生化药学与现代药学研究吴梧桐（中国药科大学生物化学教研室南京２１０００９）摘要现代药学研 究正从传统的化学模式转向生物学与化学相结合的模式。本文综述了生化药学在生物新药的研究与 先导化合物的深入发现等方面的研究进展；基因工程技术在制药工业中的应用；药物设计新途径的 分子生物学基础和利用生物技术改造传统制药工业等内容，并讨论了生化药学在当代药学科学发展 中的地位和作用。关键词生化药学生物技术生物新药药物设计先导化合物生化药学是研究与药学科 学相关的生物化学理论、原理与技术及其在药物研究、药品生产、药物质量控制与临床应用的二级 学科。主要包含生化与微生物药学两个方向。２０世纪中叶以来，许多新理论、新技术迅速进入药 学研究领域，如电子学、波谱技术、立体化学、量子理论与遗传中心法则等新概念，使对物质结构 、生物大分子的结构与功能和分子遗传学的理论有了深入了解。加之生理学、生物化学与分子生物 学的进展，使实验医学有了重大突破，从而为新药的发现提供了理论、概念、技术和方法。到２０ 世纪末，药学科学又步入了另一新的发展阶段，其特点是以化学模式为主体的药学科学迅速转向以 生物学和化学相结合的新模式。因此生化药学在当代药学科学发展中起到了先导作用。为此美国将 “ＮＩＨ药理学科规划”从１９９３年３月起改为“药理及生命有关的化学学科规划”，其中与生 命科学相关的化学研究占到１／３以上。我国药学工作者必须据此更新观念，有准备地迎接新世纪 的挑战。１生物新药的研究与先导化合物的深入发现［１］开发新药的物质来源可以是天然资源与 合成的化合物，从众多候选化合物中发现具有进一步研究和开发意义的物质，也即先导化合物，是 研究新药的起始步骤。一旦发现新的先导化合物，再对其分子进行简化、改造、修饰或优化，即可 发现与创制具有新型结构及特殊药理作用的新药。从天然产物中发现先导物是新药研究的一个重要 方面。尤其是研制治疗疑难重症的药物更寄希望于天然产物。目前从天然产物中寻找防治肿瘤、艾 滋病，抗病毒、溶栓等药物是新药研究的热门课题，从各国传统药中寻找先导物也受到很大重视。 在现有上市药物中，属于天然来源的约占１／４，由于分离技术和结构测定技术的进步，已能较快 得到许多原本含量低、结构复杂的化合物的纯品，确定其化学结构，极大地丰富了天然产物的来源 ，并已开发出多种受到临床上重视的新药，如三尖杉酯碱、高三尖杉酯碱、１０－羟基和９－氨基 喜树碱以及由鬼臼毒素衍生出来的ＶＰ－１６和ＶＭ－２６等抗肿瘤药物，还有新型抗疟药青蒿素 和治疗卵巢瘤等实体瘤的新药紫杉醇以及冠心病防治药银杏黄酮、内酯等。微生物药物主要包括抗 生素和微生物代谢产物。已广泛应用的抗生素有１００多种，已发现的抗生素达９０００多种，人 工半合成抗生素、微生物酶抑制剂和免疫调节剂是当前微生物药物的主要发展方向。如ＨＭＧ－Ｃ ｏＡ（３－羟基－３－甲基戊二酰辅酶Ａ还原酶）抑制剂洛伐他丁（Ｌｏｖａｓｔａｔｉｎ）年销 售额已达１０亿美元；环孢菌素Ａ是有效的免疫抑制剂，对器官移植的抗排斥反应有突出临床效果 。在现有微生物药物研究中，抗细菌、抗真菌、抗癌、杀虫等药物所占比例相近，合计约占５０％ ．其他生理活性物占５０％．