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从抗疟药奎宁、青蒿素的发现到新药质量标准制定的过程的解析谈药物分析学科在新药开发中的作用摘 要：回顾了抗疟药青蒿素和奎宁的开发历程，概括了这两种药物的质量研究过程，畅谈了药物分析学科在新药研发中的作用。关键词：青蒿素、奎宁、质量研究标准、药物分析疟疾是严重危害人类健康的疾病之一，根据世界卫生组织(WHO)统计，每年全球发病人数达35亿，年平均死亡人数高达100200万。因此，科学家们一直致力于寻找、开发、合成治疗疟疾的药物，使得疟疾得到控制。西方科学家佩雷蒂尔（P.Jpellefier）和卡文顿（J.Bcaventou）从金鸡纳树皮中提取到了奎宁和辛可宁生物碱，中国科学家在20世纪70年代从中草药青蒿（植物黄花蒿）中提取到了抗疟的有效成分青蒿素，挽救了全球特别是非洲地区的数百万人的生命。在这些药物的研究开发与后续发展过程中，药物分析的一些方法起着至关重要的作用。1奎宁的发现过程奎宁俗称金鸡纳碱，属于来自天然的生物碱类（alkaloids）化合物，最早是从茜草科植物金鸡纳树Cinchona ledgeriana (Howard) Moens ex Trim及其同属植物的树皮中提取得到的。奎宁是治疗疟疾的特效药，它的发现及应用曾经挽救了无数疟疾病人的生命。奎宁的真实起源目前并无实证，在西方，17世纪前南美洲印第安人靠喝金鸡纳树皮水治疗疟疾；约四百多年前欧洲殖民者侵略美洲时，很多欧洲人不适应当地的气候条件，染上了严重的疟疾而死亡。当时，西班牙驻秘鲁总督的夫人安娜（Ana Chinchón）也不幸染上了疟疾，这时一位印第安姑娘冒着生命危险给安娜夫人偷偷送去了金鸡纳树皮制成的粉末，安娜夫人服用后，转危为安。后来一位西班牙传教士将金鸡纳树皮带到了西班牙，并将树皮取名为 cincnona。在 1742 年，瑞典植物学家 Carl Linnaeus（17071778）将这种树以总督夫人的名字正式命名为 cinchona，即金鸡纳树。1817 年，法国药剂师 Caventou 和Pelletier 合作，首先从金鸡纳树皮中分离得到了奎宁单体，并尝试对疟疾进行治疗，后来奎宁被证实就是存在于金鸡纳树皮中的抗疟疾有效成分。科学研究表明，金鸡纳树的树皮及根、枝、干中含有 25 种以上的生物碱，特别是树皮中生物碱的量最高，干树皮中含有 7%10%的生物碱，其中70%是奎宁。天然奎宁的来源有限，仅存在于南美和东南亚等地区的茜草科金鸡纳属 Cinchona L.和铜色树属 Remijia DC. 植物中，远远不能满足民间治病所需。19世纪中期英国学者将金鸡纳树种子带到印度尼西亚的爪哇岛开始大面积种植；欧洲人将金鸡纳树皮提炼成金鸡纳霜供患者服用，但金鸡纳树适合生长于热带海拔8003000 m的山地，生长环境有限造成金鸡纳霜价格昂贵。19 世纪末，奎宁由欧洲传入我国，被称为金鸡纳霜，在当时是非常罕见的药物。在 1817 年得到奎宁单体后，1852 年法国化学家 Pasteur 证明奎宁为左旋体，1854 年法国化学家Strecker 确定了奎宁的分子式，1907 年德国化学家Rabe 用化学降解法得到了奎宁的平面结构。但是，奎宁的立体化学结构直到 20 世纪 40 年代才被真正确定（图 1）。图1 奎宁的化学结构奎宁的分子式为 C20H24N2O2，分子中包含 20个碳原子、2 个氮原子、2 个氧原子和 24 个氢原子。