中药与天然药物—年研究亮点评述
来源
药学学报.11作者
陈士林，孙奕，万会花，张晗，赵庆贺中国中医科学院中药研究所天津中医药大学成都中药大学摘要
中药与天然药物在—年取得多项突破性进展，屠呦呦青蒿素研究获得诺贝尔奖促使国内外掀起研究中药与天然药物的热潮，“甘露寡糖二酸”、“桑枝总生物碱片”等原创药物获得新药证书；多项研究成果入选年度“中国十大医学进展”，在Nature、Science、NewEnglandJournalofMedicine、Lancet等国际顶级期刊发表了高水平的研究论文，本文梳理总结了这五年期间国内外科学家在国际著名期刊发表中药与天然药物相关的亮点学术成果，并对其在化学、药物资源、药理、制剂、新药开发等相关领域取得的重要进展进行了评述，以期追踪和报道中药与天然药物领域发展的前沿和热点，并通过对其的分析得出学科发展的启示和展望。关键词
中药；天然药；天然产物；药用植物；药理；制剂_正文_—年是中药和天然药物研究与发展极其重要的年度，特别是屠呦呦青蒿素研究获得年度诺贝尔生理学或医学奖，年获国家最高科学技术奖，年获得共和国勋章、联合国教科文组织-赤道几内亚国际生命科学研究奖，使全世界看到了中药和天然药物的巨大发展潜力。年，屠呦呦研究员等5位专家在NewEnglandJournalofMedicine上提出了切实可行的应对“青蒿素抗药性”的合理方案，随后在Lancet子刊再次阐述了方案的可行性及合理性[1]；同时阐明了青蒿素耐药性的定义[2,3]；国际顶级医学类教科书《牛津医学教科书》（第6版）章节：“传统医药的范例：中医药”，年已正式出版。近年来，青蒿素及其衍生物在抗寄生虫、抗癌、抗炎、治疗红斑狼疮等方面均具有良好的疗效[4,5]；双氢青蒿素对治疗系统性红斑狼疮效果明显，其适应症临床试验已获国家药品监督管理局《药物临床试验批件》。在这5年内，国内外科学家在国际权威期刊上发表了大量中药与天然药物相关的学术论文，并在化学、药物资源学、药理、制剂、新药开发等相关领域均取得重要成果。叶凯团队完成的罂粟全基因组序列和西班牙埃斯皮纳多大学完成杏仁全基因组测序均发表于Science，张亮生团队破解睡莲基因组发表于Nature。英国约翰英纳斯中心在长春花中基因组中发现了用于合成抗癌药物长春花碱的最后几个未知的基因，这项突破性研究发表于Science。加州大学伯克利分校以半乳糖为原料，在酿酒酵母中完成了大麻素生物合成途径的异源重构，实现了多种主要大麻素及其衍生物的生物全合成，该成果发表于Nature。戴均贵、黄璐琦等团队成功在桑树细胞培养物中发现自然界首个催化分子间[4+2]环加成反应的单功能酶MaDA，并建立了发现该酶目标识别策略，该成果在NatureChemistry发表。美国加州大学圣地亚哥分校在Nature报道了类似血小板纳米粒可显著提高多西紫杉醇和万古霉素治疗心血管疾病和全身性细菌感染的能力。由中国海洋大学、中国科学院上海药物研究所和上海绿谷制药联合研发的阿尔茨海默症治疗新药“甘露寡糖二酸”（GV-）完成三期临床试验获得新药证书，并被评为年度中国十大医学科技新闻；由中国医学科学院、北京协和医学院药物研究所刘玉玲和申竹芳领衔研发用于治疗2型糖尿病的“桑枝总生物碱片”获得国家药监局批准上市，该药是国内首个降血糖原创天然药物，也是我国近十几年来首个批准的中药新药。房静远团队在柳叶刀子刊发表的中药提取物黄连素减少结直肠癌复发的研究、陈士林团队中草药DNA条形码为中草药建立基因身份证研究、尤启东团队主持的复杂结构天然产物抗肿瘤药物的研发及产业化研究、叶文才、王广基团队中药和天然药物的三萜及其皂苷成分研究与应用、屠鹏飞团队发表于PNAS揭示传统中药苏木的抗神经炎症活性成分苏木酮A的直接作用靶点蛋白为IMPDH2的研究等成果入选年度“中国十大医学进展”；中药与天然药物在抗击新冠肺炎中还发挥了重要作用。本文评述了~年国内外科学家在中药与天然药物的若干领域所取得的重要研究进展，以期追踪和报道中药与天然药物领域发展的前沿和热点。1
