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植物由来天然物研究の進展について

2010年 9月13日

郝小江

郝小江(Hao Xiao Jiang):
中国科学院昆明植物研究所研究員(教授)

1951年7月生まれ。1990年 日本京都大学化学研究所有機合成専攻薬学博士。1991年中国科学院昆明植物研究所植物化学研究室主任副研究員。1997年所長。2000年植物化学と西部植物資源の持続的利用に関する国家重点実験室主任。2006年植物化学と西部植物資源国家重点実験室学術委員会主任。これまで周俊教授とFuji Kaoru教授に相次いで師事、理学修士と薬学博士学位を取得。1978年から植物由来天然物研究に従事、これまで国内外において学術論文を約400編発表、うちSCI刊行物約250編。また、中国の特許発明18件を取得。代表的な研究は、シモツケ複合体(Spiraea japonica complex)の化学と生物学研究、抗老年痴呆薬Phenchlobenpyrroneの研究、Seco-pregnane類ステロイド抗alpha-RNAウイルスの研究など。

 植物由来天然物(natural products of plants)は伝統的な学問分野の一つであり、二十世紀に光り輝き、有機化学の発展を大きく促進してきた。特にその複雑な化学構造(chemical structures)の認識と解明は、これまでずっと構造化学の発展を促進する原動力となっており、その生物活性(biological abtivities)の研究は薬物化学の発展を促進してきた。二十一世紀になって、国際的な植物由来天然物分野の研究に大きな変化が生じており、その研究の進展状況と将来に関して様々な意見がある。筆者は長年に渡り植物由来天然物研究に従事しており、その実践から体得したことを踏まえて、その進展状況について概説したいと思う。

1、植物由来天然物が直面する挑戦

 植物由来天然物の研究分野は、百年以上の発展の歴史を経て、成熟にむけて歩んでいるが新たな挑戦にも直面している。その挑戦を以下の数点にまとめることができる。

 (1)先進国では、これまで植物由来天然物の研究に従事してきたチームが、有機合成(organic synthesis)研究分野や海洋天然物(marine natural products)研究分野に次々と転向しており、これは紛れもない事実となっている。事実上、1980年代より、米国、日本、ヨーロッパなどの先進国では、植物由来天然物研究を伝統的な「抽出、分離、構造の解明」(extraction, isolation and structural elucidation) の「三部作」に限定しなくなり、植物由来天然物の生物活性の研究は研究作業価値を評価する重要な意義を持ち始めた。植物由来天然物と比較し、構造が目新しく、生物活性が多様な海洋天然物、特に海洋微生物中の天然物は多くの有機化学者の注目を集めており、植物由来天然物の歴史的地位と徐々に入れ替わりつつある。

 (2)発展途上国では、植物由来天然物の研究が盛り上がりを見せている。その原因の一つ目は、発展途上国にはしばしば非常に豊富な植物資源(例:ブラジルの植物資源種(species)は世界第一位、マレーシアは第二位、中国は第三位を占める)があり、多くの発展途上国には薬用植物を民間利用してきた悠久の背景と歴史があり、研究余地も極めて大きいことが挙げられる。二つ目に、過去の研究条件、特に天然物化学構造の測定において重要な測定器具である超電導核磁気共鳴装置が非常に高価であり、それが発展途上国の植物由来天然物研究の展開を制約するボトルネックとなっていたが、社会の発展と進歩に伴い、超電導核磁気共鳴装置などの大型測定器具が次々と普及し、研究手段も次々と発展しており、天然物化学構造の測定はもはや越えられない障害ではなくなったことが挙げられる。

 (3)中国本土では、植物由来天然物の研究チームが次々と拡大すると同時に、その研究レベルも次々と向上してきた。筆者は予備的な統計を行ったが、本分野で公認されている米国出版の学術刊行物「Journal of Natural Products」に発表された論文を例とすると、2000年に中国本土学者がこの刊行物で発表した論文はわずか4.6%を占めるだけであったが、2009年にはその割合が18.71%(計417編)にも上昇し、一期中の1/4を占めるまでになった。

 (4)天然物の分離と構造測定はこれまでずっとこの分野の発展を制約するボトルネックであったが、社会の発展に伴い次々と交代してきた。例えば、1960年代以前は、複雑な天然物化学構造の測定は100年間以上と、非常に長い時間がかかったが、現在の測定時間は通常三日を超えることはない。逆に、現在天然物研究の展開に費やされる多くの時間は主に化合物の分離、純化段階に集中している。有機化学研究の方法と手段が日増しに成熟し整備されるのに伴い、有機合成と天然物の分離と精製(isolation and preparation)のルーチン化と大量生産化が現れ始め、従来のモデルを用いる植物由来天然物研究、特に学術界PI制度モデルに非常に大きな衝撃を与えたことは一目瞭然である。

