生物转化技术在中药研究中的应用.doc

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生物转化技术在中药研究中的应用［摘要］近年来的研究表明，生物转化技术不仅能改变中药中主要成分的含量、活性物质的结构，扩大药源范围，亦能对有毒中药进行持效减毒。本文以部分中药材种类为例，分别从侧重于改变主要成分含量、改变单一化合物结构、扩大药源和对有毒中药持效减毒等方面介绍生物转化技术在中药研究中的应用。［关键词］生物转化; 中药; 单一成分; 药源; 持效减毒生物转化( Biotransformation) ，也称生物催化 ( Biocatalysis) ，是利用植物离体培养细胞或器官、动物、微生物及细胞器等生物体系对外源底物进行结构修饰而获得有价值产物的生理生化反应，其本质是利用生物体系本身所产生的酶对外源化合物进行的酶催化反应。它具有反应选择性强、条件温和、副产物少、环保和后处理简单等一般传统炮制方法所不能比拟的优点，并且可以进行传统化学合成所不能或很难进行的化学反应［1］。生物转化技术与中药历史渊源已久，隋唐时期就出现了中药发酵初级产品——— “神曲” ［2］。生物转化技术应用于毒性中药的炮制古已有之。《本草纲目》曰: “半夏研末，以姜汁、白矾汤和作饼，楮叶包置篮中，待生黄衣，晒干用，谓之半夏曲” ［3］。即用天然的混合菌群处理半夏，伴以其他中药作为辅料，在发酵过程中使它们共同成为药性基质，最终发酵形成具有一定功效的以半夏为主的炮制品( 半夏曲) 。生物转化体系分为微生物生物转化系统及植物生物转化系统。微生物转化是以细菌、霉菌等微生物为体系对外源底物进行结构修饰的化学反应，其实质是利用微生物体内的酶对外源化合物进行催化反应。微生物种类繁多，分布广，繁殖快，易变异，对自然环境的变化有极强的适应能力，含有丰富的酶。利用微生物及其产生的酶进行生物转化能够产生许多有用的化合物［4］。该方法具有生物量倍增时间短，微生物的基因操作方法已广泛建立等优点。以微生物转化技术为先导建立起来的植物生物转化［5］，是利用植物、植物组织培养体或从植物体系提取的酶进行的生物转化，能够用来进行生物转化的底物种类众多，几乎包括所有的天然产物，如生物碱类、香豆素类等，一些合成产物也可以进行生物转化［6］。植物生物转化系统与微生物生物转化系统相比，生物量倍增时间长，产生酶的种类较少且量也较低。但植物生物转化亦有其独特之处: 植物中有许多独特的酶，而微生物中不具有，它们可以催化一定的反应生成许多复杂的化合物，甚至是新化合物［7］。有研究报道显示，生物转化技术不仅能改变中药中主要成分的含量、活性物质的结构，扩大药源范围，亦能对有毒中药进行持效减毒［8-52］。但关于转化机制研究则尚未成熟，需要努力挖掘其中的关键酶及代谢过程，才能搞清楚其转化的过程及规律，从而完善生物转化技术的理论及应用。本文以部分中药材种类为例，分别从侧重于改变主要成分含量、改变单一化合物结构、扩大药源和对有毒中药持效减毒等方面介绍生物转化技术在中药研究中的应用。 1 生物转化技术对中药主要成分含量的改变 1. 1 植物药药材五倍子中主要含有鞣质、没食子酸等物质。鞣质经过肠道时会与蛋白质结合而降低药物作用。为了克服这一缺点，郑利华等［8］采用含有根霉菌和 L-赖氨酸等的酵曲发酵五倍子，形成更多的 L-赖氨酸。由于 L-赖氨酸能促进胃肠道黏膜吸收食物中的蛋白质，有效地避免鞣酸在胃肠道内竞争性消耗，从而提高了五倍子的收敛作用。瞿燕等［9］通过对五 ·3·2012 年 2 月第 14 卷第 2 期中国现代中药 Modern Chinese Medicine Feb. 2012 Vol. 14 No. 2 倍子生品、发酵品中没食子酸的含量测定，发现发酵品中没食子酸的含量高，抗菌和祛痰作用强于生品。大黄中结合型蒽醌是泻下作用的主要有效成分，游离型蒽醌泻下作用极弱。戴万生等［10］用酒精酵母、面包酵母对大黄进行分别发酵 16 d 后，结合型蒽醌含量明显降低，游离型蒽醌含量大大提高，提示发酵能使大黄中的结合型蒽醌转化为游离型蒽醌，从而缓解大黄的泻下作用。三七的根中有效成分为皂苷。Li 等［11］采用枯草芽孢杆菌对三七根进行发酵，结果发现，发酵后的三七中含有发酵前三七根中所没有的人参皂苷 Rh 4 ，说明它是通过发酵由其他成分转化而成的。甘草经加工后产生大量残渣。