艾滋病患者中成功分离出人类免疫缺陷病毒（HIV）。
在艾滋病流行初期，感染HIV就几乎等于宣告了死亡，医学界急切地寻找应对这种疾病的方法。1984年，研究人员确认HIV是一种逆转录病毒，这为治疗艾滋病药物的开发指明了方向。
随后，宝来威康公司（Burroughs Wellcome，现为葛兰素史克的一部分）重新注意到沉寂多年的AZT分子，并发现AZT在体外试验中具有保护T细胞免受HIV病毒攻击的效应。
与大多数以脱氧核糖核酸（DNA）储存遗传信息的生物不同，作为逆转录病毒的HIV将其遗传信息存储在核糖核酸（RNA）中。根据分子生物学中心法则，这些病毒为了实现自身的扩增，必须得到DNA。于是，它们需要在逆转录酶的帮助下，先由RNA逆转录合成 互补DNA （cDNA），再由cDNA转录出RNA。这和生物体细胞内通常的转录顺序正好相反，故称为“逆转录”。
分子生物学中心法则。图源：wikipedia
正是在这个逆转录过程中，与核苷酸结构相似的AZT发挥了作用。由于核酸3位的羟基是HIV病毒合成互补DNA的重要识别位点，AZT分子在体内转化成活性的三磷酸核苷衍生物后，一旦通过“欺骗”逆转录酶纳入DNA的结构中，这种假胸苷就使得其后无法再继续添加构建模块，从而阻止了病毒的复制过程。
AZT在之前的抗癌测试中表现不佳，是因为它对于 HIV 病毒的逆转录酶有比对动物细胞的DNA合成酶有高得多的亲和力，因此在低浓度时主要抑制HIV病毒的复制，并且对人体细胞的影响较小。但在高浓度时，AZT三磷酸体还是会干扰细胞的 DNA 合成酶，抑制人体细胞的分裂，从而产生一定的毒性。
AZT抑制HIV病毒DNA合成的机理。图源：参考文献6
宝来威康随即将AZT作为抗病毒药物申请了专利保护，并在1986年初迅速开展了治疗艾滋病的随机双盲对照临床试验。美国12个医疗点共招募了282名患者参与。研究者给145人患者服用AZT药物，137人服用安慰剂，看看哪个组效果更好。起初，无论患者还是医生都不知道谁服用了真实药物。然而，该实验短时间内就被揭盲。因为AZT药片味苦，副作用严重损害了胃肠道，导致恶心呕吐、食欲不振、甚至高烧症状，所以患者很快就知道自己服用了什么。一个月后，医生也知道谁服用了什么药物。因为AZT会抑制骨髓细胞增殖， 所以服用 AZT 的患者中近一半患有严重贫血，甚至需要输血，医生不得不对服药患者采用特殊的护理方式。
虽然开始的反应犹如给病情雪上加霜，然而一段时间后，奇迹出现了。在起初的痛苦过后，一些患者似乎有所好转——他们体重增加，盗汗、疲劳和神经系统问题等症状减轻或消失。更重要的是，使用 AZT 的患者生存率大大提高：安慰剂组已有19人死亡，而使用 AZT 的组只有1人死亡。
临床实验总共仅进行了 16 周就被叫停了，比原计划提前了两个月。因为科研人员认为，扣留一种可能挽救生命的药物是不道德的。而且，由于艾滋病在当时无药可治，很多患者把AZT当作唯一的救命稻草，如果他们意识到自己被分到安慰剂一组，他们通常就会在黑市上购买这种药物，所以随机双盲已经失去了意义。
美国FDA在已有数据基础上，认可了AZT在延长艾滋病患者生命方面显示出巨大的希望，并以极快的速度在1987年3月20日批准了该药物上市。从试验终止到获批上市只间隔了3个半月，AZT可能是现代临床实验制度建立以来最快通过审批的药物。
值得一提的是， 由于该临床实验实际上没有按计划全部完成，使用大剂量AZT药物的副反应也比较强烈，整个药物审批过程中并非没有反对意见，而且其中的一些争议甚至持续至今。
1984年刚就任美国过敏和传染病研究所所长的安东尼·福奇。图源：https://en.wikipedia.org/wiki/Anthony_Fauci
安东尼·福奇（Anthony S. Fauci）在艾滋病肆虐之际刚好就任美国过敏和传染病研究所所长，他在AZT药物的审批和上市生产过程中发挥了重要的积极作用。后来他在这一岗位任职长达38年，曾为7位美国总统服务，而福奇的名字真正家喻户晓是在新冠大流行期间，他曾多次呼吁美国民众普遍接种新冠疫苗。
最近，很多人还知道小罗伯特·肯尼迪（Robert F. Kennedy Jr.），他在2024年为了支持特朗普而有意退出美国总统竞选，后被特朗普提名为美国卫生部部长。这位未来的卫生部长，竟然是一位反疫苗活动家，他对福奇的主张有诸多不满。2021年，他出版了一本名为《Real Anthony Fauci》（《真正的安东尼·福奇》）的书。在题为“大流行模板：艾滋病和 AZT”的一章中，小肯尼迪认为福奇在 1980 年代让政府部门与制药公司串通一气，使 AZT 绕过了监管，成为一种不安全的药物，而且还一度是治疗HIV的唯一药物。之后小肯尼迪话锋一转，指责福奇在新冠大流行期间使用同样的伎俩。
2021年出版的《Real Anthony Fauci》，作者小罗伯特·肯尼迪是被刺杀的美国前总统约翰·肯尼迪的侄子。图源：https://en.wikipedia.org/wiki/The_Real_Anthony_Fauci
当霍维茨在1964年合成出AZT时，他肯定想不到这样一个曾经让他感到心灰意冷的化合物，在沉寂二十多年后一鸣惊人，不仅为陷入绝望的艾滋病患者带来了生的希望，还成为后来的政治人物制造阴谋论的素材。
