新农药研发进展与趋势

张立新

(沈阳化工大学， 辽宁 沈阳 110142)

新农药研发进展与趋势

张立新

(沈阳化工大学， 辽宁 沈阳 110142)

介绍了新农药研发的进展及趋势；尽管全球农药市场销售额持续增长，但由于对化合物的活性、选择性和环境安全性指标要求的提高而使得新品种研发的难度逐渐增加；随着医药、农药研发方法的融合以及合成技术、生测手段的进步，合理药物设计，如基于结构和基于配体的药物设计方法的应用，将会进一步增强.

新农药研发； 合理药物设计； 进展； 趋势

1 新农药研发的意义和必要性

人口、粮食、能源、环境是当前摆在人类面前的突出问题.到2040年，世界人口预计将达到85亿，其结果是有25亿多的人口需要解决粮食问题.随着世界人口的不断增加，耕地面积的不断减少，人类必须将世界上现有农作物的产量再提高3倍，才能满足人口增长对粮食的需要，而靠增加可耕地面积来增加粮食是非常有限的，主要手段还是要靠现代农业整合最新科技，以改进农药、种子、肥料、栽培技术和机械化水平来提高农作物产量.据统计，目前全球使用农药后，每年仍有35 %的农作物损失，如果离开农药，损失则高达70 %，因此，农药的重要性不言而喻.

由于病菌、害虫、杂草种群的演替以及对农药抗药性的产生，需要不断研发新的农药品种来保护作物.同时，随着全人类文明程度的提高，环境保护意识的不断加强，高毒农药大量使用造成的负面影响已引起人们的广泛关注.2007年国家全面禁止甲胺磷等5种高毒有机磷农药在农业上使用，2009年又禁止使用23种高毒农药，禁止和限制在蔬菜、果树、茶叶、中草药材上使用19种农药，这标志着我国农业植保进入了高毒后时期.所以，在强调高活性的同时，高效低毒、安全性高的新农药品种是农药科研工作者开发的主要目标.

经过50年的发展，农药的施用剂量已经从20世纪60年代的平均1 kg/hm2降至当前的平均10 g/hm2，这仅仅是以前施用量的1 %.造成这种农药应用革命性突破的主要原因是一些优秀农药品种的发现，如：磺酰脲类除草剂，烟碱类、鱼尼丁类杀虫剂，三唑类、丙烯酸酯类杀菌剂等.这些优秀农药的问世在当时几乎都引起了新农药创制领域的世界性研发热潮；一个具有全新结构或全新作用机制的新农药品种在开发后，往往会迅速占据庞大的市场份额，并为其研发者带来丰厚的利润.

2 国内外农药市场及研发现状

2.1 国内外农药市场现状

(1) 国内外农药市场增长迅猛：据英国Phillips McDougall公司不完全统计，2012年世界化学农药的销售额大约为470亿美元，而2011年这一数据约为440亿美元；中国农药市场在2012年世界农药市场增长最快的20个国家里排在第10位，与2007年相比涨幅约为6 %.全球化学农药销售额变化趋势如图1所示.

图1 全球化学农药销售额变化趋势

(2) 全球新农药品种上市的数量逐渐减少：统计1998年到2013年公开的新农药品种ISO通用名数量，可以看出最近10余年投入市场的新农药品种数量的总趋势是减少的.以年代进行划分统计，20世纪80年代、90年代的年均推出新品种数目分别为12.3个、12.7个，21世纪前10年年均品种为10.3个.1998～2013年新农药品种获得ISO通用名的数量及变化趋势如图2所示.

图2 1998～2013年新农药品种获得ISO通用名的数量及变化趋势

造成这种现象的主要原因是：受到农药抗性、环保要求提高以及原料成本上涨的影响，发现一个高效农药有效成分的研发成本持续增长(从1995年的1.52亿美元增长到2005年的2.56亿美元)，并且需要筛选的化合物数量也在持续增加(从1995年的52 500个增长到2005年的140 000个).

