天然药物化学--天然药物的研究开发

1、第十一章 天然药物的研究开发祖国医药在长期实践中所积累的传统经验，是药物研究和寻找新药的一个极其重要的源泉和基础，如：中医经验和历代医书上记载青蒿对抗疟有效，由此而研究制出抗疟有效成份青蒿素，再如从中药麻醉药洋金花中筛选出来的有效成份东茛菪碱，也是从古医书中挖掘出来的，等等许多。我们的祖先在用中草药防治疾病时，大多用水煎或酒浸来提出有效成份，并做成丸、散、膏、丹等剂，那么，总观中药、天然药物的用药情况，大体有三种形式。 1、原生药，2、精提取物，3有效成份或活性成份单体。 第一种形式：主要以中药饮片煎煮服用。其优点是可以根据具体病情，适当增减某味药，针对性强，灵活机动，效果好，但用量大，使用保

2、存都不方便。 第二种形式：在搞清有效成份的基础上，将中药、天然药物经过一定程度的加工提取，去粗取精，去伪存真，将中药加工成用量小，毒副作用小，高效速效，生产、运输、使用、携带方便的药物剂型，作为医药商品进入市场，这样，可使药品质量有一定的保证，且生产工艺也不复杂，成本也低。 第三种形式：就是在搞清有效成份的基础上，采用现代科学方法，从中药或天然药中直接提取有效成份单体，含量低的或可进行化学合成，再作成适当剂型入药，这种形式，因成份结构清楚，其疗效确切，质量易控制，并可通过构效关系，对其进行一系列化学修饰，以降低毒性，提高效疗效，应该是最好的一种形式，但生产复杂，成本也高。新药开发不是一件容易事

3、，它需要庞大的经费，同时需要一个非常复杂的高技术密集型系统工程，涉及化学、药理、毒理、临床、制剂等多学科领域。根据国际成熟经验，大约平均合成一万个化合物，才有可能希望研制出一个新药，成功率很低，且周期长，一般需要十年以上，投资约为2-2.5亿美元。当然，中药、天然药（民间药物）因有千百年临床实践经验积累，其实验对象是人，其药理作用是以人体为实验基础确定的，再将其应用到人，其疗效是无可置疑的，而西药则不同，以动物为实验对象，与人体必有差别。所以，从中药中开发新药，成功率较高，可能会缩短一些时间，研究周期较短，但其工作量之大，投入之多也可想而知的。一、产物天然的研究开发程序 从天然药物或中药中开发

4、新药至少包括以下五种形式： 第一种形式：经过文献资料或民间用药的调研或通过现代药理学的筛选研究（含体内、体外等研究），发现某种动物、植物、矿物或微生物具有药用价值，然后将其开发成新药。 第二种形式：已知某种成分或某类成分具有药用价值或已成为新药，根据动植物的亲缘关系，寻找含有这种或这类成分的动植物，进而将其开发成新药。如来自于黄连、黄柏中的黄连素具有抗菌、消炎的作用，临床疗效良好，但因黄连、黄柏均系贵重药材，资源有限，故限制了黄连素的广泛使用。根据植物的亲缘关系发现三颗针中也含有黄连素，进而将三颗针开发成一个新药。又如人参皂苷是人参中的主要有效成分，具有多方面的药理作用。通过对人参茎叶的研究发

5、现人参茎叶中含有大量的皂苷，且与人参中的皂苷类似，进而将人参茎叶中的皂苷开发成一个新药，广泛用于保健药物和某些中药复方。再如具有良好镇痛作用的延胡索乙素，其在延胡索中的含量很低，而对其全合成成本又很高，从而限制了延胡索乙素的使用。根据植物亲缘关系研究发现防己科植物黄藤(x6rq“reo乩nc。九o)的根和根茎中含有大量的巴马汀(可高达253)，巴马汀经锌粉和硫酸还原就可方便地转化成延胡索乙素，从而解决了延胡索乙素的资源问题。 第三种形式：在不明确有效成分的基础上，将临床疗效明确的经典方、经验方或经药效学研究具有开发价值的复方中药开发成新药，或将现有的新药改变剂型如由口服液改为片剂、注射剂等（现