如图１所示：抗癌类（包括抑制蛋白激酶Ｃ），抑制肿瘤血管新生作 用；循环系统类药物（包括拮抗内皮素），抑制磷酸二酯酶，抗血小板凝集作用；降血脂类（包括 抑制胆固醇酰基转移酶），抑制羟甲基戊二酰辅酶Ａ还原酶；还有抗炎、抗过敏、免疫抑制剂、抗 艾滋病毒等活性物质。图１微生物药物研究方向图示（ＪＡｎｔｉｂｉｏｔｉｃｓ，１９９１～１ ９９４年）已上市的生化药物有５００多种，还有１００多种临床诊断试剂。主要有氨基酸类、多 肽蛋白质类、核酸类、多糖类、脂类和细胞生长调节因子等。最近在肝细胞生长因子、脑活素、神 经节苷脂、蚓激酶、蛇毒抗栓酶、低分子量肝素、ＵＴＩ，肺表面活性物质（ｐｓ）和抗菌肽等方 面的研究都取得突出成果，尤其是神经肽和细胞生长调节因子的研究进展更为迅速。已发现的神经 肽达５０种，已成为神经生物学最活跃的研究领域之一。已发现的细胞生长调节因子达１００多种 ，如ＥＰＯ，ＴＰＯ，Ｇ－ＣＳＦ，Ｍ－ＣＳＦ，ＧＭ－ＣＳＦ，ＥＧＦ，ＮＧＦ，ＩＬ－２，Ｉ ＦＮ，ＴＮＦ，ＢＤＧＦ等均已在临床应用。从天然产物中寻找具有特殊活性的微量多肽蛋白作为 发现新药的先导物正方兴未艾，如水蛭素，蜂毒多肽，蜱抗凝肽和犬钩虫抗凝肽Ａ－ＣＡＰ等均为 新型溶栓药物的研究热点。海洋药物的研究也是新药开发的活跃领域。美国国立肿瘤研究所每年筛 选３万个新的抗癌化合物，有５％来自海洋生物。海洋动物提取物中有１０％具有抗癌活性，３． ５％海洋植物提取物有抗癌和细胞毒活性。已发现的３万多种海洋生化物质，主要具有抗癌、抗菌 、抗病毒、抗艾滋病、降压、防治冠心病、免疫调节与抗衰老等作用。ＦＤＡ已批准抗肿瘤药物海 鞘素、ＭＬＤ（Ｍａｎｏａｌｉｅｄｅ）和ＡＩＦ（ＳＣ－ＤＩ鲨鱼软骨提取物的新生血管抑制因 子）及海葵素（ＰＩＸ，新型强心剂）进入临床试验研究。众多的天然产物除可直接开发成为有效 的生物药物外，尚可以由天然活性物质的深入发现找到结构新颖的先导化合物，设计合成新的化学 实体（ＮＣＥ）。通过对此类先导化合物的结构与功能的研究可获得大量有效信息，以供设计和研 究全新的化学实体。如人体内新的活性多肽的不断发现，使传统的生理调节基础理论发生变化，进 一步深化了对某些疾病的病理机制的认识，为新药设计开辟了新途径。从动物与人体的呼吸系统内 发现多种神经肽，表明呼吸功能除受肾上腺素能神经和胆碱能神经的调节外，还受非肾上腺素能和 非胆碱能神经的调节。此类神经调节系统的递质主要是神经肽。结果从心房中分离到心钠素，从大 脑中分离到脑钠素，具有强大的利尿，利钠，降压和调节心律作用，为寻找心血管系统药开辟了新 领域。以天然产物为先导物，通过组合化学技术合成大量的结构相关的物质，建立有序变化的化合 物库供药物筛选和药效关系研究，如根据脑啡肽结构，将除去半胱氨酸以外的１９种氨基酸任意组 合成６肽库，合成了总肽数达５２１２８４００种，从中筛选鸦片拮抗剂，得到３种强活性多肽； 为寻找抗ＨＩＶ药物，用组合化学法合成筛选了６５５３６种硫代磷酸八聚核苷酸。应用组合化学 技术超大量合成和筛选的基本原理是在芯片或合成株等固相表面上进行原位合成和原位筛选。除肽 类及寡核苷酸外，多糖类及小分子化合物的组合化学合成法也取得进展。通过生物新药的研究，结 合组合化学技术，为扩大分子多样性，发现先导化合物，创立新的化学实体，找到了一条强有力的 新途径。