中药化学研究的三大向度

中药化学研究的三大向度

中医化学是中医学的重要组成部分。如何更有效地开展中药化学研究,如何使中药化学研究成果能更显著地提升中药药物创新水平,能更有力地推进中药现代化、国际化,是中药化学学科发展所面临的关键问题,也是中医药领域所关注的关键问题。为此,本文基于中药化学现状分析,结合我们对中药学发展的思考,阐述中药化学内涵、研究领域及其意义。并提出基于有效物质基础为核心的系统网络药学观念,着力进行中药自然化学、中药制备化学、中药药物化学系统研究,阐明中药药物属性及特性,使中药化学研究成果更具有学术意义与药物应用意义,以引领和推动中药化学学科的发展与中药现代发展。1中药有效物质或活性物质的预测中药化学是一门结合中医药基本理论和临床用药经验,主要运用化学的理论和方法及其他现代科学理论和技术研究中药化学成分,并确定中药有效物质基础的学科。内涵核心是阐明中药有效物质基础。研究目的是从化学层面揭示中药自然药学属性、中药应用属性、中药药物属性及其特性,以指导进行中药现代研究与药物创新。中药化学研究主要涉及3个方面:(1)中药自然化学研究:即对中药自然产生的化学进行研究。主要是探明中药本身所含的化学成分,特别是次生代谢化学成分。具体内容包括化学结构及其类型、理化性质、检识、波谱特征等。从而阐明中药自然化学成分与其药学属性的关系,并有指导性的发现新的中药自然化学资源。(2)中药制备化学研究:即对中药制备中的化学进行研究。主要是基于中药自然化学资源研究,对其药物成分进行制备,具体内容包括中药提取、分离、结构修饰与改造、生物转化、结构鉴定,以及中药在加工制备过程中化学成分的相互作用及其变化等,确定其应用属性。以制定合理的研究方案,应用适用的制备技术与方法,制备出所需的有效物质或活性物质,包括提取物、有效部位或有效组分、有效成分、结构修饰物、生物转化物等。(3)中药药物化学研究:即对中药在药物应用过程中的化学进行研究。主要是在机体内的化学动态。具体内容包括有效成分在机体内吸收、分布、代谢、排泄过程中,发挥药效的动态化学状态与特性及其与药效的关联性等。以确定有效物质基础及其作用机制,阐明中药药物属性与特性。可见,以上三方面研究为一有机整体,从认识中药自然化学属性与自然药学属性为出发点,至应用属性,最后到阐明其药物属性及其特性为落脚点,从而实现中药化学研究的目的。因此,中药化学研究应结合中医药理论,充分体现中药临床用药特点,对其化学成分进行研究,更要注重对其有效物质基础及其组成特性进行考量。诚然,中药化学成分极其复杂,每味中药都含有多类化学成分,其化学成分数拾上百,甚至更多,而其复方化学成分可谓不知其数,更为复杂纷繁。其中,有些化学成分具有生物活性,能够起到防治疾病的作用,这些成分即为有效成分;中药中所含的有效成分也往往不是单一成分,而常常是同一结构类型的多种成分,甚至是不同结构类型的多种成分。在中药化学中,含有一种主要有效成分或一类结构相近的有效成分即为有效部位,如人参总皂苷、葛根总黄酮、丹参总酚酸等;含有多种有效成分即为有效组分。有些成分不具有生物活性,不能够起到防治疾病的作用,这些成分则视为无效成分,如树脂、果胶等。然而,随着中药化学研究的手段和技术越来越先进,方法越来越多样化,研究领域也越来越广泛,使得对中药有效物质基础研究与认识水平愈加提高。有时候过去认为是无效的成分,随着人们对客观世界认识与研究的进一步深入,得出的结果可能是相对的,如过去认为无效的多糖、蛋白质、多肽等成分,后被发现具有良好的生物活性并被应用于临床。