6、临床上使用的大部分中药即属于这种形式的新药）。采用这种形式开发的新药虽然有效成分不明确，药品的质量控制难度较大，但它具有生产工艺不太复杂、成本较低、比较符合我国国情等特点。 第四种形式：在基本上搞清了有效成分和有效部位的基础上，将有效部位开发成新药，如目前在临床上广泛使用的地奥心血康、银杏叶制剂等。因有效成分已明确或基本明确，故采用这种方法开发的新药具有药品的均一性较易控制、临床疗效稳定、质量易于得到保证等特点。 第五种形式：通过天然药物或中药中的有效成分或生物活性成分的研究，从中发现有药用价值的活性单体或潜在药用价值的活性单体即先导化合物（有一定的生物活性，但因其活性不够显著或毒副作用较大，

7、无法将其开发成新药的具有潜在药用价值的化合物称先导化合物）。通过对先导化合物构效关系的研究，进而发现有药用价值的化合物，然后按照国际惯例经过一系列的研究将其开发成新药。如麻黄素、黄连素、长春碱、长春新碱、紫杉醇等均是直接从天然药物中开发出来的新药，蒿甲醚、普鲁卡因、镇痛新、-甲基地高新等则都是经天然先导化合物构效关系的研究和结构修饰开发出来的新药。虽然这些新药均起源于对天然药物或中药中生物活性物质的研究，但在工业生产中它们并不局限于从天然药物中提取，通过对材料来源、经济效益、环境保护等综合因素考虑，可以从直接从天然药物中提取、半合成或全合成三种方法中任选取一种。虽然从天然药物或中药中开发新药的

8、方法多种多样，但是对于具体情况要做具体分析，不可 能采用一个固定的模式，应根据具体研究课题的特点采用不同的途径，但无论采用何种方法和途径开发新药都要大体经过以下三个阶段，即：临床前研究；临床研究；试生产（期临床实验，主要是考察其安全性）。表111是国际上开发新药的大致过程和各个阶段所需的时间和经费，可供参考。表11-1 天然物药品(一类新药)的开发研究过程二、天然产物中生物活性成份的研究方法从天然药物或中药中开发创新药物的关键是能否从天然药物或中药中分离得到有药用价值或潜在药用价值的活性化合物。没有新结构、新活性的化合物，创新药物的研究开发就成了无源之水、无本之木。中药具有数千年的用药历史，对

9、某些疾病具有独特的疗效，临床基础非常雄厚，其中的化学成分种类繁多、结构新颖，是创新药物及其先导化合物的重要来源，这也是为什么近20年来国际上对于从天然药物中开发新药非常重视的根本原因。（一）活性成份的分离研究法：天然活性成份研究也是多学科协同研究的问题，应有从事生药、化学、药理和临床等几方面的配合研究，才能使活性成份的研究得以顺利进行，寻找中药有效成份的途径是多种多样的，对每一具体情况，要作具本分析，不可能作一个固定的模式。 两种不同方法的思路 1、早期方法：分离与活性测试分两个阶段进行，即首先分离单体，然后对单体进行活性测试，这种方法盲目性较大，费工、费时，且对含量小的成份还可能漏掉。 2、

10、现代方法：在选定供试样品后（具有活性），在分离活性成份时，利用化学指标和药理活性指标两只眼睛，对分离过程中的每一个部分都进行跟踪检查，对无活性的部位随时弃掉，而只对有效部位继续分离，一方面节省经费开支，同时，节省了一些不必要的分离时间，另一优点如：分离过程中某一过程不当，导致活性成份流失，还可以迅速查明原因，及时补救，当有些成份只是在与其它成份混合时，协同作用才有效，而分离成纯品时效果就低了或无效。这种情况在中药分析中也是常见的，这些因素能及时得到分析。所以说，现代方法成功率是很高的，可以说是一种好方法，只是活性测试工作量加大。 具体程序如下： 1、调查：（1） 疗效调查，收集民间验方。（2）