药物化学研究
1.1AsperflavipineA等活性新骨架化合物成为天然产物研究亮点自年以来，不同新颖骨架结构的天然产物仍在不断推陈出新，从结构类型上看，杂萜等萜类、聚酮类、生物碱类、以及PKS-NRPS杂合型天然产物（图2）成为了研究的亮点。这些天然产物大多具有良好的抗肿瘤、抗菌、抗炎等生物活性，新天然产物也因其特有的骨架特征带来了巨大的研究潜力。具有代表性的新颖骨架天然产物及其生物活性如下：1.1.1源自植物和真菌的rhodomyrtusials等杂萜类新骨架化合物杂萜是化合物中部分结构来源于萜类生物合成的天然产物，因其新颖、多样的结构骨架广泛存在于微生物（包括真菌和放线菌）、海绵、以及桃金娘科、杜鹃花科、唇形科等植物和一些大型真菌中（如灵芝等）[6-8]。从一种土曲霉（Aspergillusterreus）中得到了2个新型杂萜类次级代谢产物asperterpenesA和B，这两个化合物对BACE1表现出优于临床BACE1抑制剂LY的抑制活性（IC50值分别为78和59nmol·L-1）[9]。从桃金娘（Rhodomyrtustomentosa）的枝叶提取物中发现含有乙酰胆碱酯酶抑制活性的物质，通过活性追踪与高效的LC-UV定向分离等方法，从该提取物中获得3个具有6/5/5/9/4环系新颖骨架的间苯三酚杂萜类化合物rhodomyrtusialsA和B，它们具有较强的乙酰胆碱酯酶抑制活性（IC50值为8.8和6.0μmol·L-1）[10]。从背柄紫灵芝（Ganodermacochlear）中先后分离得到5对对映体结构的杂萜二聚体cochlearoidsA-E和3个具有6/6/5/6/6/6新颖骨架的杂萜（±）-dispirocochlearoidsA-C。T型钙通道（TTCC）抑制剂在治疗多种神经系统疾病方面具有巨大潜力，cochlearoidsA和C则能够显著地抑制TTCC的活性；而（±）-dispirocochlearoidsA-C为COX-2的选择性抑制剂，对小鼠的急性肺损伤还具有一定的抗炎活性[11,12]。1.1.2以苦木素和柠檬苦素衍生物等为代表的植物萜类新骨架化合物从牛筋果（Harrisoniaperforata）中分离得到化合物perforalactoneA，它是首次从植物源分到的笼状氧杂金刚烷骨架、且具有杀虫作用的20S新苦木素类化合物。PerforalactoneA对苜蓿蚜（Aphismedicaginis）表现出显著的杀虫活性，为烟碱受体（nAChR）拮抗剂（IC50值为15.8nmol·L-1）[13]。从灰毛浆果楝（Cipadessacinerascens）中分离到含有螺环结构的柠檬苦素类成分cipacinoidA，该化合物具有中等的蛋白酪氨酸磷酸酶1B（PTP1B）抑制活性[14]。从落羽杉（Taxodiumdistichum）中得到2个独特的以四环十八烷为核心的C30-萜烯taxodisonesA和B，仿生物合成表明两个化合物源自二萜和单萜，而非角鲨烯或氧化角鲨烯[15]。PierisketolideA是从美丽马醉木（Pierisformosa）根部得到的一个A-homo-B-nor-ent-kauane骨架的二萜，在10mg·kg-1的剂量下具有镇痛作用，抑制率达到45%[16]。