天然产物作为药物先导结构的重要来源

一、说明从人类出现至今，人类一直依靠大自然来满足他们最基本的需求，其中需求最大的是治疗各种各样疾病的药物。尤其是植物已经形成了基本的传统医药体系，在美索不达米亚地区有最早记录的大约1000多种植物药“亚伯斯古医集”最早追溯到公元1500年，记载了超过700种药物，其中大部分是从植物中得到的药物。公元1100中草药记录了52种处方药，随后有许多这方面的研究，比如神农尝百草（365种药物），唐本草（850种药物）。在印度有中草药记载的记录也是在公元1000年以前（查拉卡；Suhruta等分别记载了341和516种药物）。在医疗保健领域，植物药仍然扮演着一个不可或缺的角色，在不同的文化领域内对植物药不同的应用已被广泛的记载。具世界卫生组织统计，大约百分之八十的世界居民主要靠传统药物来治疗一些小的疾病，然而天然产物对于剩余的百分之二十人的医疗保健同样扮演着重要角色。二、天然产物在药物发现和药物发展重要作用最近几年，制药企业输出量在稳定的下降已被报道，新的活性数量的发现也降到2001年来最低点。另外生产率的下降折射出新的问题，在2001年FDA仅仅接收了16个新药的审批，从前一年的24下降到了16.然而不同的因素导致了这一下降，很明显，在过去的10-15年间，对于天然产物的兴趣在持续下降是一个重要的因素。意识到天然产物在药物研发中数量的下降可能会重拾对天然产物的兴趣，通过对天然产物结构进行多样性的修改，也就是所谓的天然产物结构多样A.天然产物的起源大自然的次代谢对现代医学的贡献是众所周知的，而他们的起源一直让化学家生物化学家所着迷。六种最主要的假设被提出，并且被哈斯勒姆总结归纳。(1).他们被认为是大自然的废弃物，没有特定的生理作用。(2).他们是混合物，在一个特定时间内扮演代谢角色，现在已经失去没有作用了。(3).他们是突变的产物，在集体器官内没有特定的功能。(4).他们是生物进化进程的一个很好地例子，在新的生物化学进程中提供一系列的化合物。(5).为生产提供了一种方法，是酶发生代谢功能，当代谢完成时，他们也不被需要，“这就是次代谢过程，而次代谢产物也没有那么重要”。(6).对生物有机体的生存扮演着一个不可或缺的角色，或是提供防御物质或是其他生理过程所必须的化合物。尽管所有的每一个假说都有其支持者，William和Harborne等人对第六种假说进行激烈的辩论。的确，这些假定是合理的在许多情况下，这些复杂的化学物质和有毒物质产生在进化过程中生物体已经产生了防御作用。比如一些植物和海洋无脊椎动物来对抗其掠食者。比如，甲壳虫的蛹分泌一种化学物质作为其防御机制，从他们的腺体中分泌一种大环内酰胺类物质。这些分泌物是由三个简单的芳基烷酸类组成，很明显这些组合的化合物在大自然中广泛存在，另一个更确切的例子是毒液是由成千上百的多肽类组成，由锥摄入，使其晕厥，这个混合物中的一个成分已经被发展制成一种药物齐考诺肽，是一种麻醉性镇痛药，被注册使用。微生物被报道能够分泌抗菌剂来杀死一些相似或相关的微生物种群，这也就类似于一些植物之间相生相克，一个植物分泌毒素来杀死相邻的植物。细菌同样也用细胞与细胞的化学语言来作为一个信号机制，这个机制被称为群体感应。包括排泄一些化学有毒物质来保证自己种群的密度和所谓的生物膜的形成。这些化合物中研究最透彻的是酰基高丝氨酸内酯，通过化合物来例证。比如N-3-氧络乙酰-1-高丝氨酸内酯。胆囊纤维化病人的肺部感染常常也被认为是致命的。B•天然产物的独特性方法天然产物通常具有复杂的化学结构，或者它们具有类似于环状菌素A的环肽，或者像紫杉醇一样具有复杂的二萜类结构。