天然藥物化學(xué)發(fā)展的歷史性變遷

1、北京大學(xué)學(xué)報(bào)(醫(yī)學(xué)版)JOURNALOFPEKINGUNIVERSITY(HEALTHSCIENCES) Vol.36 No.1 Feb.2004#9#專家筆談#天然藥物化學(xué)發(fā)展的歷史性變遷楊秀偉v(北京大學(xué)藥學(xué)院,北京 100083)關(guān)鍵詞天然藥物/化學(xué);天然藥物/歷史;光譜分析;天然藥物/分離和提純中圖分類號(hào)R93 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A 文章編號(hào)16712167X(2004)0120009203生物與環(huán)境的相互作用造就了生態(tài)系統(tǒng)的平衡。自然選擇成為生物進(jìn)化的動(dòng)力。人與自然環(huán)境的和諧統(tǒng)一,古人稱為/天人合一0,這個(gè)/統(tǒng)一0也造就人體內(nèi)的陰陽(yáng)統(tǒng)一。這兩個(gè)/統(tǒng)一0一旦失衡,人就要生病。中藥和天然藥物的作

2、用機(jī)制之一就是糾正/失衡0,恢復(fù)/平衡0或達(dá)成新的/平衡0。在這些過程中,生命對(duì)生命、生命對(duì)非生命的適應(yīng)起到了非常積極的重要作用。植物病蟲害、動(dòng)物疾病和人類疾病等使人們自覺和不自覺地采取某些手段恢復(fù)這些不正常的狀態(tài),藥物是其中的手段之一。遠(yuǎn)古時(shí)代,人類就從自然界尋找被稱為/藥0的一類物質(zhì)。這種來(lái)自天然的/物質(zhì)0被稱之為/天然藥物0(natu2ralmedicines),并流傳下來(lái),無(wú)論哪個(gè)民族至今還有不少仍在使用。這些天然藥物包括來(lái)自植物的,如阿片、人參、大黃等;來(lái)自動(dòng)物的,如牛黃、鹿茸、蟾酥、海馬等;來(lái)自人類的,如紫河車等;來(lái)自礦物的,如石膏、朱砂、雄黃等。誕生在古代埃及文化中的生藥利用,傳

3、入希臘、阿拉伯文化中,嗣后納入歐洲的近代醫(yī)藥學(xué);誕生在中國(guó)和印度的自成體系的傳統(tǒng)醫(yī)藥學(xué)發(fā)展到今天,其藥物都屬天然藥物領(lǐng)域,生命體的內(nèi)源性活性物質(zhì)也屬于天然藥物領(lǐng)域。研究天然藥物中的化學(xué)物質(zhì)及其問題的一門學(xué)科,稱為天然藥物化學(xué)(naturalmedicineschemistry)。公元前,尼羅河(Nile)、底格里斯河(Tigris2Eu2phrates)、印度河(Indus)和黃河等4大流域的發(fā)達(dá)文化,在經(jīng)歷了使用天然物質(zhì)的漫長(zhǎng)歷史之后,于18世紀(jì)末,各種有機(jī)酸、甘油等被相繼發(fā)現(xiàn);到19世紀(jì)初,從阿片中分離嗎啡,開創(chuàng)了生藥有效成分利用的先河。人們開始嘗試了解這些物質(zhì)的生物活性作用。這些是天然藥

4、物化學(xué)形成的初期階段,主要以發(fā)現(xiàn)和分離化學(xué)成分為特點(diǎn)。如:1769年酒石酸、乳酸、尿酸和甘油酯的分離;1777年將化學(xué)劃分為無(wú)機(jī)化學(xué)和有機(jī)化學(xué);1806年從阿片中分離出嗎啡;1815年發(fā)現(xiàn)蔗糖和酒石酸的光學(xué)活性;1820年從金雞納樹皮中分離奎寧(quinine);1826年從血液中分離氯化血紅素(hemin);1828年從煙草中分離煙堿(nicotine);1832年從人參中分離胡蘿卜素(carotene);1885年從麻黃中分離麻黃堿(ephedrine);1901年獲得結(jié)晶性腎上腺素(a2drenaline);1910年發(fā)現(xiàn)維生素B1(oryzanin);1928年發(fā)現(xiàn)青霉素(penici