李艳宾等［12］研究菌种发酵处理对甘草渣中黄酮类化合物提取的影响，结果表明，与乙醇直接提取法相比，经微生物发酵处理能有效提高甘草黄酮的得率，其中经白腐菌、纤维素分解菌发酵后黄酮得率分别为 0. 89%、 0. 87% ，比乙醇直接提取法的黄酮得率 ( 0. 66% ) 提高了 34. 85%、31. 82%; 白腐菌与纤维素分解菌混合发酵处理，黄酮得率达到 1. 32%，与乙醇直接提取法相比提高了 100%。陈易彬等［13］采用湿热法、氧化法、生物发酵法等方法对银杏叶进行处理，考察不同的处理方法对提取银杏叶黄酮含量的影响，结果生物发酵法所得银杏叶黄酮的含量为 7. 97%，高于其他几种方法。表明，生物发酵法对银杏叶黄酮的作用明显，能够提高银杏叶黄酮的含量。 1. 2 动物药斑蝥素是昆虫类中药斑蝥体内的有毒物质，亦是斑蝥抗癌作用的主要有效成分［14］。临床研究表明，斑蝥素有显著的抗癌作用，对肝癌、食道癌、胃癌、肺癌等均有抑制效果，但斑蝥素的毒副作用较大［15］。刘高强等［16］采用微生物转化法对斑蝥素进行结构改造研究，发酵结束后，采用毛细管气相色谱法对药用真菌培养液中斑蝥素的含量进行了测定，结果显示，灵斑菌质等发酵液中斑蝥素的含量较原药材有显著降低。 1. 3 矿物药屠娟等［17］发现发酵工业废水的黑根霉菌对铅、锰、镉、铜有很好的吸附作用，且经化学改性的黑根霉能不同程度地提升吸附能力。这对于含铅等中药，如铅丹、密陀僧、黑锡丹等发酵减毒值得深入研究。 2 生物转化技术对单一化合物的结构转化 2. 1 生物碱类士的宁是马钱子成熟种子的主要毒性成分。潘扬等［18］通过真菌发酵技术对马钱子进行生物转化，发现所产生的药性菌质中马钱子类生物碱成分发生了质和量的明显变化，并在生物碱 HPLC 图中可看出多个含量变化较大的或新产生的未知成分。结构鉴定表明，士的宁、马钱子碱都被转化为各自氮氧化物。 2. 2 有机酸类刘莹等［19］利用 25 种真菌对齐墩果酸进行生物转化，经 HPLC 检测，发现其中有 5 种真菌对齐墩果酸有转化，测得的转化率分别为 56. 2%、69. 7%、 77. 9% 、81. 6% 、83. 0% 。关木通的茎藤等含有马兜铃酸，这类物质具肝肾毒性和致癌作用。郭永超等［20］选取短刺小克银汉霉菌对毒性较强的马兜铃酸 A( AA ) 和马兜铃酸 B( AA ò) 进行转化研究，结果发现，发酵液中主要的转化产物是 AA  的去甲基化物( AA a) ，该产物与报道的哺乳动物在摄入 AA  后尿中发现的一种代谢产物结构相同。天然香兰素一直是香精香料行业关注的重点。董长颖等［21］通过研究发现，链霉菌 L1936 能将阿魏酸转化为香兰素，研究结果显示，链霉菌 L1936 能够将 6 g·L － 1 阿魏酸转化为 2. 02 g·L － 1 香兰素，相应的摩尔转化率为 42. 97%。此外，赵丹等［22］研究观察了 150 种真菌对丹参酚酸 B 进行的转化，结果发现一株真菌可高产率转化丹参酚酸 B，转化后得到新的酚酸类活性物质原紫草酸。马晶等［23］采用刺囊毛霉 AS3. 3450 对甘草次酸进行微生物转化研究，生成的主产物经分析鉴定为 7β-羟基甘草次酸。 2. 3 内酯类雷公藤去皮的根所含主要有效成分和有毒成分为雷公藤甲素、雷公藤内酯酮等内酯化合物。叶敏等［24］利用微生物转化技术对雷公藤甲素和雷公藤内酯酮进行生物转化，共得到 17 个产物，其中 11 个为新化合物，体外筛选结果表明大多数转化产物表现出较强的细胞毒活性。据研究报道，短刺小克银汉霉能转化雷公藤甲素，产物种类较多。其中羟基化酶起主要作用，能分别在不同的甲基、亚甲基和次甲基位点上进行单羟基化反应，分别得到5α-羟基雷公藤甲素、19α-羟基雷公藤甲素、19β-羟基雷公藤甲素、1β-羟基雷公藤甲素、雷公藤乙素、16-羟基雷公藤甲素、雷醇内 ·4·2012 年 2 月第 14 卷第 2 期中国现代中药 Modern Chinese Medicine Feb. 2012 Vol. 14 No. 2 酯，其中前 4 个物质为新化合物［25］。 2. 4 苷类李于善等［26］以自三峡白首乌提取分离得到的 C 21 甾苷元告达庭甾苷元和开德甾苷元作为底物，采用黑根霉和赭曲霉两种微生物在水-正丁醇双相体系中，以连续转化或同步转化的方法制备 C 11 α-羟基化的白首乌 C 21 甾苷元告达庭甾苷元和开德甾苷元。包海鹰等［27］利用菌种黑根霉对人参皂苷 Re 进行生物转化，转化后的人参皂苷发酵产物中含有人参皂苷 Rg 2 及 Rg 2 的同分异构体和人参皂苷 Rg 5 / Rk 1 。