在第三部分已经对它们的结构讨论过，天然产物化学中的结构没有不被包括的。天然产物化学的价值应该得到重视，同时他也导向着多元化合物的合成。天然产物的多样性并不是对药物研发唯一感兴趣的，由于它们常常具有高选择性和特异性的生物活性。有两个非常好例子：-羟基--甲基戊二酰-CoA还原酶被洛伐他汀抑制，紫杉醇促进微血管蛋白的活性。如果没有对天然产物化学的研究调查，就不会发现这些有活性的物质。一个个引人注目的例子说明天然产物的重要性，在网站上可以找到天然产物影响酶从而影响细胞的周期，这些例子在网站上都可以找到查阅。天然产物的生物活性源于前面讨论的假设基本上所有的自然产品都有受体绑定活性；问题是在给定的天然产物受体是绑定在哪一个上。另一种方式看，给定的有机体为研究者提供了一个复杂的图书馆独特的生物活性成分，类似于原油的合成产品最初由组合化学技术合成。天然产物的方法可被看做是一个互补的合成方法，每个产物提供不同的主结构。另外，一个有活性的天然产物结构用作药物合成是一个极其强大的工具。天然产物研究任务选择有药理活性的天然产物进行生物活性的研究。幸运的是这一方法我们已掌握在手。C.新的筛选方法的影响在早期的天然产物的研究中，新的化合物可能被随意的孤立出来，或是最好的使用简单的广泛的基于抗菌生物活性的或细胞毒活性。尽管这些屏障会导致许多生物活性化合物的分离，他们也被认为是下一代的非特异性药物。大量的健康和特定的生化和基因屏障使细4.海洋微生物深海沉积物被证明是新的放线菌所特有的海洋环境，基于文化和进化方法的组合，Salionpora是第一个被真正描述的海洋放线菌属。放线菌属的成员是普遍存在的，并且被发现在热带海洋底部沉积物和更浅的水域在众多的海洋植物和动物表面上浓度达到104个每立方厘米。选择适当的分离技术明显的观察到抗生素和细胞毒活性，产生有效的细胞毒性分离，目前在I期临床试验中，发现Salionpora酰胺A有非常有效的蛋白酶抑制作用。最近的研究对一个新的放线菌进行分离和培养，发现能够产生丰富的化学反应，将这一放线菌命名为Marinipora。新型的大环内脂类marinomycin被隔离进行A-D试验显示出有效的活性，并有效的抗耐药细菌病原体和黑色素瘤作用。Fenical实验组对这些新的微生物属进行定期的报道。5．共生微生物有越来越多的证据表明，许多的生物活性化合物实际上是共生菌的代谢产物中分离得到的，这其中包括抗癌的美登木素生物碱最初是从卫矛科中的一些植物中分离出来的。从隐形翅虫和甲虫中也分离出一些具有抗肿瘤的海绵隔离隐形翅虫素。从细菌代谢产物中也分离出一系列的抗肿瘤剂水稻秧苗枯萎病中发现其根部有真菌和细菌之间是内切共生的，其中毒性代谢产物，根霉素，最初是从被根霉菌污染的真菌中分离出来的，实际上已被发现的是一种共生的伯克霍尔德氏菌产生的。这个意外的发现揭示了一个复杂的共生致病性的关系，延长真菌植物的相互作用从而为防虫提供了一个潜在的新途径。此外，根霉素表现出强效的抗肿瘤活性，但毒性问题已经妨碍其进一步发展为抗癌药物。对宿主进行独立的培养，分离出根瘤菌素类似物，改进其药理学活性。6.组合式生物合成多官能聚酮化合物合酶在细菌芳香族聚酮化合物的生物合成已经取得了巨大的进步，许多这样的酶及其编码已被鉴定。这同样适用于NRPS负责NRPS的生物合成。通过对微生物基因组的迅速增加分析，这大量适用于聚酮化合物，NRPS和聚酮化合物的代谢物NRP的编码基因已被确定，这被用作工具，通过基因改组技术的新颖的非天然的天然产物的生物合成蒽环类抗生素，埃博霉毒，烯二炔已有SHEN等人综述由相关的生物合成途径组合产生氨基香豆素的新型类似物。