生物转化技术在中药和天然药物开发中的应用进展

程思佳 李顺祥

摘要 生物转化技术具有选择性强、催化效率高、反应条件温和、反应种类多以及环境污染小等特点，该项技术应用于中药和天然药物开发的研究越来越多，可以为现代药物原料提供新的工艺或新替代品，对发掘中药活性成分、扩大药源、保护中药资源等有着重要意义。现以国内外最新研究报道为依据，分析了生物转化技术应用于中药和天然药物开发的意义，对转化反应的生物体系，其主要反应类型以及生物转化的影响因素进行总结，为进一步研究提供思路与方法。

关键词 生物转化;中药;天然产物;还原反应;水解反应;氧化反应;羟基化反应;糖基化反应

Abstract Biotransformation has strong selectivity，high catalytic efficiency，mild reaction conditions，various reaction types and less environmental pollution properties，and was increasingly applied in Chinese medicinal and natural drugs，which provides a new technolo or substitute for modern pharmaceutical raw materials.It is of great significance in exploring active ingredients，expanding resources and protecting resources of Chinese medicinal.Based on the latest research at home and abroad，the paper analyzes the significance of biotransformation technology for the development of Chinese medicinal，summarizes the biological system of transformation reaction，its main reaction types and the influencing factors of biological transformation，and provides ideas and methods for further research.

Keywords Biotransformation; Chinese medicinal; Natural product; Reduction reaction; Hydrolysis reaction; Oxidation reaction; Hydroxylation; Glycosylation reaction

中圖分类号：R284.3文献标识码：Adoi：10.3969/j.issn.1673-7202.2021.13.025

中医药是中华民族的瑰宝，从古至今为中国乃至全世界人民的健康事业做出了不可磨灭的贡献。但随着人口增加，中药市场的需求急剧增加，而野生中药资源供不应求，栽培药材品质参差不齐，存在药材品质欠佳、药物活性成分含量不稳定、生物利用度低等问题，对我国中医药事业的发展产生严重威胁。因此，中药及天然药物的新型开发，对促进中医药现代化、国际化具有重大意义[1-2]。生物转化技术因诸多优点而逐渐被许多研究者重视，现对该技术在中药和天然药物中的应用情况进行综述，以期为其如何更好地作用于中药和天然药物资源的开发与利用提供参考。

1 生物转化技术

生物转化（Biotransformation），又称生物催化（Biocatalysis），是指利用生物体系或生物体系的相关酶制剂对外源性底物进行改造或结构修饰所发生的生理生化反应[3]。它比传统的化学合成更经济、更安全、更具区域选择性和立体选择性，能够得到一些用传统合成化学方法很难制备的生物活性化合物[4-6]。由此可见，生物转化具有生成新化合物或更有效地生产已知化合物的巨大潜力。

目前，用于转化研究的生物体系主要有真菌、细菌、藻类、植物悬浮细胞、组织或器官以及动物细胞、组织等，其中应用最多的是植物细胞悬浮培养体系和微生物体系。

由于植物细胞中存在许多特异性功能酶，通过选择合适的植物细胞、反应条件和底物，利用细胞悬浮培养进行生物转化，可以获得活性先导化合物[7-8]。近年来，利用植物细胞悬浮培养进行生物转化的研究日渐增多，有研究利用成熟的细胞悬浮培养体系对底物作用的多样性，对一些生物利用度低的天然化合物和部分人工合成的活性化合物进行生物转化，获得了具有较好活性的衍生物——熊果苷[9-10]。另外，微生物种类繁多、分布广、繁殖快、易变异、对自然环境的变化具有极强的适应能力、含酶丰富等特点使得微生物转化系统能快速稳定地实现生物活性物质的生产，而且微生物遗传操作的方法早已确立。Muthukumar等[11]将蕨类植物蜈蚣草的肌动蛋白催化基因转至土壤农杆菌中，将富含砒霜的孢子作为底物加入转化体系，进行了稳定表达。人参二醇皂苷以微生物体系为主进行的生物转化产物已被证实具有抗癌、抗炎、抗过敏以及神经保护和肝保护作用等药理活性[12]。目前，利用微生物转化天然药物是近年来研究的热点之一，其来源的广泛性为天然药物转化进一步产业化提供了可能性，值得深入研究。

1.1 生物转化中常见的反应类型

用于生物转化的各生物体系均能使多种化合物发生不同的反应，其中主要涉及羟基化、水解、氧化、还原、糖基化等几类化学反应。我们可以通过对这些反应的研究来寻找具有生物活性的衍生物，也可以通过对促进这些反应发生的酶的研究为产业化进程做准备。见表1。

