生物新技术在天然药物研究中的应用

第24卷第3期总81期北京联合大学学报（自然科学版）

JournalofBeijingUnionUniversity（NaturalSciences）Sep.2010

Vol.24No.3SumNo.81

生物新技术在天然药物研究中的应用

王书敬

（山东中医药大学药学院，济南250355）

［摘要］综述了高通量筛选、高内涵筛选、动态组合化学、天然组合化学、基因组学、蛋白质组学、代谢物组学、药物基因组学、生物色谱法和生物芯片技术等生物新技术在天然药物研究中的应用。［关键词］生物技术；天然药物；高通量筛选；高内涵筛选；组合化学；基因组学［［［0310（2010）03-0029-04中图分类号］R914文献标志码］A文章编号］1005-

NewBiologicalTechnologyApplicationin

NaturalMedicalResearch

WANGShu-jing

（SchoolofPharmaceuticalSciences，ShandongUniversityofTraditionalChineseMedicine，Jinan250355）

Abstract：Newbiotechnologiessuchashigh-throughputscreening（HTS），highcontentscreening（HCS），dynam-iccombinatorialchemistry（DCC），naturalcombinatorialchemistry（NCC），genomics，proteomics，metabolo-mics，pharmacogenomics，bio-chromatographyandbiochiptechnologyinnaturalmedicalresearchareintroduced.Keywords：biotechnology；naturalmedicine；highthroughputscreening；highcontentscreening；combinatorialchemistry；genomics

天然产物是创新药物的摇篮，许多药物都是从

有的天然产物直接可以作为药天然产物中得来的，

物使用，有的经过化学修饰就可以变成有很好疗效的药物。传统的药物研究通常是从天然产物中发

现有活性的先导化合物，进一步研究构效关系，发现高效低毒的药物。随着生物技术的革新，近十年来天然药物化学研究的新理论、新方法、新思路发展迅速。

在生物技术应用中，高通量药物筛选能极大缩短化合物筛选时间，扩大筛选范围，提供药物在细胞分子水平作用的信息；高内涵筛选则在单一实验中获取大量相关信息，确定其生物活性和潜在毒

蛋白质组学和代谢物组学等从基因、性；基因组学、

蛋白质或代谢物的水平上提供病理相关信息，获得

更多的治疗信息；组合化学以合成和筛选化合物库的形式寻找和优化先导化合物，加快了发现药物先

［收稿日期］2010－05－08

［作者简介］王书敬（1986—），女，山东荷泽人，山东中医药大学药学院药学专业学生。

生物色谱法以导化合物的速度；量子点荧光技术、

及生物芯片技术也得到了迅速发展；计算机辅助药物设计是在研究生物大分子结构的基础上，利用计算机技术来发现并获得有潜在活性的化合物。

1高通量筛选和高内涵筛选

高通量筛选是指以分子水平和细胞水平的实

验方法为基础，以微板形式作为实验工具载体，以自动化操作系统执行试验过程，以灵敏快速的检测以计算机对实验数据进行仪器采集实验结果数据，分析处理，同一时间对数以千万样品检测，并以相应的数据库支持整体系统运转的技术体系

［1-2］

。

高内涵筛选是指在保持细胞结构和功能完整性的前提下，同时检测被筛样品对细胞形态、生长、分化、迁移、凋亡、代谢途径及信号传导各个环节的影响，在单一实验中获取大量相关信息，确定其生

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北京联合大学学报（自然科学版）2010年9月

物活性和潜在毒性。从技术层面而言，是一种应用高分辨率的荧光数码影像系统，在细胞水平上实现检测指标的多元化和功能化的筛选技术，在早期阶段获得被筛样品对细胞产生的立体和实时快速的生物效应信息

［3］

。

高通量筛选对特定靶点进行单指标检测，无法

对生物活性进行综合评价，高内涵筛选则通过多靶点、多指标全面评价化合物的生物活性。天然药物特别是中药的有效成分具有多效性、复杂性、双向调节性等特点，作用方式上又具有多成分、多环节、多靶点的特性，因此高通量和高内涵筛选技术的应用，

