生物技术在现代中药研究中的应用

生物技术在现代中药研究中的应用

　　摘要:本文从细胞工程、发酵工程、酶工程、基因工程4个方面对生物技术在中药研究及应用进行了综述

　　关键词:生物技术 中药

　　中药是我国制药工业的重要组成部分。我国拥有世界上最丰富的天然药用资源。我国现有中药资源12807种。近年来，随着盲目挖掘捕猎，不仅使野生资源日益减少，造成全国经常使用的400余种药材每年有20%的短缺，而且严重破坏了生态环境，使人类遭受到巨大的生命财产损失。人工栽培品种又面临着品质退化、农药污染和种子带病等问题，严重影响了对药材品质的保证和控制。使得我国中药生产加工总体上仍处于与现代科学技术严重脱节状态。因此除了制定有关政策法律保护占我国药材市场80%供应量的野生资源以外，还必须找到切实可行的新技术途径彻底改变我国中药生产的落后面貌。

　　生物技术是一门应用生物科学研究成果工程手段增加生物制品数量、提高质量，从而满足人类日益增长需求的技术，它的具体内容包括细胞工程、发酵工程、酶和蛋白质工程、基因工程等4个方面。生物技术作为一种综合了生命科学与多种现代科学理论与研究手段的高新技术，在中药资源研究领域具有广阔的应用前景[1，2，9]。

　　1、细胞工程生产药材原料或药用有效成分、部位

　　植物能生产30000多种化合物，是微生物来源的4倍。有些物质是很难用化学方法合成的，有些很难用微生物生产或增加产量。植物细胞培养不受环境、生态和气候条件限制，生长比整体植株快，次生代谢物质的含量是自然植株的数倍甚至数千倍，如人参皂苷在组织培养中含量占干重的27%，全株中只有4.5%;紫草素在细胞培养物中占12%，而全株只有1.5%。药用植物三七、人参、雪莲、银杏、紫草、洋地黄、长春花、丹参、红豆杉等的培养已进行了系统研究，并优化了培养条件。人参细胞培养物的化学成分和药理活性分析表明与种植人参无明显差异。

　　一些植物的细胞培养已达到商业化生产应用，如在日本植物细胞培养反应器的规模已达4000~20000L，美国Phyto公司已达到了75000L紫杉醇的生产规模。除大规模细胞培养之外，毛状根和不定根组织培养也非常成功。培养的黄芪毛状根的效价与药用黄芪类似，丹参毛状根的培养物含有7种丹参碱，并且能分泌到培养基中。希腊毛地黄细胞在褐藻酸盐的固定化下培养，可将有毒物质毛地黄苷转化为地高辛，利用紫草细胞培养技术生产紫草宁等。依据野生新疆雪莲的抗炎、抗辐射等作用，有人进行了细胞培养物与天然新疆雪莲抗炎、镇痛和抗辐射的药理实验，表明新疆雪莲细胞培养物可以成为野生新疆雪莲的替代品，具有深入开发应用的价值。

　　另外，细胞培养技术可进行犀角等药用动物器官的培养，来解决资源短缺的矛盾。采用细胞融合技术可得到有用的新的杂交药用植物，通过杂交株的培养，可得到集合多种功能的中药材新品种。

　　2、发酵工程技术的应用

　　发酵工程中药发酵研究始于20世纪80年代，人工条件下利用细胞的快速增殖与次生代谢产物的产生，为人工资源的生产提供技术平台。水蛭素不与血小板反应，在治疗血小板减少症(HIT)方面具有其它抗凝药物无法比拟的效果。在5L发酵罐中重组毕赤酵母能够高密度发酵产生水蛭素，最高总产量1.8g/L，为大规模工业化铺平了道路。周晓燕等用经选育的猪芩PU-99菌作生产菌株，在1t罐中生产，菌丝体干重2.3%，含粗多糖31%。利用微生物生长代谢来炮制中药，比一般的物理或化学炮制手段优越，可较大幅度地改变药性，提高疗效，降低毒副作用，为中药活性成分结构修饰提供新途径，产生新药效，扩大适应症，保护中药活性成分免遭破坏，节省药源。

　　3、基因工程技术的应用

　　基因工程　基因工程是利用分子生物学和微生物遗传学的现代研究方法和手段发展起来的。由于这些领域的迅速发展，如今已有可能人工定向改变药用植物的遗传性状，培育出一些具有抗病、抗虫、抗除草剂等药用植物新品种。如在抗虫害研究方面Delannay等用HD-1菌株的毒蛋白基因转入到蕃茄细胞之后所做的大田试验的结果向人们表明，转基因番茄的植株系上虫害确实得到了有效的控制。我们可将这种基因转入到药用植物的植物细胞之中以改造药用植物的品质。而在实际研究中这些技术的关键在于用什么方法将外源基因导入植物的基因组，并得到高效表达，在目前各式各样的研究方法之中农杆菌做载体将外源基因导入植物基因组的方法比较成熟。

　　另外，利用转基因动植物来生产有效成分的研究受到较多重视，某些蛋白质成分难以用细胞培养、发酵培养获得，用转基因动植物来作天然的发酵罐可以在自然的状态下表达出复杂的天然蛋白质。动物饲养或植物栽培比细胞培养、微生物发醇容易得多，动植物体就象天然的发酵罐，且可以传代。

　　基因水平研究中药的作用机理，还可以利用基因工程技术以DNA为标志物进行新药的检测。

　　4、酶工程技术的应用

　　药用植物的有效成分大多是属于植物次生代谢产物。植物的次生代谢非常复杂，是由不同的代谢途径，分许多步在不同的酶类参与下完成的。次生代谢调控的研究，首先必须明确某一化合物的生物合成途径及其有关的酶类。用改变次生代谢关键酶的基因来调控次生代谢物的产生是较理想的途径，这方面的研究已有报道。Hashimoto等以发根农杆菌介导，用花椰菜花叶病毒35s为启动子改造Ri质粒，将天仙子羟化酶导入富含莨菪碱的颠茄中，并在卡那酶素培养基上筛选出抗卡那酶素毛状根。在转化后的颠茄毛状根中羟化酶活性增高，6β-羟基莨菪碱较用野生型发根农杆菌诱导毛状根含量高，东莨菪碱的含量也提高了5倍。此项研究结果表明，利用次生代谢物生物合成途径中某些关键酶基因的转化，来生产次生代谢物是可能的。

　　另外中药经口服后其中有些成分是经过体内酶的作用才转化为有用化合物，因此通过研究生物体的酶的作用可以解释某些中药的作用机理。

　　5、结语

　　综上所述，生物技术应用于中药生产，不仅可以保护和增殖珍稀濒危传统药材，大量生产高品质的地道药材和药用活性成分，提高药材活性成分的含量，而且还可以使药材和药品生产质量稳定，阐明药效物质基础。生物技术在中药领域日益广泛而卓有成效的应用，对促进我国中药现代化，促进我国中药进入国际市场，将起着不可替代的重要作用。