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Development in chemistry of natural medicine and its relationship of related disciplines

天然药物化学学科的发展以及与相关学科的关系



全 文 :中草药 Chinese Traditional and Herbal Drugs 第 42 卷 第 8 期 2011 年 8 月 ·1457·
·专 论·
天然药物化学学科的发展以及与相关学科的关系
史清文*,李力更,霍长虹,张嫚丽,王于方
河北医科大学药学院 天然药物化学教研室,河北 石家庄 050017
摘 要:天然药物不论是历史还是现在都为人类的健康发展做出了重要贡献。天然药物化学是运用现代科学理论与技术研究
天然药物中化学成分的一门学科,其发展越来越受到科学家的重视。对天然药物化学学科的发展以及与相关学科的关系进行
简要总结和分析,期望为青年科技工作者以启示。
关键词:天然药物化学;天然药物;学科发展;学科联系;中药
中图分类号:R284 文献标志码:A 文章编号:0253 - 2670(2011)08 - 1457 - 07
Development in chemistry of natural medicine and its relationship of related disciplines
SHI Qing-wen, LI Li-geng, HUO Chang-hong, ZHANG Man-li, WANG Yu-fang
Department of Medicinal Nature Product Chemistry, College of Pharmaceutical, Hebei Medical University, Shijiazhuang 050017, China
Abstract: Natural products have been the source of most of the active ingredients in medicines. Natural medicines play an important
role to keep the healthy of mankind in history even today. Chemistry of natural medicine is a scientific branch of exploration chemical
composition in natural medicine using the modern science and technology and has captured the more and more attention of scientists.
The development in chemistry of natural medicine and its relationship of other related disciplines are summerized in this paper.
Key words: chemistry of natural medicine; natural medicine; development of disciplines; relationship of related disciplines; Chinese
materia medica

天然产物是由自然界中的生物历经千百万年的
进化过程衍生而成,具有化学多样性、生物多样性
和类药性等特点,有些可以直接作为药物,有些则
可以作为药物半合成前体甚至先导化合物。随着人
类科技的进步和生活水平的提高,有关天然药物中
的化学研究越来越受到科学家们的重视[1-5]。天然药
物化学(chemistry of natural medicine)是运用现代
科学理论与技术研究天然药物中化学成分的一门学
科,其在天然药物的发展过程中起着非常重要的作
用。本文就天然药物化学的学科发展历史、现状以
及其与相关学科的关系进行系统总结和分析,期望
为青年科技工作者带来一些有益的启示。
1 天然药物化学发展历史简要回顾
人类利用天然产物作为药物已有几千年的历
史。在远古时代,当人类有了身体上的“痛苦”即
所谓“疾病”时,就开始从自然界中寻找被称为
“药”的物质来缓解痛苦。由此最原始的“天然药
物”就被代代相传下来[6]。天然药物之所以能防病
治病,其物质基础在于其中所含的具有活性的化学
成分。我国明代李挺所著的《医学入门》(1575 年)
记载了用发酵法从五倍子中得到没食子酸的过程。
书中所谓“五倍子粗粉并矾,曲和匀作酒曲样入瓷
器遮不见风,候生白取出”,“生白”即没食子酸生
成之意,这是世界上最早从天然产物中得到的有机