可充分发挥在细胞水平和分子水平上对多成分同时检测，发挥多指标同时检测的独特优势，显著地降低药物筛选的工作强度、实验成本和样品需要量，

提高天然药物样品的利用度［4］

。这些技术对于

提高发现先导化合物的速率，显著地缩短早期药物

的发现过程，

缩短整个药物筛选的周期，对提高药物后期开发的成功率具有重要的意义

［5］

。

2组合化学

组合化学是将化学合成、组合理论、计算机辅

助设计等技术结合为一体，

能同时产生许多结构相关但有序变化的化合物，然后用高度灵敏的生物学方法对这些化合物同时进行筛选，从中确定具有生

物活性的物质，

再经结构测定，找到全新的先导化合物。它打破了逐一合成、逐一筛选的模式，以合

成和筛选化合物库的形式寻找和优化先导化合物，从而大大加快了发现药物先导化合物的速度。在多肽分子库的建立上尤其成功。研究分为3个阶段：分子多样性化合物库的合成；进行活性检测；活性分子的结构测定

［6］

。

动态组合化学是利用可逆反应构建动态组合

物库，在组合库中加入靶标分子，使组合库的构建单元和靶标分子发生识别作用，在动态库中诱导组

装出与靶标分子具有最好结合效果的产物，并加以富集。动态组合化学把合成、筛选、分离很好地结

合在一个步骤中，

是一种寻找先导化合物的好方法。与传统组合化学方法的区别在于：在动态组合

化学库中连接构建单元的化学键为可逆共价键，各构建单元利用可逆共价反应相互转换，在外加靶标分子的诱导驱动作用下，能够与靶标分子形成强相互作用的化合物不断富集，化学平衡向生成该优势化合物的方向移动，其他非优势化合物的量不断减少，最终达到筛选与靶标存在强相互作用的优势化

合物的目的

［7-8］

。

天然组合化学是将高通量筛选、组合化学等的

思想和方法与天然药物的活性成分筛选相结合，最大限度地扩大筛选化合物的类型和数量以及不断

产生结构各异的新化合物，

称为“天然组合化学”。天然组合化学的运用有助于发现天然药物特别是

中药复方有效部位的药理作用，直接作为药物进行开发

［9］

。传统的研究方法是将分离得到的化合物

在测定结构后，再进行活性筛选，而进行有效部位的药理学研究和生物活性筛选指导分离活性化合

物，可以追踪那些含量甚微、又难于分离的活性成分，提高活性化合物的发现率，为天然药物中先导化合物的发现开辟新途径

［10］

。

3

基因组学、蛋白质组学和代谢物组

学

基因组学是研究生物基因组的组成，组内各基

因的精确结构、相互关系及表达的科学。基因组学能为一些疾病提供新的诊断、治疗方法。通过对基因组的测试，

获得更多的治疗信息能，用来评估病人的个体危险率，

并进行个性化医疗［11］

。蛋白质组学以全面的蛋白质研究为基础，在蛋

白质水平对疾病机理、细胞模式、功能联系等方面进行研究。蛋白质组是由一个细胞或一个组织的基因组所表达的全部相应的蛋白质，蛋白质组研究中的关键技术—

——双向凝胶电泳是利用不同蛋白质的物理、

化学性质的差异，把复杂蛋白混合物中的蛋白质在二维平面上展开。在应用研究方面，

通过对正常个体及病理个体间的蛋白质组比较分析，找到某些“疾病特异性的蛋白质分子”，因此蛋白质组学将成为寻找疾病分子标记和药物靶标最有效的方法之一

［12］

。

代谢物组学是与基因组学、蛋白质组学等并列

的学科，

以生物体液（主要是血样、尿样等）为研究对象，也可采用完整的组织样品、组织提取液和细胞培养液，

运用核磁共振等分析技术，测定细胞和体液中内源性或外源性代谢物的经时变化，评价细

胞功能和生物体的病理生理状态，从而探明生物体系代谢途径的一种研究方法

［13］

。

药物基因组学不同于一般的基因学研究。遗

传多态性是药物基因组学的基础，这些多态性的存在可能导致许多中药治疗中的药效和不良反应的个体差异。药物基因组学从基因水平揭示这些差异的遗传特征，鉴别基因序列中的差异，在基因水

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平研究药效的差异，并以药物效应及安全性为目标，研究各种基因突变与天然药物的药效及安全性