(3) 全球农药研发总投入在不断持续增长：据不完全统计，2011年全球部分农药企业的研发总投入是23.28亿美元，2012年增至29.43亿美元；其中大约1/3花费在研发新品种上，1/3在登记后开发，1/3在新品种开发和监管方面.图3为世界14家主要农药公司在2011年及2012年的研发投入状况.

图3 世界14家主要农药公司在2011年及2012年的研发投入状况

2.2 国内外新农药研发现状

2.2.1 新农药创制的特点

新农药创制具有周期长、投资大、成功率低、风险高等特点.在西方发达国家，一个新农药品种从高活性化合物发现直至商品化通常需要10年时间，需要合成和筛选至少140 000个化合物(年成功率：1956，1/1 800；1964，1/3 600；1970，1/8 000；1972，1/10 000；1977，1/12 000；1980，1/20 000；1995，1/52 500；1999，1/80 000；2000，1/139 429；2005～2008，1/140 000)，耗资2.56亿美元(1995，1.52亿美元；2000，1.84亿美元；2005～2008，2.56亿美元).而在目前，仅有科学技术非常发达的美国、英国、德国、法国、瑞士、日本等国家才完全具备研制新农药品种的综合实力和水平.新农药创制在某种程度上也反映出该国的科学技术水平，因此，全球公认新农药创制研究不仅难度大、周期长，而且风险高——有任何不符合人类安全、环境生态安全的问题，就会前功尽弃，利润大——若研制成功，不仅收回投资，还有丰厚回报.因此，该研究领域的竞争十分激烈.图4为国外某跨国公司研发一个新农药品种的研发费用总体构成，其中创制一个新农药品种的研究费用就已达到0.85亿美元，占研究开发总费用(2.56亿美元)的1/3.

图4 国外某跨国公司研发一个新农药品种的研发费用总体构成

图5为日本农药公司的明星产品——杀虫剂氟虫酰胺(鱼尼丁类杀虫剂)的研发历程.氟虫酰胺是日本农药公司于1998年研制，并于2007年上市的邻苯二甲酰胺类杀虫剂.最早Tsuda 博士于1989 年在日本大阪府立大学报道了一系列吡嗪二酰胺类化合物，代表化合物具有一定的杀菌活性及除草活性，并以其为除草剂申请了日本专利；之后日本农药公司以该化合物为先导，继续研究以期获得活性更好的除草剂；在1993年新化合物筛选期间，意外发现了一种结构全新的化合物——邻苯二甲酰胺类化合物，虽然该类化合物对其他种类的害虫，例如半翅目，没有杀虫活性，且杀虫活性并不令人满意，但其作用机理独特，化学结构新颖；日本农药公司以该类化合物作为二次先导进行进一步优化，在1993～1998年间共合成数千个邻苯二甲酰胺类化合物进行生物活性测试、筛选，并通过构效关系研究，最终于 1998年发现了氟虫酰胺.从1989年对吡嗪二酰胺类化合物开始研究到1993年先导化合物发现，经历了4年；从1993年先导化合物发现到1998年氟虫酰胺的发现，经历了5年；从1998年氟虫酰胺的发现到2007年上市，经历了9年，前后共计18年的时间，才成功完成了氟虫酰胺的商品化.由此可见一个作用机理独特、化学结构新颖的新农药品种的成功开发周期之长；然而其市场回报也是极其丰厚的，据报道，氟虫酰胺仅在2014年的全球年销售额就已达到5.3亿美元.

图5 氟虫酰胺研发历程

2.2.2 新农药创制的研发流程和研发策略

国内外从事新农药创制的研发机构都有各自一套大同小异的研发流程.一般而言，按照工作的性质可将其专业分为：化学化工、农学、生物学(包括分子生物学、基因组学等)、计算机与统计学、安全评价(毒理学)、环境安全评价等；各专业之间互相配合，相互交错，互相促进与牵制.严密的程序是为了取得高效、优质的开发效果.按照开发时间顺序来分，新农药品种自研制到最终商品化通常要经历以下4个阶段：先导化合物的发现和优化(确立靶标、离体及活体生测试验)、前期开发阶段(大田试验、工艺研究、剂型研究、急性毒理试验)、后期开发阶段(车间生产、代谢和残留研究、慢性毒理试验)、登记上市.各个阶段相互交叉，互为补充，也可同时进行.值得注意的是，在新农药创制与开发的各个阶段中，专利申请与布局始终贯穿全局，这为新产品的顺利开发以及研发公司的利益最大化提供了强有力的法律保障.图6为新农药创制的一般研发流程.

