青蒿素综述

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青蒿素综述
刘兵情
(井冈山大学11级药本(1)班学号:111116023)
摘要:青蒿素类抗疟药物的发现是全球抗疟药物发展史上继奎宁之后的又一里程碑[1], 是目前治疗疟疾的特效药.本文简要介绍青蒿素的发现过程、药源、生物合成、应用前景和青蒿素及其衍生物药理活性,重点在于介绍青蒿素生物合成过程。

关键词:青蒿素发现过程药源生物合成药理活性前景
引言:青蒿素是在科研计划组织下,全国多部门、多学科专家尽心协作、相互
配合取得的重大成果,是继承发扬我国传统医药宝库的成功范例[2]。

青蒿素主要有抗疟、抗孕、抗纤维化、抗吸血虫等药理作用[3]。

青蒿素生物合成三个阶段分为从乙酰辅酶A 到法呢基焦磷酸的“上游”途径、从法呢基焦磷酸到双氢青蒿酸的“中游”途径和从双氢青蒿酸到青蒿素的“下游”途径,其中上游途径青蒿及其他高等植物与酵母等真核微生物完全相同,因而只需在酵母中额外增加一个青蒿素合成代谢支路, 就能让酵母全合成青蒿素。

而中游的酶促反应在酵母中已经完全建立,下游途径的反应条件在酵母中则未建立[4]。

而且青蒿素及其衍生物在抗肿瘤和葡萄膜炎免疫治疗上也具有应用前景。

一.青蒿素药物来源
1967 年北京《5·23 抗疟计划》付诸实施, 1969 年1 月北京中医研究院加入
5·23 计划,任命屠呦呦为科研组组长, 在全国多个研究单位协作下, 组织植物化学与药理学等专业200 多人参加, 并与中医药工作者密切合作[5].从追索我国历代抗疟方剂入手, 科研组调查了 2 000 种中草药制剂, 从中选出可能具抗疟活性的达640 种. 余亚纲梳理开列了有808 个中药的单子,其中有乌头、乌梅、鳖甲、青蒿等[6]共用约200种国产草药制成380 多种抽提物, 再筛查它们对小鼠疟疾模型的疗效,但实验不易获得明显结果[7]军事医学科学院用鼠疟模型筛选了近百个药方,青蒿提取物的抑制率虽达60%~80%, 而效力不够稳定[6]继后, 研究组经余亚纲和顾国明复筛, 肯定了青蒿的抗疟作用[8]他们也研究了中药常山,其抗疟作用虽强, 但呕吐的副作用亦强而妨碍推广应用. 转折点出现在黄花蒿的抽提物. 传统中药青蒿包括两个品种: 学名黄花蒿(Artemisia an-nua L.)的抽提物能对小鼠疟原虫的生长显示良好的抑制作用;而学名青蒿(Artemisia apiaceaHance)则无任何抗疟作用[7][9],继后的实验中, 上述结果未能重复, 这同中医文献的记载相矛盾. 为解开此疑惑, 再深入查阅古代医学文献, 最后在晋朝葛洪著《肘后备急方》中找到“青蒿一握, 以水二升渍, 绞取汁, 尽服之”的抗疟记录. 惯常煎熬中药的高温抽提法已破坏了抗疟的活性组分;温度高于60 ℃将使青蒿素完全分解. 在较低温度下进行青蒿抽提后, 获得了很满意的效果[7][9][10]
,.研究组将青蒿的抽提物分成酸性与中性物部分. 移除了不具抗疟活性且有害的酸性部分, 重点抽提黄花蒿的叶片, 使有效成分的产量提高, 并能大幅度地降低其毒性[6],1971年下半年, 于190次实验失败后, 他们在60 ℃用乙醚萃取, 制成了一种无毒性的第191 号中性抽提物[7].它对感染伯氏疟原虫(Plasmodium berghei) 小鼠以及感染猴疟原虫(Plasmodium cyomolgi) 猴的疟原虫血症(parasitemia) 显示100%的疗效. 此喜讯宣告了青蒿素课题的新突破. 研究组将191 号中性抽提物最先在全体组员身上试服, 确定了其安全性.1972 年 3 月, 向“5·23 计划”南京会议报告了试服的结果. 会后不久, 研究组即远赴海南省安排临床试验. 在选试的21 例疟疾患者中, 感染恶性疟或间日疟(subtertian or tertian malaria)者各占半数. 经治疗后, 患者的发热症状可迅速消失, 血中疟原虫的数目锐减;而接受氯喹的对照组患者则无效.受到临床试验疗效的鼓舞, 研究组再回头专攻青蒿素活性组分的分离与纯化. 钟裕容等通过抽提物的层析, 1972 年11 月8 日成功分离出一种相对分子质量0.282 kD的无色结晶, 测得其分子式为C15H22O5, 熔点156~157 ℃, 即“青蒿素Ⅱ”,后命名为青蒿素(artemisinin).
1972 年在得知北京科研组有关青蒿粗提物的信息后, 山东寄生虫病研究所与山东省中医药研究所合作, 还有云南省药物研究所分别独立进行黄花蒿的提取, 亦获得有效抗疟单体, 各自命名为“黄花蒿素”(山东)及“黄蒿素”(云南). 1974 年初, 上述两种单体被初步确证与北京的青蒿素属相同的药物[6]。

