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化學家眼中的科技里程碑 TECHNOLOGY MILESTONES FROM THE CHEMIST’S VIEW

中文 翻譯

陳竹亭主任 (國立台灣大學化學系教授) Prof. Jwu-Ting Chen CASE, Director National Taiwan University 編審:吳欣潔 排版:吳欣潔、劉昀瑄、高英哲 譯者:高英哲

感謝國立台灣大學化學系張啟光客座教授 (Prof. Chi Kwong Chang)提供原文教材 原文教材是由 Attila Pavlath 教授擔任會長時的美國化學學會為「陳 列藝廊」製作的「科技里程碑」單元,經過數位處理後的版本。 本教材由匈牙利化學學會 (MKE) 及美國化學學會 (ACS) 資助,於2007 年在匈牙利塞德格大學物理化學系展出。 策劃人:Nora Rideg (大學部學生) 指導老師:Veronika Nemeth (助理教授)


化學家眼中的科技里程碑 (三)健康與醫學

讓我們得以活得更久、更快樂、更健康,許多拯救生命的健康與醫療突破,化學均有所貢獻。 在人類歷史上大多數的時刻,醫療與健康照顧都很原始。人們如果生病或受傷,醫生除了安慰他們,讓 他們保持身體清潔以外,能做的很少。 在過去一百年間,醫生治療病人的方式有革命性的進步,不但治病療傷,甚至能夠在健康問題發生之前, 就予以預防。辛勤工作的化學家與化學工程師們,研發出新奇藥物、創造新的醫療器材、修訂診斷過程, 協助奠定現代醫學的基礎。 透過化學知識發展而成的健康與醫療進展,拯救並改善數以百萬計的人命。

(三).1. 痛感與發炎管理 嗎啡 阿斯匹靈 可體松 (三).2. 精神用藥 氯丙嗪 三環抗鬱劑 苯二氮平 (三)3. 荷爾蒙與調節劑 胰島素 睪丸酮 黃體素、動情素與口服避孕藥 (三).4. 腸胃用藥 胃潰瘍療法的演進 (三).5. 醫療試驗與疾病診斷 醫療造影科技 醫事同位素 化學化驗的發展 個人監控的演進

(三).6. 抗感染藥物 胂凡納明與百浪多息 盤尼西林 立妥威 (AZT) (三).7. 心血管管理 調節心跳 治療心臟衰竭 打破血拴 控制血脂肪濃度 (三).8. 癌症化療法 癌症化療法的演進 細胞毒性藥物 泰莫西芬 (三).9. 新奇保健材質 人工義肢與醫療裝置 醫療設備 消毒劑與漂白劑


(三)健康醫療的科技里程碑

大事記 1899 阿斯匹靈大量生產,用來對抗疼痛、 關節發炎與腫脹。

Aspirin, the first pills manufactured ever (1900)

胂凡納明的發明者艾利

1909 胂凡納明是第一種製造出來的主要化 療藥劑。 1922 胰島素被用來減緩與糖尿病有關的高 血糖。 1923 確定嗎啡的化學結構。 1927 研發出偵測尿液中動情素含量的懷孕 測試。

胰島素的發明人 班廷與貝斯特 The chemical structure of morphine

1935 百浪多息用於治療會致死的鏈球菌感 染。 1942 氮芥子氣開啟癌症化療年代。 Pregnancy test

1943 盤尼西林用於對抗感染,開啟抗生素 療法之途。

Prontosil

1954 毛地黃核准用於治療血栓。 1954 氯丙嗪開啟現代抗精神疾病療法之途。 1960 安無妊以口服避孕藥的形式,開始生 產並進入市場。 1963 從草藥提煉的細胞毒性藥物,用於對 抗癌症。

