現代生物技術與中藥現代化 史萬玉1,王忠2，韓德昌2，曹立輝2，包永占1 （1．河北農業大學動物科技學院，保定 071001；2河北省正定獸醫站，正定 050012） |
摘要：21世紀，生物技術的發展進入一個更精確、更高效設計和應用的新階段。同時生物芯片技術對生命科學發展起了很大的推動作用。中藥現代化研究，應該大力借鑒和引入這些新觀念和新技術，發展和完善自身理論體系，使傳統中藥的研究能夠與現代科技研究接軌，開創中藥現代化研究的新局面。本文就生物技術在中藥藥理、靶向基因的尋找、中藥材生產、中藥質量控制、中藥化學等方面的應用作一簡單的綜述和展望。 關鍵詞：生物技術；中藥現代化；中藥藥理；中藥材生產；中藥質量控制；中藥化學；靶向基因 當前，現代生物技術在克隆和轉基因生物，功能基因組發現、基因治療等方面不斷取得驚人的突破。隨著人類基因組計劃的完成，后基因組時代揭開了序幕。人類基因組計劃通過對生命遺傳物質DNA進行測序，解碼生命的秘密。解決了基因序列問題只是解決了遺傳信息庫的問題，進一步了解基因的功能，建立遺傳信息和生命活動之間的聯系則是后基因組時代的主要任務，因而，功能基因組學和蛋白質組學的研究成為后基因組時代的核心，這將深化人類對基因的表達調控規律和所表達蛋白質的生物功能的認識。在后基因時代，生物技術將得到空前的發展，生物技術將實現更精確、更高效的設計，促使其應用進入一個新階段。如生物技術的進步不僅將使基因工程、蛋白質工程、細胞工程、發酵工程等生物工程技術的設計和應用實現更高的集約性，為其大規模生產做準備；同時也將滲透到如醫學、藥學、農業等相關領域，使其內在格局發生巨大變革。中藥現代化研究，應該大力借鑒和引入這些新觀念和新技術，發展和完善自身理論體系，使傳統中藥的研究能夠與現代科技研究接軌，開創中藥現代化研究的新局面。 一、揭示中藥的藥理機制 中藥藥理是一個涉及多成分、多靶點、多途徑的作用過程。利用中藥給病人治病時，病人同時伴發的另外有些疑難頑癥也居然痊愈，提示中藥的作用靶點有可能在mRNA的調控、抑制蛋白質的錯誤表達或清除錯誤的蛋白質上，從而從根本上使疾病得以恢復。在人類疾病的基因中，部分疾病基因可為另一部分少數基因所調控，針對這些基因治療，也是治療的關鍵環節之一。 從中藥角度看，立足化學層次，單味藥材就是一個化學分子庫，復方是單味藥材按照特定的組織原則組織起來的巨化學分子庫。雖然不是所有化學成分都是有效成分，但在發揮作用過程中，各成分之間存在著相互協同或抑制作用，要從中篩選和確定出有效成分是一項非常復雜的工作。從機體角度看，機體是一個極其復雜的巨系統。現代生物學已經認識了從整體—器官—細胞—分子不同層次，每個層次中都包含著多因素的問題。研究這樣兩個多因素系統相互作用過程，其復雜程度可想而知。現在雖然對多因素認識已經成為共識，隨之提出了各種理論，比如中藥復方作用的“霰彈”理論，“中藥基因組”和“中藥化學組”理論，但對于理論可行性的驗證尚待進一步考察。通過功能基因組和蛋白質組研究，在從微觀機制角度闡述和發現中醫理論“證”內涵的基礎上，可能會揭示中藥復方在分子水平的作用機理。中醫理論“證”是疾病發展過程中某一階段的病機概括，是機體內因和環境外因綜合作用的機體反應狀態，隨著病程的發展而相應發生變化。