生物技术专业 关于药物化学和药理学论文

【专家解说】：中药与天然药物生物技术研究进展与展望国中医药应用历史悠久，数千年来为中华民族的繁衍昌盛及世界民族医药学的发展作出了重大贡献。中医药学是我国在自然科学领域最有特色的学科之一，中药现代化就是将传统中医药的优势和特色与现代科学技术相结合，把中药推向现代化和国际化的过程。 生物技术作为一种综合了生命科学与多种现代科学理论与研究手段的高技术，在21世纪将对生命科学的各个领域产生十分深刻的影响，由于中药具有中医传统疗效作用的特点，因此有关中药生物技术的研究必须既要积极，又要慎重。生物技术在建立药用动、植物基因库，保存药材品种，中药的绿色栽培，紧缺天然活性成分的转化生产，微量成分的转化增量，紧缺药材资源的二次利用，发现新的活性先导化合物，鉴定中药材，中医药药理模型的建立，中药加工、制剂工艺改造等方面均有广泛的应用前景。传统中医药的优势和特色与现代生物技术相结合，必将有利于推动中医药现代化和国际化的进程。近年来，国内许多研究和生产部门十分重视生物技术在中医药现代化研究与开发中的应用，并取得了显著的成果。文章以本人研究为基础，借助一些生物技术在中医药研究中的成功事例，阐述生物技术在中药和天然药物研究与开发中的前景。　　1 生物技术在高质量中药和天然药物原料的研究生产及中药材资源可持续利用中的应用 生产具有国际竞争力的现代中药，其源头是有高质量的中药原料。现代中药必须严格保证所用的药材原料无污染，农药残留和重金属含量在十分安全的范围内，药效物质基础的含量稳定可靠并有严格的质量标准。根据这些要求，国际上正积极地在探索《药材生产管理规范》(GAP)的实施。把”绿色中药材”的生产看成是可持续农业中的一个组成部分；积极发展生物防治，推广有机肥料，提倡植物性农药及低毒、易降解农药，注意保护生态及生物圈的平衡。就中药资源而言，必须抓住挽救、研究和合理利用这三个环节。在实现以上要求的过程中，生物技术应用具有重要的意义和潜力。　　1.1 基因研究是中药资源保护、种植和可持续利用的重要手段 我国中药资源达1.2万余种，其中药用植物有1.1万余种(含亚种、变种)，药用动物近1600种，药用矿物80种。这些种中药材中部分涉及到珍稀濒危物种，仅就全国重要的10个植物园及药用植物园中已引种中草药3000多种，其中有50种属于78种珍稀濒危中草药的范围，占我国389种珍稀濒危植物的13%，因此对珍稀濒危中药材物种的挽救、保护与合理利用迫在眉睫。迁移珍稀濒危动、植物至饲养地和植物园是保证物种的重要方法，建立相应的基因库用于保存药用动、植物的基因，考察物种的变异具有重要意义，如郑丽屏等提出了药用植物种质资源的试管保存方法及试管苗基因库的建立。有报道用带有35S-1uc嵌合基因质粒包被的钨颗粒轰击石斛原球茎，三周后，向转化组织中加入荧光素，通过筛选和数轮生长，证明荧光素酶基因已整合到植物基因组中，这项研究提示我们可将影响名贵和需要共生生物的物种生长的相关基因整合到该植物中去，　　形成新的高抗性或变共生生长条件为单独生长条件，使那些需要特殊生境的名贵紧缺中药材能在通常环境下生长。 就中药材栽培而言，GAP的实施已成为业内共识。基因技术在这方面正在逐渐发挥重要作用，如中药材优良品种选育、道地性药材遗传特征分析、抗性基因的转基因药用植物。郭兰萍等应用RAPD技术对南北苍术间的差异进行了分析，认为苍术的道地性是在遗传和生态两因素长期复杂作用下形成的遗传和化学成分有稳定差异的居群；李萍等将5s—rRNA基因间区序列的变异用于对金银花药材道地性的分析。有报道用转基因植物可生产外源基因编码的产物(如α—括萎素(α—trichosanln)，干扰素等)，随着表达效率的提高和受体植物范围的不断扩大，将有可能在传统中药材中加入有用的新遗传特性，增加植物的抗病能力等，将为中药材的绿色栽培奠定良好的基础，如Kuehnle等用由质粒pGA482GG／cpPRV4包被的带有植物表现型的Nos—NPTH基因和番木瓜病毒(PRV)膜蛋白(CP)基因的微粒轰击石斜原球茎.