 (5)天然物にはどこにでもあるという特徴があり、有機化学、薬物化学、農薬学、漢方薬化学、食品化学など様々な学問分野が融合している。しかし、相対的に独立した学問体系が不足しているゆえに、重要な科学問題と学術思想が形成されにくい。よって、重要な研究計画とプロジェクトも組織されにくい。

 注意すべきは、天然物分野の研究意義に変化が生じていることである。別の公認されている英国出版の学術刊行物『Phytochemistry』のコラムを例にすると、1985年は「Growth and Metabolism、Ecological Biochemistry、Biosynthesis、Chemotaxonomy、Plant Chemistry」、1995年は「Growth and Metabolism、Ecological Biochemistry、Biosynthesis、Cell Culture and Biotechnology、Chemotaxonomy、Plant Chemistry」、2005年から現在は「Molecules of Interest and Proteomics、Protein Biochemistry、Molecular Genetics and Genomics、Metabolism、Ecological Biochemistry、Chemotaxonomy、Bioactive Products、Chemistry、Bioinformatics」となっている。この三つの年代のコラムの変化を分析すると、有機化学はもはや天然物分野を「独占」しなくなり、生物化学と分子生物学の新たな研究(例:Molecular Genetics and Genomics)が天然物分野の重要な研究内容となっていることに気付く。これは天然物研究分野に従事する学者にとって、彼らが直面する新たな挑戦とは知識構造の更新と補充である。

2、中国本土の植物由来天然物の主な研究モデル

 中国本土の植物由来天然物研究は多様化する傾向にある。主に以下の特徴にまとめることができる。

 (1)新骨格(new skeletons)、新構造(new structures)の発見を主とするモデル。この種のモデルは研究者たちに最も人気がある。なぜなら新規性が高く、生物活性のある新骨格天然物をひとたび発見すると、比較的質の高い学術刊行物(例:Organic Lettersなど)で発表でき、かつ研究作業周期も比較的短いからである。

 (2)天然物と異なるタイプで系統研究を展開するモデル。これも二十世紀後期に主流を占めたモデルである。例えば、ジテルペイノイド(diterpenoids)、トリテルペイノイド(triterpenoids)、アルカロイド(alkaloids)、グリコシド(glycosides)などを研究対象として選択し、資源、化学、生物活性などの系統研究を展開する。そのメリットは系統研究の結果を基に科学法則を探してまとめることができ、一定の学術影響力を発揮できることである。デメリットは思いがけない学術と独創的な発見が見いだしにくいことである。

 (3)植物応用(特に薬用)の背景を主としたモデル。中国本土の植物由来天然物の研究に従事する学者は主に薬学系の大学と研究所に集中している。よって、このモデルに属する研究主体は比較的多いといえる。このモデルは薬用植物の有效成分の解明、新たな生物活性の発見、新薬開発の基礎研究と事前研究の展開に有利である。

 (4)植物群落を対象とした研究モデル。これは特に1970~1990年代に植物学研究機構(例:中国科学院の2つの植物研究所と3つの植物園、江蘇植物園、広西植物所など)で比較的普及してきた。このモデルはある植物群落の化学成分を全面的に理解し、化学成分の分布法則を探し出すのに役に立ち、植物化学分類学(Phytotaxonomy)の研究を展開し、植物化学研究体系と学術理論を発展させるのに大変重要な部分である。しかし、資源およびその分布の制限を受け、現在このモデルはあまり見られなくなった。

 (5)植物生態学的習性を背景とした研究モデル。例えば、有毒植物、病気やストレスに比較的強い植物、植物外来侵入種など、これらの研究モデルは通常その化学成分に対する化学と生物活性、あるいは生態反応の指向的な研究を行う必要があり、そこから植物およびその天然物の本能を理解する。筆者が展開した植物化学防御研究、植物生態学的習性はテーマ選択の重要な根拠の1つである。

 (6)総合植物生物学(Integrative Plant Biology)の研究モデル:化学成分研究を基礎とし、細胞生物学、植物分類学、分子生物学などの学問分野を結合し、異なるレベル、異なる角度から関連する植物系統分類と進化、分類の地理的分布と発生歴史などを展開する。例えば筆者が展開したシモツケ複合体(Spiraea japonica complex)の化学と生物学研究はこの類別に属する[1]。しかし、植物由来天然物と関連する植物生長発育[2]、環境応答[3]などの方面の内容は比較的少ない。