酸。李时珍在《本草纲目》(1596 年)中详细记载
了用升华法制备、纯化樟脑的过程。目前,天然药
物是指来源于自然界所有生物(包括植物、动物、
微生物、海洋生物等)和矿物的、具有明确疗效的
单一化学成分或多组分物质。1806 年 23 岁的德国
药剂师Sertürner从罂粟中首次分离出单体化合物吗

收稿日期:2011-02-19
基金项目:国家自然科学基金资助项目(81072551);河北省自然科学基金资助项目(C2010000489);河北省引进留学人员基金(2008-2010);
河北医科大学教育科学研究重点课题(09zd-17)
*通讯作者 史清文(1964—),男,河北沧州人,教授、博士生导师。Tel: (0311)86265634 E-mail: shiqingwen@hebmu.edu.cn
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啡(morphine),开创了从天然产物中寻找活性成分
的先河。这一伟大功绩不仅是人类开始利用纯单体
天然化合物作为药物的一个标志,也意味着现代意
义上的天然药物化学初级阶段开始形成。随后吐根
碱(emetine)、马钱子碱(brucine)、番木鳖碱
(strychnine)、奎宁(quinine)、咖啡因(caffeine)、
阿托品(atropine)、可卡因(cocaine)和地高辛
(digitoxin)等具有强生物活性的单体化合物相继从
植物中被分离得到。随着科技的发展,到 20 世纪
90 年代,约 80%的药物都与天然产物有关:有的直
接来源于天然产物,有的通过对天然产物的结构修
饰得到,有的受天然产物结构的启发而设计合成。
20 世纪 50 年代 Wall 博士从中国特有植物喜树
Camptotheca acuminate Decne.中分离出抗癌活性成
分喜树碱(camptothecin),后经结构修饰开发了抗
癌 药 物 依 立 替 康 ( Irinotecan ) 和 托 泊 替 康
(Topotecan);20 世纪 60 年代从植物中发现了抗癌
药物长春碱(vinblastine)和长春新碱(vincristine),
并以此为先导设计了长春碱衍生物长春瑞滨
(vinorelbine);美国 Merck 公司筛选开发并于 1987
年被批准上市的用于治疗高胆固醇血症和混合型高
脂血症的药物洛伐他汀(Lovasatine)也是来源于自
然界的具有里程碑式意义的天然药物之一;青蒿素
(Qinghaosu, arteannuin, artemisimnin)是我国科学家
从黃花蒿 Artemisia annua L.叶中得到的新型抗虐倍
半萜过氧化物,是我国自主开发的在该领域最杰出
的工作,1977 年 3 月在《科学通报》上首次发表了
其独特的结构,2002 年 4 月 22 日,复方蒿甲醚被
列入 WHO 第 12 版基本药物名录的核心目录;20
世纪 90 年代从紫杉中发现的抗癌药物紫杉醇
(Taxol)及其结构修饰衍生物多烯紫杉醇(docetaxel)
等,都是天然药物化学研究开发的成功例证[7-12]。
2 天然药物化学研究的主要内容
天然药物化学早期研究的内容主要为植物中有
效成分的提取分离、理化性质和结构鉴定等。很多
科学家都由于对天然产物化学研究的杰出成就获得
了诺贝尔奖,如 Fischer 对糖类的研究,Wieland 对
胆酸及多种同类物质化学结构的研究,Windaus 对
胆固醇类及维生素 D 的研究,Robinson 对生物碱的
研究等。随着科技的进步,天然药物化学研究范畴
在逐步扩展,已经发展成在生物活性监测指导下的
提取分离和纯化、结构鉴定、结构修饰、半合成和
全合成、天然产物的生(体)合成和生物合成、生
物转化、化学生态学等以及与其他很多学科紧密交
叉联系的一门学科。天然药物化学也是我国高等院
校药学专业学生必修的专业课程,与现在国内很多
综合性大学以及科研院所开设的天然有机化学
(natural organic chemistry)、天然产物化学(chemi-
stry of natural products)、中药化学(chemistry of
Chinese materia medica)、植物化学(phytochemi-
stry)等研究的方法和内容几乎完全相同,只是研究
的目的和重点略有差异或侧重。
3 与相关学科的关系
3.1 与有机化学(organic chemistry)的关系
从非常重要的经典学科——有机化学的发展历
史很容易看出:天然药物化学的研究历史其实就是
有机化学的发展史,有机化学的起源就是对天然产
物的研究。天然产物在没有特别标明时即指天然的
有机化合物。能被人类利用来防病治病,即有生物
活性的天然产物就是天然药物。对天然药物的研究
促进了有机化学理论及应用的发展,而反过来有机
