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一天，屠呦呦读到东晋葛洪撰写的《肘后备急方》时，其中一句话猛然提醒了屠呦呦：“又方青蒿一握，以水二升渍，绞取汁，尽服之。”一语惊醒梦中人！这17个字给了屠呦呦灵感：浸泡、绞汁？干吗不用水煎呢？是害怕水煎的高温或酶的作用，破坏了青蒿的疗效？她由此悟及用这种特殊的方法可能是“忌高温破坏药物效果”。
于是，屠呦呦由用乙醇提取改为用沸点比乙醇低的乙醚冷浸法处理青蒿，然后将提取物注入染有鼠疟的小白鼠，发现对鼠疟的抑制率一下子有了明显的提高。这结果让屠呦呦非常兴奋，证明低温提取是保障青蒿疗效的一大关键。
“那时药厂都停工，只能用土办法，我们把青蒿买来先泡，然后把叶子包起来用乙醚泡，直到第191次实验，我们才真正发现了有效成分。”1971年10月4日，经历了190次的失败之后，屠呦呦和她的同事成功提取到青蒿中性提取物，获得对鼠、猴疟原虫100%的抑制率，大家无不欣喜若狂。因为这意味着青蒿的提取物把鼠、猴疟原虫统统地杀死了，那它极可能也是人疟原虫的克星。
药物的实验必须反复进行。当屠呦呦取来另一批青蒿生药再做实验时，不想疗效却锐减。屠呦呦不得不从生药学的角度仔细地研究青蒿。历经反复实验，屠呦呦和她的课题攻关组发现青蒿药材含抗疟活性的部分是新鲜的叶片，而非根、茎部位；最佳的采摘时节是青蒿即将开花的时刻。“北京的青蒿质量非常不好……我尝试用叶子，事实证明叶子里才有，梗里没有……”摸到这些规律后，屠呦呦方知过去人们为什么老在青蒿的门前走弯路。
随后，屠呦呦又把青蒿提取物成功分离成中性和酸性两大部分。后者毒性大，而且没有抗疟的功能，屠呦呦除掉这一部分，由此也解决了中草药含毒的副作用。在证实了中性部分是青蒿抗疟的有效成分后，屠呦呦又做猴疟的实验，同样取得了理想的效果。
前进路上已现曙光，但屠呦呦和同事的身体健康却受到极大的威胁。由于相关部门的指挥有误，实践工作得不到药厂的配合，屠呦呦只好自己动手，从市场上买来7口大缸，在缺乏通风设备的陋室里，用挥发性很强、具有一定毒性的药剂浸泡、提取青蒿的精华。屠呦呦常年工作在那里，污染严重，加之劳累和缺乏营养，不幸得了中毒性肝炎，肝功能曾经坏到蛋白倒置，满口牙痛，甚至松动脱落。可她养病期间，工资还要被扣掉30%。提起艰苦岁月和付出的牺牲，屠呦呦没有抱怨，反倒是充满怀念。屠呦呦的老伴李廷钊说：“那时候，她脑子里只有青蒿素，整天不着家，没白天没黑夜地在实验室泡着，回家满身都是酒精味，还得了中毒性肝炎。”团队成员钟裕容肺部发现肿块，切除了部分气管和肺叶。另一位科学家崔淑莲甚至因此患病很早就去世了。但这些没有动摇屠呦呦的决心，她只是回家稍作休息，病情一好转就急忙跑回实验室。
在那个特殊的年代，不要说知识产权了，即使以个人的名义发表研究结果也要冒很大的政治风险。1972年3月8日，按照“523办公室”的安排，屠呦呦以课题攻关组代表的身份在南京召开的全国抗疟研究大会上报告了青蒿中性提取物的实验结果，她报告的题目是《用毛泽东思想指导发掘抗疟中草药》，当时全场振奋。有关领导当即要求当年上临床，也就是把药用在人身上。
屠呦呦兴高采烈地回到北京，满以为胜利在望，不想一连串的麻烦在等着她。首先是在屠呦呦中午离开实验室后，实验室内莫名其妙地着了一把大火，烧毁很多设备。接着有人贴出大字报，公开声称屠呦呦的实验工艺有问题，青蒿提取物有毒，不可用于人类。有人背着屠呦呦，把不知从哪儿弄来的、带有挥发性的东西喂给猫狗吃，让军代表看猫狗食后抽风的模样，以证实屠呦呦所制药物的危害性。有人相信了这种诽谤。
面对阴谋陷害、恶意攻击，屠呦呦气愤至极。她向院领导、党组织、军代表郑重地立下“军令状”：“有毒？好，我亲身验毒，后果自负。但条件是：一旦证明此药无毒，临床的事情领导必须立即放行，否则就过了当年疟疾发病的季节。”领导同意了她的请求，但也奉劝她慎重。屠呦呦毅然住进医院，勇敢地试服起临床的剂量。她是一个虚弱的女子，健康状况欠佳，但为了事业，她不顾一切。
屠呦呦成为青蒿提取物第一位实验者。受到屠呦呦的影响，科研组其他两位同志也做起“自身验毒”的实验，结果全都安然无恙，人们这才无话可说，领导同意新药临床。
如此一番折腾，耽误了赴海南疟区临床实践的时间，等屠呦呦带着她的抗疟药到达海南昌江时，已是1972年8月。
昌江是当时的一大疟区，当地以脑疟为首的恶性疟疾已成不治之症，发病数日内便能致人死亡。屠呦呦用她的青蒿提取物，60天里对30例疟疾患者做临床观察。其中既有本地人，也有外地人；既有间日疟，也有恶性脑疟。结果百分之百有效，用青蒿抗疟的疗法大获成功。