最近的一个例子，将天然产物这一技术应用于大规模有效的生产埃博霉素D，让其进入临床实验产生一种抗癌剂，由于其在生成过程中产生一种9,10-didehydroepothilone同系物，埃博霉素D是最活跃的埃博霉素系列菌，从粘细菌，纤维堆囊菌中分离得到，并且是埃博霉素B的环氧前体。该基因簇去除EPOK的黏细菌异源表达用于大规模生产晶体的埃坡霉素Do将在第五节对这一技术进行详细的讨论。C.提取对于微生物和海洋生物来说，对整个有机体的提取一直在进行着（虽然现在的一些群体隔离共生，海洋的无脊椎动物微生物出现在未正式开采之前）。然而对于植物来说，这个个体是大的，具有良好的分化条件，是很常见的从一个生物体取得多个样品并且进行提取。所有的NCI方法在网址上进行了总结。选择提取过程的方法是随样品的性质而改变，并且在某些情况下依赖于最终的测定方法的性质。在最简单的情况下，提取低级醇会发现一些感兴趣的化合物，虽然在大多数情况下，一个连续提取系统是利用与化合物被不断增加的溶剂萃取。D.筛选方法如前面提到的，新的有效稳定的高通量筛的出现已经并继续在制药工业中对天然产物的研究产生重大影响。大多数使用的筛选方法是专有的，发布的信息是罕见的，但这种方法已发表刊登出来。已详细描述的一个NCI60细胞系的细胞毒筛选为抗癌剂。虽然这不是一个真正的受体基筛选但现已发展成一个系统，由此在细胞系内的大量分子靶可由信息学技术鉴定，并且改进仍在继续。这些信息可在网站上查到。基于差分的易感性基因修饰酵母菌株的测定法进行了说明，并导致基于遗传修饰酵母进行多个筛选，但有时，未经修饰的酵母细胞壁的渗透性降低，甚至被忽略。因此从筛选的数据看，特别是那些与基因缺失相关的数据应该被研究，因为含有大量的在宿主上未经修饰的细胞壁。此外，还有在学术界没有被研究分析，但是可以由人工进行高通量的筛选。有一些例子，比如盐水虾和土豆盘实验，或者是有用的盘基抗菌实验。高通量测量法中，大量的样品可在短时间内进行筛选，并且成本低，并且此类测定方法是从工业移到学术界，并与特定的表达系统被称作是天然产品的发现。新的技术包括新的荧光测定法，NMR色谱，DNA微阵列，等应用程序已导致显在的高通量筛选的有效进行。E.活性化合物的分离从一个给定的生物质分离出生物活性成分是一个极具挑战性的任务，尤其当感兴趣的活性成分的含量很低的时候，在实际的提取过程中主要取决于样品提取物的性质，例如海洋样品，对植物样品衍生有不同的提取和纯化过程。然而，所有的这些方法的本质特征是使用一个适当的可再现的生物测定活性化合物分离的过程。它也是非常重要的，该化合物是已知化合物，以尽可能早的识别和消除在特定的测定过程中一些干扰，对于这样的程序进行了一些列的讨论，以及各种新的方法分离和结构鉴定进行了审查。F.结构解析生物活性成分的结构鉴定几乎完全依赖于现代仪器分析方法，尤其是NMR和MS的应用。这些强大的技术加上在某些情况下有选择的化学处理通常是足以解决大部分次级代谢产物分子量高达2kD的结构。某射线晶体学也是一种有价值的工具，如果该材料的结晶可诱发产生，并且在某些情况下这是明确其绝对构型的唯一方法。如今，多肽或含肽天然产物分子量达10-12kD的氨基酸序列的测定是一个相对简单的任务。此外，质谱技术已发展到对不同寻常的氨基酸多肽进行测序的阶段。G.更深入的生物评估一旦获得纯的生物活性成分，不管是其结构新颖还是其表现出先前未知的功能，它必须进行一系列生物测定来确定他的功效，效力，毒性和药动学特点。这些将判定化合物的一个基因，并且判定他们作为候选药物的新化合物的光谱，在这个阶段我们推定其作用机制。H.