天然藥物化學(xué)研究與新藥開發(fā)

天然藥物化學(xué)研究與新藥開發(fā)摘要:自從有人類歷史以來,天然藥物一直是人類防病治病的主要來源。天然產(chǎn)物是自然界的生物歷經(jīng)千百萬年的進(jìn)化過程通過自然選擇保留下來的二次代謝產(chǎn)物,具有化學(xué)多樣性、生物多樣性和類藥性。臨床上應(yīng)用的許多藥物都直接或間接來源于天然產(chǎn)物,如天然產(chǎn)物可作為藥物半合成的前體物、藥物化學(xué)合成的模板以及為藥物設(shè)計(jì)提供了新的思路。但是在20世紀(jì)80~90年代,由于受高通量篩選和組合化學(xué)的影響,天然藥物的研究一度進(jìn)入低谷。近10年來天然藥物化學(xué)在新藥研發(fā)中的作用又重新受到科學(xué)家的重視,天然產(chǎn)物已成為發(fā)現(xiàn)治療重大疾病的藥物或重要先導(dǎo)化合物的主要源泉之一?，F(xiàn)就天然藥物化學(xué)在新藥開發(fā)中的作用進(jìn)行了回顧與總結(jié),并對其前景進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞:天然藥物化學(xué);新藥研發(fā);回顧與展望21世紀(jì)是世界制藥工業(yè)充滿生機(jī)和劇烈競爭的世紀(jì),我國制藥產(chǎn)業(yè)由于研發(fā)能力嚴(yán)重滯后等原因,許多制藥公司面臨生死存亡的關(guān)鍵選擇。制藥產(chǎn)業(yè)是國際公認(rèn)的國際化朝陽產(chǎn)業(yè),藥品是國際貿(mào)易交換量最大的15類產(chǎn)品之一,也是國際貿(mào)易中增長最快的5類產(chǎn)品之一。藥物作為保障人類生命與健康的特殊商品,也決定了藥物研發(fā)過程的復(fù)雜性和艱巨性,因此藥物制造業(yè)成為高投入、高風(fēng)險(xiǎn)、高科技、長周期,但是高利潤的產(chǎn)業(yè)。由于世界各國法律賦予新藥的特殊地位使其在一定時(shí)期內(nèi)具有壟斷性質(zhì),同時(shí)新藥開發(fā)并成功上市往往為藥廠帶來極其巨大的利潤,所以開發(fā)新藥是世界各大藥企爭取市場份額、擴(kuò)大利潤的重要途徑,尋找新的先導(dǎo)化合物開發(fā)新藥被各大制藥企業(yè)視為生命線。目前合成藥物開發(fā)難度越來越大,表現(xiàn)在開發(fā)費(fèi)用激增、周期延長、成功率大幅下降、造成的環(huán)境污染越來越嚴(yán)重等,所以科學(xué)家又重新將新藥開發(fā)的目光關(guān)注到天然產(chǎn)物上,尤其是天然抗癌藥物紫杉醇(taxol)的發(fā)現(xiàn)更使科學(xué)家對從天然產(chǎn)物中發(fā)現(xiàn)新藥充滿了信心。地球上存在的25~35萬種高等植物一直是藥物的主要來源,至今世界上仍有約75%的人口主要依靠這些高等植物作為最基本醫(yī)療保健來源,植物提取物是國際天然醫(yī)藥保健品市場上一種新的產(chǎn)品形態(tài)[1]。自然界的生物在其漫長的進(jìn)化過程中合成了許許多多結(jié)構(gòu)新穎、各異的次生代謝產(chǎn)物,這些次生代謝產(chǎn)物結(jié)構(gòu)的多樣性使其不僅具有各種各樣不同的生物活性,還常常被發(fā)現(xiàn)有全新的作用機(jī)制(Denovomechanism)。大自然中存在的數(shù)以百萬計(jì)的植物、動(dòng)物、微生物以及海洋生物等永遠(yuǎn)是新藥研發(fā)的最重要源泉?，F(xiàn)在科學(xué)家已逐漸認(rèn)識(shí)到:當(dāng)在藥物研發(fā)過程中不知道從何處開始時(shí),大自然不失為一個(gè)絕好的研發(fā)起點(diǎn)。1天然藥物發(fā)展簡要回顧人類發(fā)展和進(jìn)化的過程同時(shí)也是人類不斷與疾病做斗爭的過程。據(jù)記載人類利用天然產(chǎn)物作為藥物已有幾千年的歷史,在遠(yuǎn)古時(shí)代,人類有了身體上的痛苦或稱謂“疾病”就開始從自然界中尋找被稱為“藥”的物質(zhì)來緩解疾病帶來的痛苦。這種來自自然界的可以緩解或治療疾病的物質(zhì)就是最原始的“藥物”,并一代代流傳下來,國外稱之為/天然藥物(naturalmedicines),我國稱之為:中草藥(Chineseherbalmedicines)或中藥(Chinesemateriamedica,CMM)。