海洋天然药物化学和天然药物开发.ppt

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1、,第十章 海洋天然药物MARINE NATURAL MEDICINE,目的和要求1、熟悉大环内酯类、聚醚类、肽类、C15乙酸原化合物、前列腺素类似物、甾类化合物等海洋天然药物。2、了解海洋天然药物研究进展。,第一节 概 述 一、海洋知多少？,海洋占地球表面积的70.8%；,海洋生物量占地球总生物量的87%；海洋生物种类达20多万种；我国海岸线长1.8万多公里，海域面积约500万平方公里；海洋药用资源蕴藏十分丰富，涉及海洋生物5个生物界、44个生物门、20278种。,二、海洋生物的特点 生活环境与陆生生物迥然不同：有一定的水压、高盐度、小温差、有限的溶解氧、有限的光照及化学缓冲海水体系；次生代谢

2、产物较陆生生物独特新颖：新陈代谢、生存繁殖方式、适应机制具有显著特性；化合物结构独特、生物活性多样；开展海洋药物研究具有重要的理论意义与实际应用价值。,三、海洋药物的研究概况,国外概况 1964 年日本学者研究河豚毒素(tetrodotoxin,TTX)为开端，1968 年美国NIC对海洋生物资源的抗癌活性筛选使海洋药物的研究成为一个独立的领域。NIC每年研究、检测的上万个天然产物中，1/4 来自海洋生物。,头孢菌素钠(cephalosporin natrium)为海洋微生物中发现并开发成功的第一个“海洋新抗”，开创了开发海洋新抗生药的先例。海绵中获得海绵尿嘧啶核苷(spongouridine

3、)，后研究成功合成方法，获得有效抗癌药物阿糖胞苷(arabinoside cytosine,Ara-C)，目前在市场上获得广泛应用。,80 年代后期，科学技术的进步，尤其是现代生物工程技术，使海洋药物的广泛开发成为可能。对海洋药物的研究与开发获得不少具有突破性的成果，已从海葵、海绵、腔肠动物、被囊动物、棘皮动物和微生物体内分离得到具有抗菌、抗病毒、止血、镇痛、抗炎、抗肿瘤和心血管等生物活性的多种新型化合物。如从海蛤提取的蛤素(mercenene)有很好的抗癌作用；存在于海鞘中的膜海鞘素(didemnin)为强的抗肿瘤、免疫抑制剂；鲸鲨软骨中提取的 6-硫酸软骨素(chondroitin sul

4、fate A)具有降血脂、抗动脉硬化的作用。从黄海葵提取的新型强心药物海葵毒(anthoplearin)A 和 B等。,1994年联合国海洋法公约正式生效，许多沿海国家都把开发利用海洋作为基本国策。美、日、英、法、俄等国分别推出包括开发海洋药物在内的“海洋生物技术计划”、“海洋蓝宝石计划”、“海洋生物开发计划”等，投入巨资发展海洋药物及其他海洋生物技术。世界上一些著名大学也相继建立了海洋药物研究机构。由于现代分离分析技术的发展与应用，使复杂的海洋生物微量活性成分得以快速地分离和鉴定。新的基因工程、细胞工程和酶工程等生物技术的研究与应用，进一步促进了海洋药物的研究与开发。海洋药物这一新生领域已成

5、为世界关注的热点。,国内概况 我国是世界上最早应用海洋药物的国家。写成于公元一世纪的神农本草经中收载海洋药物约为10种。到1596年李时珍所写的本草纲目中海洋药物90余种。至1765年，本草纲目拾遗中海洋药物总数发展到100余种。,我国现代海洋药物的发展是在1978年全国科学大会上提出“向海洋要药”、“开发海洋湖沼资源，创建中国蓝色药业”的战略设想之后，结束了缓慢发展的历史，进入高速发展的新时期的。相继成立了中科院海洋所、植物所，及农业部黄海所，青岛海洋大学，中山大学，北京大学等一批海洋生物研究及药物开发基地。随着生物工程技术和分子生物学的飞速发展，也给我国的海洋生物研究注入了新的活力。我国同

