取之于草用之于药植物中提取的药用天然产物

科技导报2015，33（20）取之于草取之于草用之于药用之于药———植物中提取的药用天然产物—植物中提取的药用天然产物田恬《科技导报》编辑部，北京100081摘要摘要中国科学家屠呦呦因发现青蒿素而获得2015年度诺贝尔生理学或医学奖。青蒿素作为药品，是一种典型的从植物中提取的成分单一、结构明确的天然产物。人类使用植物治疗疾病的历史非常悠久，天然产物已成为发现治疗重大疾病的药物或重要先导化合物的主要源泉。综述了历史上和近年来从天然植物中提取并发展而来的一些药物，并对植物资源的利用进行了展望。关键词关键词天然产物；奎宁；黄连素；紫杉醇2015年10月，中国科学家屠呦呦获得2015年度诺贝尔生理学或医学奖，理由是“发现一种治疗疟疾的新方法”。而屠呦呦发现的抗疟功臣则是——青蒿素。青蒿素作为药品，是一种典型的从植物中提取的成分单一、结构明确的天然产物。天然产物通常指生物在进化过程中合成的多种次生代谢产物（通常指天然有机化合物）。天然产物的分子通常具有非常新颖的化学结构。而天然产物也无处不在，人类使用的草药也是因为其中的各种化学成分起作用，天然产物已成为发现、治疗重大疾病的药物或重要先导化合物的主要源泉[1]。人类使用植物治疗疾病的历史非常悠久，人类的祖先通过日积月累的经验，能够识别出一些天然植物对人体和动物的作用。但植物作为有机体，其成分非常复杂，相互之间作用也不同。随着人们发展出分析手段和化学理论，人们考虑到通过分离植物中的单一物质，也许对疾病的治疗会产生更大的收获。早在明代，《医学入门》中就记载了用发酵法从五倍子中得到没食子酸的过程，这是世界上最早从天然产物中分离得到的有机酸；《本草纲目》中详细记载了用升华法制备、纯化樟脑的过程。而1806年，Sertürner从罂粟中首次分离出单体化合物吗啡，也开创了从天然产物中寻找活性成分的先河，这一伟大功绩不仅是人类开始将纯单体天然化合物用作药物的一个标志，也意味着现代意义上的天然产物化学初级阶段开始形成[2]。制药工业发展至今，为市场化一个名副其实的药物，需要进行严格的论证和试验，提供充足的依据。但这并不妨碍其中许多药物的灵感都来源于大自然，甚至来源于人类祖先那些久经风霜的经验。不同的是，现在的人们有着更先进的仪器设备，有更多的专业化人员，也有更系统的组织方式，相应地，也对新药的研发提出了更高的要求。本文列举了历史上和近年来从天然植物中提取并发展而来的一些药物，希望在总结前人工作的基础上，对植物资源的利用提出展望。1奎宁奎宁（quinine）是非常著名的天然药物，曾经挽救了无数人的生命，甚至被认为影响了人类的发展进程和天然产物全合成进程的重大发现。而对疟疾的治疗在科学史上也留下了非常重要的记录，早在1902年，罗纳德·罗斯（RonaldRoss）因发现疟疾的传播机理而获得了诺贝尔生理学或医学奖[3]。有关奎宁发现的流传说法不一，大多认为可以追溯到17世纪，最早由印第安人使用金鸡纳树皮用来治疗寒热，时任西班牙驻秘鲁总督伯爵的夫人患上疟疾，服用金鸡纳树皮制成的土著药物而得到治愈，随后传入欧洲。在那时，人们首先将树皮晒干，再研磨成细粉，随后与液体（通常为酒）混合以供服用。直到1820年，法国研究人员佩雷蒂尔（PierreJosephPelletier）和卡文顿（JosephBienaiméCaventou）才从金鸡纳树皮中提取出奎宁。“金鸡纳（cincho⁃na）”正是欧洲人以伯爵夫人的名字命名的，而“奎宁”之名来源于印第安语quina或quina-quina，意为“神圣的树皮”（图1）。奎宁的化学结构十分复杂，1944年，Woodward等首次完成了奎宁的全合成[4]，而他们在该方法中首次提出的立体选择性反应并在合成中的应用，为日后人们在化工、医药等一系列产业中高效、精准地合成复杂有机分子奠定了基础，被认为开创和引导了有机合成化学理论和实际应用的里程碑式的飞跃发展。