基于中药单体库的化合物筛选应用盘点
2023-03-28 来源:本站 点击次数:814中医药是中华民族的瑰宝，源远流长。中医治疗的主要手段是使用中药方剂，而中药方剂处方通常含有多种药用成分[1]。以中药中的草药为例。一般来说，草药是几种药用植物的提取物、干燥的植物材料或细粉。这些混合物被认为在治疗中产生协同作用。活性、非活性和有毒成分都包含在混合物中，具有不可预测的剂量反应和毒理学性质，这就可能存在潜在问题。因此，从传统的和常用的中药中鉴定和分离活性成分是多组分药物设计的基石。
■ 诺贝尔奖：青蒿素提起中医药，首先浮于脑海的一定非青蒿素莫属了吧~ 屠呦呦先驱性地发现中药单体 -- 青蒿素，开创了疟疾治疗的新方法，荣获 2015 年诺贝尔生理学或医学奖。这个发现，也一度把中药单体的发展推向了高潮。
青蒿素 ，是一种倍半萜内酯。1967年，屠呦呦作为负责人参与了中国建立了一个防治疟疾的国家项目--523 工程，从中草药中提取和分离可能具有抗疟疾活性的成分。该团队调查了 2000 多种中草药制剂，确定了 640 种可能具有抗疟活性的靶点。从 200 多种中草药中提取的 380 多种提取物对疟疾小鼠模型进行了抗疟效果评价。在 1972 年，鉴定出一种无色结晶物质为提取物的活性成分，将其命名为青蒿素 (图 1a,b)。随后于 1975 年在中国科学院生物物理研究所团队的协助下确定了其立体结构 (图 1c)[2]。2005 年，世界卫生组织宣布将治疗疟疾的战略转向青蒿素联合疗法 (ACT)。
a. 古典书籍中“青蒿”手绘彩图; b. 田间蒿属植物; c. 青蒿素的三维模型
■ 中医智慧：其他中药单体
与药物开发中的许多其他植物化学发现相比，发现青蒿素的途径很短。但这并不是中医智慧取得成果的唯一例子。中国的临床研究表明，砷是一种治疗急性早幼粒细胞白血病（Acute promyelocytic leukemia , APL）的有效且相对安全的中药，三氧化二砷被认为是APL的一线治疗药物，通过促进早幼粒细胞白血病蛋白（Promyelocytic leukemia, PML）的降解发挥其治疗作用。类似地，来自中草药 Huperzia serrate 的 Huperzine A，是一种乙酰胆碱酯酶抑制剂，是用于治疗记忆功能障碍的有效药物[2]。此外，随着研究的不断深入，来自中药产品的诸多化合物在多种疾病中显示出其独特的疗效。
中药原料主要来源于植物、动物或矿物，大多数已经使用了数百到数千年，它们的功效和毒性为人们所知。然而，它们的许多主要生物活性成分和潜在的治疗机制仍然未知。近年来，中药单体库的分离和制备已经取得了显著的进展，中药单体库和天然产物库等对传统中药成分进行了全面详尽的汇编，人们发现通过对传统药物化合物库进行高通量筛选 (High throughput screening，HTS) 可以为发现新型先导化合物提供良好的机会（详见往期推文：叮铃铃~高通量筛选了解一下）。
■ 应用一：抗病毒先导化合物的高通量筛选
浙江大学 Wang Yi 团队构建了 HEK293T 细胞模型，对含有 1306 个组分的中药配方提取文库进行抗病毒活性的筛选。通过液相色谱和质谱分析进一步鉴定Hit 化合物，并通过蛋白免疫印迹 (Western blotting) 和免疫荧光初步探索其作用机制 (图 2)。筛选出具有良好抗病毒活性的 3 个有效化合物，分别是芒柄花苷 (Ononin)、亥茅酚苷 (sec-O-β-D-glucosylhamaudol) 和黄芪甲苷 I (Astragaloside I)，它们还可以激活 p65 磷酸化和核易位[3]。
[2]
首先，挖掘选择了中医古籍论著中具有潜在抗病毒活性的方剂，通过对这些配方的标准化色谱分离，构建了一个 1306 个成分的提取文库，筛选出具有抗病毒活性的候选分子。然后，结合高效液相色谱-质谱 (HPLC-MS)、蛋白质印迹法 (Western blot) 和免疫荧光，最终鉴定出 3 个具有良好抗病毒活性的 hit 化合物，并对其作用机制进行了探讨。
■ 应用二：Taccaoside A 介导 CSCs 中 RAS 信号传导
类似的，2023 年四川大学的 Zhao Xudong 团队建立了一个 EGFP 敲入 CSC 报告基因细胞模型，以包含 386 种中草药的 8344 种成分的文库为基础，进行高通量筛选，鉴定了肿瘤干细胞 (CSCs) 特异性化合物，然后通过 LC-MS/MS 进行表征，将分离出的化合物进一步进行细胞毒性试验 (如细胞增殖、细胞死亡、DNA 损伤、线粒体膜变化和体外肿瘤形成等)。并且进行了表面等离子共振分析，蛋白质印迹和免疫组织化学和体内异种移植肿瘤生长实验等，以确定化合物在 CSC 中的潜在机制 (图 3)。最终从根生植物 Tacca. subflabellata 中鉴定出 Taccaoside A 可作为潜在的抗 CSC 药物的先导化合物[4]。
图 3. CSC 特异性药物的先导化合物筛选及机制研究[4]
使用高通量筛选中药文库中具有生物活性的化合物，鉴定出 Taccaoside A 并通过分子研究确定介导其细胞毒性作用的直接结合靶点 RAS 以及相关机制。■ 小结
基于传统中药的化学多样性和药理特性，中药在多靶点药物设计中具有很大的潜力。一方面，高通量筛选技术可以利用自动化设备及灵敏的检测系统等使生化或细胞事件能够重复和快速测试化合物数十万次。另一方面，其结合数量庞大的中药样品库，可以实现药物筛选的规模化。既充分利用了中药资源，又提高了传统中药来源的药物发现的几率，同时提高了中医药开发的质量。
MCE 的中药单体化合物库目前可以提供近 3000 种中草药来源的单体化合物，包括含黄酮类、多酚类、生物碱、萜类等多种结构类型，具有较高的药用价值，是筛选中药来源药物的有用工具。
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参考文献
[1]. Zhuchen Zhou. Applications of Network Pharmacology in Traditional Chinese Medicine Research. Volume 2020. Article ID 1646905
[2]. Tu Y. The discovery of artemisinin (qinghaosu) and gifts from Chinese medicine. Nat Med. 2011;17(10):1217-1220. Published 2011 Oct 11.
[3]. Yunru Yu. Ononin, sec-O-β-d-glucosylhamaudol and astragaloside I: antiviral lead compounds identified via high throughput screening and biological validation from traditional Chinese medicine Zhongjing formulary.Pharmacol Res. 2019 Jul;145:104248.
[4]. Yang D, Dai Z, Zhu P, et al. High throughput-screening of native herbal compounds identifies taccaoside A as a cytotoxic compound that mediates RAS signaling in cancer stem cells. Phytomedicine. 2023;108:154492.
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