大批量的采购一旦初始生物测定评估完成，那么就需要大批量的材料进行必要的研究，如果要保证复合收益就需沿路径从“Hit”到“药品评价”再到“临床候选”。可以通过植物和海洋起始原料，通过大规模的发酵生产微生物如果该活性化合物的结构适合于大规模的合成，化学合成和部分合成也是有可能的。紫杉醇的例子就是受其启发，初始进行大规模生产是通过从短叶红豆杉树皮中直接提取，现在通常通过半合成的方法，从更容易获得前体的10-脱乙酰浆果赤霉素III中进行大规模生产。获得充足的天然产物供应的另一种方法是利用植物组织培养。虽然有商业化生产次级代谢产物的例子（最著名的也许是紫草这个例子），此技术应用于商业化生产还没有得到普遍的接受，这主要是经济上的原因，然而可行的大规模生产紫杉醇的技术已经出现，现在已成功的应用于商业生产。几个主要的抗肿瘤药物的发现是从植物中分离得到的，由相关的内生真菌产生，为探索规模化生产开辟了更多的渠道。同样，微生物共生体在生物活性剂的生产中提供了可能，从海洋大生物中提供了类似的机会，有趣的是，从背囊动物加勒比海鞘中分离出的抗癌剂现已大规模的通过半合成得到，cyanoafracinB通过细菌发酵而得到的荧光假单胞菌。正如在第III.B.6中，对于大规模生产埃坡霉素D分离出粘细菌的一种有效的方法，纤维素是通过聚酮化合物基因簇制造环氧类似物，在M球菌中，埃坡霉素B和异源表达的修饰基因簇的操作而开发的。在相对少数的情况下，为综合成提供了一个可行的路径，以大规模生产重要的生物活性剂。来自海洋抗癌药的一个很好地例子，其进入I期临床试验阶段，但由于毒性原因目前还没有到后期阶段。然而与此相反，对软海绵素B骨架的修饰以产生E7389通过全合成一个非常复杂的分子，以一个稍微不复杂的试剂修饰，现在已对乳腺癌进行着III期临床试验。I.构效关系利用天然药物类化合物作为支架是更小更有意义的组合方法。虽然有商业生产次级代谢产物植物细胞培养物的例子，（紫草也许是其中最著名的例子），该技术也被用作商业生产药品。然而，此方法应用于大规模生产紫杉醇，已显示这种技术成功用于药品生产的商业目的。几个主要的抗癌药物最初是从植物中分离出来，由相关的内生真菌产生，开辟了更多的渠道，探索规模化生产植物衍生药品。同样，微生物共生的生产从海洋生物活性剂提供了类似的机会，扩大了生产衍生药的规模。有趣的是，抗癌剂海鞘素743最初是从背囊动物加勒比海鞘中分离，现在以从抗生素半合成，cyanoafracinB通过细菌发酵进行大规模生产，正如在第IIIB,6中介绍的，对于大规模生产埃坡霉素D,分离出的粘细菌是一种有效的方法，S.纤维素是通过聚酮化合物基因簇的制造环氧类似物，埃坡霉素B和异源表达的修饰基因的操作而开发M球菌。四、天然产物或类似物开发药物A.抗高血压药1.血管紧张素转化酶抑制剂（卡托普利及其衍生物）高的血清胆固醇水平是心脏疾病（高血压）的重要危险因素，此药物可降低血清胆固醇水平，对一般的心血管疾病是一种防御。人体合成的约50%的胆固醇是从饮食中得到，因此，如果胆固醇吸收抑制剂/吸收可用，则双管齐下方法是行的。抑制胆固醇生物合成的潜在位点是其限速步骤，羟甲基戊二酰辅酶A通过HMZ-CoA还原酶的还原，以产生甲羟戊酸，发酵的啤酒中康帕克汀在1975年发现了柑橘青霉，作为HMZ-CoA还原酶抑制剂，它也是由Brown等人报道的作为抗真菌剂。从短密青霉，康帕克汀分离出HMZ-CoA还原酶抑制剂，洛伐他汀的7-甲基衍生物，从红曲霉和其生物活性的向日本专利局以林K结构申请专利。与此同时，默克公司使用此类测定法，从土曲霉的提取物中发现了相同的材料，在1980年在美国也发布了专利。C.免疫抑制剂1.