第三节　天然药物化学的发展历史及研究进展

一、天然药物化学的发展历史

在远古时代，当人类与大自然抗争，有了身体上的“痛苦”即所谓“疾病”时，就开始从自然界中寻找被称为“药”的物质来缓解痛苦，由此最原始的“天然药物”就被代代相传下来。这些药物包括来自植物的人参、大黄、当归；来自动物的鹿茸、蟾酥、五灵脂；来自矿物的朱砂、雄黄、自然铜等。天然药物之所以能防病治病，其物质基础在于其中所含的具有活性的化学成分。从天然药物中发现和分离具有活性的化学成分，便是天然药物化学形成初期的特点。我国明代李梴所著的《医学入门》（1575年）就记载了用发酵法从五倍子中得到没食子酸的过程。书中提到：“五倍子粗粉，并矾、曲和匀，如作酒曲样，入瓷器遮不见风，侯生白取出。”据国外文献记载，约200年后的1769年，瑞典药师、化学家舍勒（K.W.Sheller，1742—1786）才将酒石转化为钙盐，再用硫酸制得酒石酸，成为从天然药物中分离有机化合物的开始。

从天然药物中提取活性成分始于19世纪，第一个天然活性成分是1805年由德国药师塞图尔（Sertürner）从阿片中提取的吗啡，不仅是人类开始利用纯单体化合物作为药物的标志，也是天然药物化学研究初级阶段开始形成的标志。从此开始了从天然药物中寻找活性成分的新阶段。人们从天然药物中相继发现了大量的活性成分，如士的宁碱（1818年）、咖啡因（1820年）、奎宁（1820年）、尼古丁（1828年）、阿托品（1831年）、乌头碱（1833年）。但是，由于受到当时分离技术和结构鉴定技术的限制，天然药物化学方面的研究进展相当缓慢，集中表现在酸性或碱性等易于处理的成分的研究上。发现的活性成分中以生物碱居多，都具有显著的生物活性，仍是目前常用药物。生物碱的研究是天然药物化学发展的开端，各阶段发现新生物碱的数量为：19世纪中期至20世纪中期有950种，1952～1962年有1107种，1962～1972年有3443种，目前总数有一万多种。到20世纪90年代，约80%的药物都与天然产物有关。有的直接来源于天然产物，有的通过对天然产物进行结构修饰，有的受天然产物结构的启发而设计路线进行人工合成。

天然药物化学发展的第二个阶段，以色谱技术用于天然化合物的分离、纯化为标志。1906年俄国植物学家茨维特（Tswett）使用碳酸钙为吸附剂、石油醚为洗脱剂，通过柱色谱技术研究植物叶的化学成分，得到3种颜色的6个色带，并首次提出了“色谱”的概念。在这一方法中，把玻璃管叫做“色谱柱”，碳酸钙叫做“固定相”，纯净的石油醚叫做“流动相”。茨维特开创的方法被称为液-固色谱法。但是，在茨维特提出色谱概念后的20多年里却没有人关注这一伟大的发明。直到1931年德国的Kuhn和Lederer再现了茨维特的某些实验，用氧化铝和碳酸钙分离了α-胡萝卜素、β-胡萝卜素和γ-胡萝卜素，从此色谱技术开始得到重视。1940年提出了液-液色谱法，1941年提出用气体代替液体作流动相的可能。1944年Consden等发展了纸色谱，1949年Mecllean等在氧化铝中加入淀粉黏合剂制作薄层板，使薄层色谱法（TLC）得以实际应用，而在1956年Stahl开发出薄层色谱板涂布器之后，才使TLC得到广泛的应用。之后，毛细管柱气相色谱于1957年问世，树立了现代色谱技术的第一个里程碑。20世纪60年代末出现高效液相色谱法（HPLC），80年代初出现超临界流体色谱法（SFC），90年代出现毛细管区带电泳法（CZE）。色谱技术在21世纪的今天也在不断发展进步，为天然药物化学研究继续建功立业。

天然药物化学发展的第三个阶段，为波谱分析技术广泛应用于天然药物化学成分结构研究的阶段。20世纪初质谱仪诞生，质谱仪对于测定天然化合物的分子量和分子组成表现出了明显的优势和不可替代性。20世纪30年代，紫外光谱仪的诞生，在天然药物结构分析中的作用是提供天然有机化合物的共轭体系的大小和与共轭体系有关的骨架，阐明共轭体系中取代基的位置、种类和数目。20世纪40年代，世界上第一台红外光谱仪诞生于Perkin-Elmer公司，并于50年代初开始应用于天然化合物的结构研究，开创了现代谱学技术应用于天然化合物结构研究的先河。从1953年出现第一台30MHz连续波核磁共振波谱仪（CW-NMR）到20世纪70年代初推出的脉冲傅里叶变换核磁共振波谱仪（PFT-NMR），NMR经历了30MHz、60MHz、100MHz、200MHz、400MHz、600MHz及950MHz的发展过程，今天已在天然药物化学领域广泛应用。由于NMR能够提供有关化学结构及分子动力学的信息，所以已成为分子结构解析的一个有力工具，尤其是现在用多核、多维NMR方法来确定蛋白质、多糖、核酸等的三维空间构象。由于NMR技术在天然产物化学成分结构解析上的应用，使天然药物化学结构研究手段发生了革命性变化。目前，几乎没有一种新的天然化合物的结构确定不是由NMR来完成的。