母核结构中含有 1 个喹啉（quinoline）单元，1 个氮原子在桥头的氮杂双环 2, 2, 2，还有 4 个手性中心（C-3、4、8、9），其中最重要的手性中心有 2个（C-8、9），绝对构型为 8S, 9R 构型。根据化学结构分类，奎宁属于喹啉类生物碱（quinolines）。从生源上看，此类生物碱被认为是由邻-氨基苯甲酸（o-aminobenzoic acid）衍生而来，其母体结构中含有喹啉母体骨架。喹啉类生物碱也是数量最多、结构最为复杂的一类生物碱，如同样分布在金鸡纳属等植物中的金鸡宁（cnichonine）、 金鸡宁丁（cnichondine）、奎尼丁（quinidine）等。此类生物碱的分子组成、立体化学结构、立体合成、生物活性研究等极大地吸引着众多的有机化学家和药物研究工作者。特别值得一提的是，著名的天然抗癌药物喜树碱（camptothecin）也属于喹啉类生物碱。人类不断探索治疗及预防疟疾的药物，19世纪末到20世纪中期从天然药物向人工合成药物转变。1891年德国科学家古特曼(Guttmann)和埃利希(Ehrilch)从亚甲蓝具有一定抗疟活性出发，用一个长链的碱性基团去取代亚甲蓝分子中的一个甲基所得到的化合物的抗疟活性明显增强，在此基础之上，德国人在1925年将类似碱性侧链引入喹啉环，成功地合成了第一个抗疟药扑疟喹啉1934年，德国人安德撒(Andersag)合成了以氯喹为代表的4一氨基喹啉类抗疟药， 1950年美国合成了以伯喹为代表的8一氨基喹啉类抗疟药。1907年，在经过大量的实验的基础上，德国化学家拉贝(Rabe)报道了奎宁的结构，。1945年，美国化学家伍德沃德(R B Wdward)和多林(Doering)以7一羟基异喹啉为原料经过还原、重氮化、缩合等十六个步骤合成奎宁，该奎宁全合成路线成为现代有机合成化学的里程碑1,2 。青蒿素的发现过程中国古代治疗疟疾主要依靠针灸和中草药。其中针灸是最早治疗疟疾的方法，根据疟疾类型的不同、病情的不同有不同的针灸方法，但在治疗时机上有要求，素问指出：“凡治疟，先发如食倾，乃可以治，过之则失时也”；利用中草药治疗疟疾的记载最早出现在山海经上，中国药物大典本草纲目记载了174种之多的治疗疟疾的中草药。1967年，受政治因素影响，我国药学工作者开始研发抗疟疾药物。其基本思路是采取民间验方，然后用有机溶剂分离药用部位并进行相应的药理筛选和临床验证，研究人员整理了多达808种可能的中药。据称她们开始并未考虑使用青蒿，因为它的抑制率极不稳定，12-80%，直至看到东晋葛洪肘后备急方中将青蒿“绞汁”用药，从而得到启发，认为有效成分可能在亲脂部分，改用乙醚提取。1971年10月，青蒿的动物效价由30%40%提高到95%。1971年12月下旬，用乙醚提取物与中性部分分别对感染伯氏疟原虫（Plasmodiumberghei）小鼠以及感染猴疟原（Plasmodiumcyomolgi）猴的疟原虫血症（parasitemia）显示 100%的疗效。在1972年从青蒿中提取了具有抗疟活性的青蒿素。通过元素分析、质谱测定及核磁共振谱测定等确定青蒿素的相对分子质量为282、分子式为C15H22O5，属半萜类化合物。在1976年中国科学院生物物理研究所用X射线晶体衍射法确定了青蒿素的化学结构，如图2所示。图2 青蒿素的化学结构青蒿素的发现为抗疟药的研究提供了新的先导化合物。由于青蒿素对疟原虫红细胞内期裂殖体有较好的杀灭作用，目前是临床用各种抗疟药中起效最快的一种，但该药物口服活性低、溶解度小、复发率高，须以青蒿素为先导化合物通过化学结构的修饰来改变药物活性。