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天然抗病毒药物的组合微生物转化
孙轶然*
(华中科技大学同济医学院药学院, 湖北 武汉 430030)
摘 要:抗病毒药物的研发是现今药物开发的热点,也是难点。分析抗病毒药物研发的关键性困难和障碍,在生物
合成药物学、天然药物的生物转化学、药物设计学、免疫学、病毒学等学科知识基础上, 借鉴组合化学、组合生物催
化、高通量筛选等当今较前沿的药物研发途径和技术,提出了 组合微生物转化的研发理念和相应途径, 以应用于
天然抗病毒药物的研发和药理毒理改造。
关键词:抗病毒药物; 组合微生物转化;天然药物; 组合化学;组合生物催化;高通量筛选
中图分类号: R282 1; R977 文献标识码: A 文章编号: 0253-2670( 2009) 06-0998-03
Combinatorial microbial transformation of natural antiviral drugs
SU N Y-i r an
( T ong ji Co lleg e of Pha rmacy, Huazhong Univer isty o f Science and Technolo gy , Wuhan 430030, China)
Key words: antiv iral dr ug s; combinatorial m icrobial t ransformat ion; natur al dr ug s; combinatorial
chemist ry; combinatorial biocatalyst; high throughput screening
随着社会和科技的进步, 药物研发水平不断提高, 尤其
是针对病原微生物的化学药物的研发,通过几代科学工作者
的努力,获得了令人振奋的成果。但必须正视的是, 对病毒
有强杀伤和根除作用且不良反应较少的化学药物仍难一见。
据不完全统计,危害人类健康的传染病中有 60% 是由病毒
引起的,迄今世界发现的病毒有 3 000 多种, 而其中乙肝病
毒和艾滋病病毒等这些严重影响着人类健康的病毒, 急需找
到有效的治疗药物[1]。
抗病毒药物难于研制,概括起来有 4个方面的原因 :
( 1)病毒与宿主细胞共存密切, 导致抗病毒药物的高效
性和低毒性难以兼顾。现今主流的核苷类抗病毒药物对于
DNA 病毒和 RNA 病毒等在胞浆中进行转录翻译有疗效,
而对于基因序列整合到宿主细胞的细胞核内的反转录病毒
难以起到作用; ( 2)与生活史复杂、作用靶点繁多的细菌、真
菌等相比,病毒生活史过于简单,使得针对病毒的药物作用
靶点的设计研究虽然范围小、有针对性, 但受到的局限很大;
( 3)主流的核苷类抗病毒药物属于代谢拮抗药物, 抑病毒而
不杀病毒;另一方面病毒体积小、数量多,这都导致核苷类抗
病毒药物极易停药复发,难以根除病毒, 消除疾病。( 4)病毒
的致病机制往往与自身免疫紊乱有关,如乙肝病毒的主要病
因实际是机体免疫系统对自身肝脏的损伤, 这使得抗病毒药
物难以标本兼治。
近年来, 针对以上问题, 一些从事抗病毒药物研究的学
者和科研机构将注意力放到以下几个方面: ( 1)对于病毒的
免疫治疗, 可能解决病毒的清除不完全和复发的问题; ( 2)针
对病毒引发的自身免疫病的治疗与抗病毒药物联合用药, 可
能找到有效的 鸡尾酒疗法, 全面对抗病毒感染; ( 3)加强天
然药物活性物质抗病毒活性研究。有证据表明[ 2] ,中药中的
活性物质如冬虫夏草多糖、香菇多糖等对于乙肝病毒, 甚至
是艾滋病病毒感染[ 3] 及其自身免疫并发症有一定疗效。其