1.1.1 羟基化反应 羟基化反应在生物转化中最为常见，目前可在底物某一位置或多个位置引入羟基，生成多种有意义的衍生物。见图1。克服了传统有机化学方法难以准确高效安全羟基化的瓶頸。此外，在羟基化反应中扮演重要角色的羟基化酶具有特异性，可以立体选择、专一地对底物进行羟基化，得到特定高活性成分或新化合物来增加药物疗效。人类最早对羟基化反应的关注始于Mason等[13]和Hayaishi等[14]对有机底物分子通过羟基化酶的作用结合氧生成氢氧化物的报道。生物转化中进行羟基化反应的酶类型见表2。1952年，Morray和Pereroon首次从黑根霉中将黄体酮转化为11α-羟基黄体酮，将研究者的注意力转向了生物转化和药物合成的结合。其中，细胞色素P450酶系在合成活性物质的羟基化反应中扮演着重要角色，能够介导甾体的羟基化反应，而甾体类化合物在脂肪代谢、糖代谢、蛋白质合成、矿物质合成等方面发挥着重要的作用[15]。这些酶参与了植物次生代谢中的大部分羟基化反应，如24-亚甲基胆固醇经细胞色素P450酶催化的氢酰化反应合成了多种烯醇类化合物，大约有14个细胞色素P450酶基因参与了紫杉醇途径[16-18]。羟基化反应在中药和天然药物开发中的应用见表3。

1.1.2 水解反应 常见于糖苷类、蛋白质及多肽、酯类等中药和天然药物的水解作用，尤其是糖苷类。目前国内外对人参皂苷和薯蓣皂苷水解反应研究最多，对大豆皂苷和甘草皂苷水解反应的研究次之，对齐墩果烷型五环三萜皂苷的研究相对较少。许多研究者通过生物转化途径改变皂苷的糖链结构来避免物理法和化学法水解皂苷糖苷键对生态环境的破坏。另外，通过生物水解酶体系，可特异有效地水解糖类、蛋白质及多肽等大分子物质，使原本被视为杂质的组分重新产生活性而得以利用。虽然现在大部分生物转化水解反应还处于较初级的筛选和发现阶段，但只要通过优化反应条件和优化克隆酶的基因等手段，发挥生物转化的长处，一定能更好地将其应用于中药和天然药物的研发。见表4。

1.1.3 氧化反应 当前对氧化反应的研究主要集中于羟基氧化、羰基氧化、环氧化等方面。环氧化反应在转化的过程中也很普遍，多发生在化合物的双键部位，尤其在菇类中常见，除环氧化反应，双键部位也很容易形成邻二醇结构[40]。最具代表性的便是没药醇在炭疽病毒作用下生成的几种代谢产物的表现。另外，环氧化反应生成的手性化合物的中间体在手性药物的研究中起重要作用。不对称环氧化反应的研究与发展能对手性药物的有效性和安全性提供基础保障，以及更经济和更安全的用药条件。见表5。

1.1.4 还原反应 目前报道的还原反应有羰基还原、双键还原等。还原酮和醛中的羰基可以制备手性醇，生成新的手性中心，其在生物转化中应用广泛，对药物化学的发展具有重要意义[41]。利用还原酶催化进行还原反应与传统化学方法进行还原相比具有高效、环保等显著优势。手性醇可以用来合成多种手性药物，发现和发展新型、高效的不对称还原催化，是极具前景的研究，其对于手性药物的制备也是至关重要的。见表6。

1.1.5 糖基化反应 常见的外源化合物中易发生糖基化的官能团有羟基、氨基、羧基、甲氧基等，主要的转化体系为植物悬浮细胞。而微生物体系内相应催化酶的缺乏，大多靠克隆外源基因构建工程菌来完成糖基化反应。糖基化通常是天然产物生物合成的最后一个环节，其实质上是糖基转移酶或糖苷转移酶参与的高专一性反应。糖基化产物具有高稳定性、高水溶性和低细胞毒性等特点，能让药效更好地发挥，为药物的生产和开发助力。见表7。