从巴豆属巴豆腈（Crotonkongensis）和曼哥龙巴豆（Crotonmangelong）中分别得到新骨架二萜crokonoidA和大环二萜的对映异构体（+）mangelonoidsA和（?）B，其中crokonoidA对A细胞具有较强的细胞毒性（IC50值为(1.24±0.56)μmol·L-1），而mangelonoidA则具有抑制NF-κB的作用（IC50值为(7.27±1.30)μmol·L-1）[17,18]。ArtemisianB是从艾蒿（Artemisiaargyi）中分离得到的1,10-4,5-二-断愈创木内酯与愈创木内酯二烯经[4+2]Diels-Alder加成形成的聚合体，它可诱导细胞凋亡并引起细胞G2/M期停止，从而对抗乳腺癌细胞MDA-MB-的增殖（IC50值为3.21μmol·L-1）[19]。1.1.3NeuamycinB等聚酮类新骨架化合物聚酮类化合物是由植物和微生物通过聚酮合酶的作用，将低级羧酸进行一系列醇醛缩合反应而产生的一类天然产物。聚酮类化合物的结构骨架多样，其显著的生物活性是新药研发的巨大宝库。从一种等足类动物共生真菌中分离得到一个具有成骨作用的新大环双内酯类次级代谢产物acaulide，该化合物在0.4和2.0μmol·L-1浓度下对脱氢皮质醇诱导的骨质疏松斑马鱼模型具有抗骨质疏松的作用[20]。从链霉菌属QL37中得到1个具有独特七环结构的芳香族聚酮类化合物lugdunomycin，通过代谢组质谱分子网络分析，解析出其他24种重排或者未重排的化合物，并且其中的11个化合物为未见报道的新化合物[21]。从海洋放线菌小单孢菌（Micromonospora）中分离到一个28元大环内酯类化合物neuamycinB，是胶质母细胞瘤强抑制剂（LD50值为6.4×10-8μmol·L-1），研究者利用基因组序列信息与NMR分析的结合方法确定了该化合物的立体构型[22]；另一个来自Burkholderiagladioli的大环内酯类次级代谢产物gladiolin，具有非常强的抗结核菌Mycobacteiumtuberculosis的作用；Gladiolin能够抑制一种有效的结核分枝杆菌的靶点RNA聚合酶，并对几种临床常见耐药结核分枝杆菌显示出良好的活性（MIC值为0.4~2.3μg·mL-1），具有较好的开发前景[23]。1.1.4NannocystinA等PKS-NRPS型新骨架化合物研究人员发现了很多聚合酮酶-非核糖体多肽合成酶（PKS-NRPS）催化形成的杂合型化合物，它们主要存在于植物、海洋沉积物与海藻、真菌等微生物中。PKS和NRPS能够催化不同来源的聚酮骨架和氨基酸而生成结构多样且生物活性显著的杂合型化合物。从一株罕见的黏细菌Nannocystissp.中发现了一个新型的21元大环骨架化合物nannocystinA，它是由三肽和带有环氧酰胺基团的聚酮组成，利用NMR光谱、分子动力学计算、化学降解和X射线晶体学的方法确定了分子内9个立体中心的相对和绝对构型。研究者发现nannocystinA可以通过早期诱导细胞凋亡来抑制细胞增殖，结构中的环氧部分对于该活性起到了重要作用[24]。基于基因组挖掘技术，采用荧光叠氮化物探针的方法从蓝细菌MooreaproducensASI16Jul14-2中发现了3种炔化脂肽及其溴化类似物vatiamidesA-F。这些化合物源自同一个非共线PKS/NRPS系统，其形成的方式为微生物系统中的分子多样性提供了一种新型的组合能力[25]。从一株真菌Hymenochaeterubiginosa来源的链霉菌中分离得到一个新颖的多环肽类化合物tryptorubinA，全基因组测序结果阐明了与该线性六肽主链相关的一对生物合成基因[26]。