The picture of Alexander Fleming on a glass window

The mechanism of the action of penicillin

The chemical structure of Taxol, a cytotoxic drug

1976 泰胃美在治療胃潰瘍時,可抑制胃酸 分泌。 1977 泰莫西芬以荷爾蒙阻斷劑之姿,成為 癌症化療法的一環。

ENOVID The pink ribbon, symbolizing combat against breast cancer, the red ribbon symbolizing combat against AIDS

1987 美國食品暨藥物管理局核准立妥威 (AZT) ,成為治療 HIV 感染用藥。 Stomach ulcer


(三)健康醫療的科技里程碑

1. 痛感與發炎管理

嗎啡 嗎啡是從生鴉片裡萃取出來的,早在一八○○年代早期, 就被用來減低痛覺。匈牙利藥劑師卡巴 (Janos Kabay) 在一 九二○年代,不僅從未成熟的罌粟花,也從乾的罌粟草裡 萃取嗎啡,為嗎啡生產帶來革命性的發展。為了合成出可 免除上癮以及壓抑呼吸等不良反應的有效止痛藥,嗎啡的 化學結構在一九二三年被研究出來。確實了解這種天然形 成的萃取物,是如何在人體內運作之後,就能研發出合成 版的嗎啡,隨之創造出像一九六一年問世的納洛芬與納洛 酮等比較安全的藥物。

位於匈牙利布達佩斯 的卡巴墓

阿斯匹靈

乙醯水楊酸

在一八九○年,儘管水楊酸有些不良副作用(噁心、胃潰 瘍),卻仍然被當作廉價有效的風濕性關節炎消炎藥來進行 生產。乙醯水楊酸(或稱阿斯匹靈)是在一八九七年,由拜 氏藥廠的德國化學家霍夫曼 (Felix Hoffmann) 合成,藥理測試 則是由德萊瑟 (Heinrich Dreser) 進行。生產作業於一八九九年 開始進行,第一批藥丸則於一九○○年販售。由於阿斯匹靈 的副作用比水楊酸來得少,很快就大受歡迎。阿斯匹靈是第 一種以產業水準生產的藥品,迄今仍然大量製造。在八○年 代中期之前,阿斯匹靈主要是用作止頭痛藥,後來發現它對 於預防心臟病也有益處。

可體松 在一九四○年代,腎上腺皮層研究發現,某些天然形成的 荷爾蒙(也稱做類固醇)具有消炎特性。可體松在一九三 六年,首度從天然來源裡分離出來,並在一九四八年由美 國人薩瑞特 (Lews Hastings Sarett) 合成。由於可體松對風 濕性關節炎有神奇效果,翌年就開始進行商業生產。後續 的臨床研究顯示可體松並沒有治療關節炎,也會引發嚴重 的副作用,但是在氣喘與過敏治療中有額外用處。對類固 醇化合物進行進一步的研究後,創造出強體松、口服類固 醇、地塞米松等等副作用較輕微的消炎藥劑。

薩瑞特

關節炎造成的畸形


(三)健康醫療的科技里程碑

2. 精神用藥

氯丙嗪 氯丙嗪(Thorazine 、 Hibernal )原先是創造用來當作抗過 敏組織胺,在一九五四年首度用於治療精神分裂症。這種 新療法效果驚人,預告了現代對抗精神病療法的到來,並 且成為中樞神經系統用藥的參考。透過用藥控制精神疾病, 很快就取代了先前包括電擊、胰島素休克、腦前葉切除術 (一種將腦前葉半球之間的聯繫切斷的外科手術)的各種 療法,有助於減低全世界精神病院的收容率。後續研究揭 露了氯丙嗪的藥理機制,成為易寧優、奧氮平等等許多其 他對抗精神病藥物的研發基礎。

描述精神疾病災難性效應的電影 《飛越杜鵑窩》 (1975) 劇照。

三環抗鬱劑 產後憂鬱

益鬱平原先是一種研發用來當作對抗精神疾病的藥物,在 一九五八年的一份臨床研究中,顯示它具有抗憂鬱的特性。 它的療效在於影響腦部神經傳遞介質的活動。許多後續研 發出來的此類藥物,統稱為「三環」抗鬱劑。三環抗鬱劑 遂成為治療精神疾病的標準療法。