２重组ＤＮＡ技术开创了制药工业新门类在现代生物技术中，医药生物技术起步最早、发 展最快，世界上已有２０００多家生物技术公司，其中７０％从事医药产品的开发。预测到２００ ０年世界生物技术药品的总销售额将突破６００亿美元，年增长率达２４％．到２００３年世界药 品市场的销售额预测为２５００亿美元，基因工程重组蛋白类药品的总销售额至少占１０％．１９ ９５年美国已批准２５个生物技术药品上市，还有１４３种生物技术药物和疫苗正在进行临床试验 ，另有４７２种处于不同研究阶段。资料表明，从１９８２年重组人胰岛素上市至１９９１年１０ 年间，仅批准该类药品用于治疗２１个病种，而近三年新批准了用于治疗的病种１３个。说明生物 技术药品的审评速度加快，生物技术工业总体日趋成熟，正在由风险产业变成以商业为动力，以市 场为中心的产业［２］。应用生物技术已有可能产生几乎所有的多肽和蛋白质，基因工程技术的应 用已使新药研究方法和制药工业的生产方式发生重大变革，并日趋成熟。２．１第一代和第二代生 物技术药品［３］应用基因工程技术制取非常稀少，难于用传统工艺生产的天然生理活性物质，使 其成为常规有效药品，正在成为现代制药工业的新门类。第一代基因工程药物是针对因缺乏天然内 源性蛋白所引起的一些疾病，应用基因工程技术去扩大这类多肽蛋白质的产量，主要是以蛋白质激 素类为代表的如人胰岛素，胰高血糖素，人生长激素，降钙素，促生长素（Ｓｏｍａｔｒｏｐｉｎ ），α－ΕΡΟ（Ｅｐｏｅｔｉｎａｌｆａ）等，以替代或补充体内对这类活性多肽蛋白质的需要 。第二代基因工程药物是根据内源性多肽蛋白的生理活性，应用基因工程技术大量生产这些极为稀 有物质，主要是以细胞生长调节因子为代表的如Ｇ－ＣＳＦ，ＧＭ－ＣＳＦ，α－ＩＦＮ，γ－Ｉ ＦＮ和ｔｐＡ等，将其以超常浓度剂量供给人体，以激发它们的天然活性作为其治疗疾病的药理基 础。在实际应用中，基因工程药物受到一定限制，如口服应用时生物利用度低，会受到消化酶的破 坏，在胃酸作用下不稳定，在体内半衰期较短等，因此只能注射给药或局部用药。为了克服这些缺 陷，已开始改为合成这些天然蛋白质的较小活性片段，即所谓“多肽模拟”或“多肽结构域”合成 ，又叫“小分子结构药物设计”。这类药物可口服，有利于由皮肤、粘膜给药，用于治疗免疫缺陷 症，ＨＩＶ感染，变态反应性疾病，风湿性关节炎等，其制造成本也更低。这种设计思想业已应用 于多糖类药物、核酸类药物和模拟酶的有关研究。小分子药物设计属于第二代结构相关性药物设计 ，所设计的分子能替代原先天然活性蛋白与特异靶相互作用［４］。２．２蛋白质分子设计与蛋白 质工程药物蛋白质的分子设计就是有目的地为制造蛋白质工程药物提供设计方案。应用蛋白质工程 技术已获得多种自然界不存在的新型基因工程药物，如ＣＤ４，ＩＬ－２与毒素结合的杂合蛋白和 ＰＩＸＹ３２１等。蛋白质工程药物的分子设计主要有以下方法：（１）用突变技术更换活性蛋白的某些关键氨基酸残基，如将天然ＩＬ－２的１２５位ｃｙｓ点突变为ｓｅｒ所得的１２５Ｓ－ＩＬ－２不会形成二聚体，比活高、热稳定性好，体内半衰期延长，是我国首创的基因工程药物。（２）通过增加、删除或调整分子上的某些肽段或结构域或寡糖链，使之改变活性，生成合适糖型，
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