1975 年, 在中国科学院上海有机化学研究所、北京生物物理研究所协助下, 刘静明、周维善等确定了青蒿素的空间结构式. 根据光谱数据和X-射线分析以及化学反应, 证明它属于一种新型的倍半萜内酯[5]。

1979年中国国家科学与技术委员会向青蒿素研究组颁发了国家发明证书, 以确认其抗疟疗效[5]。

二.青蒿素的生物合成
青蒿素的药源主要取自野生黄花蒿和人工栽培的黄花蒿, 但前者受地理环境与季节限制, 而且天然资源逐趋匮乏;后者种植占地大, 耗力费时, 加以植株易变异, 产量不够稳定, 因此迫切需要开拓青蒿素的新药源[11]。

由此,有研究者另辟蹊径,设想通过生物合成青蒿素。

时至今日,青蒿素的生物合成已经取得一定进展,介绍如下:
早在20 世纪80 年代, 中国科学院上海有机化学研究所汪猷院士领导的研究小组就利用放射性同位素标记的2-14C-青蒿酸与青蒿匀浆(无细胞系统)保温法证明, 青蒿酸和青蒿 B 是青蒿素的共同前体[12]。

青蒿素生物合成途径仅见于青蒿, 但其“上游”途径为真核生物所共有, 可望通过“下游”途径重建, 在真核微生物(如酵母)中全合成青蒿素. 过去10 年来, 青蒿素合成基因被国内外研究团队陆续克隆并导入酿酒酵母细胞, 已成功合成青蒿酸及双氢青蒿酸等青蒿素前体. 由于酵母缺乏适宜的细胞环境, 尚不能将青蒿素前体转变成青蒿素. 因此, 青蒿依然是青蒿素的唯一来源, 凸显出继续开展青蒿种质遗传改良的必要性. 同时, 青蒿素生物合成的限速步骤尤其是终端反应机制已基本得到阐明, 有助于开展青蒿素形成与积累的环境模拟及仿生, 从而为彻底缓解青蒿素的供求矛盾创造先机[4]。

若以双氢青蒿酸为青蒿素的直接前体, 则青蒿素生物合成过程如下:首先是从乙酰辅酶 A 经异戊烯基焦磷酸(IPP)、二甲基烯丙基焦磷酸(DMAPP)、法呢基焦磷酸到紫穗槐-4,11-二烯的合成途径, 其中DMAPP 与IPP
受IPP 异构酶(IPPI)催化发生互变, 二者再被法呢基焦磷酸合成酶(FDS)作用生成法呢基焦磷酸, 并在紫穗槐二烯合酶(ADS)催化下闭环产生紫穗槐-4,11-二烯; 其次是从紫穗槐-4,11-二烯到双氢青蒿酸的合成途径, 紫穗槐-4,11- 二烯在细胞色素P450 单加氧酶(CYP71A V1)催化下, 经连续氧化依次生成青蒿醇、青蒿醛和青蒿酸, 其中青蒿醛受青蒿醛双键还原酶2(DBR2)催化而还原成双氢青蒿醛, 后者再在青蒿醛脱氢酶1(ALDH1)催化下氧化成双氢青蒿酸. 双氢青蒿醇转变成双氢青蒿醛由ALDH1/CYP71A V1 催化,其逆反应则由双氢青蒿酸还原酶1(RED1)催化;最后是从双氢青蒿酸到青蒿素的合成途径, 双氢青蒿酸经过未知的多个非酶促反应最终生成青蒿素. 此外,青蒿酸可能经多步反应合成青蒿素B 后再转变成青蒿素[13].
青蒿素的生物合成主要任务有:①青蒿素前体合成工程菌的构建。