苯二氮平 一九五九年,利眠寧建立了苯二氮平這個有效的抗焦慮用 藥新類別。此藥與其後續衍生藥物,很快地取代了巴比妥 酸鹽與美普巴邁這些稍早在一九五○年發現,效果還算可 以,被認為是這個時代最成功藥物之一的抗焦慮劑。耐受 度與安全性都很高的苯二氮平,也證明是很成功的安眠劑、 肌肉鬆弛劑、以及癲癇症用藥。

Neurotransmitters in the brain


(三)健康醫療的科技里程碑

3. 荷爾蒙與調節劑 胰島素 胰島素是一種由胰臟的特殊細胞製造的蛋白質荷爾蒙,負責控制 血液中的血糖(葡萄糖)濃度。若是缺乏胰島素,就會導致糖尿 病一型這種致命疾病發生。兩位加拿大的年輕醫師,班廷 (Frederick Banting) 與貝斯特 (Charles H. Best) ,在一九二一年從牛 腎中分離、純化出一種新的可注射萃取物。他們的第一位病人, 是個垂死的十四歲少年,幾個星期後卻能出院。禮來製藥在一九 二二年,開始用牛腎製造胰島素,一九八二年則運用重組 DNA 的科技,首次從人類來源製成胰島素。

Frederick Banting and Charles H. Best in a painting

睪丸酮 睪丸酮負責發育男性生殖器官,以及第二性徵。這是一種類固醇 荷爾蒙,結構與膽固醇相似。睪丸酮在一九三五年,首度從膽固 醇中合成,用以治療缺乏荷爾蒙的疾病。要生產睪丸酮,可透過 對唾手可得、天然形成的物質,進行化學與微生物改造而得。

黃體素、動情素與口服避孕藥 在一九三○年代,女性荷爾蒙從兩種天然資源中分離製造而得,一是 懷孕母馬的尿,二是墨西哥甘草。人們發現黃體素(黃體酮、黃體荷 爾蒙)可維持懷孕健康,而動情素(濾泡荷爾蒙)則會影響經期。到 了一九五○年代,這些荷爾蒙的合成版本製造出來,對人類受孕跟懷 孕的效應也受到研究,其優秀的避孕效果,導致女性口服避孕藥(控 制生育藥丸)的產生。一九六○年在美國上市的安無妊,是第一種還 有動情素與黃體素混合物,以達到最大效果的控制生育藥丸。

(三).4. 腸胃用藥 胃潰瘍療法的演進 蘇格蘭藥理學家布萊克 (James Black) 跟他在史密斯克蘭藥廠的同事,在 一九七二年為胃酸分泌過多的療法建立基礎。這類藥物研究如今稱為循 理性藥物設計。他們在一九七五年研發出抑制胃酸分泌,副作用很低的 喜美胃錠(泰胃美),這種藥廣泛用於治療胃潰瘍,大幅減少開刀的必 要。很快地,泰胃美就成為最常被醫師開處方的藥物。後續的抗潰瘍藥 物,有一九八八年的樂酸克(普利樂),以及一九九二年的泰克胃通 (蘭索拉唑)。


(三)健康醫療的科技里程碑

5. 醫療試驗與疾病診斷

醫療造影科技 X光機以及 MRI (磁振造影)掃描器等等裝置,在當時都是革命性的發展, 如今則是醫事診斷的例行公事。在一八九五年發現X光的德國物理學家倫琴 (Wilhelm Konrad Roentgen) ,第一個拍出他妻子的手骨影像。到了一九○○ 年,每間大型醫院都配有X光機。核磁造影 (NMR) 科技在一九七○年代,用 來確定化學結構,磁振造影掃描器則在一九八五年,核准用於人類身上。化 學對比藥劑以及特殊影片感光劑,也改善了X光、斷層掃瞄(三度空間的X 光造影、電腦局部X光檢查法)、 MRI 、以及超音波造影的診斷價值。