化学理论的应用与发展也进一步促进了对天然产物
的研究。Wallach 通过对天然脂环式化合物的研究
提出了碳环张力理论;Haworth 通过对糖的结构研
究提出了著名结构表示方法(Haworth projection);
Ruzicka 通过对天然萜类结构的研究提出了萜类的
生源异戊二烯规则(biogenetic isoprene rule);
Woodward 通过合成 VB12(vitamin B12)等复杂天
然产物得到启发提出了著名的“轨道对称守恒定律”
(conservation of orbital symmetry);Bartont 和 Hassel
等通过对天然甾体化合物结构的研究提出环状化合
物立体构型构象理论(the concept of conformation
and its application in chemistry)。同样有机化学理论
对天然药物的发展,如对具有生物活性的天然产物
的半合成、全合成及结构修饰等,也具有非常重要
的指导意义。
3.2 与合成化学(synthetic chemistry)的关系
大自然天斧神工造就的化合物具有独特而新颖
的结构,远远超出了科学家的想象力,同时为有机
合成化学家不断地提供了绝妙模板和新的挑战,也
为有机化学学科的发展提供了最直接的推动力。复
杂天然产物的化学全合成已经成为有机化学领域中
最为活跃的一个分支,代表着一个国家科技发展的
水平。20 世纪伟大的化学家 Woodward 曾说:“结
构已知但未全合成的化合物,对于化学家来说就象
未攀登的高峰、未发现的海洋、未到达的星球、未
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开垦的土地”。复杂天然产物的全合成始终是有机
合成化学家们要征服的最高目标之一,也成就了一
大批天然产物合成大师。他们合成了一系列复杂并
且有很好生物活性的天然产物,如奎宁、吗啡、河
豚毒素(tetrodotoxin)、莫能菌素(monensin)、利
血平(reserpine)、番木鳖碱、维生素 B12(vitamin
B12 )、银杏内酯 B ( ginkgolide B )、青霉素
(penicillin)、羽扇豆醇(lupeol)、赤霉素(gibberellic
acid)、红霉素 B(erythromycin B)、卡其霉素
(calicheamicin)、长叶松萜烯(longifolene)、西加
毒素(ciguatoxin)、紫杉醇、callipeltoside A、扇贝
毒素(pectenotoxin)、万古霉素(vancomycin)、替
考拉宁(teicoplanin)、海鞘毒素(ecteinascidin)、
penitrem D、甲藻毒素 B(brevetoxin B)、spongistatin
2、prostratin、bryostatin、vinigrol、cyanocycline A、
ecteinascidin、aspidophytine、epothilone A、rapa-
mvcin、aspidophytine 等[13-16]。
不对称合成(asymmetric synthesis)在天然产
物全合成中的应用也是近年的伟大突破。早在
1972 年就合成了外消旋的河豚毒素(图 1),但在
2003 年终于完成了不对称全合成 [17-18]。保罗碱
(Palau’amine,图 1)是 1993 年从太平洋海域采集
的海绵 Stylotella agminata(Ridley)中分离得到的
具有抗癌、抗真菌活性的海洋生物碱,由于其特殊
复杂的结构,包括有机合成大师 Corey 等曾经历近
20 年的努力无法完成全合成,但终于在 2010 年完
全合成了这个化学合成界公认的最难合成的海洋
生物碱[19]。
N
N
N
H
NH
N
H
H
N
NH2
NH2
H H
Cl
O
OH
NH2
H
N
H
N
O
O
OH
H NH2
HO
OH
HO
OH
H
OH
保罗碱 河豚毒素
图 1 保罗碱和河豚毒素的化学结构
Fig. 1 Sructures of Palau’amine and tetrodotoxin
天然产物全合成中最著名的就是岩沙海葵毒素
(palytoxin,PTX,图 2)的全合成[20]。PTX 的结构
中含有 64 个手性碳和 7 个双键,理论上应该至少有
271 个立体异构体,其全合成难度可想而知。哈佛大
学的岸义人(Yoshito Kishi)教授领导的团队历经
14 年的努力,终于在 1994 年完成了 PTX 的全合成。
该化合物是目前完成全合成中相对分子质量最大、
手性碳最多的天然产物,不论从反应路线设计还是
反应难度上,其全合成过程堪称攀登有机化学界的
珠穆朗玛峰,同时被美国化学会载入 75 年来最伟大
的成就之一。在 PTX 的全合成过程中使用和发现了
