精品海洋生物生理活性物质的研究进展.doc

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1、海洋生物生理活性物质研究简述摘要：进入21 世纪以来 海洋生物已成为天然药物的重要来源之一，从各类海洋生物中可提取分离到具有各种药用活性的化合物，具有开发成新药的潜力。本文对海洋生物活性物质主要种类、研究方法和具体应用进行了简要阐述，对前景进行了展望。关键词：海洋生物 生理活性物质 Brief description to active material of marine organismAbstract: Since the 21st century，marine organism has become one ofimportant source of natural medicines

2、. Medicinal active compoundsextracted and separated from which have the potential of being newmedicines. In this paper，the main kinds，research method and concreteapplication of marine organism were briefly expounded， and foregroundof marine organism in near future were prospectedKey words: Marine or

3、ganism active material1.前言 浩 瀚的海 洋是地球 上生命 的摇篮 它 覆盖着 地球表面 积的 71。海水总体积占地球总水量 97的海洋生物资源丰富、种类 繁多。据统计大约有着 40 多万种动、植物和上亿种微生物生存在 其中 1 。海洋与陆地生态环境的截然不同造就了海洋生物中许多 具有某些特殊作用的生物活性物质。 海洋生物活性物质是指海洋生物体内含有的对生命现象具有影响的微量或少量物质主要包括海洋生物毒素、生理活性物质、生物功能材料及生物信息物质等 2 。按化学结构来分 包括肽类、萜类、生物碱类、甾醇类、多糖、甙类、聚醚类、核酸及蛋白质等化合物 3 。这些生物活性物质的

4、主要药理作用包括抗细菌、抗病毒、抗肿瘤、防治心血管疾病、延缓衰老及免疫调节等作用。越来越多的研究表明，海洋生物生理活性物的特异性结构与药理作用是陆源生物无法比拟的。因此人们对于从海洋生物中寻求并筛选攻克疑难疾病的高效低毒药物寄予了很大期望。事实上海洋天然产物在治疗心血管疾病、癌症和艾滋病方面体现出良好的应用前景。2.国内外海洋生物活性物质研究现状2.1 国外海洋生物活性物质研究现状 美国是最早研究海洋生物抗菌肽物质的国家之一。随着“回归自然”浪潮的出现，人们越来越关心环境生态与污染、化学致癌物等的关系。天然产物的化学分离与化学分析的长足进步，使现在能以从前根本不可实现的速度进行分子的提取与鉴定

5、4。 日本海洋生物技术研究院及海洋科学和技术中心每年用于海洋生物活性物质开发的经费为 1 亿多美元。在海洋生物活性物质方面的研究发展很快，对海洋微生物、微藻类、海绵、芋螺、海参等多种海洋动植物和微生物等所产生的活性物质进行研究，其中以海绵和海藻类研究最多。欧盟制订了海洋科学和技术计划，重点资助项目中有“从海洋生物资源中寻找新药”，近年来，发现了 450 多个具有不同生物活性的新海洋天然产物，其中 31 个化合物具有明显的抗肿瘤活性。每年用于海洋药物开发的经费也有 1 亿多美元5。2.2 我国海洋活性物质的研究概况 我国利用海洋生物资源入药治疗、健体强身的历史非常悠久。但现代海洋药物研究则始于

6、20 世纪 70 年代。1997 年我国启动海洋高技术计划，海洋药物的开发被列为重点，从而以沿海城市为中心，形成科研、生产、开发技工贸一体化的生产网络。据初步统计我国近海已发现具有药用价值的海洋生物达 700 多种6。 总的来看虽然我国对海洋生物活性物质的研究投入了大量的人力物力但是到目前在海洋药物开发方面真正达到临床应用和产业化生产的却很少能获得一类新药证书的更是寥寥无几。但在海洋保健品和功能食品的研究和开发方面近年来国内外却取得了不少成绩。无论是海洋药物还是海洋保健品开发最多的都是集中在抗癌和防治心脑血管病两个方面。2.3 我国在该领域存在的主要问题与应采取措施 目前我国海洋生物活性物质的

7、研究和开发与世界先进国家相比还有差距，主要表现在： （1）活性物质筛选等基础性工作薄弱。 1976 年以来，全世界从海洋生物中分离得到的新型化合物达3000 多种，而我国进行海洋生物活性物质筛选的单位不多，分离得到单体且属新型化合物的很少，其原因是筛选需要大量的投入，而且短期内难以见到经济效益； （2）活性物质的分离、纯化等技术与国外存在较大差距，设备落后、质量差、速度慢； （3）利用基因工程、细胞工程、酶工程、生化工程等生物技术手段进行海洋生物活性物质开发刚起步，大部分项目还处于研究的初期。 （4）产业化水平低。国内虽已开发出了一些海洋药品，但真正能称为海洋一类新药者很少，多属于中药类，而且