3、植物由来天然物の生物活性研究

 中国における新薬開発の管制高地は天然薬物であり、天然薬物研究は天然物の化学構造と生物活性研究が前提である。植物由来天然物の獲得(分離純化、誘導体化)は資源、調製技術作業周期の制限の見地から、その数は有機合成化合物、特に化学合成を組合せた化合物と比較することはできない。現在に至るまで、世界には数万の天然物を蓄積した化学物ライブラリーの存在はまだ聞いたことがない。筆者は数年前に有名な日本の製薬会社の研究所を訪問したことがある。聞くところによると、一年間で組合せにより18万の化合物を合成・調製できるが、同期間に調製する微生物天然物はわずか1000余りであるという。このように、数的に天然物と合成化合物を同列に論じることはできない。よって、数が極めて限られているゆえに、天然物の生物活性研究において、「ハイスループットスクリーニング」(high throughput screening)あるいは「ランダムスクリーニング」(random screening)モデルの採用を普及させることは不可能である。さらに、天然物化学構造の特徴は多環系、官能基タイプが少なくかつ現れる頻度が高く[4]、合成化合物とは明らかに異なる。加えて、その生物体系から来た合成は、標的タンパク質あるいは受容体の作用と「相容性」があることから、合成化合物(化学薬物)と比較すると、天然物と標的の作用メカニズムには合成薬物とは違うものである可能性を理解し想像ができる。上述をまとめると、天然物の生物活性研究モデルに対し、それ自身の特徴を考慮し、いわゆるラショナルスクリーニングモデル(Rational screening)を選択しなければならない。天然物生物活性研究の方法について、筆者はその実践で幾つかの点を体得した。

 (1)中国の伝統薬(Traditional Chinese Medicine, TCM)、民間薬と民族薬の有效成分の解明は植物由来天然物の生物活性を発見する最も直接的な方法である。これにはすでに大量の研究事実と報道があり説明できる[5]。筆者が所属する中国科学院昆明植物研究所植物化学と西部植物資源国家重点実験室は1970~1990年代に、研究開発した薬物は基本的にこのモデルである。例えば、天麻素[6]、青陽参[7]、宮血寧[8]などがある。もちろん、この研究モデルにある幾つかの問題に注意しなければならない。一つ目は体内実験と体外実験の結果が必ずしも一致しないこと、二つ目は単一成分の作用と抽出した混合物が必ずしも一致しないこと、三つ目は選択したスクリーニングモデルとその民間用途が必ずしも一致しないことである。

 (2)伝統薬の民間用途と現代薬理学知識は互いに結び付き、薬用植物由来天然物の生物活性研究が指向的に展開している。筆者はホザキシモツケアルカロイドの生物活性研究の展開で類似モデル[1]を採用した。すなわち、この植物が民間にて抗炎に用いられていた背景に基づき、化学成分およびその抗炎作用研究を基礎に、炎症媒体としてまたは血小板凝集因子であるPAFを「架け橋」として選択し、抗炎から延伸到体内外の抗血小板凝集活性の研究まで延長した。さらに脳虚血の保護作用まで掘り下げ、NOシンターゼの阻害剤[9]の発見まで行った。

 (3)伝統薬中の有效成分の再評価:伝統薬の有效成分研究は伝統薬の効果の掲示と解明を行い、試薬を発見することができる。これは紛れもない事実である。しかし、初期の生物学発展の制限を鑑みると、これらの有效成分に対する認識は非常に限定的なものであるといえる。よって、生物学、特に分子生物学発展の過程に伴い、それらの代表的で、効果的と公認された天然有機化合物を「再評価」する必要がある。このモデルも天然物生物活性研究において成功率が最も高いものの1つである。例えば、べルベリン(Bernerine)の血糖降下、コレステロール低下効果という新しい作用メカニズムの発見と応用[10]や、レスベラトロール(Resveratrol)といった化学構造が非常に簡単な天然物は世界中で広範な関心を引き起こしていることなどである。まさに、現代生物学の研究によりその延命[11]、抗がん[12]方面において傑出した効果を実証しているからである。