無論哪種稱謂都是指來源于自然界所有生物中的、具有明確治療疾病作用的單一化學(xué)成分或多組分物質(zhì),包括來源于自然界的植物、動(dòng)物、微生物、海洋生物等的活性物質(zhì)。在20世紀(jì)發(fā)明合成藥物(syntheticmedicines)即所謂“西藥”(westernmedicines)之前,“天然藥物”或“中草藥”是唯一用于治療人類疾病的藥物,即使到今天世界上不少民族仍在使用[2]。1805年21歲的德國藥劑師FriedrichSertrner從罌粟中首次分離出單體化合物嗎啡(morphine),開創(chuàng)了從天然產(chǎn)物中尋找活性成分的先河。這一偉大功績不僅是人類開始利用純單體化合物作為藥物的標(biāo)志,也是天然藥物化學(xué)初級階段開始形成的標(biāo)志。緊接著又陸續(xù)從植物中分離出吐根堿(emetine)、馬錢子堿(brucine)、士的寧(strychnine)、金雞納堿(cinchonine)、奎寧(qu-inine)、咖啡因(caffene)、尼古丁(nicotine)、可待因(codeine)、阿托品(atropine)、可卡因(cocaine)和地高辛(digitoxin)等具有活性的單體化合物。但是,由于受到當(dāng)時(shí)分離技術(shù)和結(jié)構(gòu)鑒定技術(shù)限制,天然藥物化學(xué)方面的研究進(jìn)展相當(dāng)緩慢,表現(xiàn)在主要集中于酸性或堿性等易于處理的成分的研究上。第二次世界大戰(zhàn)期間,20世紀(jì)偉大成就之一青霉素的偶然發(fā)現(xiàn)以及廣泛應(yīng)用不但擴(kuò)大了天然藥物的研究范圍,同時(shí)也加速了其發(fā)展速度。到20世紀(jì)90年代,約80%的藥物都與天然產(chǎn)物有關(guān):有的直接來源于天然產(chǎn)物,有的通過對天然產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)修飾,有的受天然產(chǎn)物結(jié)構(gòu)的啟發(fā)而設(shè)計(jì)后人工合成。在中國,盡管中醫(yī)藥理論博大精深、蘊(yùn)含豐富并且有著悠久的應(yīng)用歷史,但真正運(yùn)用現(xiàn)代方法加以研究和開發(fā)卻是在20世紀(jì)20年代由研究麻黃堿(ephedrine)開始的,這比西方要晚100年左右。1929年我國現(xiàn)代藥理學(xué)的鼻祖陳克恢通過研究闡明了麻黃EphedrasinicaStapf中有效成分麻黃堿的藥理作用和臨床藥效后,麻黃堿開始在世界范圍內(nèi)廣泛用于治療支氣管哮喘。而最初得到麻黃堿單體并鑒定了其結(jié)構(gòu)的是1887年日本生藥學(xué)創(chuàng)始人長井長義博士。20世紀(jì)30年代起,趙承嘏、莊長恭、朱子清等先輩們也開始運(yùn)用現(xiàn)代科學(xué)方法研究延胡索、防己、貝母等中藥的有效化學(xué)成分。天然藥物是人類預(yù)防和治療疾病的重要物質(zhì)來源,不僅世界各種傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)中使用的藥物均屬于天然來源的物質(zhì),即使現(xiàn)代醫(yī)學(xué)應(yīng)用的化學(xué)藥物中天然來源的化合物也超過了30%,還有更多的藥物是以天然產(chǎn)物為先導(dǎo)化合物經(jīng)過結(jié)構(gòu)修飾和改造產(chǎn)生的。目前國外以天然產(chǎn)物作為藥物主要有兩類:一類是單體成分,如嗎啡、麻黃堿、青霉素、東莨菪堿、利血平、青蒿素、紫杉醇等;另一類是某一類混合成分,如銀杏葉制劑等。1981)2002年全世界推出的877個(gè)藥物小分子新化學(xué)實(shí)體(newchemicalent-ities)中,約有61%來源于天然產(chǎn)物或受天然產(chǎn)物的啟發(fā)而合成的衍生物或類似物;而具體在抗菌藥物和抗腫瘤藥物方面,天然產(chǎn)物來源的藥物更是分別高達(dá)78%和74%[3-11]。我國近50年來自行研究開發(fā)成功的新藥90%以上與天然產(chǎn)物有關(guān)[12]。