不少新的试剂、化学反应及机制,不仅对有机合成
而且对有机化学理论的发展都起到了非常大的推动
作用,至今仍让科学家们赞叹不已。
同时,随着对天然产物生物合成的了解,也促成
了新兴学科——仿生合成化学(biomimetic synthesis)
的诞生。Robinson 利用仿生合成的方法合成了托品酮
(tropinone),开创了仿生合成的先河,而后又有人利
用仿生合成的方法合成了黄体酮(progesterone)、虎
皮楠碱(aphniphylline)等天然产物。


图 2 PTX 的化学结构
Fig. 2 Chemical structure of PTX
中草药 Chinese Traditional and Herbal Drugs 第 42 卷 第 8 期 2011 年 8 月 ·1460·
3.3 与现代提取分离纯化技术(modern technology
of extraction, isolation, and purification)的关系
天然产物结构复杂,结构类似的化合物往往共
生于一体,所以分离得到单体化合物非常困难。但
随着现代提取分离技术的发展,使得分离得到单体
化合物变得相对容易。Tiselius 发明了吸附色谱法
(adsorption chromatography),Martin 和 Synge 开发
并应用了分配色谱法( partion chromatography
analysis ), Craig 发 明 了 逆 流 分 溶 装 置
(countercurrent distribution),Ito 博士发明了高速
逆流色谱(high speed counter current chromato-
graphy,HSCCC)等,这些发明对天然产物的研究
起到了至关重要的作用。目前,天然药物化学的发
展已从常量、易得的成分转向微量、甚至超微量的
活性成分的研究。 HSCCC 、制备薄层色谱
(preparative thin-layer chromatography,PTLC)、高
效 薄 层 色 谱 ( high performance thin-layer
chromatography,HPTLC)、高效液相色谱(high
performance liquid chromatograph,HPLC)、闪柱色
谱(flash chromatography)、毛细管电泳(capillary
electrophoresis,CE)、真空液相色谱(vacuum liquid
chromatography,VLC)、超声提取( ultrasonic
extraction)、微波萃取(microwave extraction)、仿
生 和 半 仿 生 提 取 ( bionic and semi-bionic
extraction)、膜分离技术(membrane separation)、
分子蒸馏技术(molecular distillation)及分子印迹
技术(molecular imprinting)等新技术的发展和应
用极大地促进了天然产物的研究[21]。目前,微量
成分、水溶性成分、超大分子、生物大分子等也得
到了深入研究。特别需要指明的是,现代分离技术
与现代结构鉴定技术的联用在天然产物的研究历
史上堪称一次重大革命。
3.4 与现代谱学(modern spectroscopy)的关系
天然产物数量巨大、结构类型繁多,其中立体
异构体的测定最为困难。早期的研究中,一个天然
化合物从分离、提纯到确定结构,以及人工合成需
要很长时间,如小分子天然药物吗啡从 1806 年被发
现,1925 年提出正确结构到 1952 年完成全合成,
历经约 150 年的时间。在现代谱学技术应用以前,
天然产物的结构确定主要是通过各种化学反应,如
制备衍生物、化学降解甚至全合成方法对照等手段
来完成,一个复杂化合物的结构鉴定往往花费几十
年的时间,如胆固醇、胆酸、吗啡、番木鳖碱等化
合物的结构确定。从 20 世纪 60 年代开始,随着各
种分离技术和谱学技术的飞速发展以及广泛应用,
天然产物的研究取得了显著进步,如结构更为复杂
的天然药物利血平(reserpine)从发现、确定结构
到人工全合成,仅用了短短 4 年(1952—1956 年)
的时间。而近 30 年来,现代谱学解析方法(NMR、
MS、IR、UV、ORD、CD、X-ray),尤其是二维核
磁共振技术的应用,如 1H-1H 化学位移相关谱
(1H-1H COSY)、HMQC 谱(heteronuclear multiple
quantum coherence)、HMBC 谱(heteronuclear multi-
ple bond correlation)、NOESY(nuclear overhauser
effect spectroscopy)谱等,极大地加快了天然产物
