生化天然產(chǎn)物化學研究方法

關(guān)于生化天然產(chǎn)物化學研究方法第二講

天然藥物研究與開發(fā)一、天然藥物的研究開發(fā)程序二、天然藥物中生物活性成分的研究方法三、我國中藥、天然藥物化學研究存在的主要問題。第2頁,共47頁，2024年2月25日，星期天一、天然藥物的研究開發(fā)程序（一）從天然藥物或中藥中開發(fā)新藥的五種形式：經(jīng)過文獻資料或民間用藥的調(diào)研或通過現(xiàn)代藥理學的篩選研究，發(fā)現(xiàn)某種動物、植物、礦物或微生物具有藥用價值，然后將其開發(fā)成新藥。已知某種成分或某類成分具有藥用價值或已成為新藥，根據(jù)動植物的親緣關(guān)系，尋找含有這種或這類成分的動植物，進而將其開發(fā)成新藥。第3頁,共47頁，2024年2月25日，星期天3.在不明確有效成分的基礎(chǔ)上，將臨床療效明確的經(jīng)典方、經(jīng)驗方或經(jīng)藥效學研究具有開發(fā)價值的復(fù)方中藥開發(fā)成新藥，或?qū)F(xiàn)有新藥改變劑型。4.在基本上搞清了有效成分和有效部位的基礎(chǔ)上，將有效部位開發(fā)成新藥。第4頁,共47頁，2024年2月25日，星期天5.通過天然藥物或中藥中的有效成分或生物活性成分的研究，從中發(fā)現(xiàn)有藥用價值的活性單體或潛在藥用價值的活性單體即先導(dǎo)化合物。什么叫先導(dǎo)化合物呢?

有一定的生物活性，但因其活性不夠顯著或毒副作用較大，無法將其開發(fā)成新藥的具有潛在藥用價值的化合物。第5頁,共47頁，2024年2月25日，星期天（二）天然物藥品（一類新藥）的開發(fā)研究過程：臨床前→臨床→試生產(chǎn)活性跟蹤指導(dǎo)下的活性成分(結(jié)構(gòu)新穎和作用機制新穎)的提取分離與結(jié)構(gòu)鑒定將是天然產(chǎn)物化學研究的主要形式。選定研究對象→收集資料→篩選活性→有活性者跟蹤分離得單體或活性部位→確認結(jié)構(gòu)→動物試驗（藥效、毒性、藥代）→申報臨床研究→臨床研究（1、2期）→申請新藥證書及生產(chǎn)批文號→試生產(chǎn)（3期）→正式生產(chǎn)。（原料供應(yīng)保障研究、制劑工業(yè)化研究。需10~15年時間、1.5~2.5億美元）第6頁,共47頁，2024年2月25日，星期天二、天然藥物中生物活性成分的研究方法（一）天然藥物及中藥中原生生物活性成分的研究:通過調(diào)研或廣泛篩選需要開發(fā)的天然藥物。根據(jù)原料藥中化學成分的性質(zhì)將其粗分成幾個部分，通過活性測試確定有效部位。在活性測試指導(dǎo)下，采用各種色譜方法和其它方法對活性部位進行跟蹤分離，最終得到活性成分。第7頁,共47頁，2024年2月25日，星期天文獻古籍、民族、民間、臨床名方、天然產(chǎn)物、國外天然藥物、老藥活性篩選收集樣品提取粗提物體外方法體內(nèi)方法有活性無活性分離結(jié)構(gòu)鑒定活性跟蹤有效部位有效成分活性先導(dǎo)化合物結(jié)構(gòu)優(yōu)化構(gòu)效關(guān)系研究活性化合物新藥研發(fā)新藥研發(fā)有效部位新藥有效成分新藥新藥研發(fā)新化學藥代謝產(chǎn)物體內(nèi)代謝研究活性篩選活性化合物第8頁,共47頁，2024年2月25日，星期天第9頁,共47頁，2024年2月25日，星期天根據(jù)理化性質(zhì)和波譜數(shù)據(jù)確定單體的化學結(jié)構(gòu)，進行活性評價。對有開發(fā)價值的化合物進行結(jié)構(gòu)修飾和構(gòu)效關(guān)系的研究，進而將其按國際慣例開發(fā)成創(chuàng)新藥物。從天然藥物或中藥中開發(fā)創(chuàng)新藥物的關(guān)鍵是能否從天然藥物或中藥中分離得到有藥用價值或潛在藥用價值的活性化合物；中藥是創(chuàng)新藥物及其先導(dǎo)化合物的重要來源。第10頁,共47頁，2024年2月25日，星期天基于高通量活性篩選跟蹤的活性成分研究細胞、靶酶水平的高通量篩選親和色譜技術(shù)生物芯片技術(shù)中藥樣品粗提物分離部位單體化合物分子烙印技術(shù)第11頁,共47頁，2024年2月25日，星期天（二）天然藥物及中藥中前體活性成分的研究有些中藥中的化學成分本身并無生物活性，但經(jīng)體內(nèi)代謝后所產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物具有很強的生物活性（前體藥物prodrug）；例如：秦皮素→3,4-二羥基苯丙酸（抗菌）（體內(nèi)代謝）第12頁,共47頁，2024年2月25日，星期天體內(nèi)代謝法：即將天然藥物或其成分給動物食用后，分別收集動物的糞便、尿、膽汁，然后采用各種提取分離方法分離它們中的代謝產(chǎn)物，并采用譜學和與標準品對照的方法確定它們的化學結(jié)構(gòu)，在化學結(jié)構(gòu)已知的情況下進行生物活性評價，對有開發(fā)價值的化合物再進一步開發(fā)。第13頁,共47頁，2024年2月25日，星期天（三）血清藥化學和血清藥理學