4、植物の化学防御(Chemical defense)と活性成分の研究

 植物は百万年におよぶ進化により、環境に適応して生存繁栄してきた。植物二次代謝物(secondary metabolic products)は植物種の長期進化と自然選択の結果の「特性」であるとみなすことができる。長期にわたり、植物二次代謝物は植物体がエネルギーを放出する過程で発生する物質で、通常生物学意義がないとみなされている。しかし、高度で幅広い天然物の生物学反応に対する人々のますます増える認識は、これら分子が植物中で演じるかもしれない役割を再評価させるよう促した。ある人はマイナスイメージを含まない「植物由来天然物」という言葉を採用するよう提起し、その他の生物種に対し重要作用を及ぼす植物二次代謝物[13]を描写している。

 明らかなこととして、植物由来天然物は二つの役割を演じることができる。一つ目は人類の病気あるいはその他の用途に用いる物質(例えば薬物、食品など)であり、これは植物由来天然物の外因性生物活性であり、人類の長期実践における選択の結果である。二つ目は、例えば、植物が環境に適応するのを助ける、あるいは自己保護するための化学防御物質であり、植物そのものの自己生物活性である。これも植物がこれら天然物を合成する目的であり、植物の長期進化の自然選択の結果である。この生態的機能(Ecological Functions)は天然物の特殊な作用およびそのメカニズムの認識に対しとても良い啓発と手本を与えてくれる。

 天然抗ウイルス剤の研究を例に、二つの重要な学術問題を提起できる。1)抗ウイルス薬設計の重要なボトルネックはどのように薬にウイルスと寄主を区別させるかである。植物中に存在する抗ウイルスの化学成分の自己毒性が低いゆえに、ウイルスと寄主を識別する特殊能力(すなわち特異的な作用メカニズム)が備わってなければならない。2)ウイルス感染と複製の作用メカニズムはウイルス分類の根拠の一つである。すなわち、同じ科のウイルス中に、植物由来、動物由来あるいはヒト由来のウイルスが含まれる可能性がある。これらの抗植物ウイルスの活性物質も同じ科の動物由来あるいはヒト由来のウイルスに同様の効果があるかということは疑いなく研究するに値する科学的問題である。筆者はかつて植物リュウキュウアイとジョチョウケイ中の抗タバコモザイクウイルス(Tobacco Mosaic Virus, TMV)の活性成分を研究したが、seco-pregnane類ステロイドはa-RNAウイルスサブゲノムRNAの複製を抑制できることを発見し、トガウイルス科(Togaviridae)ウイルス中で、植物由来ウイルスTMVに対し効果があるだけでなく、ヒト由来ウイルスシンドビスウイルス(Sindbis virus, SINV)に対しても著しい抗ウイルス作用と同じ作用メカニズム[14]を表した。興味深いことに、我々の実験は、同様の条件下において、TMVはタバコに感染するがリュウキュウアイには感染しないことを示した。このことから、植物の化学防御は我々が目指す効果的、かつ新しい作用メカニズムを備える抗ウイルス剤の発見を助けるものとなる。

5、植物由来天然物研究の進展状況

 植物由来天然物が植物学中の下位学問分野になるためには、それ自身の理論、研究方法と学術体系を備えなければならない。植物化学成分の研究には化学構造、生物発生合成、生物活性といった三大基本要素を含めなければならない。

 化学構造:主に植物中の異なるタイプの二次代謝物の化学構造研究を指す。すでに複雑構造の測定の微量化、快速化に向けて発展している。現在、植物化学成分研究の手段は大幅に進歩しており、植物化学成分の調製と分析方法は徐々に分化し相対的に独立している。植物中の化学成分の解明は、まさに単一成分、単一タイプから「オーミクス」のモデルに移行しており、成分の研究は徐々に「静態的」から「動態的」に移行している。

 生物発生・合成:植物化学成分の因果関係の研究は、今後植物の有用な化学成分の合成をコントロールするために科学的根拠を提供するものとなる。植物化学成分の生物合成周期は比較的長く、植物中のフェノール成分はしばしば生物合成酵素の研究を妨害するために、植物化学成分の生物合成研究は微生物より明らかに遅れている。無細胞系(Cell-free system)[15]を利用する天然物の生物発生・合成の研究手段は最も効果的な手段の一つになる可能性がある。筆者はこの方法を利用してアチシン系ジテルペン型アルカロイドの生物発生・合成の鍵となる手段と窒素源[16]の証明に成功した。