在这里为了便于叙述,将上述青蒿素生物合成过程分为“上游”“中游”“下游”三个途径,分别是从乙酰辅酶 A 到法呢基焦磷酸的“上游”途径、从法呢基焦磷酸到双氢青蒿酸的“中游”途径和从双氢青蒿酸到青蒿素的“下游”途径. 青蒿及其他高等植物与酵母等真核微生物合成法呢基焦磷酸的酶促反应完全相同(循甲羟戊酸途径), 因而只需在酵母中额外增加一个青蒿素合成代谢支路, 就能让酵母全合成青蒿素. 目前, 中游途径的酶促反应已通过导入青蒿ADS, CYP71A V1, CPR, DBR2 和ALDH1 等基因至酵母而得以完全重建, 但下游途径的反应条件在酵母中则尚未建立[4].回溯到2003 年, 美国Keasling 小组将青蒿ADS基因经密码子优化后导入大肠杆菌中表达, 同时用酵母萜类合成途径代替大肠杆菌萜类合成途径, 首次在细菌体内合成出青蒿素的第一个关键前体——紫穗槐-4,11-二烯, 在 6 L 发酵罐中培养60 h 的产率达到450 mg/L[14]。

2006 年, 他们将ADS 基因连同CYP71A V1 和CPR 基因同时导入酿酒酵母中表达, 培育出世界上第一株生产青蒿酸的酵母工程菌, 经代谢途径修饰与优化, 其产率已达153 mg/L[15]。

加拿大Covello 小组于2008 年将新克隆的青蒿DBR2 基因连同ADS, CYP71A V1 和CPR 基因一同导入酿酒酵母,率先培育出合成双氢青蒿酸的酵母工程菌, 其中双氢青蒿酸产率为15.7 mg/L, 青蒿酸产率为11.8 mg/L[16]。

中国医学科学院及北京协和医科大学药物研究所的程克棣小组将青蒿ADS 基因按酵母偏爱密码子优化并导入酿酒酵母后, 也培育出产紫穗槐-4,11-二烯的酵母工程菌[57]。

瑞典卡尔马大学的Brodelius 小组将ADS 基因导入酵母中, 分别获得质粒表达及染色体整合表达的产紫穗槐-4,11-二烯酵母工程菌, 其中质粒表达酵母工程菌培养16 d 后的紫穗槐-4,11-二烯,产量为0.6 mg/L[17]。

然而, 到目前为止, 国内外还没有一个研究小组将酵母工程菌中的青蒿素前体转变成青蒿素, 其原因可能是酵母不具备青蒿素合成所需要的细胞环境[4].这里面临着一个策略选择, 即在微生物中合成青蒿素前体后是改用化学方法半合成青蒿素, 还是继续探索让微生物将青蒿素前体转变成青蒿素的方法? 现在看来, 国外选择的是前者, 并且已先期启动产业化进程. 不过, 从工艺、成本、环境影响等方面考虑, 实现青蒿素的微生物全合成无疑有着更大的应用价值[4].
②高产青蒿素转基因青蒿植株的培育。

这一步骤首先要寻找高产青蒿素转基因青蒿培育的有效途径。

青蒿素是一种次生代谢产物, 它在青蒿中的积累量很小, 而且不同地区生态类型的差异很大。

中国科学院植物研究所叶和春研究小组最早开展转基因青蒿研究, 他们将重组法呢基焦磷酸合成酶基因(FPS)导入青蒿, 以增加FPS 基因的拷贝数目, 期望增大青蒿素生物合成途径的碳流(“开源法”), 由此获得青蒿素含量比对照高3~4 倍的转基因青蒿发根(0.2%~0.3%)[18]及比对
照高2~3 倍的转基因青蒿植株(0.8%~1%)[19][20]. 类似地, 印度科学家用重组羟甲基戊二酰辅酶 A 还原酶基因(HMGR)培育转基因青蒿植株, 其青蒿素含量提高22.5%[21]将反义鲨烯合酶基因(asSS)导入青蒿,以阻断竞争青蒿素生物合成的类固醇分支途径(“节流法”), 获得类固醇含量比对照(0.08%鲜重)下降近一半(0.04%~0.05%鲜重)及青蒿素含量比对照(0.45%干重)提高近3 倍(1.23%干重)的转基因青蒿植株[22]。