机制有可能是调节免疫功能, 合理激活免疫杀伤功能, 并抑
制自身免疫。
其中天然抗病毒活性物质的研究即符合我国天然药物
丰富的优势和我国国情,又有很好的发展前景, 本文将重点
探讨其优势、劣势,以及研发的新方法。
1 天然抗病毒药物的研发
天然抗病毒药物往往不直接作用于病原微生物,而是调
节免疫功能。这一点对于药物作用靶点寻找困难的病毒来
说尤为重要。合理激活免疫杀伤功能的天然抗病毒药物, 能
抑制自身免疫, 即可以彻底根除病毒, 又可治疗自身免疫并
998 中草药 Chinese Traditional and Herbal Drugs 第 40卷第 6期 2009 年 6 月
* 收稿日期: 2009- 01-14 作者简介:孙轶然( 1987 ) ,男,天津人,研究方向为天然药物的微生物转化。 T el: 15926393802 E- mail: bbip_c@ yahoo. com. cn
发病,相对于其他抗病毒药物有着不可比拟的优势。
但同时天然抗病毒药物研发也有着很大障碍: ( 1)由于
天然药物结构复杂,难于对其进行提高药效和降低毒性的优
化改造。( 2)虽然可以应用生物转化技术生产天然药物, 但
定向转化较难,需耗费大量时间和资金投入, 不符合我国国
情和科研现状。( 3)由于天然药物作用靶点通常是免疫系
统,靶点数量过于巨大, 难以单纯以受体靶点预测方式进行
合理药物设计。
而组合微生物转化途径则有望解决以上问题。将微生
物转化技术与组合化学理念相结合,参照配套酶工程技术的
组合生物催化系统,可应用于天然抗病毒药物的研发, 即组
合微生物转化的药物研发途径。具体操作如下:
( 1)确定研究对象: 依靠计算机辅助药物设计和药理学
初期研究,初步确定受体靶点研究对象,即可能有抗病毒活
性的一类天然活性物质。
( 2)确定先导化合物: 如果天然化合物结构、活性和药理
作用明确,可直接作为先导化合物。如不清楚,可依赖微生
物转化技术对天然活性物质进行生物转化,用组合化学方式
产生大规模化合物库; 依赖高通量筛选技术(即用计算机操
作实验系统高效获得抗病毒活性化合物)同时对产物实行系
统性筛选,最终获得有研究价值的先导化合物。
( 3)改造先导化合物: 用组合微生物转化法进行改造, 通
过筛选技术获得高效低毒先导化合物。还可结合计算机辅
助设计、受体靶点作用改造、3D-定量构效改造等定向改造技
术,以弥补非定向改造在资源浪费上的不足。最终获得高效
低毒可考虑申报上市的药物。
( 4)进行临床前实验和临床试验、药动、药剂学研究, 以
及与发酵工程技术相对接的工程技术研究,以实现药物的工
业化生产。
( 5)新药的申请和上市。
以下简要介绍几种可应用于天然抗病毒药物研究的技
术和方法。
1. 1 组合化学( combinato rial chemistry ) : 组合化学是将化
学合成、组合理论、计算机辅助设计结合一体, 根据组合原
理,系统反复连接, 从而产生大批的分子多样性群体, 形成化
合物库( compound librar y) ,对库成分进行筛选优化,得到可
能的有目标性能的化合物结构的科学。先导化合物的发现
和优化阶段,是药物研究最重要的环节,也是资金和时间投
入最多的环节。目前抗病毒药物研发的现状:一方面药物研
发工作者在不断地寻找病毒及其生活史中可为药物作用的
靶点和受体,虽然在核苷类抗病毒药物的研发上取得了一定
成果但仍不尽如人意;另一方面从事筛选天然产物的提取物
或从化合物专利中寻找线索的研发者也开始发现这些途径
在抗病毒药物的研发中受到很多局限。这都使得抗病毒药
物研发投入大量人力、物力, 却回报甚少。而灵活应用组合
化学的理念在提高本阶段效率方面可起到很大作用, 包括多
