微生物转化技术在中药中的应用

马 莎 李桂香 郎 茜 杨本寿

中药是我国的民族瑰宝，在国内及国际市场上受到了越来越多的关注。中药活性成分种类繁杂，主要包括糖和苷、生物碱、黄酮类、萜类等[1]。这些活性成分在中药中往往存在含量低、不良反应大、有效成分水溶性差等缺点，限制了其在临床中的应用。因此，“增效减毒”逐渐成为了中药研发的重要方向。微生物转化在提高有效成分含量的同时还可以产生新的化合物、降低毒性成分，通过研究中药材的微生物转化过程来研究其在体内的代谢过程及中药的作用机制等[2-3]。

微生物繁殖速度快、拥有大量的酶系，常被用于中药成分的生物转化。其转化本质是外源性中药底物通过微生物体系产生的酶对其进行结构修饰及改造的生物化学过程[4-5]。目前，可用于催化各种化学反应的酶有糖化酶、β-糖苷酶、脱氢酶、羟化酶等。微生物转化中药具有以下特点：微生物资源丰富，具有生物多样性，为转化提供了强大的物质基础；反应条件温和；酶对底物的催化具有较高的专一性和选择性；微生物转化反应速率快；优化条件可使转化率提高[6-8]。

1 微生物转化类型

大部分菌种如霉菌、酵母菌和细菌都能使多种化合物发生不同的反应。其中利用霉菌进行转化的研究报道较多。微生物转化包括糖基化、羟基化、环氧化、脱氢、水解等各类化学反应[9-10]。人们可以利用微生物对化合物进行结构修饰，不仅能发现大量促使反应发生的酶，还能获得更多的衍生物利于工业化的生产。

1.1 羟基化反应

羟基化是指向有机化合物分子上引入羟基的反应，传统的化学合成很难在结构复杂且不活泼的C原子上引入羟基。马媛等[11]的研究发现甘草次酸经过短刺小克银汉霉转化后得到了3-酮基-7β,15α-二羟基-18β-甘草次酸、7β-羟基-18β-甘草次酸和15α-二羟基-18β-甘草次酸等6个转化产物，其中3-酮基-15β-二羟基-18β-甘草次酸为新化合物。该转化过程表现出短刺小克银汉霉对甘草次酸的羟基化作用。Deng等[12]的研究发现去氢穿心莲内酯可以被短刺小克银汉霉转化为1-羟基、7-羟基、9-羟基代谢产物。

1.2 糖基化反应

糖基化反应通常是在化合物糖链上定向或不定向引入一个或多个糖基，微生物转化产物的生物活性经糖基化修饰后会得到优化，从而进一步提高其生物利用度。

人参皂苷C-K、Rg3、Rh1、Rh2由于在人参中的含量较低，且不易在自然界中直接获得，因此常被称为稀有人参皂苷，但与常见的人参皂苷比较却表现出更强的抗肿瘤、增强免疫力和清除自由基等作用[13-14]。武伦鹏等[15]的研究发现，人参主要皂苷Rb1，能够被真菌GH26高效地转化为药理活性更强的稀有人参皂苷C-K，转化率高达76.6%。陈贺等[16]通过巴氏醋酸杆菌转化了人参中的主要皂苷Rb1、Rb2、Rd和Rg1，从而获得人参稀有皂苷C-K，其含量达到0.11 mg/g。

1.3 环氧化反应

环氧化反应常见于萜类化合物，多发生在化合物的双键部位，可提高化合物活性。周丽娜[17]的研究表明莪术二酮经雅致小克银汉霉AS3.2028转化后，得到（1S,10S）-1,10-环氧莪术二酮和（1R,10R）-1,10-环氧莪术二酮两种十碳环外碳碳双键发生环氧化的产物。而莪术醇经转化后得到了一种七元环外碳碳双键被环氧化的产物10S,14-环氧莪术醇。

1.4 脱氢或脱水反应

脱氢或脱水反应主要指化合物脱氢或脱水生成双键。卢灯翠等[18]的研究发现左旋四氢巴马汀和四氢小檗碱能够被轮枝霉菌（Verticillium sp.WJ-03）转化生成产物巴马汀以及小檗碱。并得出结论该生物转化反应类型为脱氢反应，且与原小檗碱类生物碱的生物合成途径一致。李合平等[19]利用变形斑沙雷菌对穿心莲内酯进行微生物转化可以得到脱水穿心莲内酯，收率为70.1%。