5、llin)等。吐根堿(emetine)、士的寧(strychnine)、秋水仙堿(colchicine)、小檗堿(berberine)、阿托品(atropine)、可卡因(cocaine)等生物堿也是在19世紀(jì)發(fā)現(xiàn)的。早在公元281年至341年,晉代葛洪就總結(jié)了/煉丹術(shù)0,寫出/抱卜子0,實(shí)為天然藥物化學(xué)的奠基人。19世紀(jì)末,天然藥物化學(xué)學(xué)科開始真正形成。當(dāng)化學(xué)家從神話世界向現(xiàn)代科學(xué)飛躍之時(shí),從天然獲得的提取物的真正特性喚起科學(xué)家們的好奇心,他們開始分離、純化和最終分析生活細(xì)胞中產(chǎn)生的化合物。天然化合物的分離極大地促進(jìn)了純化技術(shù)的飛躍發(fā)展,這些純化技術(shù)使微量物質(zhì)的分離成為可能。結(jié)構(gòu)確定是在結(jié)合

6、反應(yīng)模式和元素分析及降解到已知結(jié)構(gòu)小碎片的條件下進(jìn)行的。這些較早的工作帶來(lái)了許多新的、有價(jià)值的反應(yīng)和重排的發(fā)現(xiàn)。碎片結(jié)構(gòu)的確定常常是通過精細(xì)的化學(xué)合成來(lái)完成的,全合成十分復(fù)雜。從實(shí)用和商業(yè)上來(lái)考慮,常常需要改變實(shí)驗(yàn)室的合成過程,由此帶來(lái)了化學(xué)合成技術(shù)上的革命。一系列新的合成路線的設(shè)計(jì)和特異進(jìn)行的天然化合物的化學(xué)合成極大地促進(jìn)了有機(jī)合成的發(fā)展。此時(shí)期內(nèi),天然產(chǎn)物化學(xué)家和有機(jī)化學(xué)家確定了大量天然化合物的結(jié)構(gòu)。但是,較早提出的化合物結(jié)構(gòu)不是十分慎重的,除非通過化學(xué)合成方法已合成了這個(gè)化合物。另一方面,此時(shí)期內(nèi)也極大地促進(jìn)了天然化合物生物合成的研究,科學(xué)家們根據(jù)天然化合物的生物合成路線確定天然化合物北

7、京大學(xué)學(xué)報(bào)(醫(yī)學(xué)版)的結(jié)構(gòu)。這一時(shí)期天然藥物化學(xué)最明顯的發(fā)展就是生物合成物質(zhì)的識(shí)別。天然產(chǎn)物化學(xué)家和有機(jī)化學(xué)家對(duì)于已確定的大量天然化合物的結(jié)構(gòu)按照生源、藥理活性或結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類,在快速而正確地決定結(jié)構(gòu)過程中,早期的生物信息學(xué)起了積極作用?；瘜W(xué)家們的創(chuàng)造性和直覺不斷地揭示出不同化合物的生物合成途徑,如:萜類有共同的合成材料)甲戊二羥的結(jié)構(gòu)單元,生物堿源于A2氨基酸等。因此,生活細(xì)胞合成天然化合物的奧秘被逐漸揭示。不同分類的化合物具有不同的生物合成途徑。前體化合物和中間體的鑒定,揭示細(xì)胞內(nèi)酶催化的反應(yīng)有其離體相互對(duì)應(yīng)的物質(zhì),其機(jī)制可以通過已知的有機(jī)化學(xué)反應(yīng)機(jī)制來(lái)解釋。仿生研究引導(dǎo)出新的、完美的合成過