1.1.5以单萜喹啉生物碱和吲哚生物碱、二萜生物碱为代表的植物生物碱类新骨架化合物SuadiminsA为首次报道的源自山橙（Melodinussuaveolens）的单萜喹啉型生物碱二聚体，它具有显著的抗结核分枝杆菌H37Rv的活性（MIC90值为6.76μmol·L-1）[27]。从尼泊尔虎皮楠（Daphniphyllumhimalense）中分离得到化合物himalensineB，该化合物对两种激酶PTP1B和IKK-β具有一定的抑制活性（抑制率分别为31%和29%）[28]。从Melodinuscochichinensis中得到的melocochinesA和B是一对罕见的单萜吲哚型生物碱差向异构体，二者可增强溶酶体的生物起源，对溶酶体探针（LysoTracker）的染色强度分别为.7%和.0%[29]。PhlegmadineA是从Phlegmariurusphlegmaria分离到的一种新型含有独特环丁烷结构的石蒜碱型生物碱[30]。从附子（Aconitumcarmichaelii）的水提取物中分离鉴定出了3个硫代C-20二萜生物碱类化合物，分别是具有重排的atisane烷型骨架的aconicatisulfoninesA和B，以及aconicarmisulfonineA；前者对乙酸引起的小鼠扭伤具有显著的镇痛作用[31,32]。此外，从银叶巴豆（Crotoncascarilloides）中也分离鉴定了一种二萜生物碱类新骨架化合物cascarinoidA[33]。1.1.6源自真菌的asperflavipineA等细胞松弛素类新骨架化合物细胞松弛素是一类结构新颖且生物活性广泛的真菌次级代谢产物，近5年发现了一些具有特殊结构特征的化合物。从黄柄曲霉（Aspergillusflavipes）中分离鉴定了一个具有5/6/11/5/6/5/6/5/6/5/5/11/6/5十四元环系的细胞松弛素杂四聚体（asperflavipineA）和一个5/6/11/5/5/6/5/11/6/5细胞松弛素asperchalasineA[34,35]。AsperflavipineA包含了2个细胞松弛素和2个epicoccine结构单元，是首个细胞松弛素杂四聚体，它的发现揭示了细胞松弛素研究的新领域。AsperflavipineA具有中等的细胞毒性，能够通过激活caspase-3以及降低PARP的活性诱导包括Jurkat、NB4、HL60等肿瘤细胞的凋亡。此外，从马铃薯内生炭角菌Xylariacf.curta中分离到了结构新颖的细胞松弛素curtachalasinsA-E和一个卤代六环细胞松弛素xylarichalasinA，其中curtachalasinC能逆转白色念珠菌抗氟康唑的抗药性[36-38]。1.1.7其他类型新骨架化合物从中药蛇床子（Cnidiummonnieri）的果实中分离到一对外消旋二聚体（±）cnidimoninA，它是由香豆素二聚体构成，含有不同的结构单元（如黄酮醇、苯并呋喃和色酮），该化合物显示出比其相应的旋光对映异构体更强的抗病毒HSV-1的作用（IC50值为1.23μmol·L-1）[39]。从飞龙掌血（Toddaliaasiatica）中得到2对低聚香豆素对映体spirotriscoumarisA和B，二者均具有螺二烯酮骈合倍半萜的独特骨架，外消旋混合物具有抗流感病毒H2N2的作用，其活性较相应的旋光异构体强3～6倍（IC50值分别为3.13和2.87μmol·L-1）[40]。从蜜茱萸（Melicopepatulinervia）的叶子中分离到3对木脂素-间苯三酚杂合物的对映体（±）-melipatulinonesA-C，这些化合物均具有抑制胰脂肪酶的作用[41]。