2天然產(chǎn)物在新藥開發(fā)中的作用2.1.1天然產(chǎn)物是最大最好的藥物來源庫:20世紀(jì)90年代以組合化學(xué)為基礎(chǔ)的高通量篩選逐漸成為世界大制藥公司研發(fā)新藥的主要途徑,如1998年哈佛大學(xué)Schreiber研究團(tuán)隊(duì)采用組合化學(xué)的方法合成了200萬個(gè)小分子,美國Science雜志曾將這項(xiàng)工作列為1998年十大科技成果之一。由于天然產(chǎn)物的發(fā)現(xiàn)很難滿足高通量篩選對大量化合物的要求,因此制藥公司逐漸削減了對天然藥物的研發(fā)力度和投資。遺憾的是高通量篩選并沒有像科學(xué)家們期望的那樣提供大量的候選藥物。盡管現(xiàn)在許多制藥公司仍然將組合化學(xué)作為篩選藥物的主要化合物來源的方法,但實(shí)踐證明組合化學(xué)作為新藥篩選工具還有待進(jìn)一步完善和發(fā)展,至少到目前為止還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有取得人們預(yù)期的成果,制藥工業(yè)因此經(jīng)受了嚴(yán)重的挫折,而面臨著更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。在過去的20多年,全世界新化學(xué)實(shí)體的結(jié)構(gòu)類型出現(xiàn)了令人擔(dān)憂的下降,這與對從天然產(chǎn)物中開發(fā)藥物的興趣下降有直接的關(guān)系?；谶@樣一個(gè)不樂觀的事實(shí),加上天然產(chǎn)物本身具有結(jié)構(gòu)多樣化(chemicaldiversity)的優(yōu)勢以及近年來提取分離[13]和結(jié)構(gòu)鑒定技術(shù)的快速發(fā)展,大大提高了從天然產(chǎn)物中開發(fā)藥物的速度和競爭力,全世界的科學(xué)家再次把目光投向了天然產(chǎn)物,相信大自然中肯定存在大量意想不到的化學(xué)結(jié)構(gòu)新穎、生物活性多樣、作用機(jī)制獨(dú)特的物質(zhì)。各大制藥公司也重新開始重視從天然產(chǎn)物中篩選先導(dǎo)化合物(leadcompounds),認(rèn)為天然產(chǎn)物仍然是開發(fā)新藥特別是發(fā)現(xiàn)新的藥物先導(dǎo)化合物的最重要源泉,以天然產(chǎn)物作為先導(dǎo)化合物開發(fā)新藥的成功事例屢見不鮮[14]。正是受天然產(chǎn)物分子結(jié)構(gòu)多樣性的影響,科學(xué)家提出了定向多樣性合成(diversityorientedsynthesis)和綠色化學(xué)(greenchemisty)的概念[29-30]。發(fā)現(xiàn)具有生物活性的先導(dǎo)化合物是創(chuàng)新藥物研究的前提,是影響創(chuàng)新藥物周期的決定性因素。大自然中生物資源十分豐富,而伴隨的次生代謝產(chǎn)物經(jīng)過漫長時(shí)間的演化選擇,其結(jié)構(gòu)更是類型繁多,目前在已發(fā)現(xiàn)的天然產(chǎn)物中約40%的基本骨架類型在有機(jī)合成化合物庫中從來就沒有見到過,再加上天然產(chǎn)物具有生物活性多樣性(biodiversity)的特點(diǎn),很多天然產(chǎn)物分子本身就具有藥的性質(zhì)或可稱之為“類藥(drugs-like)”,大自然是最好的,甚至無窮無盡的天然化合物庫。當(dāng)然,天然產(chǎn)物作為藥物也有其致命的瓶頸:一是結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜,不易進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾和全合成;二是在自然界中的量太低。2.1.2天然產(chǎn)物具有獨(dú)特的生物活性機(jī)制:天然產(chǎn)物與生物體的相互作用具有其特殊性和復(fù)雜性,有的天然產(chǎn)物以單體原形形式在體內(nèi)直接作用于特定靶點(diǎn),有的進(jìn)入體內(nèi)經(jīng)代謝后產(chǎn)生新的代謝產(chǎn)物然后再作用于特定靶點(diǎn)而發(fā)揮作用,還有的進(jìn)入體內(nèi)后通過調(diào)控內(nèi)源性物質(zhì)間接地發(fā)揮藥理活性,或作用于不同的多個(gè)靶點(diǎn)(mult-itargets)并發(fā)生協(xié)同作用(synergiceffect)等[15]。