6、世界先进水平的差距正逐步缩短。,目前海洋生物研究的主要领域,目前对海洋产物的研究主要集中在：生物活性化合物的研究与开发：包括发现、结构修饰、合成。发现新结构 海洋生物工程,目前海洋生物生物活性研究的主要领域 预防、治疗心脑血管疾病的药用海洋生物,具有抗癌活性的海洋生物,NCI正在进行临床试验的海洋药物,抗微生物感染海洋生物 50年前第一个海洋生物抗生素头孢菌素，开创了开发海洋新抗生素的先河；广谱低毒抗生素伊他霉素；海参中提取的海参皂苷抗真菌的有效率达88.5%，是人类历史上从动物界找到的第一种抗真菌皂苷。其他如皮肤抗炎作用、抗放射性活性物质，海洋医用生物材料鲎试剂、河豚毒素试剂、甲壳素、珊瑚骨

7、材料，海洋生物滋补保健品等。,四、海洋药物研究的发展趋势,半合成技术在海洋药物研究开发中十分重要。海洋生物技术是海洋药物产业化的主导技术和关键手段。现有技术集成组装是现实可行的新途径。以研究海洋生物活性物质为中心任务的海洋天然药物化学已经成为天然药物研究中最为活跃的分支。相信21世纪我国海洋药物研究与开发将有重大突破，真正的蓝色药业必将成为我国国民经济中举足轻重的高新技术产业。,五、海洋天然产物的化合物类型,目前人们对海洋生物的认识相当有限，利用率仅为1%左右。已有的研究表明：海洋天然产物的结构千差万别，新的骨架结构不断被发现。就目前的研究积累，海洋天然产物常见的化合物有：萜类、甾体、多糖、蛋

8、白质、脂肪烃以及海洋生物特有的结构类型。目前发现的海洋天然产物中结构特殊、生物活性明显的化合物类型有：大环内酯、聚醚、肽类、C15乙酸原化合物、前列腺素类似物、甾体化合物等。,第二节 大环内酯类 一、特点 是海洋生物中最常见的一类化合物；结构中均含有内酯环；环的大小差别较大，从十到六十元都有；多具有明显的抗肿瘤活性。,二、简单大环内酯类化合物 特点：仅有一个内酯环、环上仅有OH或烷基取代、为长链脂肪酸形成的内酯。如aplyolide A、B、C,为海洋动物的化学防御物质，有强的毒鱼活性。,又如(-)-macrolactin A、(+)-macrolactin E,具有抗病毒活性。,三、内酯环含

9、有氧环的大环内酯类 特点：大环内酯环上含有氧环，氧环可为三元、五元、六元不等。氧环的生物合成可能为大环内酯环上双键、羟基在代谢过程中氧化、脱水所致。如bryostatin-1,具有免疫增强、诱导分化、增强其他细胞毒药物活性,又如swinholide A、B、C,具有抗肿瘤和抗真菌活性。,四、多聚内酯类 特点：大环内酯环上具有一个以上的酯键。如15G256和15G256,具有抗真菌活性。,五、其他大环内酯类 大环内酯环含有氢化吡喃螺环的化合物。如altohyrtin A、B、C和cinactryolide A等。,抗瘤谱特殊、活性高，是目前细胞毒活性最高的一类。,大环内酯环含有N原子 如ecte

10、inascidin 743(ET743)。,为一特殊烷化剂，作用于DNA双螺旋间的沟槽，表现出特殊的抗肿瘤作用机理。对晚期软组织癌症具有较好的疗效。,第三节 聚醚类化合物 是海洋生物中的一类毒性成分；一、脂溶性聚醚 特点：结构中含有多个以六元环为主的醚环；醚环间反式并合、形成并和后聚醚的同侧为顺式结构、氧原子相间排列成一个梯子样结构，故有聚醚梯之称。聚醚梯上有无规则取代的甲基；极性低，为脂溶性毒素。,如maitotoxin,是目前分离得到的结构最大的聚醚类化合物，被认为是毒性最大的非蛋白质类化合物。,二、水溶性聚醚 特点：有高度氧化的碳链、仅部分羟基成醚环、多数羟基游离、多为线型，极性较大、为