1.2结合次生代谢组学与基因组学，以及活性天然产物作用靶标的化学蛋白质组学，推动先导化合物研究次级代谢组学是对植物和微生物体内的次级代谢产物进行定性和定量的分析方法，已成为发现潜在复杂植物和微生物次级代谢产物谱的重要技术手段（图3）。基于LC-HR-MS和NMR等分析技术的次级代谢组学应用于代谢产物之间的化学筛选和快速对比，能够高效地揭示一系列次级代谢组间的成分差异，并定位各个实验组数据中的差异化合物[42-44]。LC-HR-MS较常用于次级代谢组学分析，目前有一些数据库可用于搜索鉴定已知物并预测新天然产物（表1）。其中，GNPSWeb平台能够针对微生物次级代谢产物的高分辨率质谱数据对天然产物的结构进行鉴定，并结合分子式的归属把MS/MS裂解谱图与数据库进行比较，对不同类型的化合物分组，最终将光谱转换成分子网络模式（molecularnetwork）。在LC-MS代谢物谱分析中，平台可利用数据采集DDA来运行LC-MS/MS[45]。Floros等[46]通过GNPS平台对种随机选择的微生物次级代谢产物组的LC-MS/MS数据进行了评估，并应用主成分分析（PCA）方法找到了不同的天然产物簇，预测了这些菌株的生物合成潜力；同时运用代谢组学的方法找出了76个分子家族来优选具有较好代谢水平的菌株，再通过LC-HR-MS给出的高分辨分子质量、分子式、MS/MS裂解碎片等信息与数据库的相应数据进行比对，从而推测未知分子离子峰为新天然产物。运用次级代谢组LC-HR-MS实验可以较全面地完成新天然产物的鉴定和已知化合物的去重工作[47]。Crusemann等[48]利用LC-MS/MS方法建立了种海洋盐孢菌和链霉菌株的次级代谢产物图谱。该研究根据培养基、培养条件以及提取方法的不同对细菌次级代谢产物的产量进行综合评价，从大约万个MS/MS谱构建的分子网络中鉴定出15个分子家族的天然产物及其类似物，提供了一种基于代谢物组成不同来比较菌株的方法。利用一种基于NMR分析的小分子精确识别技术（SMART2.0）能够进行天然产物提取物的分析，这样可提高发现和表征提取物中新天然产物的效率。Reher等[49]将SMART2.0应用于丝状蓝细菌的提取物中，基于NMRSMART2.0和分子网络的MS/MS分析，对具有细胞毒性的化合物进行优先排序，再根据分析结果快速分离鉴定出了一种新型的大环内酯类成分。基因组挖掘技术可结合强大的分析系统来检测次级代谢产物在复杂代谢体系中潜在的微妙变化，次级代谢组学对于以基因组研究为基础的新型次级代谢物的发现起到了重要作用。近年来，对于微生物次级代谢组学与基因组联系的研究越来越多。由于高通量非靶向代谢组学能够产生大量的数据，而这些数据集的开发和诠释通常需要生物信息学工具。因而，研究微生物完整的代谢潜力也需要基于基因组的方法[50]。采用以抗性基因为导向的基因组挖掘技术，成功地发现了一种新型天然产物除草剂aspterricacid(AA)，它能够利用靶向植物支链氨基酸合成途径（BCAA）中的二羟酸脱水酶（DHAD）来抑制植物的生长。该研究首次解析了DHAD全酶的结构及其与AA的结合机制，并揭示了新型除草剂产生效能的分子机制。该研究为挖掘基因组寻找天然产物提供了新的方法和启示[51]。从昆虫微生物群中进行大规模的链霉菌分离，再利用基因组学和代谢组学分析、以及体内感染模型测定等策略，评估了昆虫链霉菌的独特进化谱系，并筛选出了一种对多药耐药真菌病原体有效的新抗生素cyphomycin[52]。近年来，以亲和性蛋白质组学分析方法为主导的化学蛋白质组学，已成为识别天然产物作用靶标较成熟的方法。Ismail等[53]开发了一套基于青蒿素活性的蛋白质谱分析探针，通过定义青蒿素的蛋白质组，在糖酵解和血红蛋白降解、抗氧化防御、蛋白质合成途径中显示出烷基化靶标，以用于原位鉴定疟原虫蛋白质药物靶标。