11、 植物鉴别，学名、来源、产地等。（3） 文南献收集，主要放在疗效上和化学成份上。 要注意几个方面的问题；l 只有疗效报道，无化学报道（药理，临床医学等杂志）。l 有化学报道，无疗效报道的（有关化学方面文献）。l 各方面都不全的。（4）预试（化学成份预试）有单项预试和系统预试。 单项预试：根据需要，有重点地检查某类成份，如寻找生物碱类，可在中药中进行生物碱的定性反应。 系统预试（又称系统分析法）：对中药中各类成份进行全面检查，方法较多，如：用梯度溶剂极性法。 用石油可能含油脂，挥发油，植物甾醇等。 药渣再用乙醚提取（内酯、黄酮、醌、弱碱性生物碱等）。 再用乙醇提取（甙类、生物碱、氨基酸、有机酸、

12、鞣质等）。 水提取（蛋白质、多糖、氨基酸）。 然后，各提取部分依照可能含有的成份，选择各类成份的特有显色反应，沉淀反应等，作一般预试。2、化学成份的分离 一般途径，首先要选择一种简便、快速的、能反应中药治疗作用的药理指标，作为分离指导，将各部分分开，按照药理指标取舍，直到最后分到活性成份和有效部分 。注意以下几点： （1）当中药的疗效往往不是某种成份产生，而是由多种成份相互协同表现的，这就要求工作细致，不要满足于获得一种有效成份而忽略其它有效成份。（2）中药的疗效可能是由于多种成份按其原有比例构成的混合成份的总疗效，若仅以一种成份的药理指标，势必无法代表中药疗效的有效部位和成份。所以，常常发现

13、某单一成份的疗效不如混合成份的疗效的事例，亦说明此点。追踪天然活性成份时注意事项1、选择建立先进的生物活性测试方法，是天然活性成成份追踪分离成功与否的关键所在。 体外试验：方法简单，快速。 体内试验：用动物模型试验，与人本较相近，准确性高，但费用高。还要考虑实验动物的个体差异等因素。 一般多采用体外试验，灵敏、简单、快速等优点，但体外实验有效，并不说明一定体内有效。2、确保试验材料具有活性。3、在众多的生物活性中，力求找出最本质的作用。4、注意正确判断各馏分的活性。 （二） 天然药物及中药中原生生物活性成分的研究1通过调研或广泛筛选需要开发的天然药物，然后采用体内的方法对该药进行药效学评价，

14、以便再次确认该药的开发价值并在有效部位或活性部位寻找所使用的活性测试模型或指标。对于没有经过体外活性测试的药物还需确定在活性成分追踪分离中所使用的体外活性测试方法及指标。2根据原料药中化学成分的性质将其粗分成几个部分，按等剂量不等强度的原则对每部分均进行活性测试，确定有效部位。如果每部分均有活性，但活性均不强，则说明粗分失败，需要改用其它方法进行粗分，直到找到其中某一部分或几部分活性强、剩余部分无活性或活性很弱为止。由于这部分往往得量较高，加之某些天然成分属于前体药物(即本身并无活性，在体内代谢后其代谢产物具有活性)，故在活性测试时最好采用体内方法。最常用的粗分方法是将其中的化学成分按极性大小

15、不同分成几部分，如水煎、醇沉，依次用石油醚、氯仿、乙酸乙酯、正丁醇等提取，或将原料药物依次用石油醚、氯仿、乙酸乙酯、丙酮、乙醇、水等提取。当然也可根据其中化学成分的不同类型采用不同的粗分方法。3采用各种色谱方法和其它方法对活性部位进行分离，每次分离所得组分均需经过活性测试（由于所得量均较少，常采用体外的方法进行活性测试），对于无效的组分常弃去不再研究，只研究那些有效或有活性的组分，直到追踪到活性成分。虽然采用活性追踪的方法其活性测试样品和工作量以及所需费用均大大增加，而且还需有简易、灵敏、快速、可靠的活性测试方法及与药理工作者有良好的工作配合条件，有时因配合不便还需由分离工作者自己承担，需要同