11、水溶解性聚醚。如palytoxin,三、聚醚三萜 特点：高氧化度，由角鲨烯衍生而来。如sipholenone B、sipholenol、sipholenone A,sipholenone B,Sipholenol R1=H,R2=OH sipholenone A R1=R2=O,第四节 肽类化合物 是海洋生物中另一大类生物活性物质。组成海洋多肽化合物的氨基酸除常见的外，尚有大量特殊氨基酸，如-氨基异丁酸、Lbaikiain、海人酸、软骨藻酸等。,-氨基异丁酸 Lbaikiain 海人酸 软骨藻酸,常见的海洋肽类化合物有直链肽、环肽等。如dolastatin 10（已经进入临床II其研究，对 P

12、388白血病细胞的IC50未0.4ng/ml。）,又如环肽kahalalide F对结核杆菌具有极高的抑制活性。,第五节 C15乙酸原化合物 由乙酸乙酯或乙酰辅酶A生物合成。结构比较简单，往往含有O或其他卤素元素。有直链型和环状之分。从十六碳4，7，10，13四烯酸衍生而来的十五个碳原子的非萜类化合物。,直链型,bisezakyne B,环氧化合物,碳环化合物其他类似乙酸原化合物,第六节 前列腺素类似物 前列腺素是一类生理活性很强的化合物。获得较大量的前列腺素十分困难。从海洋生物中寻找前列腺素资源，是各国科学家广泛关注的问题。1969年Weiheimer从佛罗里达柳珊瑚(Plexaura ho

13、mommalla)中首次分离得到前列腺类似物15R-PGA2，这一发现在世界上引起广泛的注意。从海洋生物中分离得到的前列腺素类化合物，除具有前列腺素样的活性外，往往还具有一些特殊的生物活性，如抗肿瘤作用等。,第七节 甾体化合物,甾体化合物是海洋生物含有的一类重要生物活性成分。与陆生植物所含甾体结构相比，具有更为丰富的骨架和支链。,一、简单甾体化合物,对多种癌细胞具有很强的生长抑制活性,具有很强的抗结核活性,二、开环甾体化合物,按照开环的位置可以分为六类：5,6-、9,10-、8,9-、8,14-、9,11-和13,17-开环甾体化合物，其中9，11为主要结构类型。,第八节 海洋天然产物研究实例

14、 红树海鞘(Ecteinascidia turbinata)抗肿瘤活性成分的研究。美国University of Illinois.1972-1996(from crude extracts to total synthesis).,第十一章 天然药物的开发,第一节 概 述,2l世纪已经到来,在新的世纪,具有我国传统文化特色和独特优势的中药，正面临着前所未有的发展机遇和挑战：一方面，随着社会的发展，人类疾病谱已悄然发生改变，医疗模式已由单纯的疾病治疗转变为预防、保健、治疗、康复相结合的模式，各种替代医学和传统医学正发挥着越来越大的作用。生存环境的不断恶化，人类“回归自然”的呼声越来越高，传统医

15、药倍受青睐。,另一方面，随着全球经济一体化进程的加快，特别是我国已经正式加入WTO，中国医药市场融入国际医药大市场的广度和深度将进一步加剧，将面临强大跨国医药集团的激烈竞争以及日本、韩国、印度等亚洲国家传统医药产品和德国、法国等欧洲国家植物药的巨大冲击，我国生产的众多传统中药产品由于尚不能符合国际医药市场的标准和要求，目前仅3%的国际市场销售份额还有可能进一步萎缩。我国是世界上植物资源最为丰富的国家，约有30000余种高等植物。我国有从热带、亚热带、温带到寒带的多种植物资源，其中特有种占50以上，其丰富的生物多样性是世界上其他国家所不能及的，蕴藏着巨大的开发潜力。为从事天然药物研究提供丰富的研

