天然产物在药物发现中的前景与机遇

天然产物在抗击2019至今爆发的新冠疫情中发挥了重要作用。此外，天然产物及其结构类似物在历史上对一些重大疾病的药物治疗做出了巨大贡献，特别是对癌症和传染病。然而基于天然产物的药物发现仍然面临挑战，例如：筛选、分离、表征和优化方面的技术障碍，这也导致制药行业从20世纪90年代对天然产物的热衷逐渐淡化。近年来，随着技术和科学的不断发展，包括分析工具，基因组挖掘和工程策略，以及微生物培养的进展，为天然产物的研究创造了新的机遇。下面总结了天然产物为基础的药物发现方面的最新技术进展，突出其应用前景和关键机遇。

天然产物进展

天然产物优势

与传统的合成小分子相比，天然产物通常有更大的分子质量，更多的SP3杂化的碳原子和氧原子，较少的氮原子和卤原子，较多的氢键受体和供体，较低的脂水分配系数（cLogP值，表明具有较高的亲水性）和更高的分子刚性。这些差异可能是有利的，如：较高刚性在药物发现应对蛋白-蛋白相互作用方面是有价值的。天然产物还是口服药物的主要来源，并且其在口服药物普遍遵循的Lipinski规则中是一个例外。这可以从过去20年中获批口服药物的分子质量不断增加中得到说明。天然产物在结构上通过生物体的进化得以优化，来服务于特定的生物功能，包括：内源性防御机制的调节和其他有机体的相互作用。总之，天然产物使得生物活性化合物的种类丰富起来。

天然产物面临的挑战

天然产物研究面临的几个挑战仍然使制药公司对于基于天然产物的药物发现望而却步，其中包括：

（1）天然产物的筛选通常涉及自然资源的提取物库，这可能与传统的基于靶标的分析方法不兼容（如图1）；

（2）生物活性化合物的识别需要使用有效的去重复化工具来避免对已知化合物的重复发现；

（3）分离和表征具有生物活性的天然产物需要获取足够的生物材料；

（4）为表现出生物活性的天然产物（未修改的）获取知识产权可能难以实现，因为天然存在的化合物的原始形式可能无法获得专利保护；

（5）1992年《联合国生物多样性公约》和2014年生效的《名古屋协议书》中提到必须与生物材料原产国分享利益的条例增加了天然产物研究中利益分配的复杂性。本文主要讨论最近的技术和科学进展，可能有助于克服这些挑战，其中强调三个方面：分析技术、基因挖掘工程和培养系统。

图1 天然产物药物发现中传统生物活性为导向的分离步骤概述[1]

分析技术的应用

NPs的分离筛选

经典的基于天然产物（Natural products，以下简称NPs）的药物研究是从粗提物的生物筛选开始，确定具有生物活性的命中提取物，然后进一步分离出活性物质。活性物质的分离是一个有诸多限制的费力过程，但可以使用各种策略和技术来解决一些问题（如图2）。例如：创建与高通量筛选相兼容的库，粗提物可以预分馏成更适合于自动化液体处理系统的子馏分。此外，可以调整分馏方法，使子馏分优先包含具有类药性质的化合物。

代谢物在NPs中的应用

代谢组学是一种同时分析生物样品中多种代谢物的方法，在NPs研究中也有重要的应用。代谢组学可以提供NPs提取物中代谢物组成的准确信息，因而有助于对NPs分离进行优先排序并降低重复发现活性化合物的几率，还可以标注未知类似物和新NPs骨架。对于代谢物分析，NPs提取物可以通过核磁共振光谱、高分辨质谱或涉及上游液相色谱的相应组合方法，可以分离NPs提取物中多种同分异构体。核磁共振光谱对NPs提取物的分析简单且可重复，可以提供直接组分信息和细节结构信息，但其灵敏度低，适合对主要成分进行分析。HRMS是代谢物定性和定量分析的金标准，最常与LC联合应用，其能够获取活性化合物准确的分子质量信息。

图2 先进分析技术的应用，使现代天然产物为基础的药物发现得以发展[1]

次生代谢物在NPs中的应用

生物活性提取物中次生代谢产物的去重复化包括分子质量和分子式的确定，以及在文献或NPs结构数据库中交叉检索分类信息，这对鉴定过程有很大的帮助。在这方面，Dorrestein实验室开发的全球天然产品社会(GNPS)分子网络平台包含数千组MS/MS数据，记录了一组给定的提取物，并将分析物的关系可视化为结构相关的分子簇。通过在一个分子簇中对给定代谢物的异构体和类似物进行标注来提高去重复化效率。另一个有用的代谢物鉴定平台是METLIN，它包括一个高分辨率的MS/MS数据库，具有片段相似性搜索功能，这有助于鉴定未知化合物。

最后，日益成熟的分析技术NPs生物活性化合物的分离和结构确定的强有力支撑。高场强核磁共振仪器和探测技术的不断发展使NP结构测定可从非常小的样品量(低于10 g)开始。此外，微晶电子衍射(MicroED)最近作为一种基于低温电子显微镜的技术出现，用于确定小分子的结构，并且已经在NP研究中得以应用。分析设备分辨率和灵敏度的提高也有助于解决NPs研究上的一些挑战。