16、时配置分离及活性测试两方面的仪器设备，以及同时具备分离和生物活性测定的知识等等。但采用这种方法可大大减少分离工作的盲目性和在分离过程中造成的活性成分的丢失特别是微量活性成分的丢失（通常微量活性成分其活性往往很强），以即使在分离过程第一阶段，由于化合物本身的原因或选择方法失当导致活性化合物分解变化或流散，也能查明原因，采取有关补救措施获得分解变化或流散的活性成分，所以大多已采用这种方法进行活性成分研究。而只追踪活性部位，进而对活性部位中的化学成分进行系统研究，最后通过测试所得化学成分的活性来阐明天然药物中活性成分的研究方法已逐渐不被人们所采用。4根据理化性质和波谱数据确定单体的化学结构，对已明确

17、化学结构的单体进行活性评价（由于确定化学结构通常并不消耗样品，而进行活性评价则需消耗样品，故先确定结构，后测试活性）。5对有开发价值的化合物进行结构修饰和构效关系的研究，进而将其开发成创新药物。（图111） （三）天然药物及中药中前体活性成分的研究有些中药中的化学成分本身并无生物活性，但经体内代谢后所产生的代谢产物具有很强的生物活性，这实际上也是它们中的有效成分。如中药秦皮具有清热利湿的作用，在临床上用于治疗痢疾效果良好，其中的主要成分秦皮素并无抗菌活性，但经体内代谢成3，4-二羟基苯丙酸后，其抗菌作用则优于氯霉素。对于天然药物中这类生物活性成分的研究常采用体内代谢的方法进行。即将天然药物(既

18、可以是天然药物中的某种成分，也可以是动植物原材料)给动物食用后，分别收集动物的粪便、尿、胆汁，然后采用各种提取分离方法分离它们中的代谢产物，并采用谱学和与标准晶对照的方法确定它们的化学结构，在化学结构已知的情况下进行生物活性评价，对于有开发价值的化合物可采用上述法进行进一步开发。(图11-2)（四）血清药化学和血清药理学一种天然药物中含有的化学成分少则数十种，多则数百种。复方中药中的化学成分的数量将会更加巨大，要对这些所有的化学成分进行系统的研究，进而阐明天然药物及中药的药效物质基础，需要花费大量的人力、物力和财力，有时即使有充足的财力，由于种种原因实际上也难以完成。除了治疗消化道系统疾病或某

19、些特殊的成分，通常天然药物中化学成分只有吸收人血后才能发挥药效。一个天然药物中虽然含有数十个甚至数百个化学成分，但能吸收入血的成分毕竟有限，如果只研究吸收人血的化学成分（血清药化学）及药理作用(即血清药理学)，必将大大简化所要研究的成分，而且还可排除那些虽然体外有活性但因其不能吸收人血无法发挥药效的伪活性成分的干扰及找出前体活性成分。由于天然药物中化学成分的含量相差巨大，多的可达百分之几，少的则仅有十万甚至百万分之几；化学成分与血浆蛋白的结合率随成分不同而异；化学成分吸收人血后会很快被代谢、分布、排泄，不同时间检测同一种成分含量会有很大差异；动物所用剂量毕竟有限，难于积累到足量样品；所用的结构

