论生物医药中生物毒素的研究与应用

论生物医药中生物毒素的研究与应用

每个生物的生命过程取决于一系列被称为代谢作用的反应，代谢作用可以概括为合成代谢和分解代谢。合成代谢中的生成物有初级代谢物和次级代谢物,而生物毒素是后者当中最重要的代表类型。人们对微生物、植物与动物毒素进行了广泛研究并付诸应用。相比较而言,对海洋生物毒素的研究与利用远远晚于对陆生生物毒素。海洋生物毒素的现代研究始于1960年代,但是后来者居上,其进展速度远高于生物毒素研究的其他各个领域。生物毒素的产生和来源生物毒素亦称天然毒素(naturaltoxins),泛指生物来源的各种毒物,不过严格而言,应是指由生物体内化学合成所产生的有毒化合物,包括各种动物、植物、微生物所产生的对其他生物物种有毒害作用的化学物质。有毒生物物种遍及大部分生物门类,如细菌、真菌、植物、昆虫、爬行动物、两栖动物以及许多种属的海洋生物。这些物种都可以产生或蓄积某些特定种类的毒素,其数量难以具体统计,它们构成了生物毒素的丰富资源基础。生物毒素展现了令人惊异的化学结构多样性,已知结构的生物毒素可达数千种,它们的化学结构类型包括了由简单的小分子化合物到复杂结构的有机化合物和大分子蛋白质等几乎所有的化学类型结构。生物毒素是生物界长期进化发展的成果,是具有特殊功能的化学产物,并且具有重要的生态学意义。生物物种之间的化学生态作用是普遍的现象,化学防御机制构成保持生物物种分布平衡的基本因素。微生物、植物与无脊椎动物等在生态关系中属于下位生物,它们往往是产生生物毒素的主要物种。植物产生许多化学结构复杂的次生代谢物质,对鸟类、昆虫、哺乳动物具有很高的毒性,能阻止这些生物食用果实、种子、枝叶等而危害其生长与物种生存。例如植物的果仁、果核中常含有剧毒氰苷类化合物,颠茄中的阿托品生物碱也是剧毒化合物。海洋藻类是海洋毒素的主要原始生产者,并通过食物链转移至其他海洋生物物种。主要的有毒藻类多集中于甲藻门(Dinoflagellatte)及蓝藻门(Cyanophyta)。甲藻中约有2%为有毒藻类,如链膝沟藻(Gonyaulaxcatenella)、短裸甲藻(Gymnodiniumbreve)、冈比亚毒藻(Gambierdiscustoxicus)等。蓝藻主要分布于热带海洋,亦常生存于淡水湖泊。主要的有毒蓝藻包括鱼腥藻(Anadaenaspp.)、微囊藻(Microcystisspp)、束丝藻(Aphanizomenon)等。蓝藻毒素是赤潮、水华公害的元凶。许多在生态链中作为转载者的物种也含有丰富的毒素。这些物种自身不是生物毒素的合成者,而是从下位生物摄取毒素并通过特殊适应机制闭锁或阻抗毒素而不致中毒,以特殊途径储留、浓集毒素,转化为自身的化学防御物质,以应付其上位的捕食者物种。许多鱼类和贝类即是生物毒素之重要转载者物种,例如河鲀鱼是常见的剧毒鱼类,所含的河鲀毒素并不是在河鲀体内自行化学合成的产物,而是来源于一些跟海洋藻类共生的海洋细菌。这些毒物通过多级食物链被河鲀储留、浓集,转化成为河鲀自我保护的化学防御手段。在有毒贝类中常见的神经麻痹性毒素也大都来源于有毒海洋藻类。存在于有毒动物中的生物毒素跟化学防御机制或捕食机制有关。陆生动物蛇、蝎、蜘蛛,两栖动物蛙类及海洋生物海葵、芋螺等,自身可产生包含复杂有毒成分的毒液,这些捕食者物种常利用多种毒素成分组合的毒液猎取被捕食者。例如毒蛇毒液含有多种神经毒素、心脏毒素、肌肉毒素、出血毒素及磷脂酶A等,又如每一种芋螺毒液中都常存在50～100种具有不同生物活性的多肽毒素,可以有效地利用它们组合成为多靶位导向的攻击系统,以猎取被捕食者。海葵毒素的药代动力学海洋生物毒素研究是生命科学中一个异军突起并极富潜力的新兴研究领域,其主要的原因在于,海洋是地球生命的最初发源地,面积占地表的70%,体积占生物圈的95%,动物界28个主要动物门有26门生活在海洋水域,低等海洋生物物种更多达15万～20万种。据估计,约有50余万种动物和13000余种植物栖息于海洋环境中,海洋生物物种的丰度远高于陆地生物。正是海洋生物的多样性孕育出了化学产物的多样性。再者,由于海洋环境的特殊条件,海洋生物之间存在着极密切的生态联系。化学信息作用和化学防御机制在海洋生物的生态关系中往往占重要地位,海洋生物体内相当普遍地存在有特殊作用的某些生物活性物质。