化学的研究速度。Ernst 正是因为对二维核磁共振技
术应用研究的贡献,获得 1991 年诺贝尔化学奖。其
他还有村田(Murata)创立的根据邻位的偶合常数
决定构型的方法( Murata’s method of J-based
configurational assignment),岸义人(Kishi)创立的
核磁数据库(Kishi’s NMR database method),Mosher
酯衍生物分析法(Mosher ester analysis)等[22-26]。
1992 年,代表着现代鉴定技术在天然产物化
学结构研究中最高应用水平的刺尾鱼毒素
(maitotoxin,MTX,图 3)的结构鉴定圆满完成。
MTX 的分子式为 C164H256O68S2Na2,相对分子质
量高达 3 422,是目前发现的最复杂的天然化合物
之一。同样,随着鉴定技术的进步也使得待确定
结构的化合物样品需要量越来越小,几毫克、几
微克就能够完成,因此发现新药的可能性也随之
大大增加。
3.5 与中医中药学(traditional Chinese medicine
and materia medica)的关系
中医中药学研究的物质基础其实就是中药中即
天然药物中的有效成分,天然药物化学的主要研究
内容之一就是从化学的角度阐明或解释中药中的有
效成分、有毒成分、中药的配伍、性味归经、合理
炮制等,指导中药的合理使用以及新药开发。天士
力的复方丹参滴丸就是在明确中药复方活性成分的
基础上成功开发的。此外,还有在整理中医药文献
的基础上开发出的新药青蒿素、清开灵、速效救心
丸、靛玉红、三氧化二砷等。
3.6 与生物学(biology)的关系
天然产物与生命体的相互作用所具有的特殊性
和复杂性造就其具有独特的生物活性机制。1979 年
美国爱因斯坦医学院分子药理学家 Horwitz 博士报
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道了紫杉醇抗癌作用机制在于促进微管蛋白的不可
逆聚合并使其稳定化,从而阻断癌细胞的有丝分裂
和诱导细胞凋亡。这一发现与以往报道的抗癌药物
作用机制截然不同。此前发现的重要抗癌药物如秋
水仙碱、长春碱、长春新碱等是通过阻止微管蛋白
重新聚合而起作用。紫杉醇全新作用机制的发现为

图 3 刺尾鱼毒素的结构
Fig. 3 Structure of maitotoxin
抗癌药物的研究带来了一场革命,犹如发现了一个
全新的作用靶点一样,已经成为抗癌药物研发的新
途径。另外,很多生物活性独特的天然药物已经成
为生命科学发展不可或缺的工具药或分子探针,如
紫杉醇、河豚毒素等,没有这些生物活性独特的天
然小分子药物,就不可能有今天日新月异的生命科
学的发展[27-30]。
3.7 与生药学(pharmacognosy)的关系
生药学是以生药为主要研究对象,对生药
(crude drugs or herbal material)的名称、来源、生
产、采制、鉴定、化学成分、用途、品质评价、资
源开发与利用,以及新药创制等内容进行研究的学
科。生药中所含的化学成分是生药发挥药效作用的
物质基础,早期的生药材质量鉴定主要是靠形态鉴
别(花、根、叶、果实、种子等),方法粗略,对于
同科同属的植物有时难免会产生混淆。为了加快中
药材的标准化、中药的现代化,2000 年国家食品药
品监督管理局制定并公布了《中药注射剂指纹图谱
研究的技术要求》,严格要求新药中药注射剂固定药
材产地,建立药材和制剂的指纹图谱标准,控制各
种化学成分的量,保证药物疗效,但是中药中各种
化学成分的量会受到生存环境、季节、生长年限、
外界的作用等多种因素的影响。因此,天然药物化
学的研究可以为中药鉴定如真伪鉴定、优劣鉴定以
及产品质量控制等提供更科学的依据和保障。生药
学与天然药物化学、药用植物学等学科密切相关,
化学成分研究已经成为生药学和药用植物学研究的
基础和重要指标。
3.8 与药用植物学(medicobotany)的关系
药用植物学是研究具有药用价值的植物,包括
研究其形态、组织、生理功能、分类鉴定、细胞组
织培养、资源开发和合理利用的学科。天然药物化
学研究的主要研究对象 90%以上都是陆生高等植
物,即所谓的植物药或草药,所以与药用植物学有
着非常密切的相辅相承的关系。对天然产物化学与
植物分类之间关系的研究促进了植物化学分类学
(plant chemotaxonomy)的产生。相近缘的植物具有
相近的遗传特征,自然应该有相似或相近的次生代
谢产物,特殊的植物群体含有特殊的次生代谢产物,
如银杏内酯仅存在于银杏中,紫杉烷类化合物仅分
布在紫杉属植物中,乌头生物碱类主要存在于毛莨
科(Ranunculaceae)乌头属(Aconitum L.)、翠雀属
(Delphinium L.)和飞燕草属[Consolida (DC.) Opiz.]