 生物活性:外部の生物活性とそれ自身の生物活性がある。いわゆる外部の生物活性で最も重要なのは薬用価値であり、聞くところによると、ここ25年以来、抗腫瘍薬のニューケミカルエンティティ(New chemical entity)中の天然物あるいはその誘導体は44%[17]を占め、その重要性の一端がうかがえる。多くの天然物自身の生物活性は主に化学防御[18]あるいは化学生態の機能に表れている。例えば、アレロパシー(Allelopathy)がある。これらの自身の生物活性は植物合成におけるこれら天然物の目的所在を認識させてくれるだけでなく、同時に抗植物ウイルス、抗植物病原菌、殺虫剤と除草剤の先導化合物を発見する最も良い方法でもある。

 植物由来天然物はその発展過程において、もとからある研究モデルが徐々に変化し、単一の研究モデルから総合研究モデルへ、「静態的」研究モデル(結果)から「動態的」研究モデル(過程)へ、単純な構造研究モデルから構造-機能研究モデルへ、天然有機化学研究体系から化学生物学研究体系へと、現代科学に適応する発展モデルにそれぞれ移行している。

主要参考文献:

  1. Xiaojiang Hao, Yuemao Shen, Ling Li, Hongping He, Current Medicinal Chemistry, 2003, 10(21), 2253-2263.
  2. Stephanie Rorbet, S. Narasimha Chary, Georgia Drakakaki, Shundai Li, Zhenbiao Yang, Natasha V. Raikhel, Glenn R. Hicks, PNAS, 2008, 105(17), 8464-8469.
  3. Xianghai Cai, Xiaodong Luo, Jun Zhou, Xiaojiang Hao. Organic letter, 2005, 7(14), 2877-2879.
  4. Silvia N. lopez, I. Ayelen Ramallo, Manuel Gonzalez Sierra, Susana A. Zacchino, Ricardo L. E. Furlan. PNAS, 2007, 104(2), 441-444.
  5. Mingwei Wang, Xiaojiang Hao, Kaixian Chen, Phil. Trans. R. Soc. B, 2007, 362, 1093-1105.
  6. Jun Zhou, Yanbin Yang, Chongren Yang, Acta Chimica Sinica, 1979, 37, 183-189.
  7. Quanzhang Mu, Jianrong Lu, Qianlan Zhou, Scientica Sinica (B), 1986, 29(3), 295-301.
  8. Jun Zhou, Pure & Appl. Chem., 1989, 61(3), 457-460.
  9. Ling Li, Yuemao Shen, Xiaosheng Yang, Wanling Wu, Bingui Wang, Zhihe Chen, Xiaojiang Hao, Brain Research., 2002, 944, 205-209.
  10. Weijia Kong, Jing Wei, Parveen Abidi, Weihong Lin, Satoru Inaba, Cong Li, Yanling Wang, Zizeng Wang, Shuyi Si, Huaining Pan, Shukui Wang, Jiangdan Wu, Yue Wang, Zhuorong Li, Jingwen Liu, Jiandong Jiang, Nature medicine, 2004, 10(12), 1344-1351.
  11. KT Howitz, KJ Bitterman, HY Cohen, DW Lamming, S Lavu, JG Wood, RE Zipkin, P Chung, A Kisielewski, LL Zhang, B Scherer, DA Sinclair Nature 2003, 425 (6954), 191–196.
  12. M Jang, L Cai, GO Udeani, KV Slowing, CF Thomas, CW Beecher, HH Fong, NR Farnsworth, AD Kinghorn, RG Mehta, RC Moon, JM Pezzuto. Science 275 (5297), 218–20.
  13. Biochemistry & Molecular Biology of Plants, Bob B. Buchanan, Wilhelm Gruissem and Russell L. Jones, ã 2000 by the American Society of Plant Physiologists.
  14. Yanmei Li, Lihua Wang, Shunlin Li, Xiaoying Chen, Yuemao Shen, Zhongkai Zhang, Hongping He, Wenbo Xu, Yuelong Shu, Guodong Liang, Rongxiang Fang and Xiaojiang Hao, PNAS, 2007, 104(19), 8083-8088.
  15. R. Niemetz, G. Schilling, G. G. Gross, Phytochemistry 2003, 64, 109–114.
  16. Peiji Zhao, Suo Gao, liming Fan, Jinglei Nie, Hongping He, Ying Zeng, Yuemao Shen, Xiaojiang Hao. Journal of Natural Products, 2009, 72, 645-649.
  17. David J. Newman, Gordon M. Cragg, Journal of Natural Products, 2007, 70, 461-477.
  18. Richard A. Dixon, Nature, 2001, 411, 843-847.

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