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【原创】肉毒毒素:从至毒到良药

发布日期:2020-04-17  浏览次数:1106

作者:李  放   复旦大学附属华山医院康复医学科主任医师/中国神经科学学会神经毒素分会副主任委员

审核:丁玉强  复旦大学医学院/中国神经科学学会神经毒素分会主任委员

战战兢兢的眼科医生和瑞士军刀

1977年美国眼科医生斯科特(Alan Scott)和他的同事,将实验室冻干保存的一种特殊药物溶解后吸入注射器,在肌电信号的导引下,将液体缓慢注射到眼外肌肌肉内。

对这次冒险,斯科特医生和患者都高度紧张。但没过多久,他们的焦虑心情就被期待的惊喜取代:患者斜视的眼球回到了正常的中间位。一侧眼外肌优势导致的斜视是眼科常见病,手术治疗不易根治,而非手术的重复麻痹性注射更具临床价值。然而,一些有麻痹肌肉作用的药物,如局部麻醉剂、酒精、酶和蛇毒素,其疗效和安全性都不如眼前的这种神奇的物质。这种药物能长时间麻痹眼外肌的作用,他们事先已在猴子身上观察到,并据此向美国FDA申请了探索性药物使用的许可。

但斯科特医生和他的同事可能没有预料到,这种特殊药物在之后的几十年中大放异彩。它就像被打磨过的钻石,已在数以百计的不同医疗场合下熠熠生辉。斜视是发病率很高的一种眼病,却只是它惠及的一个小角色。一个形象的比喻来自2017年美国时代周刊封面,此药被画成多用途的瑞士军刀。人类第一个商品化的肉毒毒素保妥适(BOTOX),成为了几乎家喻户晓的名字。如这张封面图片所述,它已经被用来治疗抑郁、心脏病、偏头痛、勃起障碍、背痛、多汗、流涎等700多种疾病。

肉肠毒素和废弃的化学武器

肉毒毒素是肉毒杆菌毒素的简称。肉毒毒素有多毒?研究显示,它对动物的致死剂量与进入途径(吸入、口服或注射)有关。每公斤体重0.1-1.0纳克(1纳克 = 千分之一毫克)纯化肉毒毒就可以使人致死,它是世界上的顶级毒物。

它的毒性发现于200多年前,吃了变质的肉肠会使人虚弱无力乃至瘫痪。1820年,德国科学家肯纳(Justinus Kerner)在动物身上进行试验并以身试毒后,清晰地描绘了肉毒毒素中毒的场景,并称其为“肉肠毒素”。他的结论是:该毒素是在厌氧条件下产生的,只要很低的剂量就可致命,它影响躯体运动系统和自主神经系统,但不影响感觉和神志。不可思议的是,他预测这种毒素有用于治疗领域的潜力。

1895年,34个人因食用腌制火腿中毒,而火腿提取物可以使实验动物发生瘫痪。微生物学家冯∙厄蒙根(Van Ermengem)分离培养了火腿中的细菌,这种革兰氏阳性、棒状的、产芽孢的厌氧细菌,称之为肉毒梭状芽孢杆菌。此后,科学家斯尼普(P Tessmer Snipe)和佐默(Hermann Sommer)将毒素进行了纯化。

1895-1925年间,罐头食品开始走红,而肉毒毒素中毒就成为了公共卫生问题。在旧金山,科学家梅耶尔(Karl Friedrich Meyer)研究出了细菌培养和毒素提取技术,并发明了阻止细菌生长和毒素灭活的技术,保全了加利福尼亚的罐头工业。灭活技术说起来很简单,就是加热。与此相关的是,肉毒毒素注射药物需要冷链运输和低温储存。

二次世界大战时,美国马里兰州的德特里克(Fort Detrick)提出,肉毒毒素可以武器化。尚茨(Edward J Schantz)利用浓缩和晶体技术,首次制造出了肉毒毒素产品。战后,随着军工解散,尚茨来到威斯康辛州的食品研究所,将制作的毒素作为实验用品供作科学研究,其后就有了前文提到的斯科特医生的故事。

从至毒到良药
在治疗斜视获得成功后,斯科特医生把此药命名为Oculinum(含义为眼科麻痹),并成立了同名公司。但是,未能获得产品责任保险导致生产停顿,这使得需要周期性重复注射的患者非常失望。直至1989年,基于240个调查者对数千患者的资料,美国FDA批准Oculinum上市,临床治疗成人斜视和眼睑痉挛。获得授权的是艾尔建(Allergan)公司,商品名BOTOX(中国商品名保妥适)。由于它是第一个肉毒毒素商品,因此北美医生习惯在注射肉毒毒素时,称DO BOTOX(打保妥适)。

