微生物轉化技術在中藥中的應用

馬 莎 李桂香 郎 茜 楊本壽

中藥是我國的民族瑰寶，在國內及國際市場上受到了越來越多的關注。中藥活性成分種類繁雜，主要包括糖和苷、生物堿、黃酮類、萜類等[1]。這些活性成分在中藥中往往存在含量低、不良反應大、有效成分水溶性差等缺點，限制了其在臨床中的應用。因此，“增效減毒”逐漸成為了中藥研發的重要方向。微生物轉化在提高有效成分含量的同時還可以產生新的化合物、降低毒性成分，通過研究中藥材的微生物轉化過程來研究其在體內的代謝過程及中藥的作用機制等[2-3]。

微生物繁殖速度快、擁有大量的酶系，常被用于中藥成分的生物轉化。其轉化本質是外源性中藥底物通過微生物體系產生的酶對其進行結構修飾及改造的生物化學過程[4-5]。目前，可用于催化各種化學反應的酶有糖化酶、β-糖苷酶、脫氫酶、羥化酶等。微生物轉化中藥具有以下特點：微生物資源豐富，具有生物多樣性，為轉化提供了強大的物質基礎；反應條件溫和；酶對底物的催化具有較高的專一性和選擇性；微生物轉化反應速率快；優化條件可使轉化率提高[6-8]。

1 微生物轉化類型

大部分菌種如霉菌、酵母菌和細菌都能使多種化合物發生不同的反應。其中利用霉菌進行轉化的研究報道較多。微生物轉化包括糖基化、羥基化、環氧化、脫氫、水解等各類化學反應[9-10]。人們可以利用微生物對化合物進行結構修飾，不僅能發現大量促使反應發生的酶，還能獲得更多的衍生物利于工業化的生產。

1.1 羥基化反應

羥基化是指向有機化合物分子上引入羥基的反應，傳統的化學合成很難在結構復雜且不活潑的C原子上引入羥基。馬媛等[11]的研究發現甘草次酸經過短刺小克銀漢霉轉化后得到了3-酮基-7β,15α-二羥基-18β-甘草次酸、7β-羥基-18β-甘草次酸和15α-二羥基-18β-甘草次酸等6個轉化產物，其中3-酮基-15β-二羥基-18β-甘草次酸為新化合物。該轉化過程表現出短刺小克銀漢霉對甘草次酸的羥基化作用。Deng等[12]的研究發現去氫穿心蓮內酯可以被短刺小克銀漢霉轉化為1-羥基、7-羥基、9-羥基代謝產物。

1.2 糖基化反應

糖基化反應通常是在化合物糖鏈上定向或不定向引入一個或多個糖基，微生物轉化產物的生物活性經糖基化修飾后會得到優化，從而進一步提高其生物利用度。

人參皂苷C-K、Rg3、Rh1、Rh2由于在人參中的含量較低，且不易在自然界中直接獲得，因此常被稱為稀有人參皂苷，但與常見的人參皂苷比較卻表現出更強的抗腫瘤、增強免疫力和清除自由基等作用[13-14]。武倫鵬等[15]的研究發現，人參主要皂苷Rb1，能夠被真菌GH26高效地轉化為藥理活性更強的稀有人參皂苷C-K，轉化率高達76.6%。陳賀等[16]通過巴氏醋酸桿菌轉化了人參中的主要皂苷Rb1、Rb2、Rd和Rg1，從而獲得人參稀有皂苷C-K，其含量達到0.11 mg/g。

1.3 環氧化反應

環氧化反應常見于萜類化合物，多發生在化合物的雙鍵部位，可提高化合物活性。周麗娜[17]的研究表明莪術二酮經雅致小克銀漢霉AS3.2028轉化后，得到（1S,10S）-1,10-環氧莪術二酮和（1R,10R）-1,10-環氧莪術二酮兩種十碳環外碳碳雙鍵發生環氧化的產物。而莪術醇經轉化后得到了一種七元環外碳碳雙鍵被環氧化的產物10S,14-環氧莪術醇。

1.4 脫氫或脫水反應

脫氫或脫水反應主要指化合物脫氫或脫水生成雙鍵。盧燈翠等[18]的研究發現左旋四氫巴馬汀和四氫小檗堿能夠被輪枝霉菌（Verticillium sp.WJ-03）轉化生成產物巴馬汀以及小檗堿。并得出結論該生物轉化反應類型為脫氫反應，且與原小檗堿類生物堿的生物合成途徑一致。李合平等[19]利用變形斑沙雷菌對穿心蓮內酯進行微生物轉化可以得到脫水穿心蓮內酯，收率為70.1%。

