致病微生物与药物研究
致病微生物就是那些能够使人患疾病的肉眼看不见的微小生命物体，包括原虫、细菌、病毒等等。不要小看这些微小的生命，它们活动能量极大，繁殖极快，能引起人体极为严重甚至危及生命的疾病，对人类的生存和繁衍造成极大的威胁。例如14世纪中叶（1347-1348年），欧洲黑死病即鼠疫大流行，在4个月内就灭绝了2500万欧洲人，约相当于当时欧洲人口的1／4。鼠疫还迅速向印度和俄罗斯西南部曼延，连同欧洲一起有4500万人死于鼠疫的肆虐。那时没有任何药物可以治疗鼠疫，对鼠疫的病因也一无所知，治疗措施是极为荒谬可笑的。例如有的医生让病人不吃不喝，站在厕坑边上闻几小时粪尿的臭气，希望能“以毒攻毒”。有些大夫采用放血的方法，把毒血放出，反而加速了病人的死亡。后来的研究揭示，鼠疫是由一种老鼠身上的细菌传播的。
自从乙醚、氯仿等麻醉药应用于外科手术以后，手术的疼痛问题得到了解决，但手术后的化脓导致死亡便成了突出的问题。外科术后的脓血症、败血症、坏疽、丹毒等常见感染性疾病十分猖獗，以截肢手术为例，死亡率竟高达40％～60％。首先使用氯仿作麻醉药的辛普森医生曾说，“躺在我们医院手术台上的病人，其招致死亡的危险性，与滑铁卢战场上的战士相同”，足见死亡率之高是何等吓人。妇女产后的死亡率也不比外科手术低。产褥热是妇女产后极为常见的疾病，这种疾病差不多使一半的产妇丧失生命。手术后病人和产后妇女死亡的原因，后来弄清楚都是细菌在作怪。手术器械的消毒和医生手的清洗，使术后和产后的感染率大为降低。
在抗菌药物发现以前，我国和外国霍乱、伤寒、细菌性脑膜炎的死亡率也高得惊人。结核病，这种病人死后解剖发现体内的器官长满无数像小米粒的灰黄色结状物的疾病，也具有很高的死亡率，曾被称为“白色瘟疫”。
除了细菌的肆虐，人类还遭受其他微生物如原虫、病毒等的侵害。天花、疟疾、梅毒、非洲睡病同样夺去了无数人的生命。
面对大规模的瘟疫、传染性疾病，人类不知道发病的原因，惊慌失措，用一些现在看来是极为愚昧、荒谬可笑的办法来对付，其结果往往是适得其反。随着对病因的认识，一些有效的预防方法、治疗措施相继出现。化学的发展，也为人类提供了许多可以用于治疗这些疾病的化合物。有效药物的出现，使征服这些疾病成为可能。
人类征服的第一种传染性疾病就是天花。天花是一种病毒传染的疾病，在有效的预防方法出现之前，天花几乎是人人必得的一种病，有轻有重，死亡率据国外的史书记载大约为1／10。病情较轻的病人痊愈后，身上，特别是脸上会留下大大小小、深浅不一的疤痕。现在，在我们周围已经看不到这种麻面人了，因为天花已经被人类消灭了。
英国的乡村医生詹纳（Edward Jenna，1749-1823年）发现，挤奶女工得过牛痘以后就不会被传染上天花，便开始试验给人接种牛痘以预防天花。1778年，他已积累了23个成功的实例，写成著作《调查录》。他的发现传开后，其他国家都相继采用接种牛痘的措施预防天花。1958年，前苏联向第十一届世界卫生大会建议世界各国为全球消灭天花进行合作。到1980年5月8日，有155个会员国参加的世界卫生大会庄严宣布：天花已从全世界消灭。这是人类在世界范围内全力合作消灭的第一种疾病。
牛痘预防天花的成功，启发了人们用经过灭活（或灭毒）的细菌、病毒或毒素，作为疫苗预防其他的疾病，例如霍乱、结核病（卡介苗）、小儿麻痹症、白喉等等。这些疫苗通过在体内产生抗体，使人产生免疫力而起到预防疾病的作用。这些疫苗也属于药物的范畴，是生物制品。