上海交通大学唐克轩小组利用发夹RNA介导的RNA干扰技术阻断类固醇合成途径, 使转基因青蒿中的青蒿素含量达到 3.14%干重, 比对照提高 3.14 倍[23]。

最近, 中国科学院植物研究所的研究小组利用β-石竹烯合酶cDNA 反义片段抑制青蒿的倍半萜合成支路, 通过减少β-石竹烯对紫穗槐-4,11-二烯的竞争,使青蒿素含量提高50%以上[24]。

在今后的研究中, 可以考虑将“开源”与“节流”两种方法结合起来, 也许能收到更好的效果. 一种更有前景的创意是将青蒿中更多的非青蒿素合成途径剔除或者仅保留青蒿素合成途径及其他必要的代谢途径, 从而通过合成生物学创造出自然界不存在的新型代谢网络[4].
③通过调节激素及发育基因表达促进青蒿素合成。

细胞分裂素可刺激叶片生长, 而青蒿素主要由青蒿叶片合成. 因此, 提高青蒿中的细胞分裂素水平有可能促进青蒿素的合成. 叶和春小组曾将异戊烯基转移酶基因(ipt)导入青蒿, 结果使细胞分裂素水平提高2~3 倍, 青蒿素含量增加30%~70%[25]
④利用异种植物创建青蒿素生物合成新支路。

美国肯塔基大学的Chapel 小组将青蒿ADS 基因及鸟类FPS 基因导入烟草中表达, 经叶绿体信号序列引导, ADS 和FPS 被转运至叶绿体, 并合成紫穗槐-4,11-二烯, 产量达到25 μg/g 鲜重[26]如果将来能将青蒿素合成途径“搬到”叶绿体内, 那么这种独特的“叶绿体催化”方法可能比常规的“细胞质催化”方法更能获得高产青蒿素[4].荷兰Bouwmeester 小组利用烟草表达青蒿ADS,FPS 和HMGR 基因, 获得产紫穗槐-4,11-二烯的转基因烟草. 但是, 当继续导入CYP71A V1 基因后, 却未检测到预期产物青蒿酸, 而只检测到青蒿酸-12-β-双葡萄糖苷, 产量达到39.5 mg/kg 鲜重, 推测其为烟草葡萄糖基转移酶的催化产物[27]。

加拿大Covello 小组将青蒿ADS 和CYP71A V1 基因导入烟草后, 只检出紫穗槐-4,11-二烯和青蒿醇, 未检出青蒿酸. 若再导入DBR2和ALDH1基因, 也只检出双氢青蒿醇, 未检出双氢青蒿酸[28]由此可见, 尽管在青蒿以外的植物中重建青蒿素合成途径是可行的, 但在产物(如青蒿酸糖苷)的后处理上可能会面临较多的技术困难。

在青蒿素的生物合成过程还有几个关键问题需要注意:①青蒿素合成基因表达具有时空特异性,利用实时荧光定量PCR 技术追踪分析了青蒿素合成基因的发育及组织表达模式, 结果显示, 各基因的表达水平在8月份开花前达到高峰, 其中青蒿素特异合成ADS mRNA 和CYP71A V1 mRNA 升幅最大, 为最低水平的12 和15 倍. 处于盛花期的青蒿在根、茎、叶、花各个组织中都能检测到青蒿素合成基因的表达, 叶片中ADS mRNA 水平较其他组织高2倍左右[29]。

我们采用组织化学染色法和分光光度法对CYP71A V1 启动子-GUS 融合基因转化烟草在正常和胁迫条件下的表达进行定性及定量检测, 结果表明, 在脱水、4℃和紫外辐射条件下, 转基因烟草的GUS 活性提高 1.4~2.7 倍[30]。