1.2 生物转化体系对中药和天然药物的影响

1.2.1 扩大药源，为新药开发提供基础 生物转化技术因其对外源底物作用的多样性、反应的强选择性和高效性，可以应对目前天然活性成分在中药和天然药物中含量低、结构复杂、合成困难等难题，缓解需求巨大的市场压力，为高品质的中药和天然药物走向现代化和国际化提供保障。近期有许多学者对发挥药用价值的活性成分进行研究，Fischer等[52]研究发现含H6H基因同源物的工程菌能使低山莨菪碱-6β-羟化酶在东莨菪碱生物合成中的活性大幅度提高。孙敏鸽等[53]利用黑曲霉将莪术醇转化为抗流感、呼吸道合胞病毒和单纯疱疹病毒作用更强的3α-羟基莪术醇。苏玲等[54]利用人参-灵芝共发酵过程的复杂反应类型，将原人参二醇型及原人参三醇型人参皂苷转变为稀有人参皂苷Rg3、20S-Rg3、Rf。为了进一步满足医药市场对活性物质的需求，有学者对生物转化产路进行了研究，如郭双双等[55]利用菌种HQ-10产生的β-葡萄糖醛酸酶对黄芩进行发酵，获得了超过原药材5倍以上的黄芩素提取率。为了解决青蒿素有效活性基团过氧桥的不稳定性、无法在酮基以外的部位进行结构转化的难题，有研究者将生物转化技术应用在青蒿素的开发利用上，从发酵产物中分离得到了16个转化产物，并通过结构鉴定确定其中10个为新化合物[56]。

1.2.2 减小不良反应，优化生产工艺 由于部分中药存在有效成分稳定性差、水溶性低、生物利用度低、不良反应强等问题，严重限制了其应用，故对这些有效成分加以结构转化或修饰，对改善其性质意义重大。羟基化反应一般会在底物某一位置或多个位置引入羟基，可以改变底物极性，能有效改善药物水溶性。李锐等[57]发现，利用华根霉将双脱甲氧基姜黄素进行微生物转化成双脱甲氧基姜黄素-O-葡萄糖苷，不仅增加了其水溶性，并增强了其抗肿瘤活性，大大提高了其生物利用度。叶敏[58]利用连格孢霉对华蟾毒精进行转化，利用羟基化、脱氢、脱乙酰基反应得到了6种羟基化和乙酰基产物，大大降低了华蟾毒精的毒性，还增加了其药效。孙鹏等[59]利用黑曲霉对附子进行生物转化，利用酯化反应降低了乌头碱含量，得到一种毒性较小的苯甲酰乌头原碱，提高了附子的药用价值。

1.2.3 作为体外模型，辅助药物代谢研究 Reighard和杨金铭[60]于1974年提出了“哺乳动物药物代谢的微生物代谢模型”理论。该理论建立在真菌与哺乳动物均为真核生物、其代谢机制所设计的酶系具有相似性的基础上。因此，这一研究领域的开启，为预测药物代谢和建立体外药物毒性代谢模型提供了良好平台[61]。目前有关人体肠内菌群对天然产物的转化作用报道较多，其中有研究发现肠内菌群也可以在体外帮助皂苷成分转化为易被吸收的苷元，再对其进一步利用，从而提高药物的生物利用度[62]。有研究利用人肠内菌群模型对药物代谢进行了深入研究，为入胃药的体内代谢研究提供了丰富的研究基础[63-72]。

2 小结

由此可见，生物转化体系中强大且多样的生物酶体系可克服传统研究方法难以实现的化学结构改造或修饰的难题，以更低廉的成本得到自然界含量稀少的物质或具有活性的新颖化学结构，以此扩大药源选择范围以促进中药新药的开发。酶体系对原活性物质的结构改造或修饰，大幅度扩大了高活低毒活性物质的筛选范围，有望从根本上解决某些药物的毒性问题，为中药活性成分的应用拓宽了道路，更为新药开发和应用奠定了良好基础。目前微生物模型在中药活性物质代谢方面的应用研究报道较少，但近几年生物信息学的快速发展，加上微生物代谢模型低成本、好调控和多样性等优点，其在活性、毒性评测以及活性物质代谢研究上的作用十分可期。

3 讨论

生物转化技术的应用，为传统中药和天然药物研究提供了良好的机会和方法。目前取得的许多创新性成果也得到了广泛认同和高度肯定。但是生物转化技术在国内的研究大部分仍处于实验室研究阶段，欲将其运用于工业化大生产仍需克服许多技术问题。面对这一境况，我们需要对转化机制和转化体系进行系统化认知，对各学科知识进行整理和融合，结合现代科学技术对其进行深入研究。生物转化技术在中药领域的应用前景十分广阔，我们应该将二者有效结合，加快推进中药现代化进程，为我国传统中药文化走向世界做出贡献。

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（2020-11-17收稿 责任编辑：吴珊，徐颖）