基因挖掘与工程

NPs生物合成途径相关知识的进展以及分析和操纵基因组工具的开发是现代基于NPs的药物发现的一个关键驱动因素。两个关键特征使生产生物体基因组中的生物合成基因得以识别。一个特征是这些基因主要聚集在细菌和丝状真菌的基因组中。另一个特征是许多NPs是以聚酮或肽核为基础的，其生物合成途径分别涉及聚酮合成酶(PKSs)和非核糖体肽合成酶(NRPSs)，它们由具有高度保守模块的大基因编码。

基因组挖掘是搜索可能控制骨架结构的生物合成基因，并识别NP生物合成基因簇的过程。生物合成知识和预测生物信息学工具有助于对识别到的基因簇进行优先排序，这些工具还可以提供关于基因簇的生物合成产物是否有新的或已知的化学骨架信息。这种基因聚类分析的预测工具可以与光谱技术结合应用，以加快NPs的鉴定，并确定代谢产物的立体化学。

许多微生物无法培养，或者它们的基因操纵工具尚未充分开发，这使得利用它们产生NPs更具挑战性。然而，NPs的生物合成基因簇可以被克隆并在特征良好、易于培养和基因操纵的生物体(如链霉菌、大肠杆菌和酿酒酵母)中异源性表达。其目的是在异源宿主中获得比野生型菌株更高的产量滴度。

即使在可培养的微生物中，许多生物合成基因簇在传统的培养条件下也可能无法表达，这可以采取若干办法解决。一种方法是测序、生物信息学分析和沉默的生物合成基因簇的异源性表达，通过直接克隆和异源表达，发现了一种新的抗生素taromycin A。一个转移生物合成基因簇的平台也被建立起来，该平台可以在酿酒酵母中直接克隆和操作大的生物合成基因簇，在大肠杆菌中维护和操作载体，以及在放线菌(如蓝色葡萄球菌)染色体整合后进行克隆基因簇的异源表达。异源表达有其局限性，例如需要克隆和操作由生物合成基因簇占据的非常大的基因组区域，以及很难找到合适的宿主来提供合成相应的NPs所需的所有条件。这些限制可以通过靶向遗传操作直接激活原生微生物中的生物合成基因簇来规避，通常包括激活调控元件的插入或抑制元件(如阻遏子或其结合位点)的删除。依靠测序、生物信息学和异源表达的方法也可以从尚未培养的菌株中鉴定新的NPs(如图3)。

图3 基因组挖掘驱动的发现天然产物及其类似物的策略[1]

微生物培养系统的研究进展

NPs生物合成对环境响应的复杂调控意味着生物体的培养条件对识别新型NPs有重大影响。标准实验室的培养条件单一，为更好地识别新型NPs，应使未培养的微生物在模拟自然环境中生长(图4)。

一种公认的促进新NPs合成的方法是调节培养条件，如温度、pH值和营养源。这一策略可能导致沉默基因簇的激活，从而产生不同的NPs。一株多化合物(OSMAC)这个术语是在大约20年前为这种方法创造的。但这种方法在模拟自然栖息地的复杂性方面能力有限。很难预测微生物进化到通过改变代谢过程来做出反应的所有因素(可能还包括微生物群落其他成员分泌的代谢物)。为了解释这种相互作用，可以使用辅助菌株进行共培养，这使得新的NPs的产生和鉴定成为可能。此外， 为了更接近地模拟自然环境，微生物被置于取样环境中进行原位培养，使培养的微生物暴露于自身环境的影响中。

早期从易于培养的微生物(如链霉菌和一些常见的丝状真菌)中发现的主要NPs，因此，经常会重新发现已知的NPs及其密切相关的同系物。所以，针对以前未开发(或研究不足)的微生物群的培养策略，可能具有生产全新支架和生物活性的NPs(如伯克霍尔德氏菌、梭状芽孢杆菌和Xenorhabdus)的潜力。

尽管在培养策略上取得了这些进展，人工条件仍然不能完全代表自然栖息地的复杂环境。为了解决这个问题，微生物和NP多样性也可以通过原位提取生物体或其NPs来获得。为了直接获得在自然海洋环境中产生的化合物，树脂捕获技术可用于在惰性吸附剂载体上捕获化合物，以便于解吸、分析和测试其生物活性。另外，分析设备的小型化也有助于就地分析，例如：用于物理化学数据分析的设备，如微质谱和便携式近红外光谱仪。

图4 应用先进的微生物培养方法来鉴定新的天然产物[1]

展望

长期以来，新型抗生素一直是抗传染病新药的主要来源。图3,4中重点介绍了利用上述章节中讨论的先进技术发现的具有抗菌特性的NPs，包括利用人类微生物群获取新型NPs的策略。此外，生物合成工程、全合成或半合成策略也将助力NPs研究。化学合成,在此背景下，以NP为起点的半合成和生物合成工程修饰生物合成途径将非常重要(图5)。技术进步也使更多NPs研究变得可行，如代谢组学，以及包括数据库在内的计算工具(如基因组、化学或光谱分析数据)。

图5 获取具有类药特性的天然产品类似物的策略[1]

综上所述，NPs仍是发现具有高度结构多样性和多种生物活性骨架的重要资源，这些骨架可以直接开发或作为优化新药的起点。

参考文献：Atanasov AG, Zotchev SB, Dirsch VM; International Natural Product Sciences Taskforce, Supuran CT. Natural products in drug discovery: advances and opportunities. Nat Rev Drug Discov. 2021 Mar;20(3):200-216. doi: 10.1038/s41573-020-00114-z. Epub 2021 Jan 28. PMID: 33510482; PMCID: PMC7841765.