埃利希（1854－1915年），一个德国小旅店老板的儿子，在斯特拉斯堡大学学医时很喜欢实验室的工作。他在科赫（Robert Koch）教授（发现结核杆菌的人）的实验室从事微生物的染色工作。为了便于在显微镜下观察，微生物需经染色才能看得清楚。他发现有些微生物或细胞可以用一种染料染上颜色，而另外一些微生物可被另外一种染料染色。他的博士论文题目是《显微镜下观察物质的理论和实践》。这个题目从表面看来并不怎么吸引人，但埃利希在论文工作中提出了一系列令人感兴趣和很有意义的问题，那就是：为什么特殊的细胞或细胞的特殊部分可以和特殊的染料结合？把问题引申一下就成为：为什么在化学上等同的物质与细胞同一未知物质相反应？这个问题实质上是涉及药物的作用理论问题。埃利希为它花费了一生的精力。
埃利希后来在医院实验室内从事疫苗和抗毒素的定量工作。在用免疫方法预防某些传染性疾病中，疫苗内细菌或毒素量的多少是很重要的。含量过低，接种后达不到预防的目的，含量过高，接种后对人又有危险。但当时对疫苗中的物质还是未知的，化学分析在当时还没有发展到解决这个问题的水平。埃利希创造性地利用小鼠对同种疫苗产生同等的反应所需用的量来对疫苗进行定量测定。他为生物测定方法奠定了基础。在做这些工作的过程中，他广泛研究了动物对外来物可产生免疫作用的问题。埃利希喜欢用化学观点来解释问题。他认为免疫作用是两种很复杂的物质间的反应。细胞内假设充满着原生质，原生质可能是很大的分子化合物。他假设原生质具有侧链，这种侧链使细胞可以从外界接受和固定物质。因此，他把这种侧链叫做“受体”。在19世纪末20世纪初，那时的化学水平还不能解决所谓原生质的组成问题。因此，对于他的设想，他给不出更具体的内容。他只是提出细胞的这部分结构（侧链）与特定的外来物质具有亲和力，可以相互结合。这种设想，以后就发展为解释药物作用的“受体学说”。
埃利希由过去做过的微生物和细胞染色的工作联想到，这些染料——比较简单的分子可以特异性地与微生物或细胞的侧链（受体）相结合，很可能会破坏微生物的正常功能，进而杀死微生物。微生物和细胞的染色是在体外的玻璃片上进行的。这种染色作用能否在病人的体内进行？如果可以的话，那不是就可以用化学物质来治疗传染性疾病了吗？有了这种想法，他就想寻找那种能在体内和微生物特异性结合而不影响宿主细胞功能的物质，他称之为魔弹（magic bullet）。
1880年，法国医生拉沃兰（Alphonse Laveran）在阿尔及利亚服军役中，发现疟疾是由一种微生物引起的。埃利希通过研究发现亚甲蓝可以将这种引起疟疾的微生物染色。亚甲蓝是一种外观有金属光泽的深蓝色固体，水溶液为蓝色，可以将一些微生物染成蓝色。1881年，埃利希用亚甲蓝给两位得疟疾的病人治疗，发现它有弱的治疗作用。由于当时已经知道金鸡纳树皮治疗疟疾的作用很好，因此他的报告在医学界没有引起大家的注意；但对埃利希来说，其意义是非凡的，这坚定了他的魔弹设想。他认为一定能够找到一种化学物质与微生物有特异性的“亲和力”而杀死它。他给他的这种设想起了个名字叫“化学治疗”（Chemo therapy），以区别于用疫苗的“免疫治疗”。
亚甲蓝
疟疾不是一个很好的研究对象，因为当时没有办法使动物染上疟疾，因此不能用动物进行试验。引起非洲睡病的一种锥虫可以在啮齿类动物的体内生长，并能感染给其他啮齿类动物，是一种很好的试验对象。埃利希在一位日本合作者的帮助下，用各种染料在感染了锥虫的小鼠身上做试验，寻找能杀死锥虫的染料。500多种染料被试验过了，没有一种能杀死锥虫，反而成千上万只小鼠被锥虫杀死了。埃利希的魔弹设想始终是可望而不可即的遐想。埃利希虽然不是学化学出身的，但他很喜欢化学，总是从化学的观点去考虑问题。他想是不是这些染料在水中的溶解度不大，在小鼠体内达不到杀死锥虫所需要的浓度。于是他要求他的从事染料研究的朋友在染料上引入一些磺酸基团，因为磺酸基团可以增加染料在水中的溶解度。一种带有磺酸基团的红色染料可以使被锥虫折磨濒死的小鼠转危为安，而且在这只小鼠的血液中，锥虫像太阳光下的雪花一样全“融化”了。埃利希非常激动，认为他所设想的魔弹终于找到了。他把这种染料命名为锥虫红。
锥虫红