倫琴太太手部的透視照

醫事同位素 一九四三年諾貝爾獎的匈牙利籍得主海威希 (Georg Hevesy) ,在利用醫事 同位素判定內臟功能的卓越研究,對醫事造影協助頗多。海威希以放射 性核種判定磷代謝作用,化合物以放射性同位素(比方說鎝-99m 或鉈201 )或是不透射線元素(比方說鋇或碘化合物)標示。然後這些以放射 線標示的化合物,就能透過能夠偵測迦瑪射線的攝影機,在人體內予以 追蹤,在它們四處輸送時,提供體內器官的有用影像。醫事同位素在診 斷應用上,還包括偵測腫瘤、診斷肝病、以及心功能壓力測試。

化學化驗的發展 我們今日藉由研究疾病表徵,或是在血液、尿液、糞便、唾液與汗水中, 可用化學方法偵測到的藥物殘留物,判定醫療狀況。實驗室試驗、精密 的電腦輔助分析儀器、以及在家進行的試驗,都可量測基本的化學反應。 在十九世紀早期,人們藉由觀察臨床症狀進行診斷,倘若病人對某種特 定疾病的療法呈現陽性反應,那麼他或她必定罹患該疾病。診斷測試起 源於一八八二年,艾利 (Paul Ehrlich) 觀察到只有在傷寒桿菌出現時(以 某種染料確認其存在),才能驗證確實是傷寒;在此之前,診斷靠的是 病人的皮膚顏色。

個人監控的演進 簡化的在家試驗包,促進了人類健康的個人監控。舉例來說,糖尿病患者 曾經必須要到實驗室去,才能確定尿裡是否含有糖份。拜爾藥廠邁爾斯實 驗室在一九四一年,推出第一套可在家使用的尿液糖份便利化驗法。雖然 研發過程很艱辛,但是「浸了即知」的尿液試驗法,最終還是在一九五六 年問世。到了一九六○年代,第一套由電池供電的可攜式血糖計問世,跟 化學試棒一起合用,用以偵測葡萄糖,相當大地改善了糖尿病患者的生活 品質。一九七○跟一九八○年代,便血、排卵、懷孕與鏈球菌感染的家用 診斷包,一一出現。


(三)健康醫療的科技里程碑

6. 抗感染藥物 胂凡納明與百浪多息 德國細菌學家艾利 (Paul Ehrlich) 研究砷化合物的抗菌特性,在一九 ○九年發明胂凡納明,成功治療致命的梅毒性病。其他研究者遵循 這個策略,找尋對抗傳染病的活性化合物。百浪多息是第一款磺胺 基藥物,先前被當作織布染料使用,在一九三二年化學家尋找抗菌 藥物,以治療慢性肺炎的普遍病因,會致死的鏈球菌感染時,發現 它具有抗菌效果。這項發現非常重要,德國生化學家多馬克 (Gerhard Domagk) 因為在此領域的研究成果,在一九三九年獲頒諾 貝爾醫學獎。後來發現百浪多息這種活性抗菌藥劑,其實是磺胺。 後來有許多其他抗生素,都是從這種藥劑裡創造出來的,其中包括 一九三八年發明的磺胺辟定。磺胺基藥物在一九四○年代,成功地 大幅減低大葉肺炎的致死率,拯救了數百萬人的性命。一直到盤尼 西林現世,其重要性才降低。