白龙律等［28］利用 18 种菌株对人参皂苷 Rb 1 进行生物转化研究，结果发现一种绿毛状 GY-06 菌扩展青霉能够使得人参皂苷 Rb 1 有效地转化为 Rg 3 。田天丽等［29］从中药材虎杖中筛选到一株具有转化虎杖苷能力的根霉菌株 T-34，利用该菌株产生的 β-葡萄糖苷酶能将虎杖苷转化为白藜芦醇，并测得虎杖苷的转化率达 98%。王永宏等［30］筛选到一株产葡萄糖苷酶酶活可达到 8. 2 U·mL － 1 的青霉，并优化了发酵转化条件，使得栀子中主要成分京尼平苷转化成具直接作用的有效成分京尼平，转化率可达到95%以上。 2. 5 其他柠檬苦素类化合物是三萜类植物次生代谢产物，主要分布于芸香科和楝科植物中，尤其在柑橘属植物中，此类化合物含量较为丰富。黄柏酮是白鲜皮中含量较高的一个柠檬苦素类化合物，可使昆虫产生拒食行为［31］，并能使具有抑制微管作用的抗肿瘤药( 如长春新碱) 的活性增强［32］。为了研究微生物对柠檬苦素类化合物的转化作用，杨若林等［33］应用黑曲霉等真菌对黄柏酮进行了转化试验，结果表明雅致小克银汉霉在培养温度低于 30℃时可以催化黄柏酮的结构转化，使其 C-11 位被羟基化。孙敏鸽等［34］使用荨麻青霉对莪术醇进行生物转化研究。结果分离得到 2 个化合物，分别为 3-α-羟基莪术醇和 11-R-12-羟基莪术醇。赵明强等［35］利用人参毛状根可对外源氢醌进行转化得到熊果苷产物。蔡洁等［36］利用人参毛状根将外源对羟基苯甲醇转化为天麻素，为工业化生产人参属植物所不能合成的熊果苷、天麻素等天然化合物奠定了基础。Hirata 等［37］利用烟草植物悬浮培养细胞对羟基香豆素进行转化，得到相应的 β-D-葡萄糖苷产物。为了增加芝麻酚的水溶性，有学者利用烟草悬浮培养细胞和桉树悬浮培养细胞对其进行生物转化［38］。结果，烟草悬浮培养细胞转化芝麻酚得到芝麻酚-β-D-吡喃葡萄糖苷和芝麻酚-β-龙胆二糖苷，桉树悬浮培养细胞对其进行生物转化得到芝麻酚-β-D-吡喃葡萄糖苷和芝麻酚-β-芸香糖苷。 3 生物转化技术对药源范围的扩大 3. 1 紫杉醇紫杉醇是从红豆杉属植物的树皮中分离提取到的一种二萜类化合物，亦是继阿霉素和顺铂后备受青睐的抗癌药，但其来源一直缺乏［39］。美国施贵宝公司 Patel 等利用微生物转化方法进行紫杉醇的半合成，他们分别从白色类诺卡菌、藤黄类诺卡菌、莫拉菌的发酵液中分离得到 C-13 紫杉醇酶、C-7 木糖苷酶和 C-10 去乙酰酶，分别将红豆杉中的几种紫杉烷如巴卡亭Ⅲ、紫杉醇 C、cephalomannie、10-去乙酰基紫杉醇等的 7，10，13 位进行水解，得到较多而单一的10-去乙酰-巴卡亭3，该产物为紫杉醇合成的重要前体化合物，再利用化学反应，连接上 13 位的侧链，即可得到紫杉醇［40-41］。这提示了生物转化技术有利于紫杉醇前体物质的得到，从而为紫杉醇的来源提供了一个新的有效途径。 3. 2 喜树碱喜树碱是 Wall 和 Wani 等从珙桐科乔木、我国特有的植物喜树的树叶和树皮中分离得到的具有较强的抗肿瘤和抗病毒活性的生物碱。微生物转化喜树碱可以获得 10-羟基喜树碱［42］。10-羟基喜树碱可选择性地抑制拓扑异构酶干扰 DNA 的复制，与其他常用的抗癌药无交叉耐药性，因而对耐药性肿瘤有效。10-羟基喜树碱的抗癌作用相当于喜树碱的 30 倍，但是它在喜树果实中含量甚低，仅十万分之二［43］。朱关平［42］采用无毒黄曲霉菌株 T-419 ( CGMCCO158) ，将在喜树中含量较高的喜树碱转化为 10-羟基喜树碱，转化率达 50% 以上。采用该法能够产生比喜树碱更为有效的抗肿瘤物质10-羟基喜树碱，间接地扩大了抗癌药物的来源。 3. 3 人参皂苷人参皂苷是人参功效的主要成分。大多数天然皂苷在体内转化为次级苷 Rh 2 、Compound K( C-K) 或者原人参苷元等，这些次级皂苷具有重要的抗癌、防辐射等药理活性。天然人参皂苷可能是抗肿瘤的前体物质，其转化产物才具有抗肿瘤作用［44］。因此，利用生物转化技术预先合成药物体内的代谢产物能够间接地提高原药物的利用度及扩大靶点药物的药源。目前，有人利用黑曲霉对人参皂苷进行微生物转化，以生成具有抗肿瘤作用的次级皂苷。金凤燮［45］利用酶转化法使得人参总皂苷转化成人参皂苷 Rh 2 ，转化率超过 60%，现已实现工业化生产。 ·5·2012 年 2 月第 14 卷第 2 期中国现代中药 Modern Chinese Medicine Feb. 2012 Vol. 14 No. 2 4 生物转化技术对毒性中药的持效减毒作用毒性中药系指毒性剧烈、治疗剂量与中毒剂量相近、使用不当会致人中毒或死亡的药品。国家已将毒性中药列入重点研究课题，以防止中药毒性及不良反应［46］。中医在长期的用药实践中积累了许多经验，对药材进行特殊加工处理，可使之达到持效减毒的目的，保证临床用药安全。大部分炮制方法需要在高温条件下操作，生产过程中温度不好控制，而且污染环境，同时产品往往含有糖及脂肪转化成的强致癌物质。与其他炮制方法相比，发酵法不但可定向分解或转化中药中的毒性成分，而且工艺条件温和，不会对生态造成污染。因此，将发酵法用于对毒性中药的持效减毒研究具有普通理化炮制手段所无法比拟的独特优势。 4. 1 川乌、草乌王身艳［47］等利用灵芝等菌种与川乌进行双向发酵，结果表明，在一定的时间范围内，大多数的菌株在川乌基质上的适应性良好，菌丝体生长旺盛，发酵之后的多数菌质中乌头碱、新乌头碱及次乌头碱含量较生药材有明显的降低，药效试验结果显示川乌及草乌发酵品仍保持其原有的药效。这提示了生物转化技术有利于川乌的持效减毒研究。 4. 2 马钱子潘扬等［48］发现红栓菌等 10 种真菌能够在马钱子药材上正常生长，且大部分药性菌质中士的宁和马钱子碱含量都明显降低，同时通过对红栓菌等 7 种药性菌质的药理实验研究，发现它们均保持了马钱子原有的止痛、抗炎作用［49］，且毒性得到显著降低。 4. 3 雷公藤庄毅［50］用 2 种真菌对雷公藤进行双向发酵，结果所产生的药性菌质毒性明显减小，并保持了雷公藤原有的免疫抑制作用，同时，药性菌质中毒性成分雷公藤甲素的含量有所下降。王卫倩等［51］对灵雷菌质进行了急性毒性试验，发现发酵 30 d 的灵雷菌质毒性最低且仍保持一定的免疫抑制作用。张普照等［52］研究雷公藤双向固体发酵过程中化学成分的变化规律，发现在发酵 90 d 时，雷公藤甲素含量降低了 89. 4%。 5 展望随着中医药研究的深入发展，生物转化技术已被不同时期的医药专家不断充实和发展。如庄毅教授在此基础上创立的双向发酵技术，研发出了抗癌新药槐耳颗粒及槐芪菌质，已获得国家一类新药证书并上市生产; 此外，青霉素的大量生产为抗生素的开发应用提供了新的途径等。同时，我们仍需要从现代科学的角度去探讨生物转化的工艺和机理，极大地丰富中药的发酵实践与理论。笔者认为，生物转化反应中的酶可能会作用于同类成分中的某个位点，以使之发生类似的结构转化，从而引起相应的药效或毒理变化。因此，运用生物转化技术，可能会使得越来越多的同类成分发生预想的结构转化，避免了化学合成的复杂程序及副产物多等缺点，从而加快了同类成分的研发并丰富了生物转化的机制与理论。对于一些来源稀缺的天然药物，可以试着通过生物转化技术将同科属的其他植物内的相似成分进行结构转化，极有可能合成出所需的结构，从而扩大了某些稀缺药物的来源范围。前人的研究提示生物转化技术已广泛地应用于多类中药及成分，笔者认为，对于一些药效不够明显或毒性较大的尚待研究的药材，可以试着通过生物转化技术来提高其药效或降低其毒性，从而避免去寻找其他复杂的路径或方法，大大地加快了中药开发的速度。但是，关于转化机制的研究尚未成熟，需要努力挖掘其中的关键酶及代谢过程，才能搞清楚其转化的过程及规律，从而对毒性中药的持效减毒研究有更为深刻的认识。对于一些经体内代谢后才能实现药效的物质，可以通过生物转化技术使其先转化为代谢后的结构，再开发成药物，从而避免了体内代谢的损失与耗时。对于一些已经或尚待增加水溶性或脂溶性的化学物质，亦可应用生物转化技术，极有可能实现底物到产物的一步转化，从而减少了复杂的合成步骤及研发时间，极大地加快了新药研发的速度。相信随着生物转化技术在中药领域的广泛应用，将为中药的临床安全使用提供新的途径，并促进新型药物的研发。参考文献［1］Liu J-H，Yu B-Y. 