图6 新农药创制的一般研发流程

目前世界上各大跨国公司采取的主流研发策略基本为全新结构创新结合ME-TOO模式，而中小研发机构则主要采取ME-TOO模式进行研究(尤其是国内企业).ME-TOO模式仍然是当前快速发现高活性先导化合物行之有效的方法，因此,在各个公司之间，专利的快速跟踪是极其普遍的现象.由于跨国公司在资源整合、市场开发推广等方面具有一般中小企业难以企及的优势，因此在很多情况下，跨国公司研发的新产品往往可以取得后来者居上的效果[如杜邦公司在后研发的鱼尼丁类杀虫剂氯虫苯甲酰胺，其市场份额(14.80亿美元/年，2014)远优于日本农药公司在先研发的同类杀虫剂氟虫酰胺(5.30亿美元/年，2014)]；另外，一些以全新结构创新为主的日本中小公司(如组合化学、三井化学等)，由于能力不足或相关业务不熟悉，往往会在后期国际市场推广中与跨国公司合作，共同开发新产品，实现双赢，这点值得中国企业学习与借鉴.

2.2.3 中国新农药创制工作取得的成绩与不足

新中国成立以来，我国的科研开发能力大大加强，我国的新农药创制工作也取得了令人瞩目的快速发展，我国的农药科技创新平台也初具规模.目前国内参加新农药创制研究的主要单位有沈阳化工研究院、湖南化工研究院、浙江化工研究院、中科院上海有机化学研究所、南开大学、华东理工大学、华中师范大学、贵州大学、江苏省农药研究所、上海市农药研究所、北京农业大学、扬农化工股份有限公司、大连瑞泽生物科技有限公司等.另外，据不完全统计，从“七五”(1985～1989年)以来，我国创制并已登记或生产的农药品种有50个，其中杀虫剂14个，占28 %，杀菌剂25个，占50 %，除草剂8个，占16 %，植物生长调节剂3个，占6 %.在这50个农药品种中，其中“七五”期间创制的1个，占2 %，“八五”、“九五”(1990～1999年)期间创制的21个，占42 %，“十五”以后创制的28个，占56 %.

然而，同国外跨国公司相比，我国的新农药创制工作仍然存在着很大的差距，集中表现为：创制品种占市场份额大多比较少(目前尚无年销售过亿元人民币或进入国际市场的新药)，国际市场影响力低；缺少具有独特之处的品种，利润率较低，即使是已经获得登记、开始销售的品种，也往往因性价比或者产品特性等因素而销售额较低，市场竞争力较差；农药公司小而分散，同国外大公司相比，缺少集团优势，市场竞争力差；农药创制人员经验不足(包括选题、研发流程、阶段评估等)；部分创制新药起点低，技术含量低；缺乏有创新经验的技术带头人.

3 新农药研发的变化趋势

农药是与人类生存活动紧密相关的一类重要化学品.20世纪90年代以来，农药安全性的各项标准趋于严格化，并且随着农药抗药性压力的不断增大，淘汰了部分农药品种，也研发出了许多新品种投入市场，因而农药工业及农药市场一直处于不断更新的动态发展中.在这种背景下，谁能够把握发展趋势，谁就能引领新农药创制开发的新潮流，进而谁就能主宰农药市场.近年来，国内外新农药研发显示出下列趋势，值得关注.

(1) 技术指标要求的变化：从化学农药本身的发展趋势而言，化学农药已进入一个超高效、安全的新时代.现代农业要求新农药品种具有更高的活性或对抗性病虫草害有更优良的活性、更高的安全性、更大的活性/毒性安全区间以及新颖的作用机制.