植物中。又如菊科(Compositae)植物都富含倍半萜,
但不同的属所含的倍半萜不尽相同;即使同类型的
倍半萜在菊科和伞形科(Umbelliferae)植物中的立
体构型也是不同的,在菊科和伞形科植物中存在着
相同结构不同构象的倍半萜内酯化合物[31](图 4)。
所以植物的分类不仅可以由传统的形态学为指导进
行分类,而且可以因其体内次生代谢产物即化学成
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O
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OH
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H
H
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H
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H
菊科
吉玛烷型
桉烷型
愈创木内酯型
榄烷型
伞形科 菊科 伞形科

图 4 菊科和伞形科植物中的倍半萜内酯母体结构的主要区别
Fig. 4 Main differences of parent structure between sesquiterpenolides from plants of Compositae and Umbelliferae

分结构相同或相近而进行分类研究,对于发掘、利
用和研究药用植物起到了非常大的促进作用。
3.9 与生态学(ecology)的关系
天然药物化学研究与生态学的相互渗透产生
了化学生态学(chemical ecology)学科。如黑胡
桃树下不宜种植其他作物,通过对其化学研究发
现其茎、叶及根内含有一种称为胡桃醌(juglone)
的萘醌类化合物,这种化合物经雨水冲刷进入土
壤后,不仅可杀死多种宽叶草类植物还可抑制其
他植物种子的发芽;从唇形科植物米团花的腺毛
中 发 现 一 类 新 奇 骨 架 的 二 倍 半 萜 化 合 物
leucosceptroids A 和 B,通过生物活性测试发现该
类化合物对食植性昆虫具有较强的拒食活性,并
对植物病原菌有明显的抑制活性,因此可将其作
为环境友好型新型生物农药加以开发利用。诸如
此类的还有除虫菊内酯(pyrethrosin)、尼古丁
(nicotin)、苦参碱(matrine)、多杀菌素(spinosyn
A)、印楝素(azadirachtin)等。
3.10 与其他学科的关系
随着现代科技研究的深入,多学科之间的交
叉关联越来越密切。与天然药物化学紧密联系的
学科也逐渐扩大:生物合成和生源学(biosynthesis
and biogenesis )、 植 物 化 学 分 类 学 ( plant
chemotaxonomy)、生态生物化学(ecological bio-
chemistry)、药剂学(pharmacy),甚至科技文献信
息学(informatics of scientific and technical literature)
等。同时,天然药物化学的研究对农药化学
(pesticide chemistry)、食品化学(food chemistry)、
保健品(health care products)研究等也有较大影响,
如促进了绿色环保农药除虫菊内酯和各种绿色天然
食品、绿色添加剂和天然保健品的诞生等。
4 结语
迄今为止,近三分之一的人类疾病还没有非常
理想的治疗药物,新药研发成为人类社会发展过程
中长期而重要的任务。在数亿年的生物进化史中,
自然界不同环境下生长着难以计数的生物种类。生
存环境的巨大差异意味着生物种类的多样性,生物
种类的多样性意味着其二次代谢产物结构的多样
性,二次代谢产物结构的多样性意味着其生物活性
以及作用机制的多样性,而生物活性的多样性意味
着开发新药的巨大可能性!化学结构、生物活性及
作用机制的多样性不仅可以直接提供新药或药物先
导化合物,更可以为化学合成和结构修饰提供灵感。
目前,天然药物化学的研究内容和对象日益扩大,
研究对象已从传统的陆生动植物逐渐向海洋生物、
无脊椎动物、微生物等发展。我国横跨热带、亚热
带和温带,并具有高山高原气候,不仅陆地面积辽
阔而且海岸线绵长,地形多变、气候条件复杂,孕
育和生长了大量珍贵的生物资源,已经证实的天然
药物资源就有 12 800 多种,为发现有效生物活性成
分、筛选先导化合物提供了极其有利的自然条件。
特别是我国宝贵的中医药经历几千年的实践应用和
总结归纳,既有完整的理论体系又有临床经验,为
筛选先导化合物提供了宝贵的信息和基础。
总之,天然药物的研究与开发是一个复杂而富
有挑战性的艰苦工作。随着科技的迅速发展、多学
科的相互渗透与交叉,天然药物化学学科必将为人
类的健康与发展继续做出更大的贡献[32-37]。
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