除了治療消化道系統(tǒng)或某些特殊的成分，通常天然藥物中成分只有吸收入血后才能發(fā)揮藥效。

目前進展就較慢，原因如下：

不同化學成分在天然藥物中含量相差巨大（百分之幾至百萬分之幾）；不同化學成分與血漿蛋白結(jié)合率不同；同一成分在不同時間在血中含量不同（吸收入血成分很快被代謝、分布、排泄）；天然藥物成分在動物體內(nèi)難以積累到足量樣品；結(jié)構(gòu)測定方法有限，多數(shù)只能依靠LC-MS。第14頁,共47頁，2024年2月25日，星期天（四）天然藥物的化學修飾或結(jié)構(gòu)改造

從天然藥物或中藥中篩選追蹤得到活性化合物只是一類創(chuàng)新藥物研究的前期階段。不少天然活性化合物因為存在某些缺陷而難以直接開發(fā)利用：藥效不理想；存在一定的毒副作用；含量太低，難以從天然原料中取材；因結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，合成也十分困難；水溶性差、生物利用度差等等

以它們?yōu)橄葘?dǎo)化合物，在經(jīng)過一系列的化學修飾或結(jié)構(gòu)改造后，對得到的衍生物進行定量構(gòu)－效關(guān)系比較研究，可能發(fā)現(xiàn)比較理想的活性化合物，并開發(fā)成新藥。第15頁,共47頁，2024年2月25日，星期天例青蒿素的構(gòu)效關(guān)系研究

第16頁,共47頁，2024年2月25日，星期天4.數(shù)據(jù)庫檢索5.活性化合物的分離和結(jié)構(gòu)鑒定3.聯(lián)用光譜MSUV2.生物活性測試1.HPLC–分離HPLC天然藥物（五）從中藥或天然藥物中跟蹤分離活性化合物第17頁,共47頁，2024年2月25日，星期天一級色譜二級色譜三級色譜高通量篩選LC-MS、LC-NMR色譜－高通量篩選－快速結(jié)構(gòu)鑒定(LC-MS、LC-NMR)聯(lián)用技術(shù)流份第18頁,共47頁，2024年2月25日，星期天PlantaMed.67,411-16(2001)ActivityProfilingforCOX-2Activity0102030405060IIIIIIIVVVIVIIVIIIIXXXICOX-2InhibitioninMonoMac6cells[%]Injected:200μgForbioassay:50μg第19頁,共47頁，2024年2月25日，星期天LC-DAD-MS