无论小肯尼迪是否认可，主流科学界仍然支持 AZT 作为 HIV 治疗药物的有效性。然而，AZT药物只能约束HIV的复制, 并不能彻底清除病毒。HIV很狡猾，残留体内的病毒很快就能进化出抗药性。在复制过程中，具有抗药性HIV的逆转录酶可以识别AZT分子并阻止其进入DNA的构建。在临床实践中，人们发现如果单独使用AZT，疗效只能持续约一年的时间，之后血液中的病毒水平会重新上升。所幸在1987年AZT成功上市后，又有司他夫定(strvudine，d4T)，去羟肌苷（Dideoxyinosin, ddl）以及后来的骨干药物拉米夫定(lamivudine，3TC)等多种核苷酸类逆转录酶抑制剂出现，使AZT不再是治疗HIV的唯一可选药，并显著延长了HIV病毒感染者的生存期。
司他夫定、去羟肌苷与拉米夫定的分子结构式
1995年，伴随蛋白酶抑制剂沙奎那韦(saquinavir)的临床应用，美籍华人何大一博士提出鸡尾酒疗法，即HAART。这一策略是将两种核苷酸类逆转录酶抑制剂与一种蛋白酶抑制剂组合，形成高效抑制病毒复制的方案。正是这种治疗思路，将艾滋病由致死性疾病转变为可防可治的慢性疾病，何大一博士也因此成为1996年美国《时代周刊》年度风云人物。
近年来，整合酶抑制剂的出现又将HIV治疗推向新的高度，HIV感染者使用的一线骨干药物也在随之不断更新。
目前，AZT虽然仍位列我国为艾滋病患者提供的免费抗病毒药物名录，但已不再是必不可少。目前HIV患者较多使用是必妥维（Biktarvy®），一种三合一复方新药 ，其中包含整合酶抑制剂比克替拉韦（Bictegravir），以及恩曲他滨和丙酚替诺福韦两种逆转录酶抑制剂。该药可以非常高效的降低血液中病毒载量，且只有极低的耐药率和较少的不良反应。这种三合一复方单片，每日只需服用一次即可，也为患者带来了很好的服药体验。
图源：https://en.wikipedia.org/wiki/Management_of_HIV/AIDS
科学探索的过程有时就像海底寻宝，很难预见何时能够成功。从最初失败的抗癌药物到全球首个抗艾滋病药物，AZT就是一次在科研曲折中的意外收获。它不仅成功拯救了众多早期艾滋病患者的生命，也为后续抗逆转录病毒药物的开发奠定了基础。尽管一路坎坷，科学家仍在砥砺前行。如今，艾滋病已由早年的“必死之症”转变为 “慢性病”，给药的时间和方式也在不断优化。现在的HIV感染者也与早年患者的境遇大不相同，只要长期规范用药，就可以维持极低的病毒载量，就能打破母婴传播的路径，寿命也几乎和普通人无异。我们不妨保持乐观，好好生活。随着HIV的治疗策略和疫苗研发方面不断取得积极进展，我们有理由相信未来艾滋病是可能被彻底根除的。期盼那一天早日到来。
李研，化学博士，赛先生专栏作家。目前担任细胞出版社(Cell Press)旗下物质科学期刊的编辑。
1.Wikipedia: Zidovudine
2.孙建军, 卢洪洲. 艾滋病抗病毒治疗核心药物的变迁 [J] . 中华传染病杂志, 2019, 37(4) : 237-240. DOI: 10.3760/cma.j.issn.1000-6680.2019.04.011.
3.Jerome P. Horwitz, Jonathan Chua, Michael Noel, The Journal of Organic Chemistry 1964, 29, 7, 2076-2078
4.Marsa L (June 20, 1993). "Toxic Hope: Widely Embraced, the AIDS Drug is now under Heavy Fire". Los Angeles Times.
5.Brinck A. "Inventing AZT"
6.E. Clercq, J. Neyts, Antiviral Agents Acting as DNA or RNA Chain Terminators Antiviral Strategies, 2009, Volume 189, ISBN : 978-3-540-79085-3
7.Perspectives on HIV: Evolving Treatments: https://www.addimmune.com/perspectives-on-hiv-evolving-treatments/
8.AIDS Drug AZT: How It Got Approved 30 Years Ago, Time magazine
9.Samuel Broder, The development of antiretroviral therapy and its impact on the HIV-1/AIDS pandemic, Antiviral Research, 85 (1), 2010, Pages 1-18,
10.Wikipedia: Management of HIV/AIDS
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