16、究材料。,选择确定作为开发对象的目标化合物,工业化探讨（大量制备）,临床试验用样品,上市销售（GSP),现代创新药物研究开发的大致过程,合成,情报,提取、结 构测定,活性筛选,药理 生化,特殊毒性 毒 性,药效药理,一般药理,药物动态,吸收排泄,代谢,作用机理,急性毒性,亚急性毒性,慢性毒性,致畸,致癌,致瘾,生殖毒性,理化学性质、制定质量标准,稳定性,配伍变化,试验方法,试验规格,工业制备方法探讨 合成 提取精制 发酵,制剂化探讨,III期：毒性、药效（多数病人，多点观察）II期：毒性、药效（少数病人）I期：毒性（健康人群）申请临床试验(GCP）,申请生产许可(GMP),创新药物源 头研究阶

17、段,(GLP),杂志公开发表 接受公众检验,申请专利,第二节 天然药物中开发新药途径,一、经验积累,中药的研究离不开祖国医学长期实践所积累的经验，是寻找新药的极为重要的源泉和基础。古代，人类在寻找新药的漫长历史中，在亲身“尝试”中不断积累各种药物知识，即神农尝百草的方法。在天然药物的研究过程中，要注重经典文献的调研，如根据中医经验和历代医书上记载中药青蒿对“截疟”有效。东晋葛洪著肘后备急方中记载，“青蒿一握，水二升渍，绞取汁尽服之”，说明青蒿中含有抗疟有效成分，且加热易破坏，故将青蒿低温提取获得抗疟有效成分青蒿素，用于抗疟具有显著的特点，又通过构效关系研究合成了新的衍生物，疗效显著提高，且水溶

18、解性更强。文献是前人积累的宝贵经验，通过查阅文献了解近缘植物的研究概况。只有了解前人成功的经验和方法，才能最大限度的借鉴和利用前人的经验开展新的研究，少走弯路，节省人力、物力和时间。,二、偶然发现,偶然发现在新药研究和发现中是较常见的，最典型的例子是青霉素的发现，1928年，英国细菌学家弗莱明一次在研究葡萄球菌的实验中偶然发现那次培养的细菌有些菌落没有生长，仔细观察发现，在这次实验中，培养基被霉菌污染所致，后来从这种霉菌中发现了能杀灭细菌的物质青霉素，开辟了抗生素治疗疾病的新领域。,三、药物普筛,本世纪初，特别是30年代以来，世界各国开展了在特定药理模型的基础上筛选药物的工作，对天然药物的筛选

19、，导致了许多新药的发现。药物的筛选有两种方法：,1分离纯化得到纯品化合物，然后再进行活性测试。优点：(1)目标清楚，方法简捷，指标明确，标准同一。(2)分得标准品后可进行多种药理活性的测试。缺点：(1)如果选择的分离方法不当，活性化合物丢失的可能性极大。(2)对于极微量活性化合物，这种方法很容易漏检。,2在活性筛选方法的指导下进行化合物的分离提取(Bioassay Directed Separation)。在供试样品的活性确定以后，选用简易、灵敏、可靠的活性测试方法作指导；在分离的每一阶段对分离所得的各个组分进行活性定量研究和评价，跟踪其中活性的部分。缺点：(1)活性测试的样品及工作量均大大增

20、加；(2)要求分离工作者与活性测试人员两个方面的配合。优点：(1)由于分离过程中，没有化合物类型的框框限制，只以活性为指标进行追踪，故发现新化合物的可能性很大。(2)如果分离过程的某一阶段，如因分离方法或材料选择不当，导致活性化合物的分解变化或流散时，还能迅速查明原因，并可采取相应的措施进行补救。对天然活性化合物的分离来说，这是一种较好的方法。,例抑制前列腺素合成酶的药物筛选,追踪分离天然活性化合物时的注意事项,1关键在于选择、建立先进的生物活性测试方法,天然活性化合物的追踪分离能否取得成功，关键在于有无好的生物活性测试体系试验模型可以有整体动物、器官、组织、细胞、酶或受体以及体内生物活性物质

21、等。近来并已开始注意在基因调控水平上建立起新的筛选体系。无疑，采用整体动物进行的试验与人比较相近，但是实验费时费钱，现象复杂，加以动物个体差异以及病理模型难于建立等因素，作为指导分离过程的活性筛选方法不太适宜。目前在实际工作中多采用的是那些灵敏、简便、可用于微量样品的体外活性测试方法。其中，利用对酶、受体或体内生物活性物质的抑制或促进作用，以及利用基因调控影响进行的活性测试方法因为简便易行又可定量，更是受到青睐，得到越来越广泛的应用。但是有时这种体外活性测试方法所得结果与药物实际在体内的作用并不平行，故实践中也应予以注意。,2确保供试材料具有活性,这是追踪分离活性化合物的前提。为了确保活性成分