8、程,生物合成物質(zhì)不斷地被應(yīng)用于結(jié)構(gòu)確定上,用以修正錯(cuò)誤的/非天然結(jié)構(gòu)0。20世紀(jì)是天然藥物化學(xué)迅速發(fā)展和/藥味0濃郁的時(shí)期,以色譜技術(shù)用于天然化合物的分離、純化,譜學(xué)技術(shù)滲透到結(jié)構(gòu)鑒定和生物活性試驗(yàn)普遍開展為特點(diǎn)。1906年俄國(guó)植物學(xué)家茨維特(Tsweet)使用碳酸鈣為吸附劑、石油醚為洗脫劑,通過柱色譜技術(shù)研究植物葉的化學(xué)成分,得到3種顏色的6個(gè)色帶,并首次提出了/色譜0概念。此后的20年間,沒有人關(guān)注這一偉大的發(fā)現(xiàn)。1931年德國(guó)的Kuhn和Leder2er再現(xiàn)了茨維特的某些實(shí)驗(yàn),用氧化鋁和碳酸鈣分離了A2、B2和C2胡蘿卜素,從此色譜技術(shù)開始得到重視。1940年提出了液-液色譜法。1941

9、年提出用氣體代替液體作流動(dòng)相的可能。由于James和Martin提出了從理論到實(shí)踐都比較完整的氣-液色譜方法而獲得1952年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。繼后,毛細(xì)管柱氣相色譜于1957年問世,樹立了現(xiàn)代色譜技術(shù)的第一個(gè)里程碑。20世紀(jì)60年代末出現(xiàn)高效液相色譜法,80年代初出現(xiàn)超臨界流體色譜法,90年代出現(xiàn)毛細(xì)管區(qū)帶電泳法。色譜技術(shù)將在21世紀(jì)的天然藥物化學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮其不可替代的重要作用。1944年,Perkin-Elmer公司生產(chǎn)了世界上第一臺(tái)紅外光譜儀,并于上世紀(jì)50年代初開始應(yīng)用于天然化合物的結(jié)構(gòu)研究,開創(chuàng)了現(xiàn)代譜學(xué)技術(shù)應(yīng)用于天然化合物結(jié)構(gòu)研究的第一個(gè)里程碑。1952年從蛇根木Rauvolfiaser

10、pentina(L.)Benth.exKurz分離出結(jié)晶性利血平(reserpine)。其后美國(guó)杰出化學(xué)家Woodward在他合成的利血平論文中發(fā)表30多幅紅外光譜圖,并評(píng)價(jià):/不管反應(yīng)所得到的,如果采用紅外光譜對(duì)它們做常規(guī)檢測(cè),往往會(huì)為重大的發(fā)現(xiàn)提供某些線索,這是其它方法難以勝任的,0。目前,各種型號(hào)傅立葉變換紅外光譜儀的相繼問世,使檢測(cè)樣品量少至微克級(jí)。20世紀(jì)初質(zhì)譜儀誕生,從EI、CI到FAB、ESI、MALDI等軟電離技術(shù)的出現(xiàn)及后兩者與TOF檢測(cè)的搭配,質(zhì)譜儀對(duì)于測(cè)定天然化合物的分子量和分子組成表現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢(shì)和不可替代性。從1953年出現(xiàn)第一臺(tái)30MHz連續(xù)波核磁共振波譜儀(CW

11、2NMR)到上世紀(jì)70年代初推出的脈沖傅立葉變換核磁共振波譜儀(PFT2NMR),NMR經(jīng)歷了30、60、90、100、300、400、500、600、800及900MHz的發(fā)展過程,今天已在天然藥物化學(xué)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。雖然僅50余年歷史,但其成就非常驚人,已經(jīng)兩次獲得諾貝爾獎(jiǎng)。一次是布洛赫(FelixBloch)因?yàn)?發(fā)展了核磁精密測(cè)量的新方法以及一些有關(guān)的發(fā)現(xiàn)0與珀塞爾分享1952年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),使NMR用于物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析等領(lǐng)域,引發(fā)了20世紀(jì)70年代波譜儀的革命;另一次是恩斯特(RichardR.Ernst)由于/在高分辨率核磁共振波譜學(xué)研究中作出的劃時(shí)代的貢獻(xiàn)0而獲1991年度諾貝爾化