Li等[54]发现青蒿素能够结合gephyrin蛋白以激活GABAA受体，并通过增强GABAA信号驱动体内胰腺α细胞向功能性β样细胞转化，可能具有治疗糖尿病的潜力。Yi等[55]基于亲和性蛋白组学化学探针将肌动蛋白鉴定为小檗碱的靶标，并发现小檗碱在体外生化水平和细胞水平上均能够显著地调节肌动蛋白生成。1.3DI-MS、CMC等技术改良及其在中药分析领域的应用与新药开发Directinfusion-massspectrometry（DI-MS）可作为代谢组学的分析工具，Xu等[56]提出了一种DI-3D-MS新技术，对伞形科的几种中药进行了化学组的比较，并建立了数据库，总结了伞形科植物中各类型香豆素分布。细胞膜色谱法（CMC）是从复杂系统中筛选作用于靶细胞膜潜在活性成分的理想方法。Ding等[57]开发了一种新型的（3-氨基丙基）三乙氧基硅烷（APTES）修饰的硅胶，改善了CMC法使细胞膜被固定在硅胶表面上而不易脱落。作者以筛选丹参中的潜在活性成分进行考察，建立了一种新型的APTES修饰的HepG2癌症干细胞膜色谱（CSCMC），并应用于二维色谱系统中，发现丹参酮IIA、隐丹参酮和二氢丹参酮I保留在该模型上，并通过细胞增殖和凋亡试验证明对HepG2癌症干细胞有效性。Chen等[58]开发出一个表面等离子体共振（SPR）生物传感器的活性成分识别系统（SPR-AIRS），并应用于筛选信号转导子和转录激活因子3（STAT3）配体。该方法能够从复杂中药基质中识别活性STAT3配体的天然产物。采用LC-UV或LC-MS/MS分析结合DNA条形码技术，Song等[59]对3种药用甘草（G.uralensis,G.glabra,G.inflata）进行了最大规模的药用植物靶向次级代谢组学分析，对甘草中个活性成分进行了定量分析，包括17种黄酮苷、24种皂苷和种游离酚类化合物。该报道涉及到有关甘草的生物合成、遗传、质量控制等多方面研究。Qiu等[60]利用UPLC-LTQ-Obitrap-MS分析并结合NMR验证质谱解析结构信息，对人参茎叶中的总人参皂苷进行了全面的分析，共鉴定了种人参皂苷，包括种未分离到的成分，优于传统方法。Shi等[61]开发出一种基于内源多重碰撞中性损失过滤（IMC-NLF）的非靶向代谢组学分析方法，将其应用于鉴定和定量人参中的个丙二酰基人参皂苷类成分，包括人参中69个、西洋参52个、三七中44个；同时统计了45批人参样品中81个丙二酰基人参皂苷的成分变化。采用中性丢失/前体离子扫描技术等质谱分析方法，Qiao等[62]对中药姜黄的成分进行了全面的系统分析，从中发现了种姜黄素衍生物，包括许多潜在的新型化合物。由华中科技大学同济药学院、沈阳药科大学、医院国家应急防控药物工程技术研究中心组成联合攻关小组，系统性分析了新型冠状病毒（SARS-CoV-2）基因编码的蛋白作为主要或潜在的药物治疗靶点，并通过计算机虚拟筛选方法发现了一系列具有抗病毒、抗菌和抗炎作用等的临床药物和天然产物对不同的靶蛋白表现出很高的亲和力，为新型冠病毒感染性疾病（COVID-4）的治疗提供新的可能。文章公布共享所有构建的新冠病毒靶点结构模型和筛选得到的候选药物，以加速国内外同行开发治疗新冠肺炎的药物，在国际上引起了较大的反响[63]。由中国医学科学院、北京协和医学院药物研究所研发用于治疗2型糖尿病的“桑枝总生物碱片”获得国家药监局批准上市，该药是国内首个降血糖原创天然药物，也是我国近十几年来首个批准的中药新药。桑枝总生物碱具有靶点清晰、物质基础明确和降糖作用显著等特点，优于单纯糖苷酶抑制剂，具有天然药物独特的多重药理作用优势。内容由凡默谷小编查阅文献选取，排版与编辑为原创。如转载，请尊重劳动成果，注明来源于凡默谷