本文介紹由Atanas G. Atanasov和Claudiu T. Supuran共同通訊發(fā)表在 Nature Reviews Drug Discovery 的研究成果：在過去天然產(chǎn)物及其結(jié)構(gòu)類似物對(duì)藥物治療做出了重大貢獻(xiàn)，然而，天然產(chǎn)物也給藥物發(fā)現(xiàn)帶來了挑戰(zhàn)，比如篩選、分離、表征和優(yōu)化方面的技術(shù)障礙，導(dǎo)致制藥行業(yè)降低對(duì)它們的關(guān)注。近年來，一些技術(shù)和科學(xué)的發(fā)展，包括改進(jìn)的分析工具、基因組挖掘、工程策略以及微生物培養(yǎng)進(jìn)展，正在應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)并開辟新的機(jī)遇，將天然產(chǎn)物作為藥物先導(dǎo)重新引起了人們的興趣。本文作者總結(jié)了最近可能實(shí)現(xiàn)基于天然產(chǎn)物進(jìn)行藥物發(fā)現(xiàn)的先進(jìn)技術(shù)，并討論了關(guān)鍵機(jī)遇和應(yīng)用前景。

天然產(chǎn)物（NPs）在癌癥和傳染病等藥物發(fā)現(xiàn)中發(fā)揮了關(guān)鍵的作用，具有一些與合成分子不同的特性，例如支架多樣性、結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和更高的分子質(zhì)量等。這些差異在某些方面有利于藥物發(fā)現(xiàn)，然而，也存在一些缺點(diǎn)導(dǎo)致制藥公司減少了基于NP的藥物發(fā)現(xiàn)計(jì)劃。圖1概述了NPs藥物發(fā)現(xiàn)中傳統(tǒng)的生物活性導(dǎo)向分離步驟，介紹了這些步驟中的關(guān)鍵限制，以及有助于解決這些限制的方法。該過程首先從細(xì)菌等生物體中提取NPs，為了提高提取的NPs的多樣性，可以用幾種不同極性的溶劑提取生物材料。在鑒定出具有良好藥理活性的粗提取物后，通常進(jìn)行多次連續(xù)的生物活性指導(dǎo)分餾，至分離出純生物活性化合物。這種方法在識(shí)別新的NPs的一個(gè)關(guān)鍵限制是，許多潛在的源生物在離開其自然棲息地時(shí)無法培養(yǎng)或停止產(chǎn)生相關(guān)的NPs，可以通過開發(fā)新的培養(yǎng)方法、原位分析方法、NP合成誘導(dǎo)方法和生物合成基因的異源表達(dá)方法解決這個(gè)限制。在粗提取階段的挑戰(zhàn)包括提取的NPs已經(jīng)存在、NPs不具有藥物性質(zhì)、用于表征的NPs數(shù)量不足，可以通過開發(fā)反復(fù)制工具、提取和預(yù)分離提取物的方法解決這些挑戰(zhàn)。最后，當(dāng)通過表型分析鑒定生物活性化合物時(shí)，通常需要花費(fèi)大量時(shí)間和精力來鑒定受影響的分子靶點(diǎn)，這一挑戰(zhàn)可以通過開發(fā)加速闡明分子作用模式的方法來解決。

本文作者討論了近期可能有助于克服基于NP藥物發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)的技術(shù)，重點(diǎn)在三個(gè)方面：分析技術(shù)、基因組挖掘和工程、培養(yǎng)系統(tǒng)，并強(qiáng)調(diào)了NP藥物發(fā)現(xiàn)的未來前景。

圖1天然產(chǎn)物藥物發(fā)現(xiàn)中傳統(tǒng)生物活性導(dǎo)向分離步驟概述

經(jīng)典的基于NP的藥物研究中，基于生物活性導(dǎo)向的分離過程有許多局限性，可以使用各種策略和技術(shù)來解決其中一些問題，其中，先進(jìn)分析技術(shù)的應(yīng)用使基于現(xiàn)代NP的藥物發(fā)現(xiàn)成為可能（圖2）。結(jié)合NP研究中使用的先進(jìn)的分析儀器和計(jì)算方法，將代謝組學(xué)等“組學(xué)”方法應(yīng)用于基于NP的藥物發(fā)現(xiàn)中?？梢越M合使用核磁共振波譜、高分辨率質(zhì)譜（HRMS），或涉及上游液相色譜（LC），例如LC–HRMS分析NP提取物。這種組合方法能夠整合HRMS和NMR，具有允許同時(shí)使用兩種技術(shù)的優(yōu)勢。然而，在數(shù)據(jù)挖掘和代謝產(chǎn)物的明確鑒別方面仍然存在挑戰(zhàn)。