多馬克

鏈球菌 百浪多息

富萊明

盤尼西林

Penicillium notatum

蘇格蘭細菌學家富萊明 (Alexander Fleming) 在一九二八年,發現 他從天然形成的霉菌(青黴菌)裡分離出來的一種物質,可有效 殺死細菌。盤尼西林是一種根據這種天然物質,在一九四三年的 大型戰時計畫中,創造出來的藥物,在二次大戰時大量減低美軍 與英軍受傷士兵受到感染、必須節肢的狀況。天然的盤尼西林既 昂貴又稀少,必須要從受治療病人的尿液裡回收。化學家因此嘗 試新的合成方法,以人工製造這種天然物質。盤尼西林的化學結 構 在 一 九 四 ○ 年 代 , 由 英 國 研 究 者 哈 金 (Dorothy Crowfoot Hodgkin) 確認,讓其得以合成。幾家藥廠在一九五七年,開始合 成這種藥物,並且進行商業生產。盤尼西林的成功,象徵現代抗 生素療法時代的開端。

利妥威 (AZT) 立妥威 (AZT) 於一九八七年,在美國核准用於治療人 類免疫缺陷病毒 (HIV) 感染。這種藥物於一九六四年 首度合成,但當作癌症化療藥物的效果不彰,因此 被棄置不用,直到一九八六年,美國研究團隊發現 它對抗反轉錄病毒效果很好。立妥威與其他相關的 核甘類藥物,鎖定特定的病毒酵素,抑制病毒複製。 由於立妥威首先出現快速發展的抗藥性,治療 HIV 感染於是不再使用單一藥物療法。

立妥威晶體

立妥威


(三)健康醫療的科技里程碑

7. 心血管管理

調節心跳 在一九三○年代,發現使用局部麻醉藥物普魯卡因,可調節心跳 (也稱做抗心律不整活動)。由於阻止心律不整的藥物,在某些 情況下可能也會引發心律不整,這種藥物治療相當複雜困難。普 魯卡因是許多藥物中,最終率先獲准用於調節心跳的。普魯卡因 抑制被稱為納離子通道的細胞膜蛋白質產生作用,後繼的藥物種 類繁多,其中包括乙型阻斷劑、以及鉀或鈣離子通道阻滯藥。

治療心臟衰竭 毛地黃是一組在某些植物裡天然形成的化合 物,幾百年來都被用來治療心臟衰竭。在研 究找出毛地黃如何增強心臟收縮時的力道後, 從柔毛洋地黃的葉子中,萃取出含有碳水化 合物,卻不含糖份的毛地黃素,並在一九五 四年核准用來治療心房顫動,以及充血性心 臟衰竭。最後人們發現,抗高血壓藥物也能 用來治療心臟衰竭。

打破血栓 在一九三五年,從動物肝臟中分離出來的天然肝素,可在輸血過程 中預防血栓,很快就成為最廣泛使用的抗凝劑(又稱為薄血劑)。 肝素也能在心臟與動脈手術中,預防血栓形成。華法林(可邁丁) 是一種口服抗凝藥,可預防中風、治療心臟病與血栓,在一九五五 年核准上市。在一九七○年代,人們發現血栓一旦形成,可用血栓 溶解劑加以治療。運用酵素活動溶解血栓的作法,導致一九七七年 血栓溶素、一九七八年鏈球菌激素,以及一九八七年透過基因工程 重組的組織型胞漿素活化劑 (tPA),相繼問世。

控制血脂肪濃度

Arterioschlerosis

動脈內膽固醇儲存量累積阻塞(動脈硬化),是冠狀動脈心臟病與中風的主 因。洛伐他汀(路脂定)透過抑制關鍵酵素轉化成甲基戊酸, 控制血脂肪濃度(血脂活性),這種早期控制膽固醇生物合成速率的步驟, 在一九五五年獲得核准。後續像是欣瓦司他汀與阿托伐他汀等等藥物,既有 效又無不良影響,為高脂血症治療帶來革命性的發展。