样性化合物库的合成和药物先导化合物的优化,大大节约人
力、物力、财力和时间。首先,该技术与天然药物的微生物转
化技术相结合, 能够快速地合成出成千上万具有结构多样性
的天然转化产物, 因此能够快速发现新的天然抗病毒先导化
合物。其次, 在对天然抗病毒先导化合物进行优化时组合化
学也有其用武之地, 可以在没有任何结合模型时通过平行地
合成大量化合物来达到优化先导化合物活性的目的。最后,
即使研发者已经了解了先导化合物的作用机制, 组合化学仍
然有助于对药物构效关系的探讨和研究。
据报道[ 4] , 第一个完全采用组合化学技术发现和优化的
新型抗生素 L inezolid 已经在 2001 获得美国 FDA 批准上
市, 前后共花了约 9 年时间, 与传统开发新药的平均时间相
比, 节约了 4~ 6 年的时间。随着技术的成熟及与药物合理
设计的结合, 组合化学研发途径有望节省更多的时间和资金
的投入。
1. 2 组合生物催化 ( combinator ial biocatalysis) : 组合化学
为药物研发开辟了一条新途径, 而组合生物催化和高通量筛
选可以说是组合化学的增强版, 对于天然合成药物的研发有
着重要意义。
对天然先导化合物进行的修饰和优化时, 生物催化反应
比合成化学反应具有许多明显的优势[5] : ( 1)广泛的反应可
能性; ( 2)高区域选择性和立体选择性, 能进行控位修饰; ( 3)
单步反应, 避免了保护和脱保护步骤; ( 4)自动方便, 在温和
均匀的条件下, 反复进行单步反应; ( 5)反应条件温和, 适宜
于复杂、不稳定的分子; ( 6)活性高,催化剂的浓度低; ( 7)酶
催化剂固定化后可以循环利用; ( 8)酶能被环境完全降解。
天然活性物质和天然产物可以说是先导化合物的资源
宝库, 由于结构复杂,难以用普遍化学方法优化, 生物催化的
地位和作用就凸现出来。目前组合生物催化主要配套的是
酶工程技术, 而适合天然抗病毒活性先导化合物改造的微生
物转化还没有与该技术结合。可以参照配套酶工程技术的
组合生物催化途径, 设计出配套微生物转化技术的组合生物
催化, 或称之为 组合微生物转化途径。
1. 3 高通量筛选: ( high throughput screening)高通量筛选
是组合化学、组合生物催化必须依赖的关键技术[ 6]。高通量
筛选是在微孔板上以自动化操作系统执行实验过程,通过灵
敏快速的检测仪器采集实验数据及用计算机处理实验数据。
因此高通量筛选技术具有大量化合物的快速筛选、分子和细
胞水平的特异作用靶点、检测系统的高灵敏度、自动化操作
系统和数据采集传输操作系统等优点。
目前正在试图或已经实现应用到抗病毒药物合成的高通
量筛选技术主要有[7] : 应用亲和闪烁分析技术( SPA)的艾滋
病病毒( HIV )逆转录酶活性测定和丙型肝炎病毒 ( HCV)
NS5B 活性测定;应用荧光共振通量转移( ERT )技术的萨斯冠
状病毒( SARS-COV) 3CLPRO蛋白酶活性测定; 应用病毒-宿
主细胞结合的细胞模型筛选技术的人类嗜 T 淋巴细胞病毒
( H TLV)黏附测定;应用荧光相关谱技术等的活性测定等。
通过这一高效性、系统性的手段,可将组合化学获得的大
规模化合物库进行快速高效筛选。前文提到的天然药物经组
合微生物转化过程获得的大量代谢产物,即可通过高通量筛
999中草药 Chinese Traditional and Herbal Drugs 第 40卷第 6期 2009 年 6 月
选技术,获得有抗病毒活性的先导化合物;另外在对先导化合
物进行构效关系研究以及结构优化时, 可以借助组合化学和
高通量筛选途径直接筛选有高活性低毒性的优化产物。