找到良药之后，屠呦呦并未停止工作。她认为必须要用现代的科技方法，查明青蒿提取物中那种有效单体的化学结构，这样才能以化工的手段规模生产。同样是在1972年，中科院生物物理所用当时最先进的“X-衍射法”，帮助屠呦呦确定了青蒿提取物的分子式为C 1 5 H 2 2 O5。
1973年，屠呦呦研发出青蒿素第一个衍生物双氢青蒿素，抗疟的疗效一下子提高了10倍。至此，她非常出色地完成了党和国家交给她的重任。同年，青蒿结晶的抗疟功效在云南地区得到证实，“523办公室”决定，将青蒿结晶物命名为青蒿素，作为新药进行研发。
回顾当时的探索，屠呦呦说，那时候大家工作都很努力。“我们的工资待遇都挺低的，大家也不考虑这些，自觉来加班，争取快速推进工作。那时候没有名利之心，大家经常汇报各自的进展，齐心合力争取更快出成果。”她感叹，建设创新型国家一定要多提倡原创发明。“你有原创的东西，在国际上就会被另眼相看，能说服人。”
1976年，项目组得到某国科学家正在分离蒿属植物类似物质的信息，以为与我国研究的青蒿素相同。在我国当年没有专利及知识产权保护法规的情况下，为了表明青蒿素是中国人的发明，1977年由屠呦呦所在的中国中医研究院以“青蒿素结构研究协作组”的名义在《科学通报》第22卷第3期首次发表了有关青蒿素化学结构及相对构型的论文《一种新型的倍半萜内酯——青蒿素》，引起世界各国的密切关注。
1978年，“523”项目的科研成果鉴定会最终认定青蒿素的研制成功“是我国科技工作者集体的荣誉，6家发明单位各有各的发明创造”——在这个长达数页的结论中，只字未提发现者的名字。当年大协作的“523”项目以“胜利完成”而告终。1984年，科学家们终于实现了青蒿素的人工合成。此后，中国科学家如接力赛一样，取得一批围绕青蒿素的重大科研成果。“那时候没有考虑到什么奖。国家需要做什么，就努力去做好。”屠呦呦坦陈，“我是搞研究的，只想老老实实做学问，把自己的事情做好，把课题做好，没有心思也没有时间想别的。”
1981年10月，青蒿素及其衍生物学术讨论会在北京召开。这次会议是世界卫生组织疟疾化疗科学工作组第一次在日内瓦总部以外召开的会议，是专为我国发明的抗疟药青蒿素及其衍生物进行全面评价和制定发展规划的一次重要的国际会议。学术会议报告了7篇论文，均由我方代表宣读。其中，屠呦呦代表中国研究人员作了题为《青蒿素的化学研究》的报告。
从实验室到临床，1986年，青蒿素获得了我国颁发的一类新药证书。一项特殊历史时期的任务，最终转化成全人类对抗疾病的武器，拯救了数不清的生命。2009年，屠呦呦编写的《青蒿及青蒿素类药物》由化学工业出版社出版。在多年研究生涯里，屠呦呦一贯保持低调。她对记者的提问很少作正面回答，常常说去看她的那本书就够了。作为科学家的屠呦呦，爱用这本260页厚的学术著作来与世界对话，对于其他方面她似乎不想谈得过多。在屠呦呦家里，可以看到厚厚的卷册已被翻得起了毛边。其中有一页印制粗糙的新药证书复印件，那是中国新药审批办法实施以来的第一个新药证书——（86）卫药证字X-01号。这份由中国中医研究院申报获批的证书上，并没有屠呦呦的名字。1996年，该研究小组又荣获“杰出科技成就集体奖”，屠呦呦在得奖人名排序中位居第七位。
作为“中国神药”，青蒿素在世界各地抗击疟疾中显示了奇效。2004年5月，世卫组织正式将青蒿素复方药物列为治疗疟疾的首选药物。英国权威医学刊物《柳叶刀》的统计显示，青蒿素复方药物对恶性疟疾的治愈率达到97%，据此，世卫组织当年就要求在疟疾高发的非洲地区采购和分发100万剂青蒿素复方药物，同时不再采购无效药。世界卫生组织说，坦桑尼亚、赞比亚等非洲国家近年来疟疾死亡率显著下降，一个重要原因就是广泛分发青蒿素复方药物。
中国援助多哥医疗队队长王维忠介绍说，青蒿素药品治疗疟疾见效快、副作用小，用药后95%以上的病人都能治愈。王维忠还说，青蒿素不仅价格较奎宁低，而且使用方便，多哥当地人非常肯定青蒿素的疗效，尤其是口服药。据多哥洛美地区中心医院一位主管副院长介绍，青蒿素药物是该院治疗疟疾的首选，每年中国政府都会援助多哥青蒿琥酯抗疟药物，并对当地医务人员进行疟疾防治知识技能的培训和指导。
在肯尼亚的疟疾重灾区奇苏姆省，用中国重庆产的青蒿素药物“科泰新”治愈的一名患疟疾的孕妇，给生下的孩子取名“科泰新”；在南非的夸祖鲁-纳塔尔省，中国的复方蒿甲醚使疟疾患病人数减少了78%，死亡人数下降了88%；在西非的贝宁，当地民众把中国医疗队给他们使用的这种疗效明显、价格便宜的中国药称为“来自遥远东方的神药”……在屠呦呦眼里，青蒿素的发现是中国传统医学给人类的一份礼物。