對(duì)生物提取物中的次級(jí)代謝產(chǎn)物的反復(fù)制有助于鑒別過程，包括分子量和分子式的測定，在文獻(xiàn)或結(jié)構(gòu)化NP數(shù)據(jù)庫中交叉搜索分類信息。天然產(chǎn)物詞典是一個(gè)結(jié)構(gòu)化的NP數(shù)據(jù)庫，包含所有報(bào)道的NP結(jié)構(gòu)及其生物來源。Dorrestein實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了全球天然產(chǎn)物社交（GNPS）分子網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，將分析物的關(guān)系可視化為結(jié)構(gòu)相關(guān)分子的簇，加強(qiáng)反復(fù)制過程并闡明NP類似物之間的關(guān)系。METLIN49平臺(tái)包括一個(gè)高分辨率質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫，具有片段相似性搜索功能，可用于鑒定未知化合物。其他數(shù)據(jù)庫和電子工具，如復(fù)合結(jié)構(gòu)識(shí)別（CSI）和輸入輸出核回歸（IOKR）可用于搜索可用的碎片離子光譜。

代謝組學(xué)數(shù)據(jù)可以與提取物的生物活性相匹配，加速鑒定提取物中具有生物活性的NPs。Kurita等人開發(fā)了一個(gè)復(fù)合活動(dòng)映射平臺(tái)，將高分辨率質(zhì)譜（LC–HRMS）代謝組學(xué)應(yīng)用于NP提取物篩選，示例圖如圖2a所示，對(duì)234種細(xì)菌提取物進(jìn)行了基于圖像的表型生物活性篩選和LC–HRMS代謝組學(xué)，最終發(fā)現(xiàn)了新的NP——喹諾酮酸霉素A–D。

在單細(xì)胞水平上分析生物活性分子反應(yīng)也可以加速基于NP的藥物發(fā)現(xiàn)。Irish、Bachmann、Earl及其同事開發(fā)了一個(gè)高通量的生物活性代謝組學(xué)分析平臺(tái)，利用這個(gè)平臺(tái)，作者研究了骨髓活檢的單細(xì)胞反應(yīng)，使得鑒定新的生物活性聚酮類化合物成為可能。

此外，分析技術(shù)的進(jìn)步有助于對(duì)有意義的NPs進(jìn)行嚴(yán)格的結(jié)構(gòu)測定，例如高場強(qiáng)核磁共振儀器、探針技術(shù)和微晶電子衍射（microd）技術(shù)。

圖2先進(jìn)分析技術(shù)的應(yīng)用使基于現(xiàn)代天然產(chǎn)物的藥物發(fā)現(xiàn)成為可能

關(guān)于NP生物合成途徑的知識(shí)以及其用于分析和操縱基因組的開發(fā)工具的進(jìn)展，是進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)現(xiàn)代NP藥物發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵因素?！盎蚪M挖掘”通過搜索可能控制生物合成支架結(jié)構(gòu)的基因，可用于識(shí)別NP生物合成基因簇。生物合成知識(shí)和預(yù)測性生物信息學(xué)工具的進(jìn)步促進(jìn)了基因簇的進(jìn)一步研究，結(jié)合用于基因聚類分析的預(yù)測工具和光譜技術(shù)可以加速NPs的識(shí)別。對(duì)已知的次級(jí)代謝產(chǎn)物群體進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育研究也有助于發(fā)現(xiàn)新的NPs，基因組學(xué)和系統(tǒng)基因組學(xué)分析表明，即使是經(jīng)過充分研究的生物體組的基因組也含有許多次級(jí)代謝產(chǎn)物生物合成的基因簇。