但是，奎宁最为经济的方法仍是从金鸡纳树皮中进行提取。现代较为常规的分离方法是研细的金鸡纳树皮与生石灰混合，用加热的高沸点石蜡油提46屠呦呦荣获诺贝尔奖特刊（a）取，随后用稀酸使奎宁结晶出来[5]。第二次世界大战期间，美国Ster⁃lingWinthrop公司以奎宁为先导化合物，合成了衍生物氯喹用于亚热带地区和国家作战的军队，挽救了众多士兵的生命。氯喹解决了抗疟药物的来源和成本等问题，奎宁主要作用于寄生虫生命周期中的红内期，能通过多种途径杀灭各种疟原虫红内期裂殖体，有效控制症状[6]。1957年，哥伦比亚和泰国相继发现耐受氯喹的恶性疟原虫，并且因为越南战争的爆发，耐药性疟原虫已成燎原之势。加之奎宁类药物的过量使用或个体特异质可导致中毒，引发低血糖或休克，因此用药期间常常需要监测血糖水平和电解质浓度等参数。卷入越南战争的美国、中国，纷纷开始寻求对付耐药性疟原虫的特效药物，也是在这种集中的挖掘之下发现了如今使用的青蒿素类抗疟药物，奎宁类药物逐渐在疟疾治疗中退居二线。2阿托品阿托品（atropine）又称莨菪碱，广泛存在于颠茄、天仙子、曼陀罗及莨菪等茄科植物中，它能竞争性阻断M胆碱受体，对腺体、眼、平滑肌、心脏、中枢等有兴奋作用，用于内脏绞痛、麻醉前给药、虹膜睫状体炎、抗休克及有机磷酸酯类农药中毒的解救等，目前常用的是其盐类衍生物，硫酸阿托品[7]。在发现含有阿托品的茄科植物的同时，人们就已经开发出这类草药形形色色的用途。欧洲人记述曼陀罗可用于治疗受伤、痛风、失眠，还可作为催情药。随后，欧洲人经常结合使用茄科植物和鸦片作为术前麻醉剂。文艺复兴时期，女演员使用颠茄汁来放大她们的瞳孔，以增强艺术效果，因为当时将女人瞳孔大视为美丽。直到1833年，人们首次分离出了这些茄科植物中的活性成分阿托品，1901年Willstätter首先确定了它的化学结构[8]（图2）。20世纪70年代，中国的阿托品生产一直是从植物颠茄中提取，但是产量低、成本高，为了改变这一困难处境，研究人员开始探索全合成阿托品的路线，从呋喃出发，通过电解、氢化、水解、缩合、再氢化得到中间产物托品醇，随后通过成盐、酯化、水解得到阿托品，再通过一步成盐反应，得到硫酸阿托品[9]，也是直到现在都最为常见的阿托品类药物。但是作为一种M胆碱受体阻断剂，由于其为毒性药品，药理作用较窄，安全范围较小，从而限制其临床应用，但是经过研究人员的不断开发，目前的阿托品类药物已经有了多种剂型，包括有片剂、注射剂、滴眼剂、眼膏剂、膜剂、胶浆剂、凝胶剂、滴鼻剂等。多种剂型的改造使得这一类化合物在迅速起效、减轻副作用、延长药效、使用方便等方面取得一定进展。目前，片剂在临床上最常用于解除或缓解内脏绞痛，包括胃肠痉挛、肾绞痛、胆绞痛等，舌下给药具有方便、经济、安全的特点，可以代替目前临床上常用的肌肉注射、静脉注射的用药途径；滴眼剂主要是用于解除眼调节肌的调节痉挛（首选药物），预防青少年近视的有效方法之一；复方阿托品滴鼻剂可以改善鼻黏膜微循环，减轻鼻塞及改善局部营养[10]。3黄连素黄连素作为一种植物源活性物质，在医药上被应用于治疗多种疾病。黄图1奎宁结构式（a）及金鸡纳树（b）（a）（b）图2阿托品结构式图3常用活性成分盐酸小檗碱结构式（a）及中药黄连（b）（b）47科技导报2015，33（20）连素又称小檗碱，广泛存在于三颗针、伏牛花、黄柏、南天竹等植物中，尤以黄连和黄柏中的含量为高。而黄连作为中国的特产药材之一，早在《神农本草经》一书中便有收录，“味苦寒。主热气，目痛，眦伤，泣出，明目，肠澼，腹痛，下利，妇人阴中肿痛。久服，令人不忘。”长期以来，中国人将其用来抗菌、消炎、止泻等（图3）。虽然中国人对其有着很长时间的应用，但是关于黄连素的提取却是由1826年夏瓦利埃和佩尔坦首次提取得到的。而由于黄连、黄柏中的黄连素含量较高，目前的提纯黄连素都是从这两种植物中进行。从黄连中提取黄连素，只要采用适当的溶剂（乙醇、水、硫酸等），通过连续抽提、浓缩再酸化就可以得到相应的盐类，其粗产品可以采用重结晶等方法进一步提纯。