瑞典及荷兰科学家的研究结果表明, ADS, CYP71A V1, DBR2 和ALDH1 等青蒿素合成基因在花芽及嫩叶中的表达水平比其他组织(老叶、茎、根、发根培养细胞)高40~500 倍, 而对青蒿素合成有负调节作用的双氢青蒿醛还原酶基因(RED1)则只在发根培养
细胞中高表达[31][32]。

②内外环境因素促进青蒿素的合成与积累。

早在2000 年, 叶和春小组就证明, 植物病原真菌可以不同程度地促进体外培养青蒿发根中青蒿素的积累, 其中大丽花轮枝孢处理发根后的青蒿素含量比对照提高45%[33]南京大学谭仁祥小组也证实,来自真菌的寡聚糖激发子可使青蒿素含量从7 mg/g干重提高到13 mg/g 干重, 而寡聚糖激发子与一氧化氮供体硝普钠共用, 则青蒿素含量升高至12~22mg/g 干重[34]。

叶和春小组还发现, 外源性赤霉酸可以通过反馈抑制赤霉酸合成, 将碳源分流到青蒿素合成途径,导致青蒿素含量增高, 同时青蒿酸含量降低, 表明从青蒿酸到青蒿素是青蒿素合成的限速步骤之一[35]。

③青蒿素产量与单线态氧水平高度相关。

以往研究表明, 青蒿收获后干燥[36]及重金属(铅)、盐胁迫[37]处理青蒿均有利于青蒿素的积累, 推测极端环境胁迫尤其是氧化胁迫可能与青蒿素合成有着十分密切的关系, 但始终缺乏活性氧参与青蒿素生物合成的证据。

我们研究发现, 转基因青蒿植株经过冷处理后,单线态氧的释放比对照植株明显增强, 同时青蒿素含量从 1.23%增加到 1.66%, 转基因青蒿植株干粉经15 个月贮存后青蒿素含量升至 2.35%[38]。

我们采用mRNA 定量扩增技术系统地研究了低温[39]、衰老[40]、水杨酸及茉莉酸甲酯[41]等内外环境因素对青蒿素生物合的影响, 结果发现青蒿素合成mRNA 水平升高、酶类合成增加、青蒿素含量提高均与单线态氧大量释放同步发生, 从而为单线态氧参与调节青蒿素生物合成提供了直接证据.
④单线态氧来自青蒿叶绿体并可诱导青蒿素合成基因表达。

拟南芥的条件性flu 突变体在由黑暗转光照的交替中可激发叶绿体产生单线态氧[42]并且由核基因组编码的叶绿体蛋白Executer 1 和Executer 2 负责单线态氧信号从叶绿体向细胞核的逆向转导[43]. 最近,我们还发现,Executer 1 基因与抗氧化酶(谷胱甘肽过氧化物酶、谷胱甘肽-S-转移酶)基因均受萜类合制剂处理后激发的单线态氧的共调控(未发表结果).关于内源性与外源性单线态氧在青蒿素合成中的作用, 我们利用类胡萝卜素合成抑制剂证明, 叶绿体释放的单线态氧可作为“逆向信号转导分子”诱导核内编码的青蒿素合成相关基因表达[44]. 相反, 我们在培养基中添加单线态氧光敏发生剂孟加拉玫红(rose Bengal)并照光或通入次氯酸钠与过氧化氢反应产生单线态氧后, 不仅显著降低青蒿素含量, 而且导致大量未知产物合成[45]以上结果表明, 单线态氧催化的非酶促反应可能是青蒿素生物合成的限速步骤, 而单线态氧来源于细胞内而不是细胞外, 内源性单线态氧不仅能上调青蒿素合成基因表达, 而且可催化双氢青蒿酸转变成青蒿素.
三.青蒿素药理活性
青蒿素及其衍生物具有抗疟、抗孕、抗纤维化、抗吸血虫等药理作用。

如今青蒿素及其衍生物在临床主要应用于多种自身免疫性疾病,如脑型疟疾,并取得了较好的效果且副作用低。

随着对青蒿素及其衍生物药理作用的不断研究深入,发现其还具有较强的免疫抑制作用。

近年来有许多基础与临床研究表明青蒿素及其衍生物对免疫系统有调节作用,可分为免疫增强作用和免疫抑制作用。

Li等[46]研究表明青蒿素的衍生物青蒿琥酯可以提高PHA诱导的小鼠淋巴细胞转化率,增加其脾脏重量,可以增强二硝基氟苯诱导的迟发型超敏反应,因此青蒿琥酯有增强细胞免疫的作用。