从青蒿素的开发历史来看，获取青蒿素的途径主要有四种：第一种是直接从天然植物青蒿中提取。第二种是化学合成青蒿素，中国科学院上海有机所周维善、许杏祥等在1986年报道了青蒿素的全合成路线，但这种生产方式难度大、成本也较高。第三种是生物合成青蒿素，1987年印度科学家阿希拉(AAkhila)等通过生物合成方法获得了青蒿素。第四种是植物组织培养合成青蒿素，1993年荷兰科学家瓦尔登巴(H. J. Woerdenbag)等首次在诱导的青蒿芽培养物中检测到青蒿素的存在，使青蒿素的大量生产成为可能。1978年中国科学院上海药物研究所李英等用Pd、CaCO3。作催化剂通过催化加氢的方式合成了氢化青蒿素(结构式见图9)，经NaBH。还原得到还原青蒿素。氢化青蒿素无抗疟活性，而还原青蒿素有抗疟活性，这说明青蒿素的过氧基团可能具有抗疟活性。根据这一理论，李英等设计、合成了三类衍生物：醚类、羧酸酯类以及碳酸酯类，从这三类衍生物中各取一个抗疟活性最好的化合物，再从溶解度、稳定性、生产成本等方面进行选择。其中，蒿甲醚(结构式见图11)的抗疟活性是青蒿素的6倍，与氯喹几乎无交叉药性；青蒿琥酯(结构式见图12)的钠盐水溶液不稳定，可制成粉针，可临用时配制成水溶液用于静脉注射，解决了青蒿素水溶性低的缺点。2012年1月德国马克斯·普朗克胶体与界面研究所与柏林自由大学的研究人员又报导了一种利用从植物中提取青蒿素时产生的大量废料来快速合成青蒿素的新方法，即利用废料中与青蒿素分子结构较为接近的青蒿酸，采用光照、加氧等手段来快速合成青蒿素。其合成过程总耗时不到5 min，并且节约成本，从植物中提取1 g青蒿素所剩的废料可用于合成10 g青蒿素，而且还简单便捷，可实现大量生产，预计很快就可投人实际应用1,3,4 。药物分析在新药中的作用从上面2种抗疟药的发现及发展过程中，我们不难看出，新药的开发过程离不开药物分析。由于药用久了就会产生抗药性，所以新药开发出后需要不断完善，在完善过程中也离不开药物分析。药物分析的内容包括药物的检验、质量控制、药物的稳定性、生物利用度、药物临床监测等诸多方面的有关定性定量分析工作。目的在于确保药物质量，保证用药安全有效。想要安全有效地发展新药，生产和使用新药，在各阶段通过分析手段获得各方面包括药品质量在内的信息是必不可少的。新药的研究与开发是一个多学科的合作工作。药物化学家首先提出所合成的化合物或自天然物质分离提取出来的成分，经过药理筛选，认为有效，药物分析工作即可开始介入。应按照卫生部新药评审的要求，提供有关此化合物的各种与分析有关的数据。对于创新药物，应包括对性状的描述，根据药物的理化性质及其特有的化学反应，定出鉴别方法。并要根据其生产过程，考虑成品中可能含有的对人体有害的杂质，定出其检查方法，同时研究制定药物含量的测定方法，也要提供药物原料及其制剂的稳定性与质量控制的全部数据。这些材料，连同其它化学、药理的材料，经审查合格后，才能进行临床试验。由此可见，在药物研究的初始阶段，就要制定出药物的质量标准，就需要药物分析工作者根据药物的性质，研究建立可行的定性和定量分析方法。有时，药物化学家可能还希望分析者在合成或提取过程中一同合作，各显其能，更好地发挥分析在研发过程中的作用。药物分析涉及到新药研中的过程有：复杂体系样品前处理、天然药物指纹图谱的建立、手性药物的分离分析、药物代谢研究中的分析。 