TryptanthrinIndirubin第20頁,共47頁，2024年2月25日，星期天RadicalScavengersfromBeauveriaamorphaRCEF0083PlantaMed.68,64-5(2002)MeOHExtractofSupernatantColumnChromatographyHPLCGelChromatographyCompounds1+2RPlow-pressureLCKieselgel60F254;CHCl3-MeOH-H2O(65:35:5)1Extrakt22第21頁,共47頁，2024年2月25日，星期天StructureElucidationofRadicalScavengers1H-1H第22頁,共47頁，2024年2月25日，星期天鶴草芽中驅(qū)絳有效成分agrimonophol的追蹤分離：

仙鶴草根芽是薔薇科植物龍牙草根莖的芽。民間用其干粉內(nèi)服驅(qū)絳蟲，療效顯著。但謂水煎液無效、醇浸后蒸去醇去渣(沉淀)服用也無效，連渣服用有效。研究者選用體外滅囊蟲試驗，按下列程序進行活性追蹤。第23頁,共47頁，2024年2月25日，星期天

結(jié)果，石油醚提取物示有明顯體外滅囊活性。TLC檢查示含有十幾種酚性成分。將石油醚提取物隨用不同堿液作pH梯度萃取，由NaHCO3萃取部分分到有效單體鶴草酚，最后經(jīng)一系列化學降解及光譜測試，確定結(jié)構(gòu)如圖所示，并經(jīng)化學全合成得到確認。

鶴草酚（Agrimonophol）第24頁,共47頁，2024年2月25日，星期天紫杉醇的發(fā)現(xiàn)：

1971年：提取分離，結(jié)構(gòu)確定，活性確認1975-76年：在多種瘤株上實驗有效；1977年：臨床前研究；1979年：作用機理探明；1982年：Ⅰ期臨床實驗；1985-86年：Ⅱ期臨床實驗(卵巢癌)；1986年：紫杉醇側(cè)鏈的全合成；1988年：紫杉醇半合成；1990-93年：側(cè)鏈合成方法的改進；1992年：FDA批準；1994年：首次全合成。

第25頁,共47頁，2024年2月25日，星期天第26頁,共47頁，2024年2月25日，星期天喜樹堿的發(fā)現(xiàn)：第27頁,共47頁，2024年2月25日，星期天茜草根中抗腫瘤活性成分的追蹤分離：

茜草根的抗腫瘤活性系采用S-180荷瘤小鼠進行體內(nèi)抑瘤試驗篩選過程中發(fā)現(xiàn)的。通過活性成分的追蹤分離；最后得到了具有抗腫瘤活性的RA-5及RA-7等環(huán)肽類活性物質(zhì)。第28頁,共47頁，2024年2月25日，星期天第29頁,共47頁，2024年2月25日，星期天

分離過程中，活性測試系在接種了p-388白血病瘤細胞的CDFl系小鼠身上進行。每個小鼠接種的瘤細胞數(shù)為1

106。抑瘤活性以給藥組動物平均存活天數(shù)（T）相對于對照組動物平均存活天數(shù)（C）的百分率，即延命效果（T/C）表示。T/C>125％時始認為有活性。各個分離部分或餾分的活性篩選均按等劑量原則進行。甲醇、苯、乙酸乙酯及水提取物均按200mg/kg小鼠劑量進行投藥，但從苯提取物出發(fā)分離得到的各個組分，以苯提取物數(shù)量為100時各個餾分的收率為Y，按200(Y/100)mg/kg小鼠劑量投藥。故實際上各個組分（子體）的投藥劑量與苯提取物（母體）投藥量相當，測得的活性強弱有定量比較意義。投藥方法均為腹腔注射，每日1次，從植入腫瘤細胞后次日起連續(xù)進行5天。說明：第30頁,共47頁，2024年2月25日，星期天（六）天然藥物中生物活性成分研究需要注意的幾個問題:創(chuàng)新藥物的開發(fā)是一個高技術(shù)、高風險、高投入、高回報、知識密集型的系統(tǒng)工程,涉及化學、藥理、制劑、臨床醫(yī)學、毒理等多學科領(lǐng)域。（1個創(chuàng)新藥物需10～12年，耗資2～3億美元；但年銷售額可達百億美元）創(chuàng)新藥物與活性化合物是兩碼事（體內(nèi)藥效、毒性、臨床療效、制劑、吸收、分布、代謝、排泄、原料、成本、市場）。要注重知識產(chǎn)權(quán)的保護（活性部位或活性單體）。第31頁,共47頁，2024年2月25日，星期天