雷帕霉素和衍生物最重要的免疫抑制剂是真菌次级代谢产物，雷帕霉素，其本身作为一个药物，同时在本身基础上一系列的潜在在治疗各种疾病时潜在的重要药物。这个抗真菌药物被在1999年被批准并判定其商品名雷帕鸣。在C43的醇羟基进行修饰，形成了另外三个临床药物，依维莫司，佐他莫司和西罗莫司，一个在进行II期临床试验。在所有情况下的修改都保留其母核，如果再其他地方修改就会使其生物活性丧失。D.抗生素1.一般意见虽然有些专家声称，“抗生素的黄金时代”早已过去，有必要寻找一种新的代替抗生素，来抗击各种传染病，由于强效抗生素的滥用，正在出现多重耐药性的病原微生物。多重耐药性的表型多见于治疗结核病问题的效果。大多数的临床菌株对至少两个或多个常用的抗生素产生耐药性，而目前越来越多的例子显示菌株能够抵抗6种抗生素。结核分支杆菌是不是唯一的“问题微生物”通过下面的“问题”微生物传染病学会，耐甲氧西林金黄色葡萄球菌耐万古霉素肠菌（以及相似的金黄色葡萄球菌的早期报告），光谱的内酰胺酶产生的肠杆菌科成员。幸运的是天然产品不断提供着新的抗生素。对天然产物进行审查，美国在2001-2005年将七大自然产品及其衍生物批准为抗菌或抑真菌剂。由纽曼和克拉格综述，列出了11种抗菌化合物和3种抗真菌化合物，他们是在1997-2006年被批准的天然产品或其衍生物，抗菌天然药物进行了彻底综述，并且彻查了这些信息。2.阿维菌素，伊维菌素和多拉菌素阿维菌素是一个光谱的抗寄生虫药化合物，这些化合物最初是有默克公司出售（对其进行了轻微的化学修饰），作为兽医剂（阿维菌素）。随后，它被发现的分子有一些对寄生虫菌株造成的河盲症有活性，而且他们被应用于医学，并且在日本注册应用于人类疥感染的治疗。由于这些分子是聚酮化合物，近年来基于辉瑞和其他一些公司通过修改酮合酶来制成新的剂型，以通过合适的宿主来表达。这些努力已得到回报并且制成了多拉可丁制剂。E.抗癌微生物药1.埃博霉素在过去的十年左右，一些最有兴趣的天然产物基部结构被认为是在癌症化学疗法的临床试验剂，已被统称为埃博霉素的粘细菌制品。这些大环内脂具有类似紫杉醇的作用机制，已被广泛研究，最初是由德国发现，并且在美国得到生产，从化学角度看，由三个主要的群体，斯隆凯特琳，斯里克普斯，阿尔特曼。通过传统的发酵和天然产物分离得到足够的材料，然后随后的工作是对生物合成的组合聚敛作为抗癌药物的新评价，最初在生产埃博霉素A和B的步骤中生产埃博霉素C和D的一个显著的P450基因的基因簇。此外全合成是由若干组进行的，包括变体的大环内脂加到埃博霉素杂环上。这种化合物在2007年被FDA批准治疗乳腺癌的单药。它是第一个非紫杉烷被授予营销权威。最近的检讨结果显示“有一个明确的需要主动对耐药的转移性乳腺癌和伊沙匹隆可能是下一个受欢迎的新化合物，新的代理商”。2.其他的一些例子除了本章讨论的其他抗癌的例子，有兴趣的读者可以参考这样一本书包含蒽环类，博莱霉素，丝裂霉素，和一些药物化学的最新进展数据。F.植物抗癌药物作为潜在的抗癌药物是基于20世纪50年代植物化合物天然产品，长春花生物碱的初步研究和鬼臼毒素类似物依托泊苷和替尼泊苷的调查。以后的工作发现了非常重要的紫衫烷类药物和喜树碱类似物。1.紫杉醇紫杉醇是近年来发现的最令人兴奋的植物衍生物类抗癌剂。发现它时是在紫衫物种的叶中有几个关键的前体。结构发现其促进微管蛋白装配成微管，而这项活动是由希夫和霍维兹在1979年发现为紫杉醇开发为药物成为一个重要的里程碑。后经过长期的研究，在1994年被用作乳腺癌，已成为一个重要的药物，年销售额超过10亿并被批准用作卵巢癌的临床应用。紫杉醇的成功刺激了对其类似物合成，这项工作已经对其进行了一个综述。