(2) 登记要求的变化：近年来，农药研发机构面临着一项重大的挑战——部分老品种因不适应当前的技术指标要求而不得不退市，而新品种登记的难度比以往更大，并且对安全的要求从对动植物本身的安全性转而关注对整体环境的行为.然而，挑战也带来机会，特别表现在农药市场对具有新作用机制的新品种有着持续的需求；另外，产品的精细化、剂型的专业化、利润率的空间增加以及研发过程的复杂化，使得公司之间更愿意协同合作.

(3) 生物技术(手段)的发展变化：由于生物技术的发展，曾几何时，转基因作物和草甘膦的搭配被认为对农药市场有很大的冲击，然而实践证明，杂草对草甘膦也会产生抗性，因而，农药市场仍然需要新的化学活性分子以解决抗性问题.目前生物农药呼声很高，其不仅迎合了公众的偏好，也有着其自身的特点，如与化学农药相比可以在更接近收获期使用；然而生物农药目前仅占世界农药产量很小的一部分，同时对大多数农业有害生物的防治(生物农药防治谱较窄)，特别是大面积的快速防治仍然显得无能为力，所以，当前化学农药仍然是农药界的主力军，而生物农药则与化学农药共用共存，互为补充.

(4) 农药创制与医药研发的技术交融：农药、医药同为化学活性分子，二者有着许多相似性和共同点，因而，医药和农药的研发技术、研发手段可以互相借鉴.这在国外跨国公司新药研发过程中表现尤为明显:首先，表现在合成/测试技术互相借鉴，如现代有机合成技术应用、平行合成、自动合成、自动分离纯化技术应用、高通量筛选等；其次，农药创制与医药创制共用“设计-合成-测试-分析-设计”循环(DSTA cycle)模式；第三，借鉴医药研发的利平斯基五规则(bioavailability)应用到农药研发的农化五规则；利平斯基规则主要考量的是药物在体内的吸收即口服利用度，而农化五规则主要考量的是农药活性成分在动植物环境土壤等之间的传导吸收过程；第四，多晶型研究；晶型研究不仅关乎活性成分的溶解度，还关系到活性成分的稳定性；在医药研发中申请晶型专利可以有效延长活性成分的法律保护期；晶型研究还关乎活性成分的持效期，医药需要较快的代谢出体外，例如理想的口服药物是每天服用一次，而农药活性成分则需要较长的持效期以延长施药间隔，降低农业生产成本.

(5) 合成技术的变化：一般合成农药分子常用的反应主要包括经典的杂环合成/还原氨化/酰胺化/格氏试剂/醚化等.随着有机合成技术进步，农药分子合成技术也取得了极大的进步和拓展，如金属催化/有机小分子催化，特别是碳碳交叉偶联反应(Suzuki/Heck/Negishi/Stille等)以及手性合成技术在农药分子合成领域中得到了越来越广泛的应用.

4 新农药创制具体途径与方法的变化趋势

新农药品种自研制到最终商品化通常要经历前述4个阶段，其中先导化合物的发现与优化是整个新农药创制的核心基础，而寻找和研究先导化合物是新农药创制过程中的核心环节.先导发现的传统方法通常有4种途径：随机筛选、农药文献、天然活性物质模拟、以配体结构为基础的分子设计.近些年，随着计算机辅助药物设计(CADD)的兴起，出现了一些新的研究方法，如基于受体结构和基于配体的合理药物设计，其中在医药研究中常见的骨架跃迁策略、虚拟筛选策略被认为是在新农药创制中最具实效的研究策略.

4.1 传统方法

(1) 随机筛选.随机筛选是最经典的药物筛选方式.它具有非定向性和广泛性的特征.活性分子设计来源于已有的知识和经验，包括合成的可行性、原料和中间体的可供性、已研究过的各种化合物的生物活性等.随机合成的重点放在新颖化学结构方面，主要通过组合合成、中间体衍生化、亚结构连接等方法.国外许多大的农药公司通常也采用从其它医药公司或高校购买化合物进行筛选，以减少药物开发成本.另外，随机筛选往往通过一种或多种生物试验手段筛选评价化合物.

(2) 农药文献.属ME-TOO模式.通过了解最新的与农药相关的论文及专利，对具有生物活性的、结构新颖的论文或专利中代表化合物进行合成，研究其作用特点，寻找和发现结构新颖或具有新作用机制的先导化合物.