1.5 水解反應

近年來，利用微生物及其酶對外源化合物進行糖水解研究較多，通常見于苷類物質的糖水解。胡宏秀[9]利用橄欖色毛殼菌和灰葡萄孢菌，分別對原薯蕷皂苷進行轉化，前者得到4個已知轉化產物。后者轉化得到1個糖水解產物薯蕷次級皂B。李粟琳等[20]應用保加利亞乳桿菌、鼠李糖乳桿菌等菌種成功水解了三七、人參和西洋參中的糖苷鍵，使藥材中所含的常見人參皂苷轉化為稀有人參皂苷Rh1及C-K等。為今后進一步進行轉化菌種的選育和轉化條件的優化提供了條件。

2 微生物轉化在中藥領域的應用

2.1 產生新的化合物

青蒿素具有抗瘧、抗腫瘤、抗炎等多種生理活性。但青蒿素的水溶性差、生物利用度低。Zhan等[21]研究了雅致小克銀漢霉對青蒿素的微生物轉化，分別得到4種產物，其中6β，7α-二羥基青蒿素為新化合物，且該化合物由于親水基團羥基的引入，相較于青蒿素具有更高的抗瘧活性及水溶性。王照華[22]利用刺孢小克銀漢霉和日根霉分別轉化厚樸中的主要藥效成分厚樸酚與和厚樸酚，獲得了17個新化合物，為新藥的研發提供了有利依據。

2.2 提高有效成分含量或增強中藥療效

中藥中的天然有效成分包括苷類、萜類、生物堿及黃酮類等，然而其含量往往不高。經研究發現，中藥經微生物轉化后有效成分發生變化，可增加其活性組分含量或高活性化合物生成，從而提高了藥效，為新藥的開發提供新思路[23-24]。

董建偉[25]利用燕麥廉孢菌（Fusariumavenaceum-YIM3065）和尖刀廉孢菌（Fusariumoxysporum-YIM3068）發酵白及，能夠明顯提高白及的總酚含量、抗菌活性及抗氧化活性；天麻的抗菌活性經過接骨木鐮孢菌轉化后也得到了顯著提高。Xing等[26]通過地絲霉發酵丹參，在提高丹酚酸B含量的同時也增強了丹參的抗氧化活性。

2.3 降低中藥不良反應

在中藥的臨床使用過程中，難免會存在一些不良反應較大的藥材，從而限制了其在臨床上的應用范圍。研究表明，中藥中的毒性成分可以利用微生物轉化技術進行結構修飾或分解，進而轉化為低毒或無毒成分[27-29]。

潘自皓等[30]利用短刺小克銀漢霉對馬錢子堿硫酸鹽和士的寧硝酸鹽進行微生物轉化，使得馬錢子的毒性得到了大幅度下降，2種底物的平均轉化率接近78%。

2.4 作為研究藥物代謝機制的輔助手段

部分中藥在動物體內的藥物代謝機制與微生物體內的代謝過程類似，因此利用微生物轉化得到的代謝產物不僅可預測藥物在哺乳動物體內的代謝情況，還可為體內代謝提供對照產物。同時其有助于中藥代謝產物的微量甚至痕量分析，以便充分了解藥物在體內的轉化過程[31]。

2.5 去除中藥中的大分子雜質

中藥中的雜質成分不僅會干擾有效成分的提取，降低中藥藥效，而且還會增大制劑的服用量。研究發現，利用微生物轉化可以較好地除去部分大分子雜質[32]。實驗證明，利用菌株產生的糖苷水解酶和蛋白酶能分別去除多肽和蛋白類藥物中的高分子糖類雜質以及多糖類藥物中的蛋白類雜質，使低分子活性成分易通過血腦屏障，提高療效，還能提高多糖的提取率[33]。

中藥進行微生物轉化是在化學、中藥學和微生物學的基礎上發展起來的新型學科，具有強大的生命力。在提高中藥療效、增加有效成分含量、降低不良反應、改善水溶性和生物利用度等方面呈現出獨特的優勢，在很大程度上加快了中藥新藥的開發和中藥現代化進程。它將現代生物技術融入了中藥的研究，必將引領中藥新藥的研發方向，提高中藥行業的國際競爭力，為中藥走向世界做出新的貢獻。