先导化合物筛选时的高通量筛选的具体模型设计可依
照研究对象寻找过程中所进行的受体靶点作用研究和计算
机辅助的合理药物设计;而先导化合物的优化中的高通量筛
选模型设计可依照改造目的(如提高活性)。
2 天然药物的微生物转化( microbial transformation)
天然药物结构十分复杂,往往难以用化学方法进行结构
改造。天然药物的生物转化为天然药物的研究开发提供了
新的途径。目前发展较好的转化方式有酶转化、微生物转
化、植物组织悬浮液转化等[ 8]。
其中选择微生物转化与组合化学相结合的药物研发途
径与其他生物转化法相比,主要有以下 3 方面优势:第一, 在
诸多生物转化方法中, 微生物作为独立生命体,能自发对药
物进行降毒性转化;第二, 不同于酶转化方法,微生物可以大
量培养繁殖,因此微生物转化易于与发酵工程结合, 为实现
药品的工业化生产提供保障,而酶转化的工业生产技术不成
熟,短期难以实现药物的工业化生产。第三, 酶和植物悬浮
液需要提取分离,过程较复杂, 而且得到的酶和悬浮液可能
失活或活性降低,微生物不需分离, 较易培养,更容易与组合
化学结合。
但依赖微生物转化的天然抗病毒研发可能会耗费大量
时间和资金,这种困难不仅体现在由天然活性物质到有开发
价值的先导化合物的跨越上,还体现在由先导化合物到高效
低毒的有临床价值新药的跨越上。
由于微生物转化是十分复杂的生物化学和代谢反应, 即
使确定菌种也难以预料产物的成分核结构[9] ,所以计算机辅
助的合理药物设计也不能完全承担天然药物的微生物转化
的任务。主要的手段必须依赖组合化学理念,产生大数量的
转化产物化合物库(一般是细菌的次级代谢产物) ,同时对其
进行高通量筛选。而计算机辅助的合理药物设计可以通过
受体靶点作用研究为微生物转化实验提供大体方向,帮助研
究者选择一定数量的工具菌, 这样就使得转化实验有一定程
度的定向性, 可节约大量时间和资金。
3 结语
我国药物研发的现状是天然药物资源十分丰富,但由于
多方面原因难以应用于新药研发上。目前我国在自主研发
新药方面远远落后于世界水平。计算机辅助合理药物设计、
组合化学和高通量筛选技术等高新的新药研发途径的出现,
可减少药物研发资金开发和回报周期, 为我国新药研发提供
了新的机遇。
天然抗病毒药物的研究立足于我国中药宝库和传统中
医理论, 如能突破自身局限、发挥自身优势, 很有可能取得突
破性进展。对我国自主药物研发会产生巨大深远的推动和
影响。
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( 1.福建省立医院 药剂科, 福建 福州 350001; 2.福建生物工程职业技术学院 ,福建 福州 350002;
3.天津药物研究院 医药信息中心,天津 300193)
摘 要:苦参碱是豆科植物苦参的主要有效成分, 药理作用广泛, 各类制剂已被广泛用于临床。随着苦参碱新的药
理活性的不断发现,使其受到各方面的极大关注。现就苦参碱的主要药理作用抗肝损伤、抗肝纤维化、抗肿瘤、对
心血管系统作用等进行综述,为苦参碱的全面开发利用提供参考。
关键词:苦参碱; 抗肝损伤;抗肝纤维化; 抗肿瘤;心血管系统
中图分类号: R284 1 文献标识码: A 文章编号: 0253-2670( 2009) 06-1000-04
1000 中草药 Chinese Traditional and Herbal Drugs 第 40卷第 6期 2009 年 6 月
* 收稿日期: 2009- 01-22 作者简介:张丽华 ( 1971 ) ,女, 中药师, 1993 年毕业于福建生物工程职业技术学院 (原福建医药学校) , 就职于福建省立医院药剂科至今。