多次杂交后，用PCR分析转基因植株，证明可实现转基因目的。提示我们可利用此类方法实现抗性基因的转入，来进行绿色栽培。 寻找中药活性成分生物合成关键酶的相关调控基因已成为学术界关心的热点之一，如日本科学家发现天仙子胺-6β-羚基化酶是合成莨菪胺的关键酶，将此酶的基因通过Ri质粒转移到富含天仙子胺的莨菪毛状根中，莨菪胺的含量即比对照组增加了5倍。　　1.2 细胞工程技术为中药和天然药物人工资源的开发提供了有效途径 作为中药和天然药物发挥药效活性的物质基础，天然活性成分往往含量很低，而天然野生资源随着药物的开发利用储存量不断下降，其原料药来源能否满足批量化生产的需求，就是所有天然创新药物开发所共同面临的重大难题，也是高水平天然药物能否广泛应用并走向世界的瓶颈。因此，针对待定有效成分或组分生产的天然药物人工资源开发生产技术引起了研究者极大关注。为合理利用其资源，可利用生物技术的方法和手段进行一些珍稀濒危品种的快速繁殖，研究其在自然或人工控制条件下个体更新的速率及规律等，已引起人们的关注。如石斛试管苗的的快速繁殖：以生物个体的扩增及大规模培养为主要目标的生物技术，有利用植物培养技术将植物的分生组织进行离体培养，建立无性繁殖系并诱导分化植株，此方法对一些珍稀濒危中药的保存、繁殖和纯化是一条有效途径。利用大规模培养技术来进行中药繁殖也有很好前景，目前已有石斛、人参、百合等利用器官大规模培养试验成功的报道。近年更有采用发根农杆菌感染植物组织，形成毛状根，扩增速度十分快速，近年已发展一种新的培养系统，如用20吨发酵罐生产的人参毛状根已可商品化生产；还可用根瘤农杆菌感染植物组织形成畸形芽，并已在薄荷、颠茄、烟草等药用植物上取得成功。上世纪90年代人类首次运用”无性繁殖”，成功地诞生了一头名叫多利的绵羊，为本世纪利用生物技术来繁殖濒危药用动物，如犀牛、商、虎、穿山甲等带来希望及新的热点。 发酵工程利用生物细胞在人工条件下的快速增殖与次生代谢产物的产生，为人工资源的生产提供了技术平台。目前，以冬虫夏草菌发酵生产的菌丝体及产物已形成产业化规模，并有相应的下游产品畅销；李维光等对北冬虫夏草的吨级液体发酵研究具有快速简便的特点，从种子到吨级发酵罐发酵只需要三天就可完成，有利于大规模生产。周晓燕等采用经选育的猪苓Pu—99菌作为生产菌株，在1吨罐中生产，菌丝体干重达2.3%，粗多糖含量为31.0%。 以微生物、植物、动物细胞为反应器，进行天然活性物质的生产和加工，也已引起研究者的极大兴趣，以此推动的天然产物的生物转化和生物合成研究与开发，在国内中药和天然药物研究和开发中的作用正为更多的研究和生产部门所重视。许建峰等利用高山红景天培养细胞生物转化外源酪醇生产红景天甙；戴均贵等利用长春花悬浮培养细胞实现了对天麻素的生物转化。紫杉醇作为一种作用机理独特的天然抗癌药物，自发现以来受到了人们的广泛重视，但其在植物红豆杉中的含量极低，而红豆杉生长缓慢，资源缺乏，因此严重限制了紫杉醇的进一步开发应用。为此，近年来各国科学家在寻找及扩大紫杉醇的药源途径上进行了大量的工作，甘烦远等对紫杉醇的生物合成途径及生物合成关键酶的研究进行了综述；王建峰等则对有关利用植物内生菌生物合成紫杉醇的研究进行了综述，通过两篇综述所反映出的研究内容可以看出为解决紫杉醇的资源问题全世界的科学家分别从筛选高产红豆生栽培品种、微生物生物合成、化学合成、生物合成途径探索、生物合成关键酶的发现及其基因表达等多途径进行资源研究，而这些研究中生物合成与生物转化技术起着极为重要的作用。1.3 酶工程是中药和天然药物活性成分生产追求的最佳技术手段之一 就疗效明确的单一天然活性成分而言，能够通过工业化生产获得天然复杂结构单一产物是人们追求的目标，但天然化合物结构复杂，常有多个不对称碳原子，合成难度较大或合成条件苛刻；而酶工程为这类成分的获得提供了新的途径。