还有一些化学成分,虽然本身无效,但经过采收、加工、炮制、制备,产生化学结构转化,而具有良好的药效作用,那么这些成分也应被视为有效成分。还有一些成分,本身无生物活性,但是进入人体后却可以发挥很好的药效,这是因为药物被吸收进入血液循环才能发挥药效作用,而在体内发挥药效作用的有效成分可能是原型成分,也可能是原型成分进入人体后的代谢产物或转化成分,抑或产生协同作用,那最初的原型成分也可被认为是有效成分。另外,中药化学成分的有效性与其质量性有关,即与中药化学成分的类型以及存在的量、组成比例等有关,从化学的层面反映出中药药性、炮制、制剂、复方配伍及其量的中医药科学内涵。因此,对中药有效物质基础的认识与确定,需要科学系统地研究分析。总之,由于中药本身的自然特点与用药特点和其化学成分的复杂性使中药化学研究具有相当大的难度和挑战性,使得中药化学研究成为破解中药发展关键难题、提升中药防治疾病水平、推进中药现代化和国际化的重要核心力量之一。同时,中药化学学科与有机化学、分析化学等基础化学相衔接,继而与中药学其他相关学科,如中药资源学、中药鉴定学、中药炮制学、中药药剂学、中药药理学、中药学以及方剂学等学科知识体系紧密联系、相互支撑,构成了中药学研究与人才培养的完整学科体系,为中药学人才培养发挥着重要作用。2中医药学者的主要研究成果中药化学在中药学的发展历程中起到了举足轻重的作用,其研究成果为中医药的继承与发展,中药现代化、产业化、中医药创新开发等诸多方面作出了重要贡献。2.1中国古性质的重要性和进展2.1.1中药资源的化学成分中药除少数品种如青黛、冰片、阿胶等为人工制品外,大都是来自于植物、动物、矿物的非人工制品,并以植物来源为主且种类繁多。第三次全国中药资源普查统计结果表明,我国已鉴定且有学名的中药约有12807种,其中植物药约为11146种,动物药约为1581种,矿物药为80余种。随着科学技术的进步和医疗实践的发展,还会发现更多的中药资源。来源各异、多姿多彩的中药,它们的化学成分亦十分复杂。研究结果表明:(1)中药自然化学类型丰富,覆盖糖类、苷类、醌类、苯丙素类、香豆素、木脂素、黄酮、萜类、挥发油、皂苷、甾体、生物碱、鞣质、有机酸、油脂、蜡、氨基酸、蛋白质、酶、色素、维生素、树脂、无机盐和微量元素等。(2)不同基原的中药含有不同类型的化学成分。如黄连主要含生物碱类,葛根则主要含异黄酮类。(3)每种类型成分数目往往也相当多,即使同一种中药,也含有大量结构类型各不相同的化学成分。例如,中药常用药人参中不仅含有三萜、多糖、炔醇、挥发油、甾体化合物、木质素、黄酮、氨基酸、多肽、蛋白质、有机酸、维生素、微量元素等多类化学成分,且三萜类含有Ro、Ra1、Ra2、Rb1、Rb2、Rb3、Rc、Rd、Re、Rf、Rg1、Rg2、Rg3、Rh1、Rh2及Rh3等30余种人参皂苷类成分。(4)不同类中药抑或含相同类别的化学成分,如大黄与虎仗均含大黄素型蒽醌类成分,而前者属泻下药,后者属利湿退黄药。(5)同类中药抑或含不同化学成分如清热药知母、栀子。2.1.2中药及天然药物化学的研究现代中药化学研究亦引入国外的天然药物化学研究成果,天然药物化学研究开始于1806年,首先从阿片中分离出吗啡。19世纪20年代以后,不断报道从中药及天然药物中发现有生理活性的各种化合物,其中成为有代表性药物的有吐根碱、马钱子碱、奎宁、黄连素、阿托品、可待因、秋水仙碱、可卡因、麻黄碱、芦丁、橙皮苷、甘草酸、洋地黄毒苷、苦杏仁苷等。