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VX神经毒剂的解药——藏在转基因羊奶中

知识分子 · 公众号 · 科学 · 2017-02-25 07:03

正文

►堆放在仓库中的VX毒剂。（资料图）

撰文 | 汤波（南方周末特约撰稿）

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VX毒剂由英国人在1952年首先发现，是目前毒性最强的神经毒剂，10毫克的VX即可致人死亡，杀伤作用可持续几小时至几天。近些年来，科学家发现人血清中的丁酰胆碱酯酶就是这种有机磷毒剂的特效解药，只不过这种解药在人体中存量极少，微乎其微。

2017年2月24日，马来西亚警方说，经过初步化验，13日死亡的朝鲜籍男子身上检测出化学武器VX神经毒剂成分。这让全世界再次见识了这种有机磷神经毒剂的恐怖威力。作为有机磷杀虫剂研发过程中的副产品，有机磷毒剂被发现能迅速侵入人体，破坏神经系统功能，少量毒气即可导致中毒者死亡，成为杀人于无形的大规模杀伤性武器。幸运的是，人体中竟然藏有这种神经毒气的解药，不过这种解药在人体中极其微量，人类还需要寻找到新的技术来大量生产它，才可能免受神经毒气之苦。

可怕的神经毒剂

上世纪30年代，德国人在研制杀虫剂时，发现含有有机磷的杀虫剂杀虫效果非常好，开发出一系列有机磷农药，成为应用最广泛、使用量最大的一类农药。

在研究杀虫剂同时，德国研究人员还意外发现，某些有机磷化合物不仅能杀死害虫，对人畜杀伤力也很强。德国纳粹政府很快意识到其军事价值，将这些有机磷毒物装到弹药中，将其开发成恐怖的化学武器，包括沙林、塔崩、梭曼。此次毒杀朝鲜男子的VX毒剂，由英国人在1952年首先发现，是目前毒性最强的神经毒剂，10毫克的VX即可致人死亡，杀伤作用可持续几小时至几天。之后，前苏联、英国、美国等国相继加入这些化学武器的研究和生产中，成为化学武器的主要生产国和拥有国。

有机磷化学武器在战争中使用次数并不多。1994年和1995年，日本邪教组织“奥姆真理教”教徒相继在长野县松本市和东京地铁制造了骇人听闻的沙林毒气事件，造成21人死亡及约7000人受伤，让日本乃至全世界的普通老百姓见识了这些化学武器的巨大危害。

有机磷化学武器之所以杀伤力强，是因为它能破坏神经系统正常功能，在短时间内造成人员伤亡，因此又被称为神经性毒剂。在正常情况下，乙酰胆碱是在神经系统中的一种传递神经信息的“信使”，有信息传递任务时，神经细胞会合成大量“信使”乙酰胆碱，“信使”将信息传送到下一个神经细胞后，会马上被一种叫乙酰胆碱酯酶的蛋白质分解。有机磷进入人体后，迅速与乙酰胆碱酯酶结合，破坏其分解乙酰胆碱的能力，导致乙酰胆碱大量堆积，引起中枢和外周神经系统功能严重紊乱，进而导致呼吸系统等器官衰竭，直至死亡。

由于杀伤力太强，沙林等神经性毒剂于1991年被联合国列为“大规模杀伤性武器”，并于1993年被《禁止化学武器公约》宣布其生产和储备为非法。之后《禁止化学武器公约》缔约国开始销毁沙林等化学武器，到2015年底，全球已有192个国家和地区签署了《禁止化学武器公约》，约90%的化学武器已经被销毁。

在国际社会的共同努力下，人类受到神经性毒剂等化学武器的威胁越来越小。不过，美国、俄罗斯等国仍保留数千吨的化学武器，少数国家没有签署《禁止化学武器公约》，而且伊斯兰国、基地组织等极端恐怖分子的活动日益猖獗，一旦这些恐怖分子拥有或生产出化学武器，对爱好和平的人们来说无疑是一个巨大的灾难。

►化武战争的景象：两位穿着化学武器防护服装的持枪士兵，摄于1991年2月。来源：ARMY IMAGE/MOD

►《禁止化学武器公约》。来源：opcw.org

►禁止化学武器公约成员国。来源：Wiki

人体藏着天然解毒剂

显然，神经性毒剂的威胁并不能忽视，在各国政府继续销毁这些化学武器的同时，还应该加快研制神经性毒剂的特效解药，既可在战时最大程度减少突发神经性毒剂攻击时军人和平民的伤亡，也能在和平时期救治那些有机磷农药中毒的人。据世界卫生组织报告显示，每年全世界有上百万人遭遇有机磷农药中毒，数十万人中毒身亡，大多数集中在发展中国家，这是有机磷化合物对人类健康最常见的威胁。

人血清中的丁酰胆碱酯酶正是近些年发现的一种有机磷毒剂的特效解药。丁酰胆碱酯酶于1940年被美国科学家发现，起初人们以为它并没有什么重要的生理功能，以至于大家觉得不值得研究，因为有些人的体内缺乏丁酰胆碱酯酶也能健康生存和生育。直到1991年，美国陆军化学防御医学研究所的研究人员开展了一项动物实验，将从马血清中纯化的丁酰胆碱酯酶注射到猴子体内，发现这些猴子能抵御梭曼、沙林等神经性毒剂，展现出丁酰胆碱酯酶在防御有机磷神经性毒剂的重要应用前景，也掀起了丁酰胆碱酯酶的研究热潮。