萨克拉门托的整形医生克拉克(Richard Clark),是第一个记录将肉毒毒素用于整形的医生。他接诊了一位左额部面瘫致脸部不对称的患者,判断患者脸部重新对称可能需要很长时间,也可能不会自然恢复。这位医生知道毒素有治疗面肌痉挛和平滑皱纹的作用,意识到可以瘫痪其右侧额部而使脸部重获对称,就进行了这个美容性治疗。这项治疗获得了美国FDA批准,相关研究结果于1989年发表于专业学术刊物。
同一年,达斯(Das TK)和帕克(Park DM)医生发表了肉毒毒素治疗6例脑卒中后上肢痉挛状态的观察报告。随后的三十年时间里,包括双盲随机对照研究在内的、大量的临床研究显示,肉毒毒素注射可以治疗脑卒中所致的痉挛状态(肌张力过高)。脑卒中在成人致残性疾病谱中排名第一位,任何改善该病残疾的方法都会收到格外的重视。美国FDA批准BOTOX上肢痉挛状态适应症的时间是2010年,批准下肢痉挛状态适应症的时间是2016年,而这已经距临床开始使用过去了二十几年。美国FDA的这种谨慎态度也体现在对另一大类相似疾病—儿童脑瘫肢体痉挛状态治疗适应症的审批上。尽管有大量临床证据和研究结果,BOTOX却只获批用于治疗非脑瘫的儿童肢体痉挛状态。艾尔建公司的国际竞争对手爱普生(Ipsen)公司的肉毒毒素产品Dysport,依据高质量的随机对照研究证据获批了用于治疗儿童脑瘫下肢痉挛状态。

图示:一位脑出血女患者手指呈屈曲痉挛状态,在注射肉毒毒素联合康复训练后,手指畸形发生逆转,甚至出现了新的打开手指的功能动作。

2002年,美国FDA批准肉毒毒素对眉间纹的美容注射。这项大家熟悉的美容注射,源自于一对眼科医生和皮肤科医生夫妇:珍(Jean)和阿利斯泰尔(Alistair)眼科医生给眼睑痉挛患者注射毒素,发现注射后眉间纹消失。此事随即被枕边的皮肤科医生知晓,之后在全世界出现了美容界“生意兴隆通四海”的情景。
无巧不成书。2000年,宾得(William J Binder)医生报告,进行脸部美容注射者,其慢性头痛出现了改善。起初,大家认为这可能是因毒素对肌肉紧张的放松作用而间接引起的,但现在已知道,毒素可以对来自于外周的伤害性神经递质释放起抑制作用,从而阻挡了偏头痛的中枢疼痛处理进程。偏头痛适应症已在2010年获美国FDA批准,肉毒毒素也对带状疱疹后神经痛、三叉神经痛、关节疼痛多种疼痛问题,显示了一定疗效。
借鉴美国神经病学会(AAN)标准,我国该领域专家们对肉毒毒素治疗适应症进行了A、B、C三级推荐,A级最高,B、C次之。获A级推荐的疾病包括颈部肌张力障碍、上运动神经元损害(如脑卒中)所致的上下肢痉挛状态、脑瘫所致的上肢痉挛状态(下肢痉挛状态原则上相同)、腋窝多汗症、慢性偏头痛、神经源性和特发性膀胱过度活动症,获B级推荐的是眼睑痉挛、偏侧面肌痉挛、喉肌肌张力障碍、上肢局灶性肌张力障碍、原发性手部震颤、流涎症、手掌多汗症、逼尿肌-括约肌协同失调,获C级推荐的是头部震颤、运动性抽动、口下颌肌张力障碍和味汗症。实际上,有些疾病,如眼睑痉挛和偏侧面肌痉挛的推荐级别被人为压低了,原因是疗效明确,无需再进行随机对照研究。(肉毒毒素治疗应用专家组,中华医学会神经病学分会帕金森病及运动障碍学组。中国肉毒毒素治疗应用专家共识,中华神经科杂志,2018,51(10):779-786)

目前,全世界数十个国家的FDA已批准肉毒毒素的几十个治疗性适应症,如肌张力障碍、脑卒中后上下肢痉挛状态、脑性瘫痪下肢痉挛状态、偏头痛、膀胱逼尿肌过度活动。而在国内,连同美容治疗在内,中国FDA迄今只批准了眉间纹、眼睑痉挛等少数几个适应症。