据统计,目前已从海洋生物中分离提取出50000余种化合物,实验证实具有生物活性的化合物约有5000余种,其中许多化合物对生命过程的关键靶位具有高特异性的选择作用,显示出非常罕见的强生物活性,而且属于新颖的化学结构类型。在众多海洋生物毒素的家族中,最引人注意的有3大类化合物,即海洋生物碱、聚醚类毒素和肽类毒素。海洋生物碱类毒素的重要代表是归入神经麻痹类毒素的河鲀毒素(tetrodotoxin)和石房蛤毒素(saxitoxin)。它们在海洋有毒生物中毒中最为常见,致死率极高。两者的毒理作用机制相同,均为神经系统钠离子通道的阻断剂。它们也是最早得到研究的海洋毒素。这两个毒素的化学特性和独特作用机制受到广泛关注,并成为研究钠离子通道的重要工具药。如此的发展激发了海洋生物毒素研究的蓬勃开展。河鲀毒素的药用业已进入后期临床研发阶段,其主要优势是可作为非成瘾镇痛药,对晚期癌症、神经痛、脉管炎痛等具有良好的疗效,还可治疗吗啡、海洛因等的戒断综合征,并有镇咳、解痉、治疗气喘等其他药理作用。西加鱼类毒素是三大海洋生物毒害之一。1970年代以来才研究发现,该毒素是一类分子量约在3000上下、结构极为复杂的聚醚类毒素,主要代表物有岩沙海葵毒素(palytoxin)、短裸甲藻毒素(brevetoxin)、西加毒素(ciguatoxin)和刺尾鱼毒素(maitotoxin)等。其中刺尾鱼毒素的毒性最强,超过河鲀毒素200倍。这类毒素也对钠离子与钙离子通道有拮抗作用,但是毒理作用机制甚复杂,可能对其他膜受体有多种作用。钙离子通道对于控制细胞生理过程有重要作用,如心肌的收缩、激素和神经递质的分泌、心肌和神经细胞节律的启动等。聚醚类毒素对治疗心血管疾病的药物研发颇具潜力。肽类是海洋生物活性物质中数量最庞大的一类化合物,包括海洋肽类毒素与海洋生物活性肽,可达数万种之多。目前最受瞩目的是芋螺毒素、海葵毒素与环肽类毒素,其中具有强心作用的黄海葵素(anthopleurin)以及具有抗肿瘤及抗病毒作用的膜海鞘肽(didemnin)等若干肽类药物已进入后期临床研究。具有非成瘾性镇痛作用的ω-芋螺毒素(ω-conotoxinMVIIA),即齐考诺肽(ziconotide),2004年被美国食品和药品管理局(FDA)批准上市,成为首个正式进入世界市场的海洋药物。齐考诺肽对癌症与艾滋病患者均有显著镇痛作用。这些成果显示,肽类药物已成为海洋药物中成功开发的先驱。况且芋螺毒素的研发潜力极大。芋螺是最古老的海洋生物物种之一,是海洋软体动物中最大的一个属。芋螺的毒液是其捕食和防御作用的主要武器,此种毒液是由许多单一毒肽组成的混合毒物。令人惊异的是,每一种芋螺所含有的不同序列结构的毒素多达100～300种,而任何两种芋螺的毒液所含的毒素均不会有相同序列。因此,估计芋螺毒素的数量可达50000种以上,其丰度与多样性远较其他生物为高。不仅如此,各种芋螺毒素经过了数千万年的进化,经过了自然界的优化选择,都具有特定的生物活性,构成了极为难得的天然生物活性多肽库。目前已发表序列的芋螺毒素约有4000个,仅占可能存在的芋螺毒素的8%左右,意味着此一天然生物活性多肽库仍是一个亟待开发的宝贵资源库。芋螺毒素通常为由10～30个氨基酸残基组成的小分子多肽,大多富含半胱氨酸,具有高度保守的二硫键骨架,借以形成高度限定的立体构象。与蜘蛛、蝎、蛇、海葵等许多动物的毒素相比,芋螺毒素的肽链短得多,二硫键丰富,分子结构更为紧密,翻译后修饰作用突出,构成了其高丰度化学结构多样性的基础。芋螺毒素对靶位分子的高度选择性及其化学多样性,对于创新药物的研究开发极有价值。芋螺毒素及其衍生物的药用研究在治疗神经系统疾病方面已取得重大进展,研究中的疾病治疗范围包括慢性疼痛、癫痫、心血管疾病、精神障碍、运动障碍、痉挛、癌症以及中风等。仅近年来发表的芋螺毒素的医用专利已达数百件,近十个多肽芋螺毒素已进入临床研究阶段。现有海洋生物活性物质的生源学及生态学研究表明,它们的初始来源大多为藻类、菌类、无脊椎动物等低等海洋生物。在生物技术的应用上,对低等生物要比高等生物易操作、成功率高。海洋生物工程药物可成为海洋药物研发的一个重要方向。