这些化学成分都是19世纪分离出来的,在药物化学发展史上形成一个天然药物化学研究时期。以后又分离出东莨菪碱、山梗菜碱、野靛碱、印防己毒素、加兰他敏等。由于对天然化合物的研究和测定,促进了合成药物的发展。但是,由于后来发现某些合成药物出现严重的副作用和预先难以估计的慢性毒性,所以研究步伐逐渐放慢。直到50年代初从萝芙木中分离出降压药物利血平,50年代末从长春花中分离出抗癌药长春新碱,世界各国学者又开始重视从中药及天然药物的化学成分中开发新药。例如美国、西德、前苏联等对担子菌类植物进行了大量的筛选工作、发现银耳、香菇、茯苓、云芝等所含的多糖对肿瘤有抑制作用。美国国立癌症研究所80年代总结出最有希望的抗肿瘤药物活性成分是大环化合物、生物碱、三萜、木脂素和苦木素。80年代以来,国外对中药及天然药物化学的研究比较集中在抗癌药和心血管药方面,还重视研究抗艾滋病药物。在抗癌药物方面主要侧重在多糖类、倍半萜内酯,三萜类、苦木素、木脂素以及大环生物碱等药中寻找。在心血管药方面重视对某些皂苷、异黄酮、高异黄酮、香豆精及桂皮酸衍生物的研究。对中药化学筛选活性成分研究较多的国家有日本、美国、俄罗斯、德国和韩国等。从20年代开始,我国学者对常用重要中药进行了自然化学成分研究,如早期的麻黄、莽草、延胡索,钩藤、蟾酥、贝母、黄花夹竹桃等,并且取得了一定成绩,如从麻黄中分离制备了抗哮喘成分麻黄碱;从粉防己中分离出具有镇痛、消炎、降压和肌肉松驰等作用的粉防己碱;从延胡索中分离出具有镇痛作用的延胡索乙素等多种生物碱。70年代以来,中药化学研究发展更加迅速,也取得了一定进展。如对青蒿、喜树、海南粗榧、天麻、唐古特山莨菪、丹参、葛根、三尖杉、芫花根、天花粉、川芎、黄芪、当归、人参、五味子、甘草、冬虫夏草、灵芝、党参、青黛等多种中药化学成分的研究,其中有些是结构类型完全新颖的化合物,例如青蒿素为含过氧桥的倍半萜内酯,是抗疟药物史上继合成喹啉类药物之后的重大突破;天花粉蛋白是第一个完全由我国学者完成临床、动物实验、分离、纯化、结构测定等研究的有实用和理论意义的蛋白质分子。据统计,我国医药学和化学科技工作者在80年代从中药总共发现800余个新化合物,90年代以后则每年有数百个新化合物的递增。中药自然化学研究成果,不断提升了人们从化学层面对中药内在自然属性的剖析水平、与中药临床用药水平、及其药物创新水平。2.2中药代理的重要性和进展2.2.1现代提取方法在化学成分测定、分离和分离技术中的应用进展中药化学成分较为复杂,研究应用其中的有效成分、有效部位或有效组分、提取物等,必须通过提取、分离、纯化等一系列过程将其从中药原料中制备出来。其制备物的有效性决定着中药药物质量水平。中药化学成分制备技术已在传统技术的基础上得到突飞猛进的发展。提取方法虽仍以溶剂提取法、水蒸气蒸馏法等传统方法为主,同时超临界流体萃取法、微波提取法等现代提取方法也得到广泛的应用。在分离富集、纯化方法方面,对于化学成分的制备来说一般常用的分离、精制方法有系统溶剂分离法、两相溶剂萃取法、沉淀法、盐析法、透析法、结晶法、分馏法、色谱法等,近年来,高速逆流色谱技术(HSCCC)和制备液相技术也在化学成分的分离纯化方面发挥了快速、高效的优势。而对于有效部位的分离富集而言,各种类型大孔吸附树脂和聚酰胺等色谱材料的使用,则大幅度提高了有效部位的含量及转移率,先进技术的使用不仅使得制备物满足药效的要求,也满足了大量制备的要求。