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微生物转化在现代中药研发中的应用

李艳1周剑2何东贤1

邵倩1朱照静1林一民3通讯作者

(1重庆医药高等专科学校,重庆;2重庆市食品药品检验检测研究院,重庆;3医院,肿瘤转移与个体化诊治转化研究重庆市重点实验室,重庆)

我国对传统中药的研究有着悠久历史,但随着现代中药研究的快速发展以及传统中药资源的开发受限,传统中药研究手段已不能满足现今人们对中药的用药需求?中药活性成分种类繁杂,主要包括糖类?苷类(配醣体)?苯丙素类?醌类?黄酮类?萜类?挥发油?甾体?生物碱?多酚类(鞣质)?内酯类?蛋白质及多肽类等?这些活性成分在中药中往往存在含量低?口服利用度差?体内转化不充分?起效慢等缺点,甚至有些成分还具有毒性?因此,“增效减毒”一直是中药炮制技术中的关键问题?

近年来,微生物转化技术因具有反应类型广?特异性强?副产物少?反应条件温和可控?环保无污染等优点,使其应用于中药转化的研究大量涌现?此项技术利用微生物产生的酶系统,作用于中药底物,影响中药成分及含量,提高药效,降低毒性,去除杂质,或产生新的活性成分等,已成为现代中药研发的一种有效路径?本文总结了近年来报道的微生物转化中药的反应类型,微生物转化对中药药效的影响以及其他方面的应用情况?

微生物转化反应类型可分为还原反应?氧化反应?水解反应?转移和裂合反应,根据转化酶体系的转化效果又可细分为羟基化?环氧化?脱氢?氢化?脱乙酰化?糖苷键反应?糖苷键水解?酯键水解?支链降解?酯化?水合?酰基转移?胺化?异构化?芳构化等各类化学反应?其中羟基化反应?糖苷键水解反应在微生物转化中应用最为广泛?

1.1羟基化反应

碳氢化合物中的C-H键为不活泼键,有机化学合成方法很难将C-H键直接进行羟基化反应?然而羟基化反应却是微生物转化中最常见?最重要的一种反应,其转化酶是微生物中的羟化酶,经羟基化修饰后,一些化合物的药理活性发生改变,见表1?

1.2糖苷键水解反应

苷类成分是很多常用中药材的主要有效成分,如人参?三七?黄芩?甘草?栀子?虎杖等?天然苷类化合物中含有糖基,分子极性较大,不易被肠黏膜吸收,经肠道菌群代谢后,转化为对应的苷元或低糖苷,分子极性降低,脂溶性增强,才更容易被肠壁吸收进而发挥药效?司磊等利用微生物中的β-葡萄糖苷酶转化苷类中药,模拟肠道菌群转化苷的过程,建立体外微生物炮制模型,把苷转化为苷元,促进有效成分吸收,见表2?

1.3糖苷化反应

形成糖苷键的糖苷化反应是微生物转化的重要反应,可合成寡糖和糖缀合物?近年来,发展了大量的糖苷化反应方法,如离去基团法?邻位参与法?不饱和糖及缩水内醚糖法?保护-脱保护糖基对法?相转移催化法?直接糖苷化法?酶促合成法?金催化法等?然而,大多数糖苷化反应的产率很低,难以进行大量合成?微生物及其糖苷化酶催化的糖苷化反应具有较高的产率和较好的选择性,寻找通用或专一的细菌和酶是该类型反应的关键,见表3?

1.4脱氢或脱水反应

微生物可对化合物进行脱氢或脱水生成双键?应用于脱氢反应的主要是细菌的脱氢酶,应用于脱水反应的主要是细菌和霉菌的脱水酶,见表4?

1.5内酯化反应和酯键水解反应

对于含有羧酸基团的天然产物,在某些真菌作用下可与分子内的羟基脱水形成内酯,对于含有内酯结构的中药如萜类成分中药,微生物中的脂肪酶和酯酶可将酯键进行水解?通过微生物内酯化反应和酯键水解反应,可以得到新化合物或起到减毒增效的作用,见表5?

1.6其他

微生物转化中还有其他一些反应,如支链降解?环氧化反应?二聚化反应?脱乙酰反应?扩环和缩环反应?甲基化及去甲基化反应,或者多种反应同时发生等?