之间的关系［14］

。药物基因组学不是以发现新的基因、探明疾病的发生机制、预见发病风险及诊断疾

病为目的，

而是从已知基因对药物效应的影响，确定天然药物作用的靶点，研究从表型到基因型的药物反应的个体多样性

［15］

。基因组学和蛋白质组学等新技术为天然药物作用靶位或受体的发现和鉴别提供了新的手段，但从整体观念来看，代谢物组学反映代谢网络中多个生物化学途径的化合物成分和含量的经时变化，能发现具有疗效的生物化学物质，这与天然药物尤其是中药作用的整体观念一致，可以解决中药中难以认识的整体效应，从而认识药物作用的物质基础。在中药现代化研究中，代谢物组学更容易发现药物

作用的生物化学物质基础和作用机制［16］

。例如，利用代谢物组学研究磷酸二酯酶IV抑制剂CI－

1018形成的血管损伤和炎症反应的关系中，发现该化合物引起的尿代谢物图谱改变是血管损伤造成

的，而与炎症反应无关［17］

。

4生物相关技术

生物色谱法是由生命科学与色谱分离技术形成的交叉技术，它将活性生物大分子、活性细胞膜、活细胞固着在色谱载体上，作为一种生物活性填料，用于液相色谱法，形成一种能够模仿药物与生物大分子、靶体或细胞相互作用的色谱系统，这样就能用色谱中的各种技术参数定量表征生物大分子、靶体间相互作用，揭示药物的吸收、分布、活性、构效关系、生物转化、代谢等机理，是化学成分—效应—作用机理联动的一种药物研究方法，尤其适合于天然药物效应物质基础的研究

［18］

。

对于中药等成分复杂的研究对象，生物色谱法

由于固定相能够特异性、选择性地与活性成分结合，排除大量非作用杂质成分的干扰，而且可以将中药的提取液直接进样，分析速度快，是研究中药等复杂对象的有效手段，已成功应用于中药活性成

分的筛选、药物作用机理的研究［19］

。例如，采用固定在生物色谱柱上的红细胞，对当归的活性成分进

行分离［20］

。

生物芯片技术是通过微加工工艺在厘米见方的芯片上集成有成千上万个与生命相关的信息分子，将生命科学与医学中的不连续的各种生物化学

反应过程在硅芯片或玻璃芯片表面进行集成，

从而实现对基因、配体、抗原等生物活性物质进行高效快捷的测试和分析。该技术一次能检测大量的化合物，从而实现了快速、高效、大规模、高通量、高度并行性的技术要求，

并且具有高度的特异性、敏感性和可重复性。其主要类型包括基因芯片、蛋白芯片、组织芯片和芯片实验室等

［21-22］

。

天然产物中由于其成分的复杂性及多种成分间可能存在的协同作用，因此有效成分的分析、鉴定和筛选是天然药物开发中的一个难题。生物芯片技术应用在天然药物活性成分的筛选中，可以减少大量的动物实验，成本大大降低，并加快药物筛选、靶基因鉴别和新药测试的速度。目前生物芯片技术在天然药物研究领域中的应用主要有天然药

物活性成分筛选，

在抗癌、抗衰老及治疗糖尿病药物等方面的靶点发现与药物作用机制、中药毒理、

中药品种鉴别以及在海洋生物领域等方面［23］

。中文大学Lee等［24］

利用生物芯片技术研究白芍

根的抗肝癌作用，

发现白芍根水提液可以抑制肝癌细胞系HepG2和Hep3B的基因表达，

Carles等［25］利用生物芯片对几种有毒的中药进行鉴别分析。

5总结

天然产物在药物发现中的独特作用近年来重

新引起人们的重视。对来自化学组合库、天然产物和上市药物的化合物进行分析比较，以评价它们在

统计学上的化合物空间占据的状况。统计学研究表明，组合化合物覆盖的空间比天然产物要小得多，组合化合物占据的空间只是天然产物占据空间的一部分。因此，单纯地利用组合化学来合成小分子候选药物等新技术补充药物开发的途径，并不象预想的那样顺利。药物与天然产物分布的相似性更大，模仿天然产物分布性质的组合库在生物学上可能更为接近

［26］

。

在天然药物研究中，随着分离技术的进步和结

构测定速度与灵敏度的提高，发现天然产物药物的实际困难正在被逐渐克服，应用天然产物作为药物先导化合物来源的成功实例不断出现。在药物研究中，充分吸收和利用高内涵筛选、天然组合化学、代谢物组学、生物色谱法和生物芯片等各种生物新技术，不断地发展天然产物药物研究的理论和方

法，提高药物发现的成功率［27］

。

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北京联合大学学报（自然科学版）2010年9月

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