22、离工作在可靠的基础上进行，对供试天然药物或中药有时须采用多项指标、体内外进行测试加以确认。,例 美国国立癌症研究中心筛选抗肿瘤活性植物或动物粗提取物方法,本方法的优点是：活性低或含量少的化合物不至于丢失 增加了检出新化合物的机会；可能分离得到不同作用机制的化合物,3.在众多生物活性中力求找出最本质的作用,天然药物或中药在临床治疗上可能作用于多个靶点，因而具有多种疗效，即表现出多方面的活性。研究者应当力求找出其中最本质的作用，选择建立反映临床治疗作用特点、且效果与之平行的活性测试体系，才有可能追踪分离出目的活性成分或甚至有效成分。,4注意正确比较并判断各个馏分的活性,分离过程中总是按“等剂量不等

23、强度原则”对每一阶段得到的馏分进行活性定量评估，并与母体作比较，追踪活性最强馏分。一般，如与母体比较，所得几个子体活性强弱参差不齐，则示活性分离与物质分离平行，预示可能得到良好的分离效果；如某个子体活性显著增强，则示分离过程中可能除去了某种拮抗作用物质；如果所得各个子体活性均明显减弱，则提示活性成分可能分解、流散、或因吸附剂发生不可逆吸附所致，或因该药的活性原本为多组分的综合作用(相加或相乘)，故分离后反而导致活性的减弱或丧失。具体问题宜作具体分析，并在查明原因后采取相应对策处理。,分离过程中常配合采用各种分离手段以求获得良好的分离效果，并应尽量避免采用可能导致活性成分分解或不可逆吸附的方法或

24、试剂。,四、代谢研究,(1)药物的代谢研究结果又往往给新药研究提供信息。由于药物的体内过程不同，有些药物转化后，活性更高，有些转化后则失活，从而可以帮助我们提供新药设计的重要知识。(2)植物成分的生物转化，可为一些化合物的结构修饰提供思路，提供新颖的先导化合物。,五、天然药物的化学修饰或结构改造,从天然药物或中药中筛选追踪得到活性化合物只是一类创新药物研究的前期阶段。不少天然活性化合物因为存在某些缺陷而难以直接开发利用：(1)药效不理想；(2)存在一定的毒副作用；(3)含量太低，难以从天然原料中取材；(4)或因结构过于复杂，合成也十分困难；(5)水溶性差、生物利用度差等等 因此，我们只能以它们

25、为先导化合物,在经过一系列的化学修饰或结构改造后，对得到的衍生物进行定量构-效关系的比较研究，才有可能发现比较理想的活性化合物，并开发成新药。,例 青蒿素的构效关系研究,六、其他领域的研究,(1)在新药的研究中，深入开展药物作用机制的研究，也能为新药的发现提供重要的线索。(2)利用药物的毒副作用发现新药。,实例一 紫杉醇的发现,1971年：提取分离，结构确定，活性确认 1975-76年：在多种瘤株上实验有效；1977年：临床前研究；1979年：作用机理探明；1982年：期临床实验；1985-86年：期临床实验(卵巢癌)；1986年：紫杉醇侧链的全合成；1988年：紫杉醇半合成；1990-93年

26、：侧链合成方法的改进；1992年：FDA批准；1994年：首次全合成。,研究实例二 喜树碱的发现,第三节 天然药物化学研究方法,在开展某一天然药物的研究中，研究开始前，必须进行充分的调查研究。这其中包括实地调查，资源调研和文献调研三个方面。,实地调查 包括临床疗效的考察和实际应用效果(民间使用情况)：(1)由于影响植物药功效的因素较多，在确定其功效的基础上第一步就是确定品种类别，由于植物或中药同名异物和同物异名现象较多；植物的科、属不同，成分各异，药效作用也有很大差别，品种的鉴别、鉴定显得尤为重要，如果品种没有鉴别准确，实验结果很难会有好的重现性。(2)考察其生长环境，采收季节，加工与炮制方法