(三)健康醫療的科技里程碑

8. 癌症化療法 癌症化療法的演進 使用化學物質治療癌症(癌症化療法)起源於一九四二年, 古德曼 (Louis S. Goodman) 與吉爾曼 (Alfred Gilman) 在臨床上 使用氮芥子氣。後續發明包括二氯甲基二乙酸(氮芥)、一 九五二年問世的瘤克寧,以及一九五六年問世的環磷酰胺 。 阻擋葉酸的藥物(又稱為抗代謝劑)也隨之研發。一九四七 年研發出來的氨喋呤,對抗白血病很有效,但是對白血球細 胞卻有不良效應,因此很快就被滅殺除癌錠所取代。到了一 九五○年代,希金斯 (George Hitchings) 與海德柏格 (Charles Heidelberger) 研發出對抗白血病的抗代謝藥巰基嘌呤,以及 對付腸胃與胸部腫瘤的氟尿嘧啶。

細胞毒性藥物 細胞毒性藥物是從植物中分離出來,在一九六三年首度用於癌 症化療的藥物。這些抗癌藥的運作原理,在於像瘤細胞(或稱 癌細胞)這類迅速擴散的細胞,最容易受到細胞毒性藥物的損 害。其他幾種變種有一九七○年,從長春花屬植物裡分離出來 的長春花生物鹼(長春新鹼與長春鹼),以及從八角蓮分離出 來的鬼臼毒素。紫杉醇(汰癌勝)是在一九七一年,從太平洋 紫衫木裡分離出來的,並在一九九○年代早期,研發用來治療 後期乳癌與肺癌。

泰莫西芬 泰莫西芬是在一九七一年研發出來的合成分子,由於可以減緩 動情素相關腫瘤的成長,在一九七七年用於治療乳癌。高濃度 的動情素會促進乳房組織細胞擴散,因此這種化療會阻斷刺激 癌細胞成長的天然荷爾蒙。甲地孕酮(美可治)是黃體素這種 天然形成的類固醇荷爾蒙的合成衍生物,作用與黃體素類似, 被用於治療乳房腫瘤復發的情況。 Mammographic image of a breast tumour

個人監控乳房, 可促進早期診斷


(三)健康醫療的科技里程碑

9. 新奇保健材質

人工義肢與醫療裝置 現代的人工義肢、人工器官、替代關節、隱形眼鏡、助聽 器,以及從特製塑膠與其他高科技材質製成的生物材料, 都是透過化學原理製造而成。化學家與工程師藉由操控、 創造新的分子結構,研發出強韌耐用的新醫療材質。像是 一九四五年發明的人工腎臟、一九五○年代的輔助心臟瓣 膜、以及一九八二年由手術植入的永久性人工心臟。塑膠 隱形眼鏡在一九五六年問世,改良過的軟性雙焦隱形眼鏡, 則在一九八五年推出。 人工心臟瓣膜 人工心臟

醫療設備 人們運用化學知識,製造在今日的醫院與診所裡, 所用幾乎一切的塑膠與樹脂醫療設備。現今的醫療 設備必須堅固耐用,足以承受每日使用,同時又能 創造出乾淨無菌的環境。許多例行的醫療過程,採 用尖端診的診斷儀器、聽診器、繃帶及其他新奇布 料、注射筒、手術儀器、血袋、以及塑膠用具,這 些都是拜化學之賜。吸濕聚合物則可預防嬰兒敏感 肌膚發炎。

消毒劑與漂白劑 化學讓我們能夠消毒住家、清除霉菌、去除污漬。在一九○○年早 期,化學家致力於控制細菌滋長,以及有效清洗衣物與居家表面。 研究者在一九一三年,研發出一種價格可以負擔,又易於使用的漂 白劑製造公式。時至今日,漂白劑已是能夠有效消毒,消滅數以億 計病菌的家庭用品。氯也是對抗家中、醫院與其他建築物裡,由病 毒與細菌引起的疾病,一項有力的武器。匈牙利婦科醫師塞瑪維斯 (Ignatius Semmelweis) 在一八四七年,在他的部門率先採用含氯水 洗手。

化學家眼中的科技里程碑  

化學家眼中的科技里程碑-健康與醫學