目前，气相色谱-傅里叶变换红外光谱联用技术（GC-FTIR）、气相色谱-质谱联用技术（GC-MS）、高效液相色谱-傅里叶变换红外光谱联用技术（HPLC-FTIR）、高效液相色谱-质谱/质谱联用技术（HPLC-MS/MS）、高效毛细管电泳与电喷雾电离质谱的在线耦合、高效液相色谱-核磁共振波谱联用技术（HPLC-NMR）等已在天然药物化学研究中有了不同程度的应用。1980～1989年，从天然药物研究中发现新的化合物已有800多种。随着科学技术的不断进步，天然药物化学也不断地加快发展起来，从2000年以来，每年研究发现新化合物1000多种。发现的新化合物数目繁多，应用范围也逐渐扩大，且不再以治疗疾病为主。

二、天然药物化学的研究进展

天然成分的提取、分离、结构鉴定及药理作用的研究在中药化学研究中占较大比重。其中，既有在传统中药原有药用功能的基础上进行活性成分提取、分离的研究工作，也有在主要活性成分已清楚的传统中药中，发现新的活性成分并进行提取、分离的研究工作。对上述两类工作中得到的化合物单体进行结构鉴定，并选用适当的药理模型开展进一步试验，进行活性评价及作用机理探讨，寻找作用靶点。将药物结构和作用机理有机地结合起来，以阐明其活性，为新药研发奠定基础。此外，植物化学成分的研究在天然药物活性成分研究中也占较大比例，包括道地药材化学成分的提取分离、结构鉴定，以搞清其含有的成分类型；活性化合物的合成旨在探索含量极微而生物活性强、疗效好的化合物的合成或半合成方法，以解决天然动植物资源有限、供需不足的矛盾。

一种先进技术方法的突破，往往可以极大地推进相关学科的发展。寻找简单易行、选择性强、可定向分离目标化合物的方法，是天然药物研究的重要内容之一。天然药物的一般研究路线为：提取—粗分离（不同极性的几个部分）—药理筛选—分离活性部位（或单体）—结构鉴定—构效关系研究/药理作用（机理）研究。具体项目由于研究目的不同，对此过程会有所取舍。随着科学技术的发展，在这一过程中除了使用植物化学研究常用的提取分离技术和结构鉴定技术外，许多新的、精密准确的分离方法不断地发明和发展起来，质谱和核磁新技术近年也有较大发展。这些方法和技术的研究，使得许多结构复杂的微量成分也可获得纯品并确定其化学结构，这极大地丰富了天然药物的来源。

时至今日，以植物药物为主的天然产物仍然在包括我国在内的许多国家与地区为疾病防治和健康保健起着重要作用。天然产物同时还孕育了近代医药，是新药研发重要的物质基础。天然产物还以其复杂新颖的化学结构为有机和药物化学家提供了极佳的研究内容。生物活性的天然产物经常作为“先导化合物”而进入创新药物研究领域，并发挥着独特的作用，与组合化学平分秋色。

紫杉醇（taxol）已于1992年底被美国FDA批准作为抗晚期癌症的新药上市，对从植物中提取鉴定的活性先导化合物进行结构改造、优化和半合成研究，得到一系列的紫杉醇衍生物，进而进行临床实验，这样就有可能在将来发现更强活性的紫杉醇衍生物，并同时解决天然产物原料受限的障碍，这在天然产物结构改造和半（全）合成方面具有广泛的应用前景。

利用细胞和组织培养技术将植物的分生组织进行离体培养和植物的无性繁殖，从生物反应器中培养植物生产某类化合物；利用代谢产物的发酵和转化器官的扩增研究生产活性成分；利用基因工程研究找出形成植物活性成分的“关键酶”，再选择合适的载体、受体的适当部位和适当发育时期予以表达以提高某类成分含量；利用转基因生物（如转基因大肠杆菌、酵母菌等）作为反应器以生产外源基因编码的产物；利用生物转化技术对一些天然先导化合物的结构进行修饰，得到不依赖自然资源的目标或前体化合物。

这是天然药物研究的又一重点内容，主要有天然药物单体化合物的构效关系研究，以及把构效关系研究与生物活性成分研究结合起来的研究工作。其目的在于以活性成分为先导物，合成一系列同类化合物，用适当的药理模型筛选以期得到高效低毒的新药；或者根据构效关系研究的结果，利用计算机分子模拟与辅助设计的方法设计高活性分子，利用X射线衍射研究分子的立体结构参数，发现化合物基团的改变对化合物立体构象、物理化学性质、分子内张力以及生物活性的影响。此外，构效关系的研究中还包括应用计算机分子图形学及计算化学进行综合性研究，分析比较活性分子与弱活性乃至无活性分子的构象差异，与疗效确定的先导物进行比较，探讨生物分子的活性构象，并逐步进行优化，寻找新型高活性、低毒性药物。