大约6个世纪前,瑞士著名医学家帕拉塞尔苏斯(Paracelsus)曾说,所有的物质都有毒,区分毒药和良药的关键是剂量。精确肉毒毒素剂量,提防过量,是从至毒到良药的一个关键。肉毒毒素的中位致死剂量(LD50)已在几种动物中测定过,没有人的相关数据。以保妥适为例,通常根据其生物学效力来定义它的一个单位,如一个小鼠单位(MU)等于体重20克瑞士韦伯斯特小鼠的LD50。在不同物种中,A型肉毒毒素的LD50是不同的,如猴子的LD50为39 U/kg。根据来自灵长类动物的研究结果,对于一个70公斤的成年人来说,估计其LD50约为3000 U。目前,保妥适和衡力的药标单次注射最大剂量为600U,注射间隔时间不小于12周。在这种剂量下,注射毒素应该是安全的。

毒素转为药的道理和施用技术要求

肉毒毒素相对分子质量为150KD,它由相对分子质量为50KD的轻链及100KD的重链组成。重链可识别神经末梢突触前膜上的特异性受体并与之结合,轻链作为锌钛链内切酶水解SNARE复合体,影响突触囊泡与突触前膜融合,阻滞乙酰胆碱等神经递质的释放,产生肌肉松弛、腺体分泌障碍等化学性去神经作用。此作用平均持续3个月,随后因神经芽生等因素消失。用通俗的方式描述,肌肉痉挛和腺体过度分泌就像闪火花的灯泡或爆裂的水管,注射肉毒毒素就是关掉电开关或水闸。但这个作用有时效性,过一段时间闸门会自动开启。

目前已知肉毒毒素有8种血清型(A~H),已经进入商品化使用的是A型和B型,在我国上市的保妥适和衡力均为A型。衡力是国产品牌,由王荫椿教授在1985年开始研发,于1997年获得中国FDA认证,曾获国家科技进步奖,也是中国第一个独立出口的生物制品。 

图示:A型肉毒毒素结构的侧面观:LC代表轻链,Hc是重链中的结合域(50KD),HN是重链中的易位域(50KD)。HNbelt是轻链和重链间起链接作用的二硫键。HCC和HCN是重链结合域中的两个子域。(摘自:Montal, M. Botulinum Neurotoxin:A Marvel of Protein Design. Annu Rev Biochem.2010 ;79 :591-617.)

由于肉毒毒素可以抑制乙酰胆碱释放,它就可以抑制以乙酰胆碱为神经递质的肌肉运动、血管收缩和腺体分泌。因此,除前述推荐的适应症外,鱼尾纹、额纹、咬肌肥大、磨牙症、雷诺现象、前列腺增生、环咽肌失弛缓、贲门失弛缓、变应性鼻炎等都是其适应治疗范围。肉毒毒素可以抑制P物质、降钙素基因相关肽等疼痛递质,因而慢性疼痛成为了肉毒毒素注射的又一重要适用对象。此外,报告有效的还有瘢痕、抑郁症和脱发等疾病或临床问题,其中也存在可以解释得通的作用机制。

肉毒毒素治疗上存在一个特点,特别强调注射者技巧和方法。进行注射的医生不仅要熟悉注射部位的解剖,而且很多情况下,必须掌握至少一项引导工具,如肌电图、电刺激或超声波。这好比要求医生不仅要有透视眼,还要会用瞄准镜。这毫无疑问提高了入行门槛,真正掌握这项技术的人并不多。鉴于这项技术的实用性和有效性,美国和中国康复科住院医师规范化培训均要求掌握毒素注射技术。

此超声图像显示肩胛下肌的注射,用于改善脑损伤后肩的内收内旋畸形和肌张力增高。箭头所示的注射针准确找到了位于肩胛窝里的肌肉,不会伤及肺脏。

此超声图像显示髌上隐窝注射,用于治疗膝关节骨关节炎所致的难治性膝痛。箭头所示的注射针,准确地插入了股四头肌肌腱下,厚度不足2毫米的髌上隐窝,该隐窝连通膝关节腔。注射其他药物(如玻璃酸钠、富血小板血浆)时,也推荐使用这种超声引导技术。

孜孜追求的“程灵素”们

金庸笔下有个与其他人物形象迥异的程灵素,机智聪敏,料事如神,善于使毒。她“初会时那么肌肤黄瘦,黯无光彩,但一言一笑,自有一股妩媚风致,颇觉俏丽”。这段描述,差不多也可以用来描述肉毒毒素的研究者和使用者们。这群人皓首穷经,对毒素的医学研究孜孜不倦。截至2020年4月12日,用Pubmed搜索引擎,输入肉毒毒素的英文词“botulinum toxin”,可以找到21076篇科学文献,且数量呈逐年上升态势。其中,基础科学家正在钻研毒素的作用机制和药理,发明新的更有效的毒素产品,研究如何使它不容易出现中和抗体、使它过敏性减少,使药效时间延长。临床医生则正在探索各种适应症,证明或否定某方面的疗效,以及磨练更精益求精的注射技术。相信这些努力,终将使更多受众获益。


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