中藥治療疾病不是強調以藥物去直接對抗致病因子，重點在于調整機體功能狀態，發揮機體抗病能力。在實現對機體功能狀態的調節過程中，涉及了從遺傳信息到整體功能實現中的分子—細胞—器官—整體多個層面，對多層面的系統關聯性研究正是后基因組時代的主要任務。依據多基因致病的關聯特性，通過基因表達譜和表達產物的差比性分析，可以揭示證候發生和發展在分子水平的調控規律，進而可能揭示中藥復方的作用靶點、作用環節和作用過程，從而可能會闡明中藥復方在分子水平的作用機理。 二、尋找藥物作用的靶向基因 有效藥物作用靶點的篩選與鑒定是現代新藥研發的中心內容之一，對藥物靶點的研究可在基因和蛋白質兩個層面進行。相對來說，目前對基因研究的平臺技術遠較蛋白質成熟、簡便，對基因組學的研究也較蛋白質組學更深入、全面。 基因藥物開發的前提是藥靶的確定。人類基因組和一批重要模式生物體基因組的全序列測定，為醫藥工業提供了一個全新的突破方向。目前已知可作為藥靶的基因約500個，Drews和Roses等認為，在人類基因組中可用于疾病治療的藥物靶點有3000-10000個。由此可見，在藥靶的發現與研究領域還有相當的空間，而我國具有數千年臨床研究與應用歷史的中藥，在這一領域具有得天獨厚的發展優勢。中藥對一些疑難雜癥具有良好療效，但在藥靶及其作用機制的研究方面則非常薄弱，基因芯片技術的應用將有助于改變這一局面。 基因芯片技術是指采用原位合成或顯微打印方法，將數以萬計的DNA探針固化于支持物表面上，形成DNA探針二維陣列，然后與標記的樣品進行雜交，并通過對雜交信號的檢測獲得所需結果。在整個過程中基本由電腦與機器人操作，如探針合成、陣列排布、點樣、結果閱讀與分析等，全部實現自動化操作，具有高度并行、高通量、微型化、自動化的特點。因此，利用基因芯片技術，可以在顯著提高藥物篩選、靶基因鑒別和新藥測試速度的同時顯著降低成本。 借助于基因芯片技術，特別是表達譜基因芯片，可以對用藥后的不同時間點采樣，以用藥前組織／細胞樣品為對照，對用藥前后相應組織／細胞中基因表達的動態變化進行比較分析，獲得與藥物作用相關的基因表達譜資料。因此，結合表達譜基因芯片技術，可以揭示藥物作用的靶向基因，獲得新的藥靶。同時，利用療效確切的中藥，可以達到事半功倍的成效，即根據已有的藥理信息進行實驗設計，以減少篩選的盲目性，直接獲得藥物作用前后基因表達變化的信息，不僅為一些新基因的功能研究提供了線索，而且為研究中藥作用的分子機制提供了一個新的技術平臺。 三、擴大中藥生藥的生產途徑 中藥材生產存在供需不平衡問題。一些多年生的道地藥材，由于需要量大，不時形成缺貨現象，如黃連、當歸、懷牛膝等；中藥大多依靠野生資源，經逐年采集，有些品種的產量有所下降，造成常用中藥材的緊缺，如厚樸；有些藥材如牛黃、麝香，本來產量就小，更顯得供不應求；有些品種是國際、國內公布的珍稀瀕危動植物品種，如野山參、羚羊角、虎骨等。由于這些問題大大影響了中藥的應用，進而影響了中醫臨床療效。同時市場流通的中藥材因為品種、產地、采摘季節、加工方法、貯藏方式等因素的影響，質量很不穩定，還存在農藥殘留、重金屬含量過高等問題，對中藥材的質量保證形成了極大的制約，對中藥材的應用產生了嚴重的影響。針對上述問題，可積極采用生物工程技術發展中藥材生產。