12、學(xué)獎(jiǎng)。由于NMR能夠提供有關(guān)化學(xué)結(jié)構(gòu)及分子動(dòng)力學(xué)的信息,所以已成為分子結(jié)構(gòu)解析的一個(gè)有力工具,尤其是現(xiàn)在用多核、多維NMR方法來(lái)確定蛋白質(zhì)、多糖、核酸等的三維空間構(gòu)象。由于NMR技術(shù)在天然產(chǎn)物化學(xué)成分結(jié)構(gòu)解析上的應(yīng)用,使天然藥物化學(xué)結(jié)構(gòu)研究手段發(fā)生了革命性變化。目前,幾乎沒有一個(gè)新的天然化合物的結(jié)構(gòu)確定不是由NMR來(lái)完成的?；仡橬MR應(yīng)用歷史,正如恩斯特所言:NMR象一棵大樹,發(fā)展最早和應(yīng)用最早的領(lǐng)域是在物理學(xué)即樹根,然后是在化學(xué)有機(jī)分子結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的應(yīng)用即樹干,再后來(lái)是枝繁葉茂的生物化學(xué)和醫(yī)學(xué)應(yīng)用。NMR技術(shù)使我們?nèi)〉迷絹?lái)越多的豐碩成果。目前,氣相色譜-傅立葉變換紅外光譜聯(lián)用技術(shù)(GC-IR)、

13、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(GC-MS)、高效液相色譜-傅立葉變換紅外光譜聯(lián)用技術(shù)(LC-IR)、高效液相色譜-質(zhì)譜/質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(LC-MS/MS)、高效毛細(xì)管電泳與電噴霧電離質(zhì)譜的在線耦合、高效液相色譜-核磁共振波譜聯(lián)用技術(shù)(LC-NMR)等已在天然藥物化學(xué)研究中有了不同程度的應(yīng)用。進(jìn)入20世紀(jì),天然藥物化學(xué)研究的進(jìn)展越來(lái)越楊秀偉 天然藥物化學(xué)發(fā)展的歷史性變遷#11#究逐漸成為熱點(diǎn),從單純的化合物活性研究發(fā)展到跟蹤分離。早期的活性跟蹤分離主要采取了:(1)單項(xiàng)技術(shù)、單一靶標(biāo)篩選。如:用四氧嘧啶性糖尿病大鼠模型篩選生藥中抗糖尿病活性成分,用蛙心模型篩選強(qiáng)心活性成分等。(2)單項(xiàng)技術(shù)、多靶標(biāo)篩選。

14、如:采用整體未麻醉大鼠對(duì)生藥進(jìn)行多種靶標(biāo)的篩選,觀察中樞神經(jīng)抑制活性、安定活性、交感神經(jīng)興奮活性、副交感神經(jīng)興奮活性、周圍血管擴(kuò)張活性、利尿活性、代謝性毒性等。(3)特異性活性篩選。如以多種離體器官為模型的篩選。(4)特異性和多靶標(biāo)結(jié)合的活性篩選。如:對(duì)生藥進(jìn)行一般的活性篩選、測(cè)定長(zhǎng)期給藥的作用和試驗(yàn)化學(xué)治療的潛力。盡管靶標(biāo)在更新,但活性跟蹤分離的基本思路是一致的。至20世紀(jì)80年代,隨著長(zhǎng)期藥物研究經(jīng)驗(yàn)的積累和科技的進(jìn)步,尤其是分子生物學(xué)、分子藥理學(xué)、分子病理學(xué)、微電子技術(shù)以及基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、糖組學(xué)的出現(xiàn)和發(fā)展,水到渠成地出現(xiàn)了創(chuàng)新藥物的高通量篩選(highthroughputscre

15、ening,HTS)或大規(guī)模集群式篩選。在HTS中的5個(gè)子系統(tǒng)(高容量的樣品庫(kù)、化合物庫(kù)系統(tǒng),自動(dòng)化的操作系統(tǒng),高靈敏度的檢測(cè)系統(tǒng)、高效率的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、高特異性的藥物篩選系統(tǒng))中,高容量的樣品庫(kù)、化合物庫(kù)系統(tǒng)非常適合于天然產(chǎn)物。首先,天然產(chǎn)物是人類賴以生存的條件,對(duì)人類友好,是樸素藥物的來(lái)源;其次,天然產(chǎn)物具有生物多樣性(biodiversi2ty,biologicaldiversity),為藥物篩選提供了天然的樣品庫(kù);再次,天然產(chǎn)物具有化學(xué)多樣性(chemodi2versity),為藥物篩選組建了高容量的化合物庫(kù),使藥物類型、活性、構(gòu)效關(guān)系的研究集約式高度一體化。HTS引導(dǎo)的天然藥物化學(xué)研