2.1新药开发

中药中含有的天然活性成分结构复杂,微生物产生的多种酶系可对天然活性成分进行结构修饰,在产生目标产物的同时,也可得到一些新化合物,由此组建新的天然化合物库,经过药理筛选,可寻找到新的适用于临床的天然活性先导物?ElSayed等采用小克银汉霉对蒜藜芦碱进行生物转化,在转化产物中发现两种新化合物,(-)-藜芦酮和3-异构藜芦碱,且阐述了后者的差向异构化反应类似于组氨酸的差向异构化反应?

2.2提高药效

中药中天然有效成分往往含量低,可通过生物转化技术将一些与活性成分结构相似或生源关系相近的无效成分以及活性较低的成分转化成活性较高的成分,以提高资源利用度?朱关平采用无毒黄曲霉菌株T,将喜树碱转化为10-羟基喜树碱,转化率达50%,为解决资源短缺问题提供了途径?金凤燮利用曲霉属霉菌产生的诱导酶,水解多糖基淫羊藿苷制得活性更高的低糖基淫羊藿苷和淫羊藿苷元,转化率高达85%?

2.3降低毒性

一些中药往往因毒副作用而限制了其临床应用,如今可利用微生物转化技术对中药中的毒性成分进行分解或结构修饰,达到降低毒性的目的?马钱子是一味剧毒类中药,以往主要通过高温加热如烫砂?油炸炮制进行减毒?潘扬?刘亮镜等利用朱红栓菌对马钱子进行发酵,在发酵物中分离得到10个生物碱成分,采用小鼠观察发酵后的马钱子产物急性毒性的变化情况,结果发现马钱子经朱红栓菌发酵后,小鼠LD50上升率达到近30%,毒性明显降低?曹艺等利用10种微生物对含马兜铃酸A的中药材进行生物减毒的研究中表明,关木通经枯草芽孢杆菌发酵后,马兜铃酸A含量降低47.1%,青木香经假丝酵母发酵后,马兜铃酸A含量降低50.0%,马兜铃经啤酒酵母发酵后,马兜铃酸A含量降低43.6%,寻骨风经木霉发酵后,马兜铃酸A含量降低35.5%?

2.4去除杂质

中药中存在的杂质成分对其活性成分有一定影响,因此会降低中药药效?含量较高的杂质易通过物理?化学等方式去除,含量较低的杂质则较难去除?研究表明,微生物转化可除去中药中部分杂质?如在多肽?蛋白类药物的研究中,利用菌株产生的糖苷水解酶能去除糖类杂质,使小分子活性物质更易通过血脑屏障,提高药效;而在多糖类药物的研发中,又可利用菌株产生的水解酶和蛋白酶去除蛋白类杂质,提高多糖得率?

2.5体外模型预测代谢

20世纪70年代,Abourashed等就提出某些药物的微生物转化过程与哺乳动物药物代谢途径类似,因此通过微生物转化技术,使哺乳动物药物代谢结果具有一定预见性,可作为体外模型预测代谢,并见于大量报道?通过微生物转化可得到大量代谢产物,与动物或人体的代谢产物进行对比,不仅可预测药物在体内的代谢情况,还可为体内代谢提供对照产物,以供结构鉴定和活性筛选,尤其能帮助微量药物代谢产物的检测?

近年来,微生物转化中药是一个较热的研究领域,但由于学科交叉需要研究者在药学?微生物学及化学领域都有较深造诣?现阶段研究大多停留在实验室阶段,多以菌种的选育和优化转化条件为主,但微生物转化的小试?中式?放大培养,产物的分离纯化等仍未迈进工业化阶段?

微生物转化技术研究中,菌种的选育是中药转化的基础,转化体系的稳定性是扩大生产的关键,转化产物的高效?廉价分离是微生物转化技术工业化应用的前提条件?因此,在今后的中药微生物转化研究工作中,高效的菌种?稳定的转化体系?对特定转化产物低成本高效率的分离手段是微生物转化技术研究发展的主要方向,也是加快微生物转化中药走向工业化进程的重要推力?

版权声明：本文来源于《中国抗生素杂志》网络首发时间：-11-20。中药大品种联盟（BBTCML）编校发布。编辑：远志。转载请标注作者及出处。本