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Molecular Identification of Acanthopanacis Cortex Original Plant and Its Adulterants Based on ITS2 DNA Barcode ZENG Xu 1，2 ，LI Qiu-shi 1 ，WANG Qian 1 ，XIE Li-fang 4 ，ZHANG Ya-lan 5 ，LUO Kun 1 ，LIU Zhi-hua 1，3 ( 1. Institute of Medicinal Plants Development，Chinese Academy of Medical Sciences，Peking Union Medical College， Beijing 100193 China; 2. China Pharmaceutical University，Nanjing 210098 China; 3. Nanjing Forestry University，Nanjing 210037 China; 4. Information Center，Chinese Academy of Medical Sciences，Beijing 100032 China; 5. Development of Pharmaceutical Sciences，Beijing City University，Beijing 100083 China) ［Abstract］ Objective: To discriminate Acanthopanacis cortex original plant and its adulterants，and assure the authenticity and clinical curative effect of this medical material. Methods: Download the ITS2 barcode sequences of Acanthopanax gracilistylus and its adulterants from GenBank database. Sequence assembly and consensus sequence generation were performed using the CodonCode Aligner. Sequence analyses were carried out by MEGA4. Phylogenetic tree was constructed using the neighbor-joining and Kimura 2-parameter methods. The ITS2 secondary structure was predicted using the ITS2 database and website found by Schultz et al. Results: In the two cluster dendrograms ，Acanthopanax gracilistylus and its adulterants were observed in a significant difference. To compare the ITS2 secondary structure of the origin plants of Acanthopanacis Cortex and its adulterants，we noticed that there were obviously distinguishes from other species in the number，size，position of loop and the angle of helix exsertion. Conclusion: ITS2 can be used to correctly identify Acanthopanax gracilistylus and its adulterants，and it has a broad application prospect in the identification of Traditional Chinese Medicine. ［Key words］ Acanthopanax gracilistylus; DNA barcoding; ITS2; Identification ( 收稿日期 2011-11-23 檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿 ) ( 上接第 7 页) ［42］朱关平 . 用生物转化生产 10-羟基

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