16、究為天然藥物化學(xué)學(xué)科的發(fā)展創(chuàng)造了良好的機(jī)遇,尤其對(duì)于幾世紀(jì)以來(lái)用于人體治療的傳統(tǒng)天然藥物,可以認(rèn)為在開始生物活性篩選之前就已經(jīng)成功地完成了針對(duì)各種治療目的的臨床試驗(yàn)。天然產(chǎn)物研究者的主要任務(wù)是如何確定、分離和鑒定有用的化學(xué)活性成分。21世紀(jì)將是天然藥物化學(xué)有史以來(lái)發(fā)展最快的時(shí)期,其主要任務(wù)包括:(1)用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)方法對(duì)傳統(tǒng)藥物進(jìn)行再評(píng)價(jià),使經(jīng)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)化、定性和定量化,質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)制定的化學(xué)和生物活性/指紋0化。(2)生藥基源動(dòng)物、植物、礦物和近源物種化學(xué)成分的研究,并探討其生物活性(包括有效性和毒性)的差異,開發(fā)新的藥用資源,走可持續(xù)性利用之路。(3)以經(jīng)驗(yàn)和生物活性為線索,尋找創(chuàng)新藥物研究的候選

17、化合物。(4)以天然化合物為工具,探討生物活性作用靶點(diǎn),發(fā)展新的天然藥物篩選模型。(5)以天然化合物為工具藥物,服務(wù)于疾病的發(fā)生和發(fā)展機(jī)制的探討。(6)以有生物活性的化合物為工具,指導(dǎo)天然化合物提取、分離和純化的合理工藝設(shè)計(jì)。(7)根據(jù)天然化合物的親緣性和生物合成途徑及模擬生物酶催化機(jī)制,進(jìn)行仿生合成設(shè)計(jì)。(8)根據(jù)化學(xué)物種的進(jìn)化,從分子水平探討生物進(jìn)化。(9)研究天然化合物在動(dòng)物、人體等的吸收、分布、代謝、排泄和有效性/毒性,進(jìn)行合理的藥物設(shè)計(jì)。對(duì)有用藥物代謝酶進(jìn)行體外異源表達(dá),發(fā)展先導(dǎo)化合物結(jié)構(gòu)的體外生物酶優(yōu)化工藝。(10)充分利用天然手性化合物資源,開展手性藥物研究?？傊?20世紀(jì)末和2

18、1世紀(jì)世界科學(xué)技術(shù)的發(fā)展為天然藥物化學(xué)發(fā)展創(chuàng)造了前所未有的機(jī)遇,促進(jìn)了天然藥物化學(xué)學(xué)科發(fā)展新的變遷。(志謝:本文承蒙北京大學(xué)藥學(xué)院天然藥物學(xué)系趙玉英教授和艾鐵民教授審改、潤(rùn)色,并提出寶貴意見,在此深表謝意。)(2003210209收稿)(本文編輯:任英慧)#消息#2003年度北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部科研工作成績(jī)喜人北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部所獲科研基金在2002年成績(jī)的基礎(chǔ)上再次刷新,今年共獲批準(zhǔn)部級(jí)以上項(xiàng)目183項(xiàng),總經(jīng)費(fèi)超過6300萬(wàn)元(不完全統(tǒng)計(jì))。其中國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目共107項(xiàng),批準(zhǔn)總經(jīng)費(fèi)3130萬(wàn)元,項(xiàng)目數(shù)比去年又增加了19項(xiàng),經(jīng)費(fèi)數(shù)比去年增加了1386萬(wàn)元,其中有6項(xiàng)重點(diǎn)項(xiàng)目獲得批準(zhǔn)。以北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部為第一完成單位的SCI論文共257篇,與2002年相比增幅超過28%,244篇SCI研究論文的平均影響因子為1.982,其中影響因子大于5.0的共19篇。在SRAS研究工作中取得突出成績(jī),獲得各類專項(xiàng)基金14項(xiàng),共101