药物发现阶段的一个重要研究内容是化合物库的建设,不断扩充的化合物库的内涵包括质和量两个概念,量是化合物的数量,而质是化合物的类药性(drugability),质的提高对药物发现效率的提高具有更重要的意义,Lipinski的“RuleofFive”法则很好地阐明了这一点。水溶性天然化合物是指相对于天然产物中有着广泛研究的脂溶性成分而言的极性较大的次级代谢产物。天然药物资源,尤其是中药的民间运用特点(如水煎)说明其中的水溶性成分是其重要的药理作用物质基础,在临床上有着广泛使用的中药注射剂更是以其水溶性成分为其确切疗效的保证。近年来方兴未艾的海洋天然产物,由于大多数次级代谢产物是作为海洋中缺乏有效的物理防御机制的海洋生物的化学防御物质分泌至海水中来抵御天敌的侵害,水溶性是其基本的理化性质特点。这一切说明水溶性天然化合物具有更好的类药特点。
随着现代分离技术和波谱技术(如LC-MS、LC-NMR等联用技术)的迅猛发展,制约天然产物研究的分离和结构解析的因素日益消除,尽管如此,天然产物的结构多样性和复杂性以及与之相关的理化性质的差别决定了没有一种通用技术可以彻底解决天然产物研究的分离、分析问题,天然产物的分离、分析还是无法跟上生物学研究的快速发展步骤。水溶性天然产物的分离和结构鉴定就是其中的难题之一。此外,通常认为药物靶点是水溶性蛋白质中的脂溶性口袋的观点也使得人们对于水溶性天然化合物鲜于挖掘。两方面的原因使得水溶性天然化合物成了当今亟待开发的天然活性化合物资源。
相对于脂溶性成分,水溶性化合物稳定性较差、易被硅胶吸附破坏、和无机盐及大分子(糖、蛋白质、多肽等)处在相同的极性区域、含量更低、骨架特异、波谱信号重叠复杂等一系列特点使得水溶性成分的分离和结构鉴定极具挑战性。
水溶性成分的分离需要排除多种因素的干扰。普遍较差的稳定性使得水溶性成分的研究需要采用更为温和的分离条件,否则,分离获得的往往是其降解产物,无法反映原药材的药理活性特点。无机盐的存在,这在海洋天然产物研究中尤其明显,使得活性跟踪无法顺利进行。大分子的干扰使得含量相对较少的小分子成分被掩盖,而且即使微量的大分子残留在中药制剂中都会对安全性产生不可忽略的影响,频发的中药注射剂不良反应事件的一个重要因素就是导致过敏反应的大分子杂质的存在。硅胶的高吸附性和弱酸性使得水溶性成分在分离过程中损失巨大,而水溶性成分在天然药物资源中的含量甚微,特别是在海洋天然产物的研究中,资源稀少,作为关键活性成分的水溶性成分含量极低,两方面的因素使得这类成分最终无法阐明,偏离了海洋天然产物研究的最基本前提。采用硅胶进行天然产物分离研究的案例中,经常会遇到活性跟踪中断的例子,一个重要的原因就是具有活性的微量水溶性成分被吸附消除或被降解为无活性的产物。水溶性成分的分离难度使得在对天然药物资源的研究过程中往往将这些成分忽略了,甚至直接放弃了天然药物资源中最重要的一部分。
水溶性成分的分离难度也直接影响了其结构鉴定。水溶性的特点使得无法通过结晶等手段获得高纯度的样品,在对化合物绝对构型的鉴定中无法采用X射线单晶衍射的分析。纯化的化合物量甚少(微克级),使得波谱分析的难度大大增加,即使完成了结构鉴定,也无法保证下一步的活性研究样品量。水溶性成分的结构解析同样具有不同于脂溶性成分的特点。除了常见的分子质量较小的水溶性化合物的结构鉴定比较简单外,由于前期研究较少,大多化合物的鉴定无法借鉴前人研究的结果。许多水溶性成分是不同结构单元的缩合产物,分子中含有较多的芳香骨架,在波谱中如NMR中由于屏蔽或去屏蔽效应的存在,使得化学位移信号异常,相似结构单元缩合而成的结构特点使得信号重叠,无法区分,多取代的特点使得1H-NMR简单,但13C-NMR信号重叠,无法通过1H-13CCOSY等二维谱技术来确定骨架连接,往往需要通过化学降解来获得结构片段的信息。
技术的困难和长期以来对药物靶标的水溶性结合位点认识的忽略导致该领域的研究薄弱甚至直接放弃,是天然药物化学研究的一个巨大损失。一方面忽略了一个重要的活性化合物资源,更使得中药药理作用物质基础的阐明欠缺了重要的一环,而离开了明确的药理作用物质基础,一切后续的提高和发展更无从谈起,使之成了科学难题。
由此可见,水溶性天然产物的分离和结构鉴定是充分挖掘我国丰富的天然药物资源宝库,提高和发展我国中药研究和产业水平,乃至创新药物研究迫切需要跨出的一步。近年来,随着分离和结构鉴定技术的不断发展,对该领域研究重要性的认识不断提高,提供了解决该难题的可能性。如各种原来用于大分子成分(蛋白质、多糖)研究的反相层析担体可以克服硅胶的高吸附、降低分离过程的损失,LC-MSn、LC-NMR等联用技术,可以快速地从提取物中直接获得化合物的结构信息,高磁场的NMR、超导低温探头可以对微克级的样品进行波谱分析,高通量、高内涵筛选、虚拟筛选等技术使得活性研究更符合微量成分研究的需求。不断深入的研究也使得对一些化合物有了新的认识,如丹宁类(tanni-noids)化合物,长期以来,该类成分由于普遍存在易和蛋白质结合的性质,被认为是中药中非特异性作用成分而抛弃,在活性筛选中由于自身的紫外吸收干扰而特意设置一个除丹宁的步骤。近年来发现该类成分并非如此,在抗肿瘤、抗HIV等领域,该类成分显示良好的活性,从而引起了大家对其重新认识的兴趣,FDA于2006年批准的目前唯一的天然药物就是以小分子丹宁(EGCG)为主要成分的茶多酚提取物。而我国传统中药中,特别是列为上品的中药中,大多含有丰富的多酚性的水溶性成分。近年来尽管临床疗效显著但不良事件频发的中药注射剂更是以水溶性成分为有效成分,这些成分的阐明既是水溶性天然化合物研究的一个突破口,将是天然药物化学研究的一个重要方向,也是我国中药现代化研究(如中药注射剂的药用物质基础的阐明等)的迫切需要。此外,水溶性活性天然化合物的阐明以及进一步的作用机制和靶蛋白的研究也将为药物新靶标的发现和验证开辟新的思路。