20、测定方法绝大多数只能依靠质谱如lc-ms等，而用质谱测定化学结构不但需要对该天然药物中的化学成分要有透彻的了解，而且有时还需要对照晶，可靠性也差，所以目前采用血清药物化学方法研究天然药物中生物活性成分的进展并不大，从中研究出的一些成分多数是含量较高的已知成分或其代谢产物。（五）天然药物中生物活性成分研究需要注意的几个问题1从表111可看出，创新药物的开发是一个高技术、高风险、高投入、高回报、知识密集型的系统工程，涉及化学、药理、制剂、临床医学、毒理等多学科领域。据统计，开发成功一个创新药物需要筛选1万甚至数万个化合物，故成功率极低，难度极大，所用时间约1012年，所需经费约2亿3亿美元，但回报

21、率也很高(一个大品种的创新药物其单品种的年销售额以出厂价计则可达到50余亿美元)。这也是世界经济强国都对创新药物的研究开发极为重视的一个原因。固然由于天然药物及中药有数千年临床实践经验的积累，从中开发一些新药的成本会相对较低，成功率较高，所需时间较短，但也不能认为仅对某一个天然药物或中药的活性成分进行研究就可开发成一个创新药物。因为创新药物和一个具有活性甚至活性很好的天然产物毕竟是两码事，作为创新药物不仅要考虑到它的体内药效，而且还要考虑到它的急性毒性、长期毒性、临床药效、是否易于制成制剂、生物利用度及在体内的分布、排泄、原料是否易得成本如何、与现有同类药物相比有何特点等等多方面的问题。如果其

22、中的活性成分无法开发成创新药物，但活性部位又具有开发价值，则可考虑将活性部位直接开发成新药。无论是开发创新药物还是将活性部位开发成新药都要投入大量的人力、物力和财力，故要特别注重知识产权的保护。一旦获得具有开发价值的活性单体或活性部位，总是要在适当的时机申请专利，求得知识产权的保护。只有在确保知识产权的情况下，才能做大量、长期、全面的战略投入，并在研究过程中随时分析、调整开发计划，以求获得最好效果。2活性测试方法选择的正确与否是活性追踪分离能否取得成功的关键。常用的活性测试方法有整体动物、动物的器官、组织、酶、受体以及药物对体内某些生物活性物质的抑制或促进等。无疑采用整体动物进行试验与人比较相

23、近，但所需实验费用很大、现象复杂、时间长，加以动物个体差异以及病理模型难于建立等因素，实际上用其指导活性追踪分离难于做到。最好的方法是寻找活性部位时用整体动物试验，追踪分离成分选用体外的方法。理想的体外活性测试方法应具有简易、快速、不需特殊设备、方便、抗干扰性强、假阳性和假阴性均较低、临床相关性强等优点，但在实际工作中理想的活性测试方法往往很难找到，只有综合分析考虑，根据实际情况、条件以及研究开发的课题选择较理想的活性测试方法。同时也要根据实践经验积累和科学技术的发展，改进现有的一些活性测试方法和建立一些新的活性测试方法。由于一个药物疗效的发挥并不只取决于它与药物靶点的作用强弱，还与它的吸收、

24、分布、代谢、排泄、到达靶点的浓度及持续时间、体内对外影响的综合平衡能力等有关因素，所以体外活性测试方法所得结果与药物在体内实际作用并不平行。即使是动物整体实验，由于种族的差异以及病理模型与临床上的实际病症并不完全一样，所以也存在动物实验与临床疗效不平行的问题，故在实践工作中应予以注意。3确保供试材料具有活性是能够追踪到活性化合物的前提。在活性追踪分离之前一定要采用体内、体外多种方法，多个指标对实验材料进行活性测试，其目的是再次确证实验材料的活性，确定有无进一步研究的价值；二是为选择活性追踪分离所用的活性测试方法提供依据。图113的流程是美国癌症研究中心(ncl)用于筛选确认植物或动物粗提物抗肿