(3) 天然生物活性物质模拟.自然界的生物种类繁多，在漫长的进化过程中，产生了大量组成多样、结构不同的具有生物活性的天然物质；其作用方式多种多样，并具有较好的环境相容性.然而大多数天然产物结构复杂，不易合成，对光不稳定，或极易挥发，通常不能直接作为农药使用.天然活性物质会给新农药分子设计提供许多有用的信息，通过对天然化合物结构进行大幅度的改变，有望开发出全新结构的农药品种，是新农药创制研究中有效的途径之一.据报道世界上至少有2 000种植物具有除草活性、杀虫杀螨活性或杀菌活性.

(4) 以配体结构为基础的分子设计.属ME-TOO模式.对于靶标结构未知的抑制剂设计，可以根据众多高活性抑制剂的结构特点，通过模拟抑制剂的结构，来发现新的抑制剂分子.类似于“从钥匙到钥匙”.这种方法在新医药、新农药的创制过程中得到了广泛的应用.

4.2 新方法

在研发伊始和研发过程中使用计算机辅助设计可以起到一定的指导作用，包括基于配体(靶标未知)和基于结构(靶标已知)的药物设计.常用的药物设计软件一般有FieldAlign/Stere、LigandScout、Discovery Studio、Schrodinger和MOE等.

(1) 以结构为基础的分子设计.一般指建立在底物结构已知或靶标结构已知基础上的分子设计.建立在靶标结构已知基础上的分子设计，是基于生物学上已知结构的重要的酶或蛋白质，即与天然配体或抑制剂结合位点的结构是已知的.在该种复杂结构的基础之上，对天然配体(或抑制剂)的结构进行合理的改变来检验这些变化对结合位点的影响.新设计的化合物作为此类抑制剂进行生物测定，以期获得新的酶抑制剂与酶结合位点的结构.该种方法在新医药创制领域已应用多年，在某些药物的研究开发中发挥了重要的作用.这种方法类似于“从锁到钥匙”.随着对农药作用靶标研究的深入，基于靶标分子结构的分子设计，将会在新农药创制方面得到越来越多的应用.

(2) 药效团理论指导的基于配体的药物设计.很多药物(特别是农药)靶标(受体或酶)的三维结构尚不清楚，但可以通过分析化合物分子的三维特征了解药物与受体的作用点与方式.药效团 (Pharmacophore)是分子中的一组能够识别受体、并能形成分子生物活性的结构特征，包括氢键供体、氢键受体、(部分)正负离子基团、芳环中心、疏水基团和亲水基团等，在CADD中以不同颜色的区域来描述.药效团的确定可以通过基于受体的结构信息，分析受体与药物分子间的相互作用，以推断药效团结构.在受体结构未知或作用机制尚不明确时，对(一系列)化合物通过构象分析、分子叠合等方法进行归纳得到对化合物活性起关键作用的基团信息.药效团可以用来判断一个分子是否具有某一类的药效特征，保留药效团结构对结构复杂的分子进行简化有可能依然保持生物活性.

(3) 虚拟筛选.用药效团模型对数据库进行虚拟筛选，将得到的Hits化合物进行活性试验筛选来发现先导化合物，这是当前CADD的重要应用之一.目前主流的虚拟筛选软件有Discovery Studio、Schrödinger、MOE、Tripos等.图7为虚拟筛选一般流程.

图7 虚拟筛选一般流程

(4) 骨架跃迁.骨架跃迁是根据已有活性分子的化学结构，设计与其骨架结构不同，但活性相似或更好的新分子的一种方法.近年来在医药研发领域在先导产生和先导优化两个方面都得到了广泛的应用.骨架跃迁实例如图8所示.

图8 骨架跃迁实例

在尽可能的前提下，首先判断具有活性的化合物结合构象，在保持结合构象基团的前提下，对其中心部分用新的骨架进行替换.通过骨架跃迁可以有效避开现有专利和改善化合物的理化性质.可以使用的CADD软件有 Recore/MOE/Schrodinger/DS等.