許多微生物無法培養(yǎng)，或者用于基因操作的工具沒有充分開發(fā)，使得獲取它們產(chǎn)生的NP更具挑戰(zhàn)性?？梢栽诰哂辛己锰卣髑乙子谂囵B(yǎng)和遺傳操作的生物體中克隆和異源表達(dá)NPs的生物合成基因簇。Clevenger等人已經(jīng)開發(fā)出自我復(fù)制的真菌人工染色體（FAC），使用FACs結(jié)合代謝組學(xué)評(píng)分開發(fā)了一個(gè)可擴(kuò)展的平臺(tái)FAC-MS，篩選事例如圖2b所示，對(duì)真菌生物合成基因簇及其各自的NP進(jìn)行表征，應(yīng)用FAC-MS篩選了來自不同真菌物種的56個(gè)生物合成基因簇，發(fā)現(xiàn)了15種新的代謝物，包括一種新的大環(huán)內(nèi)酯，丙內(nèi)酰胺A。

即使在可培養(yǎng)微生物中，許多生物合成基因簇在常規(guī)培養(yǎng)條件下也可能無法表達(dá)，這些沉默的簇可能代表了一個(gè)巨大的未開發(fā)的具有藥物性質(zhì)的NPs。對(duì)沉默生物合成基因簇進(jìn)行測序、生物信息學(xué)分析和異源表達(dá)可以確定此類NPs，直接克隆和異源表達(dá)也被用于發(fā)現(xiàn)新抗生素。然而，異源表達(dá)具有局限性，可以通過有針對(duì)性的基因操作（通常包括插入激活調(diào)節(jié)元件或刪除抑制元件）直接在本地微生物中激活生物合成基因簇，或者通過阻遏蛋白誘導(dǎo)激活沉默的生物合成基因簇。

依賴測序、生物信息學(xué)和異源表達(dá)的方法還可以從尚未培養(yǎng)的菌株中鑒定新的NPs，如圖3a。對(duì)于無法培養(yǎng)的微生物，優(yōu)先考慮生物合成基因簇（BGC）的定向異源表達(dá)產(chǎn)生新的NP，如圖3b所示，Hover等人搜索了2000個(gè)土壤樣本的亞基因組，通過對(duì)從白色鏈霉菌宿主菌株的沙漠土壤樣本中提取的72kb生物合成基因簇進(jìn)行異源表達(dá)，發(fā)現(xiàn)了蘋果酸素。另一種方法是直接使用“合成-生物信息學(xué)”化學(xué)合成類NP化合物，如圖3c，Chu等人開發(fā)了一種基于人類微生物組的研究方法，發(fā)現(xiàn)了被稱為腐殖霉素的非核糖體線性七肽，一種對(duì)耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）有效的新型抗生素?！昂铣?生物信息學(xué)”完全獨(dú)立于微生物培養(yǎng)和基因表達(dá)，但其計(jì)算化學(xué)結(jié)構(gòu)預(yù)測的準(zhǔn)確性和全化學(xué)合成的可行性具有局限性。

此外，植物或動(dòng)物的基因組也可以挖掘出新的NP?？梢酝ㄟ^基因組挖掘利用最初從海洋生物中分離出來的生物活性化合物和植物微生物組。如果生產(chǎn)的微生物難以培養(yǎng)或NP產(chǎn)量太低，無法進(jìn)行全面的NP表征，則可以利用NP生物合成基因簇的靶向基因工程，合理的基因工程和異源表達(dá)有助于提高產(chǎn)量。靶向基因操作也能夠可預(yù)測的改變生物合成途徑，以生產(chǎn)具有改進(jìn)藥理學(xué)性質(zhì)的新NP類似物。生物合成工程的最新進(jìn)展使NP類似物的生產(chǎn)更快、更高效。然而，生物合成工程對(duì)NP分子中可被修飾的部分以及可引入或去除的化學(xué)基團(tuán)有限制?？紤]到許多NPs的復(fù)雜性，全合成的成本可能很高，可以使用生物合成工程和化學(xué)修飾相結(jié)合的方法改進(jìn)候選藥物。