待开发的第一个模拟是密切相化学，多西他赛。白蛋白结合型紫杉醇作为一个新配方用于临床并于2005年推出；这一提法提供了一个重要的临床优势与原聚氧乙烯蓖麻油配方进行比较。2.其他的一些例子海洋生物抗癌药物海洋生物的抗癌药物源于20世纪60年代末的他比特定，他是第一个来自于海洋的临床制剂，被批准用于治疗软组织肉瘤。本节涵盖了化合物和另外两个海洋衍生剂先进的临床试验。1.特比他丁复杂的海洋生物碱海鞘素743，是由已故的肯尼斯莱茵哈特发现，以艾米怀特为首的海洋研究所从背囊动物中发现。它被发现有一个机制，结合到DNA的小沟，并参与到细胞分裂，所述基因转录过程和在复杂的海洋聚醚软海绵素B最初是由日本海绵上村等分离出来的，所述化合物有优良的生物活性，并表现出的NCI60细胞系有与长春花生物碱和紫杉醇相媲美的生物活性。该化合物只有微乎其微的收率但是，它复杂的结构似乎对药物开发来说是不切合实际的。幸运的是，在对软海绵素B的合成研究过程中，美国等的密切合作，发现软海绵素B右旋一半的某些大环酮类似物保留了母体化合物的效力。通过观察，模拟E7389,目前在第三阶段，与DNA申请定于2007年底，对其发现及临床试验的说明在最近的一本书的章节中可以查看到。H.抗疟疾药物疟疾是人类的一大祸害，新的抗疟疾药物的发现将是对世界人民健康势在必行。生物碱奎宁是被发现的第一个有效的抗疟疾药，它曾为人类服务了近300年，其抵抗药物在1910年被第一次提出。它在很大程度上取代了20世纪中叶合成的类似物氯喹。青蒿素由中国科学家在1971年发现，提供了一个令人振奋的新天然产物先导化合物，而青蒿素目前在许多国家被广泛用于疟疾。其不寻常的过氧化物桥是一个关键，它的作用机制涉及通过过氧化物桥络合血红素。这反过来又中断使用的寄生虫的解毒过程，并产生自由基物种可在寄生虫中攻击其蛋白。青蒿素的许多类似物已被制备，用以改善其活性和实用性。最有前途的是这些完全合成的类似物0Z277,以及二聚体类似物。单次剂量后一种化合物均表现出治疗抗疟疾感染的小鼠，同时用青蒿素处理要少得多。1.其他的一些天然产物一个直接分离的天然产物作为治疗疾病药物的概率是很低的,除非是在抗生素领域内。然而使用这些“基底分子”作为结构合成另一个分子,可能导致已知活性的两个变体合成,并在合成新颖结构上是绝对可行的办法。以类似的方式,组合生物可以用于生产什么被称为其中微生物细胞的生物合成机构被解剖和相关的基因是“混合并匹配”,“不自然的天然产物”,接着表达在合适的异源宿主。这样的化合物,可以使用在自己的权利或可以作为进一步合成修饰的起始原料。B.组合化学组合化学是最初开发用于大化学文库为对生物靶的高通量筛选的合成的一种技术，它已允许高通量的方法，以化合物的非常大的文库（百万）的合成。但是，总的来说，这种方法对药物发现在过去十年中一直令人失望，一些较早的库被描述为“设计不当，不切实际的大，且结构简单，”和“一个初始重点培养的非常大的数目的混合物化合物已经在很大程度上让位在工业基础上的更少的，良好表征的化合物“与”一种特别强的朝向的复杂天然产物类化合物的合成举动阵列一个多个测量的方法-即承受一个密切的结构相似的分子通过天然产品-基于药物”。类似的意见得到沃达迈，谁表示：“第一代的百万化合物的投机组合库的生物调查取得了令人失望的低命中率表示”。他接着以引用的76类似物其中基于所述nakijiquinone的C结构，合成和研究了对各种激酶活性的文库的例子。虽然简单组合化学方法已令人失望，利用天然产物或天然产物状的支架作为用于组合化学的模板一直是卓有成效的方法的药物的发现。天然产品样库的合成是由施雷伯组的工作在1000化合物的轴