在中草药等天然产物的成分研究中，通常遇到的多是复杂体系，因此分析化学家应该掌握多种分离手段，理想的情况是能将有效成分自原料药中全部提取出来，而其它杂质则不受影响.目前，经典的溶剂提取方法，如冷浸法、渗漉法、索氏提取法等，仍常在应用。近年来较新的方法有超临界流体提取、亚临界水提取、超声处理提取法等。选择不同的分离方法时，应结合药物的一些理化性质。如在青蒿素的研发过程中，刚开始用水提效果并不理想，后来用有机溶剂乙醚提取，能达到100%的疗效。天然药物指纹图谱是表征天然产物质量的重要手段。随着中药研究的逐渐深入，中药的分析检测工作中不断引入先进的分析手段，并结合植物化学、药理学及临床实践的结果，人们开始探索研究建立中草药有效部位或有效成分的指纹图谱。首先用不同提取方法对正品地道药材进行处理，经过药理实验，找出其有效部位或有效成分，然后用各种仪器绘出相关的图谱，包括紫外吸收、红外吸收、核磁共振、质谱、射线衍射、气相色谱、薄层色谱、高效液相色谱等图谱。这些图谱能反映出原药材所含有的有效成分，可有效地表征药材的质量，是各种药材的固有特征，并有重复性，故称为指纹图谱。由于中药品种繁多，有效成分与部位多种多样，需要进行大量的研究工作，因此最好有尽可能多的单位分工合作，不断积累数据，总结规律，并应明确指纹图谱与有效部位的关系，这样才能逐渐完善。人工合成的化合物大都为外消旋体，而在实践与研究中发现，药物的二个对映体之生物活性及药效常不相同，毒副作用也常存在差别，为了用药的安全有效，有必要对手性药物的各个异构体分别进行考察，了解各自的生物活性。目前手性药物的拆分和测定最常用的方法为高效液相色谱法和毛细管电泳法。药物的代谢转化是指药物进入人体后，在体内进行一些反应，发生结构变化，使脂溶性的药物获得极性基团，增加水溶性，以便于体内吸收，并利于从肾及胆道排泄的过程。研究药物代谢转化有体内和体外两种方法。体内法很早即有应用，但由于体内代谢较复杂，体液内药物浓度一般较低，又有内源性成分存在，易生干扰，所以多先用体外方法研究。研究药物代谢时，要建立研究药物的分析方法，通常使用液相色谱法，对血、尿等体液进行药物浓度的测定。根据药物的浓度绘出药时曲线，可以了解药物在体内的浓度变化。还可以用所建立的分析方法测定药物在各个脏器内的浓度分布情况，对此药物的作用有个较全面的了解4,5 。综上所述，药物分析涉及的面很广，随着我国创新药物的研究进展，对药物分析方法和内容将会提出更多更高的要求，也会引入更多的新的分析方法和其它生物技术及生化方法，分析仪器也必将加快更新换代的步伐。当前我国的药物研究和开发工作，已由仿制药物转向创制新的药物，这也为药物分析提出了新的任务和发展方向。因此，药物分析工作者应在掌握现代分析技术的基础上，以未来为导向，不断地努力充实自己，学习新的有关知识，以跟上科学技术的发展与进步，做好自己的工作，充分发挥分析化学作为科学技术的眼睛和先行官的作用。参考文献1 冷元红，万利，袁萍抗疟疾药物的发现与发展J化学教育，2013（7）：6-92 郭瑞霞,李力更,付炎,霍长虹,王磊,史清文. 天然药物化学史话:奎宁的发现、化学结构以及全合成J. 中草药,2014,19:2737-2741.3 卢义钦. 青蒿素的发现与研究进展J. 生命科学研究,2012,03:260-265. 4 李英. 从青蒿素类抗疟药的开发历程谈创制新药的体会J. 国外医药(植物药册),1999,03:102-107.5 杨造萍. 药物分析在新药评价中的作用J. 军事医学科学院院刊, 1983,S2: 36-31.