圖3基因組挖掘驅(qū)動(dòng)的天然產(chǎn)物和類天然產(chǎn)物化合物發(fā)現(xiàn)策略

生產(chǎn)生物體的培養(yǎng)條件可能會(huì)對(duì)識(shí)別新型NPs產(chǎn)生重大影響，與標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室條件下的單一培養(yǎng)相比，應(yīng)用先進(jìn)的微生物培養(yǎng)方法可以識(shí)別新的NPs，并使“未培養(yǎng)”的微生物在模擬的自然環(huán)境中生長，進(jìn)一步獲取它們生產(chǎn)的新NPs（圖4）。調(diào)節(jié)培養(yǎng)條件如溫度、pH值和營養(yǎng)來源是促進(jìn)識(shí)別新NPs的有效途徑，可能激活沉默基因簇?！耙恢甓嗷衔铩保∣SMAC）方法模擬自然棲息地復(fù)雜性的能力有限，可以使用“輔助”菌株進(jìn)行共培養(yǎng)，或者與昆蟲或其他有機(jī)體相互作用的微生物共生體，幫助在獨(dú)特的生態(tài)環(huán)境中生產(chǎn)和鑒定NPs。為了重現(xiàn)本地環(huán)境復(fù)雜信號(hào)的影響，可以直接在分離的環(huán)境中培養(yǎng)微生物。圖4a展示了這種策略在iChip平臺(tái)中的應(yīng)用，將稀釋后的土壤樣本播種在多個(gè)小室中，用半透膜與環(huán)境隔開，通過一種以前未經(jīng)培養(yǎng)的土壤細(xì)菌產(chǎn)生了一種新的抗生素——泰索巴汀，證明了這種培養(yǎng)方法的有效性。

早期采用的微生物培養(yǎng)方法傾向于從易于培養(yǎng)的微生物中發(fā)現(xiàn)NPs，然而，需要培養(yǎng)之前未探索或研究不足的微生物群，生產(chǎn)具有全新支架和生物活性的NPs。Cross等人最近報(bào)道了一種分離和培養(yǎng)以前未培養(yǎng)的細(xì)菌的新方法（圖4b），使用組學(xué)技術(shù)從復(fù)雜的群落中捕獲這些微生物，并在純培養(yǎng)物中分離它們。通過這種方法，成功地從人類口腔分離和培養(yǎng)出了以前未培養(yǎng)的細(xì)菌，通過三種糖化細(xì)菌（TM7）及其相互作用的放線菌宿主，以及SR1細(xì)菌，驗(yàn)證了這種反向基因組學(xué)工作流程。

盡管在培養(yǎng)策略上取得了一些進(jìn)步，但人工條件仍然不能完全代表自然棲息地的復(fù)雜環(huán)境。為了避免這個(gè)問題，可以通過原位提取生物體和它們的NP保持微生物和NP的多樣性。例如直接獲得在自然海洋環(huán)境中產(chǎn)生的化合物；直接使用綠色溶劑進(jìn)行現(xiàn)場萃??；使用小型化的分析設(shè)備促進(jìn)原位分析，例如微型質(zhì)譜儀和便攜式近紅外光譜儀等物理化學(xué)數(shù)據(jù)分析設(shè)備。

圖4應(yīng)用先進(jìn)的微生物培養(yǎng)方法識(shí)別新的天然產(chǎn)物

上述章節(jié)討論的進(jìn)展有利于重振基于NP的藥物發(fā)現(xiàn)。NPs長期以來一直是抗傳染病藥物，尤其是抗生素的主要來源，利用這些策略選擇具有抗菌特性的NPs，可以利用人類微生物組開發(fā)新型NPs，也可以繼續(xù)開發(fā)和優(yōu)化已知的NP種類。NPs也被運(yùn)用于癌癥治療學(xué)方面，該領(lǐng)域的一個(gè)重要的新機(jī)遇是一些NPs引發(fā)針對(duì)癌細(xì)胞的選擇性但有效的宿主免疫反應(yīng)。NPs的另一個(gè)應(yīng)用前景是含有復(fù)雜NPs混合物的植物療法，混合物中各組分具有協(xié)同治療的作用，隨著表征技術(shù)的進(jìn)步，如文中討論的代謝組學(xué)，以及針對(duì)復(fù)雜的NPs混合物制定的監(jiān)管指南，有利于開發(fā)混合物作為治療劑。腸道微生物群在健康和疾病中起著重要作用，而NPs會(huì)影響腸道微生物群的組成，這一領(lǐng)域?yàn)榛贜P的藥物發(fā)現(xiàn)提供了新的機(jī)遇，未來的一個(gè)方向可能是為特殊的治療應(yīng)用進(jìn)行單一的微生物群衍生物種的表征。在這些方面，上述培養(yǎng)策略、基因組挖掘和分析方面的進(jìn)展將非常重要。