如金东史等利用酶转化方法将人参中的主要皂苷成分转化成含量只有十万分之几的人参皂昔Rh2：，并达到了月产30 kg的生产规模；李继衍等利用酶法进行了伪麻黄碱的生物合成并实现了产业化。　　2 生物技术为提高中药和天然药物品质评价水平提供了新的实验方法 中药材是中药研究开发的基础，基础的质量标准无法控制，以后的研究和开发均属无本之木，其质量标准的制定也就失去了意义。中药材的质量控制主要应包括两个方面的内容，一是品种的控制，主要是解决真伪的问题。其二中药材的有效物质是次生代谢产物，其积累主要与其合成关键酶的表达及表达量等有关。因此建立合理中药材的生产和质量评价体系对中药的现代化尤为重要。 基因分子标记技术在中药品质评价中的应用，使中药材鉴定的方法从传统的形态表征分析推进到对生物遗传物质的分析。在中药的分子鉴别研究中目前主要有以下一些方面：(1)基于PCR方法的DNA分子标记技术，如RAPD、AFLP等；(2)基于分子杂交的DNA分子标记技术，如RFLPl；(3)基于DNA序列分析的分子标记技术，如DNA直接测序法、PCR—RFLP法。王义权等对蛇类中药材的分子遗传标记研究；马小军等通过对rDNA内转录间隔区(ITS)序列的比较，分析了野山参和栽培参的遗传差异性；罗志勇等采用扩增片段长度多态性(AFLP)分子遗传标记技术，分析了人参、西洋参基因组DNA多态性，并构建了相应的指纹图谱。由此可见，利用基因鉴别方法对了解和分析药用动(植)物的遗传特性，基因与药材产地、化合物积累的相关性等均具有重要意义。　　3 生物技术为中药和天然药物新药研究与开发提供了新的工具和途径 中药现代新药的研发是中药现代化和国际化的关键，要研制符合国际标准规范的现代中药，应用现代先进的科学技术势在必行。　　3.1 生物芯片为中药新药分子水平的机理研究提供依据 生物芯片是指能对生物分子进行快速并行处理和分析的固体薄型器件，生物芯片可以广泛应用于中药材的真伪鉴定、有效成分筛选及药理药效研究等领域。目前北京、上海的两个国家级药物筛选中心均已采用此项技术对中药提取物和天然化学成分进行药物筛选，浙江江南生物科技有限公司也已经研制出中药鉴定和筛选基因芯片。中药鉴定基因芯片，可以对中药材的产地、质量进行鉴定；中药筛选基因芯片，可以搞清楚中药的作用分子机理，筛选出中药有效成分　　3.2 生物转化及生物组合化学为以天然活性成分为先导发现新药提供了新的思路与方法 对于复杂结构的天然活性成分来说，利用化学合成来进行结构修饰存在着得率低、反应专一性差、副产物多等缺点，特别是有些反应目前利用化学手段较难实现。生物转化技术可以弥补化学合成的不足，1997年Khmelnitski利用盐活化生物催化剂(Salt—actived themo1ysin和Candida antarctia)脂酶，成功地在有机相中进行了紫杉醇系列衍生物的生物合成。由此可见，生物转化技术在以天然活性成分为基础的创新药物研究与开发中具有重要的意义。 组合化学(Combinatorial Chemistry)是近年来在化学和药物基础研究领域兴起的一门新研究分支，被化学家认为是合成大量供生物活性筛选化合物最有效的新技术。它最大的优点是比经典有机合成能更快速、有效地合成大量化合物和众多同系物。同时，组合化学和快速活性筛选技术(high—throughput screening)的结合也加速了药物化学的发展。可以说组合化学是现代化学技术与生物学技术有机结合在发展现代药物研究中范例。 在我国自行开发的化学药物前体相当部分来源于中药活性成分的研究，天然产物一般结构复杂，不易简单合成，利用化学法进行结构修饰获得高活性新化合物，费事费力。如何结合我国医药研究的具体情况，建立一套快速、经济、命中率高的新药研制和筛选手段，是促进我国医药研究开发的关键问题。我们将天然药物的生物转化研究与组合化学理论相结合建立了生物组合化学(Bio—combinatorial chemistry)研究方法，并将其用于复杂天然药物的筛选和研制，通过与高效快速药物筛选手段结合，发掘便于知识产权保护的，具有中国研究特色的新天然高效活性先导化合物。