笔者研究团队应用大孔吸附树脂技术,建立了连翘、金银花、木香、柴胡、枳实等诸多单味中药及复方四逆散抗抑郁、清脑宣窍方抗脑中风、开心散抗老年期痴呆等有效物质分离富集方法,为有关创新药物研究奠定了药学基础[2~9]。此外,基于中药化学成分先导化合物,进行结构修饰与改造,制备出成药性更好的药用成分,是中药创新药物研制的有效途径之一,如青蒿素系列衍生物药物等。2.2.2类药有效组分质量控制模式的提出中药作为中医防病治病的物质载体,其内在质量直接关系到临床疗效和安全。在分析中药现行质量控制模式的基础上,结合现代分析技术的发展和应用,依据中药特性,运用中药化学的方法,创新中药质量控制模式,以期更加科学地实现中药质量控制,推动中医药事业的发展。在中药或复方质量控制方法建立的过程中,质量控制指标的选择是方法建立的前提和关键。一个中药具有多成分、多作用、多层次、多靶点等特点,这也是中药区别于化学药物的重要特征,只有通过中药化学与药理学、药物动力学结合研究,阐明有效物质基础,并制备出有关对照品,才能进一步以有效物质为指标进行有效质量控制研究,并建立真正科学合理的质量标准。近年来发展的中药指纹图谱技术,目前已成为能够为国内外广泛接受的一种中药化学质量评价模式。笔者研究团队在运用PK-PD技术研究开心散类药有效组分中,基于类药有效组分相关分析结果,提出并建立了基于类药有效组分特征图谱表征的中药质量控制模式,将有效物质基础反映于中药质量控制体系中[10~13]。随着现代分析方法及其技术的快速发展,如GC、HPLC、UPLC等及其联用技术GC-MS、HPLC-MSn、UPLC-MSn,对中药质量控制水平的提升提供了分析技术支撑。2.2.3双酯型化合物中药炮制是中药学的独特的制药技术,其特色为药材经过炮制后可以达到提高疗效、降低毒副作用、改变药物功效、便于贮藏和服用等目的。研究中药炮制前后化学成分或有效组分的变化将有助于阐明中药炮制的原理、改进炮制方法、制定控制炮制品的质量标准等,这也是保护我国传统特色医学文化的重要方面之一。例如,乌头为剧毒中药,其毒性成分主要为乌头碱(aconitine)、中乌头碱(mesaconitine)和次乌头碱(hypaconitine)等双酯型二萜类生物碱,此类化合物不稳定,遇热易被水解,C8位上的乙酰基水解时失去一分子醋酸,得到单酯型乌头碱,使以上3种成分转变为苯甲酰乌头碱、苯甲酰中乌头碱和苯甲酰次乌头碱,毒性为双酯型生物碱的1/1000~1/200;若继续水解,C14位上的苯甲酰基失去一分子苯甲酸,生成乌头原碱,相应转化为乌头胺、中乌头胺和次乌头胺,其毒性仅为双酯型乌头碱的1/5000~1/2000。由此经过炮制,由于化学成分的转变,达到了降毒减毒的目的,而炮制品的镇痛药效作用与生品相比并未降低。2.3中药化学的重要性和进展2.3.1对活性成分进行分离和鉴定药物类药物质基础主要多基于中药血清药物化学的体内代谢研究。日本学者田代真一首先提出了中药血清药物化学和血清药理学方法,即给动物灌服中药一定时间后,取其血清通过对血清所含中药化学成分进行分析、分离及鉴定,把得到的化学成分与中药再次进行药效学比较,从而可以推断出中药药效物质基础。通常的研究方法基本包括通过动物口服给药后取血制备含药血清、采用HPLC、HPLC-MS等手段对体内外色谱指纹图谱的进行对比和解析来确定血中移行的活性成分,必要时对血清中的化学成分进行分离、结构鉴定和活性研究,并探讨其与传统疗效的药效相关性等,此外还包括药效物质基础的体内代谢过程和机制的探讨与阐明等内容。