27、等，这些因素都会影响药物的疗效。同时，这些因素的考察，还会为研究有效成分的提取、分离方法提供参考。,资源调查 植物的生长环境、资源分布、品种的多少都是研究天然药物要考虑的因素。对于资源少的植物药材，在研究的开始阶段，就要考虑到如何解决资源缺乏的问题。,文献调研 当确定了要研究的对象后，有关该植物本身的研究；相关近缘植物的研究等都可以通过文献的调研得到解决，通过文献的调研，可以了解该植物中或其近缘植物中所含有的化合物类别，研究方法，为接下来的研究提供研究思路和启示。,二、植物化学成分预试,预试就是利用各类化学成分的溶解特征、化学反应特征来初步判断某类化学成分有无的预备性试验。植物中化学成分复杂，

28、类型繁多，在研究植物有效成分时，无论是重复文献方法制备已知成分或是探索未知成分，在提取分离之前都应对样品中所含成分及特性，存在状态及数量有初步的或者尽可能全面的了解，然后根据所含成分的性质设计化合物提取与分离的具体方法。预试验的结果可以帮助我们选择和建立合理的检查方法，作为提取过程中对特定成分的追踪和向导。,化学成分的预试方法有两类:,一类为单项预试法，即根据工作的需要有重点地从某植物中检查某一类成分。如水蒸气蒸馏法直接检查挥发油类成分；用微量升华法检查葸醌类升华成分；利用强心苷的特征反应和动物实验检查植物中强心苷的存在；利用皂苷的发泡性和溶血性能检查皂苷的存在。,另一类方法为系统预试，系统预

29、试的目的在于尽可能详尽而全面的检查植物中存在的成分。,三、化学成分的分离,1部位分离 即利用极性由小到大的各种有机溶剂连续提取，将化学成分分为极性不同的各个部位。,部位分离法有许多种，如Dragendoff提出的石油醚、乙醚、氯仿、乙醇、水、酸性水、碱性水七部位法。刈米达夫提出的石油醚、苯、醋酸乙酯、乙醇四部位法，Stahl提出的石油醚、氯仿、乙醚、丙酮、甲醇的五部位法。这些方法各有特点，但基本原理都是利用极性不同的有机溶剂依次提取药材并分成不同极性的部位。由于使用的溶剂系统不同，分离的部位也有多有少。,近年来，部位分离更多地采用石油醚(或苯)-氯仿(或乙醚)-醋酸乙酯-正丁醇-水的五部位法。

30、在需要重点研究某一极性部位时，可以略去某些提取阶段，以减少分离的部位。,2组分的分离和单体分离,组分分离是在部位分离的基础上，根据组分的化学性质和物理性质的不同，再细分为性质相近的组分，以减少组分间的相互干扰，为组分的单体分离创造条件。组分分离的方法很灵活，而且常与组分的分离紧密结合。利用色谱方法结合溶剂结晶法进行组分的分离仍然是基本的手段。随着各种新型吸附试剂、凝胶、树脂等材料的不断出现，不同类型化合物的分离变得越来越容易。,(1)极性小的部位的分组和单体分离：极性小的组分包括强亲脂性和亲脂性两个部位，一般有几种分离方法，如将此部位分为酸性、酚性和中性三个部位；将此部位用碱进行皂化处理，分成皂化组分(极性小的脂肪酸酯等)和不皂化组分后再进行分离；直接利用柱色谱进行分离(最常用正相吸附色谱)，且常需要进行反复柱色谱。,(2)极性大的部位的分组和单离：在水溶液中不能为正丁醇提取的部位为极性大的部位。主要是单糖、氨基酸、多肽、无机盐和极性很大的苷类，分离这些组分可利用活性炭柱色谱法。先用水洗出活性炭柱上的无机盐和单糖，用5乙醇洗脱双糖，用10以上的乙醇洗脱苷类和多糖也可用离子交换树脂法来分离含有阳离子、阴离子和非离子型组分。凝胶滤过、大孔吸附树脂色谱在大极性化合则常常采用。,