1.5 水解反应

近年来，利用微生物及其酶对外源化合物进行糖水解研究较多，通常见于苷类物质的糖水解。胡宏秀[9]利用橄榄色毛壳菌和灰葡萄孢菌，分别对原薯蓣皂苷进行转化，前者得到4个已知转化产物。后者转化得到1个糖水解产物薯蓣次级皂B。李粟琳等[20]应用保加利亚乳杆菌、鼠李糖乳杆菌等菌种成功水解了三七、人参和西洋参中的糖苷键，使药材中所含的常见人参皂苷转化为稀有人参皂苷Rh1及C-K等。为今后进一步进行转化菌种的选育和转化条件的优化提供了条件。

2 微生物转化在中药领域的应用

2.1 产生新的化合物

青蒿素具有抗疟、抗肿瘤、抗炎等多种生理活性。但青蒿素的水溶性差、生物利用度低。Zhan等[21]研究了雅致小克银汉霉对青蒿素的微生物转化，分别得到4种产物，其中6β，7α-二羟基青蒿素为新化合物，且该化合物由于亲水基团羟基的引入，相较于青蒿素具有更高的抗疟活性及水溶性。王照华[22]利用刺孢小克银汉霉和日根霉分别转化厚朴中的主要药效成分厚朴酚与和厚朴酚，获得了17个新化合物，为新药的研发提供了有利依据。

2.2 提高有效成分含量或增强中药疗效

中药中的天然有效成分包括苷类、萜类、生物碱及黄酮类等，然而其含量往往不高。经研究发现，中药经微生物转化后有效成分发生变化，可增加其活性组分含量或高活性化合物生成，从而提高了药效，为新药的开发提供新思路[23-24]。

董建伟[25]利用燕麦廉孢菌（Fusariumavenaceum-YIM3065）和尖刀廉孢菌（Fusariumoxysporum-YIM3068）发酵白及，能够明显提高白及的总酚含量、抗菌活性及抗氧化活性；天麻的抗菌活性经过接骨木镰孢菌转化后也得到了显著提高。Xing等[26]通过地丝霉发酵丹参，在提高丹酚酸B含量的同时也增强了丹参的抗氧化活性。

2.3 降低中药不良反应

在中药的临床使用过程中，难免会存在一些不良反应较大的药材，从而限制了其在临床上的应用范围。研究表明，中药中的毒性成分可以利用微生物转化技术进行结构修饰或分解，进而转化为低毒或无毒成分[27-29]。

潘自皓等[30]利用短刺小克银汉霉对马钱子碱硫酸盐和士的宁硝酸盐进行微生物转化，使得马钱子的毒性得到了大幅度下降，2种底物的平均转化率接近78%。

2.4 作为研究药物代谢机制的辅助手段

部分中药在动物体内的药物代谢机制与微生物体内的代谢过程类似，因此利用微生物转化得到的代谢产物不仅可预测药物在哺乳动物体内的代谢情况，还可为体内代谢提供对照产物。同时其有助于中药代谢产物的微量甚至痕量分析，以便充分了解药物在体内的转化过程[31]。

2.5 去除中药中的大分子杂质

中药中的杂质成分不仅会干扰有效成分的提取，降低中药药效，而且还会增大制剂的服用量。研究发现，利用微生物转化可以较好地除去部分大分子杂质[32]。实验证明，利用菌株产生的糖苷水解酶和蛋白酶能分别去除多肽和蛋白类药物中的高分子糖类杂质以及多糖类药物中的蛋白类杂质，使低分子活性成分易通过血脑屏障，提高疗效，还能提高多糖的提取率[33]。

中药进行微生物转化是在化学、中药学和微生物学的基础上发展起来的新型学科，具有强大的生命力。在提高中药疗效、增加有效成分含量、降低不良反应、改善水溶性和生物利用度等方面呈现出独特的优势，在很大程度上加快了中药新药的开发和中药现代化进程。它将现代生物技术融入了中药的研究，必将引领中药新药的研发方向，提高中药行业的国际竞争力，为中药走向世界做出新的贡献。