目前,我国学者已经对远志、白术、东北红豆杉、地黄等单味中药及六味地黄丸、茵陈蒿汤、清脑宣窍方、黄连解毒汤、生化汤、开心散、胃能方等复方进行了大量的研究,为中药物质基础和作用机制的深入研究奠定了基础。六味地黄丸始出于宋代医家钱乙的《小儿药证直诀》,由熟地、山茱萸、山药、牡丹皮、泽泻、茯苓组成,是“滋阴补肾”之首方。研究者在对六味地黄丸的血清药物化学进行研究时,建立了六味地黄丸及口服六味地黄丸后大鼠血清的HPLC指纹图谱分析方法,分析比较六味地黄丸、缺味处方、单味生药以及各组分给药后所得血清样品,研究发现,口服六味地黄丸后从血中发现了11个入血成分,其中4个为新产生的代谢产物;7个成分为六味地黄丸所含成分的原型,其中有一成分虽为地黄中所含成分的原型,但其他2种药材也能代谢产生,对其体内的量变有共同的贡献。在此基础上,以血清指纹图谱为指导对六味地黄丸血中移行成分进行了分离并鉴定。共分离鉴定得到了8个化合物,其中5-羟甲基-2-糠酸(5-HMFA)为熟地、山茱萸和泽泻中的成分代谢形成;莫诺苷、獐牙菜苷、马钱子苷为山茱萸所含成分直接入血而形成;2-羟基-苯乙酮-4-葡萄糖醛酸苷、4-甲氧基-5-磺酸基苯乙酮-2-葡萄糖醛酸苷、2,4-二羟基-苯乙酮、(H)2,5-二羟基-4-甲氧基苯乙酮为丹皮酚的代谢产物,初步阐明了六味地黄丸的体内直接作用的物质基础[14~17]。2.3.2清脑宣癫方药物成分分析药物类药成分动态属性及协同作用特性主要通过中药药代动力学研究。系应用动力学原理与数学模式,定量地描述与概括药物通过各种途径(如静脉注射,静脉滴注,口服给药等)进入体内的吸收、分布、代谢、排泄(ADME)过程的“量-时”变化或“血药浓度-时”变化的动态规律。中药药代动力学研究能为药物疗效的评价、给药方案的优化、复方配伍的研究、毒性试验设计和毒理效应分析提供依据,对阐明中药作用机理、促进中药新药开发及剂型改造有着重要的理论意义和应用意义。此外,通过研究中药复方配伍前后或不同配伍时对主要活性成分体内动态过程和药代动力学特性的影响,可揭示中药复方配伍的规律及其协同作用特性。清脑宣窍方是王永炎院士的临床经验方,由栀子、三七和冰片组成,在治疗缺血性脑中风急性期和恢复期早期具有很好的疗效。笔者研究团队结合药效考察和大孔吸附树脂分离富集工艺,获得了清脑宣窍方抗脑中风有效物质,在对其自然化学和制备化学研究的基础上,对动物口服清脑宣窍方、栀子合三七及各单味药相应有效物质的体内药物特性化学进行了研究,确定了清脑宣窍方抗脑中风药物化学与生物学物质基础,并对动物口服清脑宣窍方、栀子合三七及各单味药的药代动力学进行研究,揭示其配伍规律。各药动学参数表明,指标性成分栀子苷、龙脑、人参皂苷Rg1、Rb1及三七皂苷R1这5种成分房室模型都为二室,吸收都比较快,给药后5min在血液中就可以检测到,除人参皂苷Rb1,其他4种成分不到1h即可达到最大血药浓度。同时消除也较快,8h后的血药浓度已很低。而人参皂苷Rb1达到最大血药浓度时间稍慢为1.3h,同时在血液中存在时间较长,48h血药浓度还很高,分析其原因,可能是由于人参皂苷Rb1的血浆蛋白结合率高,血液中游离的人参皂苷Rb1减少,从而导致消除半衰期延长。