随后，美国和其它国家的多个研究机构相继开展人丁酰胆碱酯酶抗有机磷毒剂的猴子、小型猪和小鼠等动物实验，以及一些初步的人体临床试验，均显示人丁酰胆碱酯酶能有效抵御有机磷神经性毒剂。人丁酰胆碱酯酶还有一个重要的优势，动物实验表明，动物体可以承受其内源蛋白含量的上千倍剂量，具有极高的耐受性，且没有明显的副作用，表明人丁酰胆碱酯酶具有开发成理想的神经毒剂解毒药的潜力。

丁酰胆碱酯酶解毒原理其实很简单，当动物体或人体内含有足够的丁酰胆碱酯酶时，有机磷毒剂会被其结合，从而失去结合乙酰胆碱酯酶的机会。不过，这种注射用的人丁酰胆碱酯酶用量较大，动物实验和人体实验显示，一个成年人的每次注射用量需达到2-5克，而天然的人丁酰胆碱酯酶主要从捐献的人血中提取，血清中的丁酰胆碱酯酶平均含量仅为4毫克/升，一个成年人全部血液中的丁酰胆碱酯酶平均含量也只有16毫克，因此人血清来源的丁酰胆碱酯酶难以满足大规模需求。

►丁酰胆碱酯酶。来源：RCSB PDB

►乙酰胆碱酯酶。来源：RCSB PDB

转基因羊奶可防毒

很快就有人想到利用基因工程技术来大规模生产，不过基因工程细菌不能表达出结构正确的重组丁酰胆碱酯酶，基因工程酵母和家蚕表达水平非常低，转基因烟草表达出的重组酶则存在完全不同的糖基化，转基因动物细胞体系的成本则居高不下，而美国军方投资开发的转基因山羊表达出重组丁酰胆碱酯酶则走在了前面。

2006年，美国一家专门从事生化防御药物开发的公司获得美国军方的2亿美元投资，用于开发重组丁酰胆碱酯酶解毒药。2007年该公司研制出一批表达重组丁酰胆碱酯酶的转基因山羊，这些转基因山羊的生产过程跟世界上首例获准商业化的转基因山羊基本相同，都是采用显微注射方法，将乳腺特异表达启动子与人丁酰胆碱酯酶基因组成新的基因，注射到山羊受精卵，再将这些受精卵移植到母羊体内受孕，生出的小羊有一部分正是转基因山羊。

研究人员对这些转基因羊进行悉心照料，并监测转基因羊生长、繁殖和泌乳等性状，发现转基因羊的这些性状跟普通的山羊没有显著差异。其中的转基因母羊长大产子后，在其乳汁中就会生产出重组人丁酰胆碱酯酶，最高可以达到5克/升，是人血浆中丁酰胆碱酯酶含量的一千多倍。一头山羊可年产羊奶800公斤，则可生产出满足上千人用量的重组人丁酰胆碱酯酶，这正是转基因山羊的优势。美国已在2009年和2014年相继批准了利用转基因山羊和家兔生产的重组蛋白药物上市，表明转基因动物制药技术已趋于成熟。

研究人员随后开展了一项动物实验，以验证重组人丁酰胆碱酯酶抗神经性毒剂的生物活性。研究人员用一种比沙林毒性更大的神经性毒剂——VX毒气，通过皮肤接触使实验小型猪中毒，一个小时后，通过肌肉注射方法，将转基因羊奶中提取出来的重组人丁酰胆碱酯酶注射到小型猪体内，显著提高了小型猪的存活率，其中当让小型猪接触2倍的VX毒气半致死剂量后，注射重组人丁酰胆碱酯酶的小型猪存活率比未注射组提高70个百分点，而当让小猪接触5倍的VX毒气半致死剂量后，未注射组的小猪无一存活，而注射组则有33%的小猪存活，表明转基因羊奶生产的重组人丁酰胆碱酯酶可以用于神经性毒剂中毒后的治疗。

与此同时，该公司还向美国食品药品监督管理局申请了临床试验并获得批准，在临床I期试验中，研究人员进行了一个随机、第三方双盲、安慰剂对照试验，向身体健康的志愿者肌肉内注射重组人丁酰胆碱酯酶，结果显示人体对重组人丁酰胆碱酯酶具有较强的耐受性，且没有显著的副作用。后续临床试验正在进行当中，由于人道主义原因，显然不能对正常人施用神经性毒剂后再进行解毒，以检测重组人丁酰胆碱酯酶的解毒效果，不过可以用有机磷中毒病人进行临床试验。但是目前这些试验属于军事研究项目，美国军方只要求该公司提供9万份重组人丁酰胆碱酯酶产品，相关临床试验细节则并没有公开，可能也不会公开。

动物试验显示，给受试动物施用重组人丁酰胆碱酯酶，既能在有机磷中毒之前起到预防作用，也能在有机磷中毒之后达到治疗效果。一旦通过临床试验验证重组人丁酰胆碱酯酶安全有效，对于那些因有机磷农药中毒的农民必定是好消息，也将大大减少未来战争中军人的伤亡，可能对于遏制恐怖主义毒气袭击也将发挥一定作用。