(5)基于片段的药物设计.基于片段药物设计原理是筛选为数不多的小分子量“片段”以期寻找出不需较高活性的片段，然后通过融合、成长或连接这些有活性的片段成为高活性的先导化合物.这已成为新一代制药行业发现新颖先导化合物的有力技术，但是在农药创制中的应用尚未见文献报道.由于小分子“片段”一般只有比较低的活性，如何设计试验和选取靶点是关键.小分子“片段”定义会有所不同，但总的来说可以用三规则说明，即相对分子质量Mr≤300, 油水分配系数clogP≤3和氢键供体HBD≤3.基于片段的药物设计与HTS高通量筛选(Lipinski 五规则)相比获得有活性片段的几率大大增加.

4.3 分子理化性质的指导意义

(1) 从类药性-利平斯基五规则到类农药性-农化五规则：利平斯基五规则是总结大量药物分子得出的经验规则.利平斯基五规则是指：① 相对分子质量<500; ② LogP<5; ③ 氢键供体 (NH与OH的总和)小于5个; ④ 氢键受体 (N与O的总和)小于10个.Veber加了另外一条规则：可自由旋转的键小于10个，不符合规则会造成吸收不好和生物利用度低 (针对口服药物).对于农药活性成分而言，分子的理化性质影响着化合物的渗透性和传导能力，也影响其残留和代谢.农药所需要的理化性质因作用对象和使用方式(例如土壤处理或叶面喷施)、病害位置的不同而有不一样的要求，未满足所需的理化性质会影响开发的新药从实验室向田间的转化.有目的地改变结构可以得到具有优良理化性质的化合物.影响理化性质的因素包括相对分子质量、亲酯性、氢键供体数量、氢键受体数量、自由旋转键数量.农药对化合物理化性质的要求与医药的不同，其特点是平均分子量较小和较少的氢键供体.表1为部分医药、芽后除草剂、杀虫剂的利平斯基五规则统计数据.

表1 医药、芽后除草剂、杀虫剂的利平斯基五规则统计数据

(2) 亲脂性(LogP)对农药分子的影响.同类化合物即使具有相同的药效，由于化合物理化性质尤其是亲脂性的不同，其影响会导致在动植物体内吸收分布传导的不同，从而可以用不同的使用方式作用在不同的病虫害对象.

5 展 望

长期以来，全球农化行业第一梯队呈现“六巨头”格局，六大跨国公司(先正达、拜耳、巴斯夫、道农科、孟山都、杜邦)占据着全球80 %的市场份额；然而这一状况将随着“中国崛起”而被打破.据中国化工集团公司2017年6月8日官网报道：中国化工集团公司在2017年6月已完成对瑞士先正达公司的交割，收购金额达到430亿美元，这成为中国企业最大的海外收购案；自此，美国、欧盟和中国“三足鼎立”的全球农化行业格局正式形成；对于中国农药工业而言，这具有跨时代的历史意义.

随着中国《农药工业“十三五”发展规划》的发布与实施，这将进一步调整我国的农药产业布局和产品结构，极大地推动农药技术创新和产业转型升级，有助于制定适合我国国情的新农药创制战略.相信在不久的将来，我国的新农药研发工作一定能够取得较大的突破，一定能够研制出具有国际影响力的、“重磅炸弹型”的创制成果.

The Progress and Trends of New Pesticide Research and Development

ZHANG Li-xin

(Shenyang University of Chemical Technology, Shenyang 110142, China)

This article describes the progress and trends of R&D of new pesticides;The global pesticide market continues to grow however it is getting difficult to develop new chemical entity because of tougher requirements of higher activity, better selectivity and stricter environmental safety requirements; With the integration of pharmaceutical′s and pesticide′s R & D methods, together with the advances in synthetic technology and bioassay methods, the rational drug design applications such as structure-based and ligand-based drug design will further increase.

new pesticide research and development; the rational drug design; progress; trends

2017-06-20

张立新(1966-)，男，辽宁锦州人，教授，博士，主要从事新药创制的研究.

2095-2198(2017)02-0097-08

10.3969/j.issn.2095-2198.2017.02.001

TQ 450

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