選擇適當?shù)幕钚詼y試方法天然活性化合物的追蹤分離能否取得成功，關(guān)鍵在于有無好的生物活性測試體系。試驗?zāi)Ｐ涂梢杂姓w動物、器官、組織、細胞、酶或受體以及體內(nèi)生物活性物質(zhì)等。近來并已開始注意在基因調(diào)控水平上建立起新的篩選體系。第32頁,共47頁，2024年2月25日，星期天（1）動物模型優(yōu)點：采用整體動物進行的試驗與人比較相近。缺點：實驗費時費錢，現(xiàn)象復(fù)雜，而且動物個體差異以及病理模型難于建立。

用動物模型作為指導(dǎo)分離過程的活性篩選方法不太適宜。第33頁,共47頁，2024年2月25日，星期天

（2）體外模型優(yōu)點：靈敏、簡便、可用于微量樣品的測試。利用對酶、受體或體內(nèi)生物活性物質(zhì)的抑制或促進作用，以及利用基因調(diào)控影響進行的活性測試方法簡便易行、可定量。缺點：有時體外活性測試方法所得結(jié)果與藥物實際在體內(nèi)的作用并不平行。

體外活性測試方法在實際工作中得到越來越廣泛的應(yīng)用。第34頁,共47頁，2024年2月25日，星期天3.確保供試材料具有活性

這是追蹤分離活性化合物的前提。為了確保活性成分的分離工作在可靠的基礎(chǔ)上進行，對供試天然藥物或中藥有時須采用多項指標、體內(nèi)外結(jié)合進行測試加以確認。第35頁,共47頁，2024年2月25日，星期天美國國立癌癥研究中心篩選抗腫瘤活性粗提取物的方法:優(yōu)點：①活性低或含最少的化合物不至于丟失；②增加了檢出新化合物的機會；③可能分離得到具有不同作用機制的化合物。第36頁,共47頁，2024年2月25日，星期天4、在眾多生物活性中力求找出最本質(zhì)的作用

天然藥物或中藥在臨床治療上可能作用于多個靶點，因而具有多種療效，即表現(xiàn)出多方面的活性。研究者應(yīng)當力求找出其中最本質(zhì)的作用，選擇建立反映臨床治療作用特點、且效果與之平行的活性測試體系，才有可能追蹤分離出目的活性成分或甚至有效成分。第37頁,共47頁，2024年2月25日，星期天第38頁,共47頁，2024年2月25日，星期天5、注意正確比較并判斷各個組分的活性

分離過程中總是按“等劑量不等強度原則”對每一階段得到的組分（子體）進行活性定量評估，并與母體作比較，追蹤活性最強組分。第39頁,共47頁，2024年2月25日，星期天

如果與母體比較，所得幾個子體活性強弱參差不齊，則示活性分離與物質(zhì)分離平行，預(yù)示可能得到良好的分離效果；如果某個子體活性顯著增強，則示分離過程中可能除去了某種拮抗作用物質(zhì)。具有良好的物質(zhì)分離與活性分離。第40頁,共47頁，2024年2月25日，星期天

如果所得各個子體活性均見明顯減弱，則提示活性成分可能分解、流散、或因吸附劑發(fā)生不可逆吸附所致，或因該藥物的活性原本為多組分的綜合作用，故分離后反而導(dǎo)致活性的減弱或喪失。

具體問題宜具體分析，在查明原因后立即采取相應(yīng)對策處理。分離過程中應(yīng)配合活性測試，采用多種分離手段以求獲得良好的分離效果，并應(yīng)盡量避免采用可能導(dǎo)致活性成分分解或不可逆吸附的方法或試劑。第41頁,共47頁，2024年2月25日，星期天五、我國中藥、天然藥物化學研究