25、瘤活性的改进方434天然药物化学 案，可供工作时参考。通过该方案确认的实验材料至少有以下三个优点：不至于丢失活性低或含量少的化合物；增加了分离出新化合物的机会；有可能分离到具有不同作用机理或新的作用机理的化合物。由于植物原材料中所含的化学成分及活性成分与产地、采收季节、气候、品种及放置时间等有关，为了保证所用实验材料质量的稳定性，在正式开始活性追踪分离之前，最好要一次性采集或购买到所需的实验材料，并经简易的方法再次确认活性和一次性提取完毕，将提取物置于冰箱中保存。4天然药物及中药在临床上往往具有多方面的治疗作用，在动物实验上具有多方面的活性，在体外实验中具有多个作用靶点。研究者应当从这些杂乱的

26、实验现象中找出其中最本质的作用，选择建立能反映临床治疗特点且效果与之平行的活性测试体系才有可能追踪分离出有开发价值的活性成分及先导化合物，表112是这方面工作的一些典型实例。表112 活性成分及先导化合物发现实例（见p434） 5在分离过程中要按“等剂量不等强度原则”对每一阶段所得组分进行活性定量评估并与母体进行比较，追踪分离活性最强的馏分。通常如与母体比较所得几个组分活性强弱参差不齐，则说明活性分离与物质分离平行，预示可能获得良好的分离效果；如果某个组分活性显著增强，则说明在分离过程中可能除去了某种具有拮抗作用的物质；如果所得各组分活性均明显减弱，即使将其合并，其活性与母体相比也大大减弱，则

27、提示活性成分可能发生分解、破坏或产生了不可逆吸附；如果所得各组分分别测试其活性虽然明显降低，但将其合并后其活性与母体相当，则提示是活性成分被分散或该药中的成分存在明显的协同作用(相加或相乘)，故分离后反而导致活性的减弱或消失。如附子的水煎剂对蛙心呈现明显的强心作用，当除去水煎剂中的钙离子后则对蛙心的强心作用明显降低，但单纯的钙离子的作用并没有附子水煎剂强。经系统研究发现附子的水煎剂中存在微量的乌头碱；虽然乌头碱本身对蛙心并不表现多大的强心作用，但微量乌头碱与钙离子混合后却具有明显的强心作用，其作用强度与附子水煎剂类似，说明其强心作用的有效成分是钙离子和乌头碱的混合物，且它们之间存在明显的协同作

28、用。以上说明在活性追踪分离中具体问题应作具体分析，并在查明原因后采取相应对策处理。6传统天然药物及中药多为汤剂，从某种意义上来讲，只有溶于汤剂中的成分即水溶性成分才是有效成分，但脂溶性成分是否就一定不是有效成分?实际上未必，其原因有三，一是在煎煮过程中有些本不溶于水的脂溶性成分会因互溶而溶于汤剂中；二是古人会用增大剂量的方法提高脂溶性成分的用量，从而达到防病治病的目的；三是受科技发展的限制，古人没有意识到的并不是不存在的，所以脂溶性成分也可能是天然药物及中药的有效成分。（六）活性追踪分离的几个实例1大黄泻下活性成分的研究 大黄是蓼科植物掌叶大黄(rheumpalmatuml)、唐古特大黄(rh

29、eumtangutium)或药用大黄(兄officinale)的干燥根及根茎，具有泻下通肠、凉血解毒、逐瘀通经之功效。生大黄在临床上用于术前清肠和治疗便秘具有良好的效果。生大黄粉碎后依次用正己烷、氯仿、丙酮、乙醇、水提取，各提取物以大白鼠口服后观察其致泻作用作为活性追踪指标。从表113中可看出正己烷提取物在剂量达500msks时仍无效；氯仿提取物和丙酮提取物亦基本上无泻下作用；乙醇提取物虽有泻下作用，但较弱，在剂量为loomsks以下时无效，200m6ks剂量时，10只大白鼠中只有两只有效，到500msks的大剂量时亦只有7只大白鼠有效；而水提取物泻下作用最强，50msks剂量时有4只大白鼠有效，200msks时10只大白鼠全部具有泻下作用，故其主要活性部位应为水提取物。(图114) 生大黄粉正已烷回流提取3次，