對于可以引種的藥材，人工模擬藥材自然生長環境，進行人工培植，規模化經營生產，保證統一的采摘季節、加工方法、貯藏方式，同時解決農藥殘留和重金屬含量問題，如人參、西洋參的引種栽培；對于可以用細胞工程培養的藥材，可以建立細胞體系進行生產，如人參、紅豆杉、三七、洋地黃等的細胞培養工程；對于可以用基因工程生產的，可以進行基因工程的生產，如蛇毒、水蛭素、蝎毒等可以克隆其基因在載體中表達生產。由于藥材中有效成分往往含量甚微，如在植物中的生物堿、皂甙、黃酮等，利用引種栽培方法大幅度提高有效成分的含量，往往難度很大，即使利用細胞培養的方法，也同樣存在著細胞內有效成分含量低，產量不穩定等問題。如利用植物細胞工程學迄今已研究過許多種植物，從培養細胞中分離得到多種次生代謝物質，只有人參、紫草、老鸛草等少數幾種藥用植物的細胞培養達到了工業化生產規模。將來通過功能基因組和蛋白質組研究，可以對有效成分合成的關鍵基因進行調控，促進其表達，提高目標產物的含量，從而使藥材明顯提高有效成分含量，同時通過基因的調控，實現降低毒性成分和非有效成分含量，甚而實現單獨生產有效成分等等，這是將來中藥材生產的一個美好前景。我們可以預見，利用生物工程技術生產中藥材，是將來大規模生產中藥材的一大趨勢。盡管實現這一目標尚有很多基礎研究工作有待完成，但隨著生命科學和技術的發展，在不久的將來，人類完全可以獲得有效成分含量高的轉基因中藥材和基因改造后的優良細胞系，并進行有效成分的大規模生產，使中藥材的生產和質量保證達到理想水平。 四、加強中藥生產的質量控制 中藥鑒定研究既是中藥材品種確定，質量控制的需要，也是尋找和擴大新藥源的需要。傳統中藥鑒定方法主要通過性狀鑒定，如顏色、氣味、形狀、口嘗、水試、火試等方法進行鑒定，有很大的主觀性。現代中藥鑒定學在繼承傳統方法的基礎上，借鑒現代科技手段，形成了來源鑒定、纖維鑒定、理化鑒定等技術，大大提高了中藥鑒定學的科學性和可重復性。近年來，中藥材指紋圖譜技術發展十分迅速，它從化學組分及其含特征來確定物種和保證質量，是中藥鑒定學發展的一個重大進步。 現代中藥鑒定學應進一步借鑒基因圖譜的方法，建立植物和動物中藥材特征性基因圖譜庫，使中藥鑒定達到分子水平的特異性。由于我國中藥資源十分豐富，各地用藥品種和習慣不盡相同，因而對各種基源進行品種基因圖譜的測定,這里指+,- 組成序列的測定，建立統一的中藥材品種基因圖譜庫，力求達到一名一物，一物一名，是一項十分必要的工作。通過功能基因組和蛋白質組的研究，在中藥材品種基因庫的基礎上，進而可以建立中藥材特征性表達基因圖譜庫，比如特征性的DNA文庫。因為品種基因圖譜只是代表了該藥材品種遺傳信息庫的組成，不能反映在不同生長環境中，同種藥材基因組差異表達的特異性，通過功能基因組和蛋白質組的研究，可以進一步確定具體藥材基因表達的特異性和蛋白質組構成的特異性，從而建立中藥材特征性表達基因圖譜庫和蛋白圖譜庫，以達到特異性更高的鑒定要求。“道地藥材”的研究是中藥鑒定學中的重要課題，道地藥材的生產，除了與藥材特定的生長環境和特殊的采收加工技術有關外，還與該道地藥材產區內這一物種的地方種群，或居群中遺傳上的特殊性有關。如果能夠從基因組成特征、基因表達差異、化學組成和含量、植物形態、臨床療效等多層面進行藥材鑒定的論證，可以深入揭示該理論的科學內涵。