最近在青蒿素类衍生物的免疫抑制活性研究中发现,经过结构改造合成的新型青蒿素类衍生物的免疫抑制活性有大幅提
高,同时这类青蒿素衍生物保留了在体内低毒的特性,有望发展成为一类新型免疫抑制剂[47]蒿素类衍生物对关节炎具有一定疗效。

青蒿琥酯可抑制人的类风湿性关节炎成纤维样滑膜细胞内血管内皮生长因子和低氧诱导因子1的表达,具有治疗类风湿关节炎滑膜炎症的作用[48]。

青蒿素及其衍生物中都含有过氧桥结构,研究表明青蒿素等药物的抗疟作用可能与铁介导的药物过氧桥裂解产生自由基有关,这种结构可能是其杀伤具有耐药性的脑型疟及肿瘤细胞的作用基础[49]青蒿素类药物还具有抗脓毒症作用,郭进强等[50]报道青蒿琥酯可通过抗脂质过氧化保护重要脏器功能,对中暑内毒素血症小鼠产生保护作用。

人们还进行人瘢痕成纤维细胞体外培养,观察并分析了其对增殖性瘢痕成纤维细胞的增殖活力及胶原合成功能的影响,结果表明,青蒿素可呈剂量和时间依赖性地抑制成纤维细胞的增殖,并明显降低细胞外胶原量[51],单用青蒿素能够抑制肝癌细胞的生长但是作用较弱,对肿瘤细胞的促凋亡作用也比较弱;而联合铁剂用药作用更强,抑瘤率有所提高,促凋亡作用也有明显的增强[45]。

除抗疟作用之外,另有文献报道双氢青蒿素能有效治疗红斑狼疮、关节炎等自身免疫性疾病[52][53]韦嵩等[54]用青蒿琥酯粉针剂静脉注射治疗RA患者,60mg,1次/d,治疗10d后,停药5d再继续静脉注射治疗,对照组口服或静脉注射甲氨蝶呤(MTX)10~15rag,1次/wk,疗程3too,曾服用非甾体类抗炎药物或激素治疗者,均在第1rtlo后减量至停服。

结果发现,青蒿琥酯治疗RA的疗效与MTX相近,与MTX相比能较快改善关节红肿热痛症状,治疗过程偶有口眼干、便秘、心慌等药物反应,经中药调理后可缓解,无需停药,不良反应较MTX轻。

崔向军等[55]治疗87例活动性RA患者,均以泼尼松片加甲氨蝶呤为基础治疗,治疗组以基础治疗加口服青蒿琥酯片200rag,1次/d,对照组以基础治疗加口服硫酸羟氯喹片200mg,1次/d。

发现两组起效时间及复发次数无显著差异,症状、各项临床指标得到了较好的恢复,与对照组比较疗效相当,不良反应较轻,说明青蒿琥酯对RA的治疗作用与羟氯喹相同[45]。

三.青蒿素应用前景
青蒿素除具有上述药理作用外,还具有来源广泛、价格低廉、毒副作用少、抗肿瘤活性明显、对正常组织细胞毒性低、不易耐药等优点,将其开发成为新型有效的化疗药或辅助化疗药并且应用于临床,具有广阔的应用前景。

由于青蒿素及其衍生物明显的抗肿瘤作用,美国癌症研究所已经将其纳人抗癌药物的筛选及抗癌活性的研究计划中,我国正在不断扩大青蒿的种植面积及加大青蒿素类药物的生产。

但青蒿素及其衍生物作为抗肿瘤药应用于临床还需要解决很多方面的问题,如青蒿素及其衍生物的给药剂量、给药方式和给药时间都有待进一步研究;青蒿素及其衍生物联合化疗治疗恶性肿瘤的研究仍然停留在体外研究阶段,体内试验尚少,临床应用亦不多见。

因此,提高青蒿素类药物在临床的应用研究将具有深远意义[56]。

结束语
青蒿素类药物应用范围广,具广阔应用前景,且有毒性低,不易耐药的优点,人工生物合成前体已经成功,若能攻克后期在生物体内由青蒿素前体转变为青蒿素难题,必然能使青蒿素更好的造福于人类。

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