近年来，中外的研究人员都对黄连素掀起了浓厚的兴趣，已经把它和许多疾病联系起来，包括糖尿病、心脏病、癌症、精神疾病、消化道疾病甚至是艾滋病。研究表明，黄连素对真菌、白色念珠菌、酵母菌、寄生虫和细菌或病毒感染具有一定的活性[11]，黄连素通过抑制微生物的糖代谢，使丙酮酸的氧化过程受到强烈抑制，而产生抗菌活性，黄连素也是一些滴眼液的成分之一，有证据表明它对沙眼有治疗作用；黄连素在心脑血管疾病方面也有着一定的应用，包括抗心律失常作用、抗心力衰竭、抗高血压、保护脑血管等；在血液系统方面，黄连素可以抗血小板聚集，对钙、钾离子通道进行调节作用，而对离子通道的调节可能与其治疗腹泻、抗心律失常和抑制肿瘤细胞增生的机理有关[12]。目前，黄连素在中国的使用普遍是复方小檗碱成方与其他中药材的组方，仍然属于中药的范畴。虽然黄连素已经逐渐引起了研究人员的兴趣，但由于尚不确切了解作用机理，并且缺乏系统性的科学证据，将其作为现代药物在世界上并不十分认可。有学者认为，黄连素可以抑制促炎性细胞因子，增加一种在多个方面都十分关键的蛋白——脂联素的表达，可能在一定程度上解释了它的多种效用。这是一个良好的开端，但还必须进行更为彻底和深入的研究。4筒箭毒碱筒箭毒碱（tubocurarine）是从南美洲防己科植物的皮中获得的一种生物碱。南美土著最早将数种植物制成的浸膏，涂于箭头，使中箭动物四肢麻痹不能动弹。因用竹筒装，故称筒箭毒，有趣的是，虽然这些动物的肉受到箭毒浸染，但土著居民吃下去却没有任何影响。原因是筒箭毒碱不能轻易跨越黏膜，不会被人体的消化道吸收。因此，要将筒箭毒碱对动物的麻醉作用移植到人体身上，只能通过胃肠外给药（肌肉注射或静脉注射）。之后，许多人曾私下使用筒箭毒碱，但缺乏统一的规范。药用筒箭毒碱系植物的流浸膏提取的生物碱，其右旋体具有活性，左旋体活性很低。1942年，格里菲斯和约翰逊在蒙特利尔顺势疗法医院正式引入筒箭毒碱作为辅助麻醉剂。随后筒箭毒碱标准化地纳入复合麻醉（复合麻醉是指同时或先后应用两种以上麻醉药物或其他辅助药物，以达到完善的手术中和术后镇痛及满意的外科手术条件）的临床实践中，称为“利物浦技术（Liverpooltechnology）”[13]，在20世纪50和60年代成为英格兰的标准麻醉技术。今天的麻醉技术尽管已经纳入了更新更安全的麻醉剂，但复合麻醉的核心原则一直沿用下来。筒箭毒碱作为一种神经肌肉阻断剂，为非除极化型肌松药，又称竞争型肌松药（competitivemuscularrelax⁃ants），此类药物与运动神经终板膜上的N2胆碱受体结合，能竞争性地阻断ACh的除极化作用，使骨骼肌松弛。筒箭毒碱曾广泛用于手术中的辅助麻醉，医用最常见为氯化筒箭毒碱。随着人们开发出更安全的麻醉剂，目前使用渐少。但它在人类麻醉发展史中占有重要的地位。5罂粟碱罂粟碱提取于罂粟（Papaversom⁃niferum），罂粟是鸦片和罂粟籽的来源，而鸦片中含有诸多活性成分，如吗啡、蒂巴因、可待因、罂粟碱和那可丁（图4）。人们早期用鸦片来治疗哮喘、胃病和视力不良。罂粟碱早在1848年由GeorgMerck发现[14]。GeorgMerck当时是著名化学家李比希（JustusvonLi⁃ebig）和霍夫曼（AugustHofmann）的学生，同时也是EmanuelMerck之子。而EmanuelMerck正是大型化工和制药企业默克（Merck）的创始人。可见天然提取物和制药工业早就联系在了一起。罂粟碱的首次化学合成由Pictet等[15]在1901年完成。以邻苯二甲酸和3-甲氧基-4-羟基苯甲醛作为起始化合物，通过缩合、氢化、环化反应，可以得到目标产物罂粟碱。图4罂粟果实（a）和盐酸罂粟碱（b）（a）（b）48屠呦呦荣获诺贝尔奖特刊罂粟碱作为一种阿片类生物碱，是非特异性的平滑肌松弛药，在内科、外科乃至皮肤科等诸多领域被广泛使用。它具有抗血管痉挛