盡管本綜述側(cè)重于能夠發(fā)現(xiàn)新型NPs的技術(shù)，但未經(jīng)修飾的NPs可能具有次優(yōu)的功效或ADMET特性，需要對(duì)NP進(jìn)行化學(xué)修飾從而引導(dǎo)并最終開發(fā)出成功的藥物，此外，將一種化合物引入臨床需要可持續(xù)且經(jīng)濟(jì)可行的足夠數(shù)量的化合物供應(yīng)。在這種情況下，全化學(xué)合成和半合成方法使用一個(gè)NP作為生成類似物和生物合成工程的起點(diǎn)，修改生產(chǎn)生物體的生物合成途徑，獲得更好的類似物生產(chǎn)出有價(jià)值的新藥。圖5展示了獲得性能優(yōu)越的NPs類似物的策略，圖5a介紹了以藥理性質(zhì)不理想的NP為起點(diǎn)，可通過全化學(xué)合成、類似物的半合成、生產(chǎn)類似物的生物合成工程操縱生物合成途徑來生成具有優(yōu)越藥理特性的NP類似物。圖5b,c分別展示了從金霉素A和芳環(huán)霉素衍生抗生素的例子，已經(jīng)產(chǎn)生了幾代成功上市的半合成和合成衍生物，圖5d展示了生物合成工程方法在NPs的潛力?；瘜W(xué)合成和生物合成工程技術(shù)的最新進(jìn)展能夠優(yōu)化復(fù)雜的NP支架，促進(jìn)基于NP的藥物發(fā)現(xiàn)和開發(fā)。

最后，基于NP的藥物發(fā)現(xiàn)的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是，科技專業(yè)知識(shí)往往分散在許多學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)和公司中，需要集中支持學(xué)術(shù)界的NP研究，然而，近年來積極參與NP研究的大公司數(shù)量減少。改善學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界互動(dòng)的一個(gè)傳統(tǒng)解決方案是將相關(guān)專業(yè)知識(shí)集中在一個(gè)體系以及緊密的空間范圍內(nèi)。作者近期建立的國際自然產(chǎn)品科學(xué)工作組（INPST），為參與學(xué)術(shù)和工業(yè)實(shí)體的專業(yè)知識(shí)、技術(shù)和材料的整合提供了一個(gè)平臺(tái)。

總而言之，NPs有希望發(fā)現(xiàn)具有高度結(jié)構(gòu)多樣性和各種生物活性的支架，可以直接開發(fā)或用作優(yōu)化新藥的起點(diǎn)。雖然藥物開發(fā)總體上仍面臨著高消耗率的挑戰(zhàn)，NPs還具有可及性、可持續(xù)供應(yīng)和知識(shí)產(chǎn)權(quán)限制等問題。本綜述中討論的科技進(jìn)步為基于NP的藥物發(fā)現(xiàn)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，以繼續(xù)為人類健康和壽命做出重大貢獻(xiàn)。

圖5獲得性能優(yōu)越的天然產(chǎn)物類似物的策略

Atanasov A G, Zotchev S B, Dirsch V M, et al. Natural products in drug discovery: advances and opportunities[J]. Nature Reviews Drug Discovery, 2021, 20(3): 200-216.

天然產(chǎn)物詞典

http://dnp./faces/chemical/ChemicalSearch.xhtml

FDA工業(yè)植物藥開發(fā)指南

https://www./regulatory-information/search-fda-guidance-documents/botanical-drug-development-guidance-industry

INPST: https:///