化学手性合成技术生物技术的应用半个世纪以来,对海洋生物毒素的研究进展迅速,新化学结构与特殊高生物活性物质不断浮现,令人目不暇接。在1960年代,人们对海洋药物研发充满希望,提出了“向海洋要药”的响亮口号。然而海洋药物的后期开发却是困难与阻力重重。成功上市的有重要价值的海洋药品为数甚少。这在1970年代引发了关于“向海洋要药究竟是神话还是现实”的重大争论。人们从实践中认识到,海洋药物的研究开发确实有巨大的潜力与重要的意义,但又有很大的复杂性与难度,存在着若干难以克服的瓶颈式问题。海洋是一个陌生的世界,人类对千千万万海洋生物的认识还非常有限,利用海洋生物的药用经验远远少于植物等陆生天然产物。在浩瀚的海洋中,生物样品的采集、处理和保存等工作也有很大的难度。可以形象地说,“入海”远比“登山”要难。更紧要的限制瓶颈是海洋药物的资源化难题。含有生物毒素的原生海洋生物,常常并不属于高丰富度生物,而且多为难培育的物种,不能通过生物培养方式大量生产,所含有的化学毒素多系微量乃至痕量存在。要从海洋生物中大量提取生物活性物质,以海洋生物作为直接药物资源,难以找到实现的途径。另外,许多重要海洋毒素具有复杂的化学结构,常表现出奇特的手性立体化学特征,往往含有数个甚至数十个手性中心,因而化学合成非常繁杂,结构改造也常徒劳无功,或反而导致化合物失去活性。近20年来,化学技术与生物技术的密切融合与进步为解决海洋药物资源化问题带来了重大转机。在把新技术应用于海洋生物药物的开发方面,出现了若干成功的事例,使得“向海洋要药”的曲折道路柳暗花明,海洋生物药物的开发进入了一个稳步发展的新时期。在此列举几项有关的新技术。化学分离技术早期化学分离技术主要为吸附、萃取,而基于膜分离与色谱分离的现代技术则显示出更大的优势。此项技术应用于从河鲀卵巢及内脏等废弃物中有效地提取河鲀毒素,以获得高纯度制剂,给河鲀毒素的药用开发提供了重要的支持。化学手性合成技术高活性的海洋生物毒素大都是多手性中心化合物,但是利用常规的化学合成方法保持正确的手性特性十分困难。当代多样化的手性合成新方法不断涌现,使原来无法通过化学方法制备的一些药物获得了新的开发机会。例如从花萼盘皮海绵(Discodermiadissoluta)中得到的一个多羟基δ-内酯化合物,称为花萼盘皮海绵素(discodermolide),久已证实可以结合微管蛋白,有良好的抗癌效果,但因无法通过化学方法制备而不能得到应用。现在采用赫克反应-根岸反应-铃木反应的钯催化碳-碳偶联方法,这种新的全合成技术可以实现花萼盘皮海绵素的批量化制备,为其资源化药用提供了制备方法的基础。组合生物合成技术生物技术已经成为制备化学物质的重要手段。在生物体内合成化学物质是通过一系列酶促反应来实现的,而这些复杂的酶系取决于相关的基因序列。测定出这些化合物的完整基因组与转录组,即生物合成基因簇(biosynthesisgeneclusters),将其在非原生生物体系如细菌、酵母及其他细胞中进行异源表达,并结合化学技术作为制备途径,这种组合生物合成技术对于海洋生物毒素的研究开发有重要的价值。例如,对产生石房蛤毒素的淡水藻类鱼腥藻(AnabaenacircinalisAWQC131C)与束丝藻(Aphanizomenonsp.NH-5)的毒素基因簇的测序工作已基本完成,进入了下一阶段的研究。多肽合成与模拟肽学多肽药物已成为生物医药中的重要新类型,约三十个多肽药物被列入常见商售药物,另有近三百个活性多肽化合物正处于研发期间。多肽药物基本上源于生物体产生的生物调节肽、肽类生物毒素等生物活性肽。在生物活性肽转化成多肽药物方面,多肽合成技术的巨大进步起到了重要作用。正是通过发展固相合成、酶促合成、裸肽联接等技术,实现了多肽药物的规模化生产制备。目前,30氨基酸残基以下的小分子生物活性肽的制备已不存在难以克服的技术瓶颈。首个正式进入世界市场的海洋药物——芋螺毒素齐考诺肽,也是化学合成的多肽产品。模拟肽学则是运用分子设计技术将生物活性肽的结构改造为非肽有机分子药物,以免除生物活性肽的生物利用度与代谢稳定性低等弱点。这需要对生物活性肽的生物活性构象及与靶位分子的相互作用关系有充分的研究和了解,然后根据生物活性肽的稳定三维构象,选择相类似的有机分子骨架,作为模拟生物活性肽立体构型的模体。再根据生物活性肽活性