比如川黃連、藏紅花、懷地黃等道地藥材，可以通過研究比較各地所產藥材和道地藥材的差別，尤其是基因表達差異、化學組成及含量的差異和臨床療效的差異，有可能揭示在不同生長環境中生長的相同物種之間的差異。推而廣之，建立包括基因組成特征、基因差異表達、化學組成和含量、植物形態、臨床療效等多層面的中藥鑒定學科體系，并闡明各層面之間的相關性，應該是現代中藥鑒定學發展的目標。同時，通過這種學科體系建設，也可為尋找和擴大新藥源提供可靠的指導資料。通過系統分析各種中藥材，可從生物的親緣關系、化學成分組成和含量等方面提供藥物的新作用或替代作用信息，如從生物親緣關系上發現的丹參同屬植物云南鼠尾和甘西鼠尾中有效成分含量較丹參為高或較高，這就為新藥開發提供了新的研究方法。 五、為中藥化學的研究提供新思路 中藥化學研究的主要任務是提取、分離、鑒定，乃至于合成中藥材中的生理活性成分和有效成分。但在天然藥材中，植物藥和動物藥占絕大多數，所含化學成分非常復雜，以致難以準確確定其中的有效成分。中藥復方的化學研究由于其復雜性和整體性存在更多的困難。因此，如果化學分析跟不上，不能清楚地分析藥材中所含化學成分，將對運用生物技術生產中藥有效成分形成阻礙，同時對中藥藥理學、中藥鑒定學、中藥藥劑學科的研究也形成了極大的限制。中藥化學研究的發展，關鍵之一在于綜合運用現代分析技術來解決。如生物芯片高通量、多因素、微型化和自動化檢測，給中藥分析帶來了極大的便利條件。可以根據中藥不同化學成分的分離條件，設計中藥不同成分的提取、分離、鑒定時所需的中藥分析用生物芯片。如可以設計分離生物堿的芯片，分離醌類的芯片、分離黃酮的芯片；也可以設計同時分離篩選生物堿、醌類、黃酮、皂甙等成分的綜合分析芯片，用于單味藥成分篩選性分析，或用于對復方進行嘗試性歸類分析；當然還可以針對單味藥材的多種組分，設計用于該藥分析和鑒定的中藥材芯片等等。這些都將大大推進中藥化學的研究。中藥芯片在中藥科研和中成藥生產質量控制方面可能會有廣闊的應用前景。 另一方面，采用控制遺傳信息方式來分析和合成中藥材的有效成分，是中藥化學研究和生物科學研究的交叉領域。將來通過功能基因組和蛋白質組的研究，在越來越多地了解遺傳信息表達和調控規律基礎上，采用控制遺傳信息方式來分析和合成中藥材的有效成分，從而推動中藥有效成分系統分析和利用生物技術生產中藥有效成分的發展。在藥用植物有效成分基因調控方面的研究已經開始，有些有效成分生物合成的人工調控已獲得了初步成功，如對二萜紫杉醇的研究。隨著功能基因組和蛋白質組的研究，遺傳信息的表達調控規律和所表達蛋白質生物功能將得到更多地闡明，這一交叉領域將會有更大的發展前景。 以上只是現代生物技術在中醫藥現代化研究中的一部分。隨著生物技術的不斷發展，其在中醫藥現代化研究中的應用也會越來越廣。諸如中藥藥劑研究等同樣可以借鑒生命科學的發展，比如靶向制劑、脂質體制劑等劑型。同時，這些方面彼此相互聯系，相互促進，是一個有機的整體，如中藥化學的研究發展，可以促進鑒定、藥理、制劑、生產、質量控制等方面的進步。可以預見，在后基因組時代，隨著新思路和新技術的引入，中藥現代化進程必然加速，并開創出嶄新局面。 |
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