再如紫杉醇、長春堿、喜樹堿等天然藥物全新作用機(jī)制的發(fā)現(xiàn)不僅給科學(xué)家?guī)砹烁蟮捏@喜,還可以成為探索生命科學(xué)和藥理學(xué)的工具,進(jìn)一步促進(jìn)了對藥物更深入的研究。2.1.3天然產(chǎn)物具有立體構(gòu)型的優(yōu)勢:藥物的藥效和毒性與其立體構(gòu)型或構(gòu)象有著密切的關(guān)系。眾所周知麻黃堿和偽麻黃堿的立體構(gòu)型不同藥效也有明顯差異;從蛇足石杉Huperziaserrata(Thunb1)Trv1中分離得到的石杉堿甲huperzineA,為一種高效AchE抑制劑,具有提高記憶效率的功能,是治療老年癡呆癥的一個(gè)非常有前景的藥物,實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明石杉堿甲的手性對其生物活性至關(guān)重要,(-)-石杉堿甲抑制AchE活性的能力幾乎是其外消旋混合物的2倍,是(+)-石杉堿甲的33倍。受反應(yīng)停事件(thalidomideincident)的影響,近年來手性藥物在新藥創(chuàng)制中越來越被重視,尤其在合成藥物研發(fā)中手性異構(gòu)體的合成已是一種必然的發(fā)展趨勢,并將在21世紀(jì)占據(jù)化學(xué)合成藥的主導(dǎo)地位。天然產(chǎn)物絕大部分具有手性立體單一構(gòu)型,不存在外消旋混合物的問題,這也正是天然產(chǎn)物在21世紀(jì)藥物開發(fā)中的優(yōu)勢之一。3天然產(chǎn)物化學(xué)研究的發(fā)展趨勢隨著多學(xué)科的相互滲透與交叉,天然產(chǎn)物研究與生物學(xué)研究越來越密切,天然藥物研究的對象也日益擴(kuò)大。在過去的100多年間,天然產(chǎn)物化學(xué)研究的對象主要是陸生植物資源。近20年來隨著陸生資源的大幅減少、人口數(shù)量的迅速增加和科技水平的飛速發(fā)展,人類面臨的可持續(xù)發(fā)展與資源匱乏、環(huán)境惡化之間的矛盾日益突出,以開發(fā)海洋資源為標(biāo)志的“藍(lán)色革命(bluerevolution)”正在形成前所未有的浪潮。天然產(chǎn)物研究的對象從傳統(tǒng)的陸生動(dòng)植物逐漸向海洋動(dòng)植物、無脊椎動(dòng)物、微生物等發(fā)展,并且從近海生物向極地海洋生物延伸,研究范圍也從傳統(tǒng)的萜類、生物堿類、甾體類等向結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的聚醚類、大環(huán)內(nèi)酯類、前列腺素類、超級碳鏈化合物以及生物活性內(nèi)源性物質(zhì)如多糖、多肽等延伸。海洋天然產(chǎn)物獨(dú)具的奇特而多元化的化學(xué)結(jié)構(gòu)是陸生天然產(chǎn)物所無法比擬的,其復(fù)雜程度甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了科學(xué)家們的想象,這些豐富多彩的海洋次生代謝產(chǎn)物已經(jīng)成為研制開發(fā)新藥的基礎(chǔ)[16]。圖1來自海洋的部分候選藥物Fig11Selecteddrugcandidatesfrommarine4天然藥物開發(fā)的策略4.1.1以化學(xué)研究為導(dǎo)向(chemicaloriented)的天然產(chǎn)物活性成分研究:其突出特點(diǎn)是以化合物為核心,也就是最傳統(tǒng)的研究天然產(chǎn)物化學(xué)的方法。采用這種策略的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是獲得盡可能多的不同類型的化合物。4.1.2以生物活性為導(dǎo)向(bioassayguided)的天然產(chǎn)物活性成分研究:實(shí)際上是活性評價(jià)與化學(xué)活性成分的分離相結(jié)合的策略,這是20世紀(jì)80年代以后發(fā)展起來的一種研究方法。無論采用上述哪種研究策略,都是相輔相成,都為了一個(gè)共同的目標(biāo):發(fā)現(xiàn)生物活性先導(dǎo)化合物。采用哪種研究策略要綜合考慮具體條件進(jìn)行設(shè)計(jì)并通過實(shí)踐摸索[17]。天然藥物研究開發(fā)流程見圖2。圖2天然藥物開發(fā)流程Fig12Flow