通过生物组合化学概念的提出，经对具有明确生物活性又有中国药物研究特色的天然复杂化合物或活性组分的研究，使这些化合物(或组分)在具多种反应催化酶的微生物或酶的作用下转化产生新的组合型天然化合物群。再通过与药理筛选手段结合，寻找新的高活性或低毒性的天然活性先导化合物，或通过对活性组分中不同成分结构变化与活性强度消长关系的分析发现关键活性成分。近三年来，在国家自然科学基金的资助下我们先后对延胡索生物碱、贝母生物碱、青篙素类化合物等进行了研究并取得了良好的结果。如利用多种含不同催化功能酶体系的微生物对延胡索中镇痛活性成分延胡索乙素进行了生物转化研究，结果证明用筛选出的菌株转化所得的新组合型天然化合物群，经与等量底物进行镇痛活性比较，活性优于底物，说明新产生组合型天然化合物群转化产物中可能有活性高于底物的转化产物。在此基础上，我们通过制备规模发酵，再对产物进行提取分离，并对得到的单一化合物与底物进行活性比较，最终发现有的转化产物活性明显高于底物延胡索乙素，已申报国家发明专利。　　3.3 生物技术为天然微量活性成分的生产提供了新的技术平台 中药中微量高效成分的研制开发一直是困扰医药产业界的核心问题，利用定向生物转化技术可将天然药物中的高含量成分转化成微量高活性成分，因此大大提高微量成分的含量，使其达到产业化的要求。如喜树果中含有喜树碱等多种结构类似的生物碱，喜树碱和羟基喜树碱为抗癌药物，其中10—经基喜树碱以疗效好、毒性低较为常用，但在该植物中10—羟基喜树碱仅占十万分之二，近期我们发现多种微生物能定向地将含量较高的喜树碱转化成10—羧基喜树碱。再如大连轻工学院的金风懿教授领导的课题组，利用糖苷水解酶，将人参二醇组皂苷Rbl等将结成原微量成分人参皂苷Rh2和Rg3，使其达到产业化规模。熊果苷是目前高档化妆品中常用的美白成分，其天然产品与人工合成品市场价值及人们信用度均有较大差异；丁家宜等利用人参毛状很成功地实现了对羟基苯醌生物合成天然熊果苷。这些研究为实现中药和天然药物微量高效活性成分的开发与产业化提供了可能，并构筑了新的技术平台。　　3.4 生物技术是提高天然活性成分生物利用度的方法之 天然活性成分的研发中还有一个难以解决的问题，即天然活性成分常常体内外药效学活性差异较大，其中一个重要的因素是较高纯度的天然活性成分溶解度差或体内吸收不好。在解决这类问题的过程中生物技术和纳米技术将发挥更大的作用。如有报道我国首创的抗疟药青篙素类化合物的极性与其活性有关，我们已分别利用微生物生物转化手段在青篙素及其衍生物篙甲醚、双氢青篙素结构中引入了羟基，而其抗疟作用活性中心过氧桥未发生任何改变，这在有机合成中较难做到，为其进一步研发奠定了基础。皂苷类成分常常因其极性过大，不易体内吸收，通过适当的降解可提高其生物利用度，如田静等利用酶法选择性的降解大豆皂苷的糖基而获得低糖基大豆皂苷。由此可见，利用生物技术实现天然结构复杂活性化合物的结构修饰(如羟基基化、糖苷化、酯化、酰胺化等)，对提高这类成分的生物利用度，进而实现产业开发具用重要意义。　　4 中药和天然药物生物技术展望 从以上分析可以看出，生物技术已经深入中药和天然药研究与开发的各个领域，虽然大多数研究尚处于起步阶段，但其影响正在不断扩大，所显示出的潜在社会价值和经济效益也日益得到重视。归纳起来生物技术在中医药研究的以下领域大有用武之地。 (1)中医药基础研究将更加借助于生命科学技术手段。(2)生物技术将使原始的中药农业步入现代经济农业产业的轨道。(3)细胞和酶工程技术将使部分名贵、濒危、难于繁殖的中药材和天然活性成分的生产从原始的、毁灭性的采挖式农业过渡到工业化。(4)生物技术将深入到中药新药研制的各个环节。 综上所述，正确利用现代生物技术合理地解决中医药现代科学研究和产业开发中的重要问题，必将有力地推动我国的中医药现代化和国际化进程，为加入WTO后的中国民族产业的国际竞争注入活力。