通过对主要有效成分的药动学参数比较可知,在AUC方面,全方有效物质比单味药栀子和三七相应有效物质的AUC增加了2~8.5倍,冰片主要有效成分的AUC变化不明显,进一步分析可知,其中对于栀子主要有效成分AUC的增加三七起了重要的作用,而对于三七主要有效成分AUC的增加冰片起了重要的作用;在Tmax和T1/2ka方面,三七可以促进栀子主要有效成分的快速吸收,而栀子使三七主要有效成分的吸收发生了向后推移,当加入冰片后,即在全方有效物质情况下,不仅改善了三七主要有效成分吸收的向后推移现象,而且从生物利用度、吸收速度、药效强度、有效血药浓度时间延长等方面都得到了整体的提高。这种药物之间相互作用的结果最终反映为药物整体速效与效应的增强,研究结果充分地说明了这种配伍的奥妙,从而从有效物质基础方面揭示了清脑宣窍方的配伍规律与药物动态属性及其协同作用特性[18~21]。2.3.3药代动力学研究近年来,药代动力学-药效动力学(PK-PD)关联研究的兴起更是在一定程度上拓宽了中药药物化学的研究方法。药物代谢动力学(pharmacokinetics,PK)和药效动力学(pharmacodynamics,PD)是按时间同步进行的两个密切相关的动力学过程,前者着重阐明机体对药物的作用,即药物在体内的吸收、分布、代谢和排泄及其与时间的关系;后者描述药物对机体的作用,即效应随着时间和浓度而变化的动力学过程。二者结合有助于阐明药物浓度-效应-时间的关系,定量的反映药物浓度与效应的关系。对于疗效确切但复杂的中药,哪些成分才是功效相关成分?各种成分之间如何相互转化、相互作用?这些成分及其相互作用与药效存在着什么样的关系(DI)?这些问题均未得到深入的解决,因此,中药药代动力学的研究还需结合药效动态研究,也就是进行PK-PD关联研究,才会更加切入药物本质。其意义除了可以阐明和完善其作用机制及复方组方原理,为提高中药及复方的质量和优化给药方案提供科学依据,还为发现有效成分、开发新药奠定药学基础。以复方中的一种成分或几种成分为指标成分进行PK-PD研究是目前国内对中药复方药物动力学研究绝大多数采用的方法。但是面对物质基础复杂的中药复方,如何进行符合中药复方整体观的药物动力学研究,并评估中药复方的效应关联成分,最终应用于临床指导用药是中药复方药物动力学的关键问题,对促进中药新药开发,推动中药现代化和国际化有着十分重要的意义。开心散始见于《备急千金要方》,“主好忘”。此方为益气养心、安神定志之代表方剂,目前临床上,开心散及其加减方多用于治疗老年痴呆症和抑郁症。为发现其有效物质基础,笔者研究团队首先分析了开心散水提物肠吸收成分和血清特征图谱,发现其被吸收的类药组分为远志寡糖酯类、远志酮类、石菖蒲细辛醚类和人参皂苷类成分,在获得类药组分的基础上,以东莨菪碱致学习记忆障碍模型大鼠为实验对象,以远志寡糖酯类成分阿魏酰基蔗糖酯、芥子酰基蔗糖酯、3,6’组分为远志寡糖酯类、远志二芥子酰基蔗糖酯,xanthones成分polygalaxanthoneIII,石菖蒲细辛醚类成分β-细辛醚,人参皂苷类成分人参皂苷Rg3、Rc、Ro为各类类药组分代表性成分,建立定量方法,进行药代动力学研究,进而以紫外吸收光谱或质谱裂解规律为依据,获得相关类药成分含量及比例,进行复方药代动力学整体表征,最大程度地获得了能表征复方整体性的药时曲线和PK数据。同时开展了与药代动力学相应时间点的东莨菪碱致学习记忆障碍模型大鼠行为学实验和乙酰胆碱酯酶活性实验,获得了效-时曲线和PD数据。根据已获得的PK和PD数据采用直观分析和数