8、大部分的长期疗效有待进一步观察；开发出的海洋保健食品，只有少数是功能因子已知的第三代保健食品；海洋化妆品、海洋生物分子材料的研究开发则更少。很多研究开发项目常常出现一窝峰而上的现象，很多是低水平重复。 为加快我国海洋生物活性物质研究和开发的速度，需增加经费支持，国家和地方政府应加大资金投入，相关企业从自身利益出发也应给予充分的重视，提前介入有关的研究与开发；全国应建立相应的海洋生物活性物质研究开发中心或基地，中心既要有较高水平的研究队伍，又要配备比较先进齐全的设备；要发挥高校、科研院所和生产企业三方面优势，共同努力，加快培养相关的研究技术人才，同时，要吸引更多从事本领域研究和开发的留学人员回国

9、参与该领域工作；建立全国从事海洋生物活性物质研究开发的协调组织和全国海洋生物活性物质数据库。3.海洋生物活性物质的种类与生理作用3. 1 具有抗微生物作用的生物活性物质海洋中具有抗菌活性的物质主要存在于海绵、海藻、海洋纤毛虫、海洋细菌等生物中。已报道的抗菌活性物质的活性成分大多为生物碱、多糖类、脂类、蛋白质、萜类等化合物如 Matsunaga 等 7 从红海海绵 Theonella swinhoei中分离得到 2 种新的具抗菌作用的血浆纤维多糖 Ellaiah P 等 8 从印度本地不同泥层中分离到罕见的放射菌类并研究了所有分离株的抗菌活性和酶活性结果表明有 34 种分离物占所有分离物的 36

10、. 95 具备极好的抗菌活性 Iijima 等 9 从印度海兔Dolabella auricu laria 的 皮 肤 及 其 粘 液 中 分 离 到 一 种 被 命 名 为Dolabellanin B2 的抗菌肽由 33 个氨基酸残基组成当这种肽的浓度达到 2. 5100 mg/mL 时即对致病微生物具有细胞毒作用 同时对裂殖 酵母 Schizosaccharomyce spombe IFO 1628 和 热带假 丝酵母 Candida tropicalis TIMM 0313 这 2 个菌株极为敏感。另据报道从小鹅卵石中分离出一种海洋细菌 X 153其天然培养液对引起人类皮肤病的致病菌以及

11、包括鱼类致病弧菌在内的海洋细菌有很高的活性在细菌细胞内和培养液中均发现有活性物质。通过离子交换层析等 4 个步骤得到纯化的抗菌蛋白由 SDS 聚丙烯酰胺凝胶电泳确定 X 153 蛋白分子质量为 87 kDa带负电荷鱼类致病弧菌实验表明 X 153 细菌能降低双壳类幼虫的死亡率 10 。Endo T 等 11 从海绵Agelas sp. 中分离出 8 种新的二聚溴吡咯生物碱 nagelamides A -H 和一种单体生物碱 9 10 -dihydrokeramadine nagelamides A - H 对革兰氏阳性细菌G 有抗菌活性。Pan 等 12 从双齿围沙蚕 Perinereis a

12、ibuhitensisGrube匀浆液中分离到一种命名为 Perinerin 的新抗菌肽 Perinerin 由51 个氨基酸残基所组成从结构上看具有高度的碱性和疏水性对 G和革兰氏阴性细菌G- 及真菌都有显著抗菌活性。蜡样芽孢杆菌QNO3323 产生的 YM - 266183 和 YM - 266184对包括耐药菌株在内的葡萄球菌和肠球菌有抗菌活性但对 G- 没有活性质谱和核磁共振分析表明 YM - 266183 和 YM - 266184 为包含噻唑、嘧啶及若干特殊氨基酸的环状含硫肽类物质 13 14 。Aassila H 等 15 报道从海洋无脊椎 动 物 中 分 离 出 来 的 一 种

13、 生 物 碱 对 鱼 类 致 病 性 鳗 弧 菌 Vibrioanguillarum 具有抗菌活性 其 M IC 为 0. 017mm。我国在开发海洋抗菌活性物质方面也取得了一些进展近年来已开发了系列头孢菌素、玉足海参素渗透剂等海洋抗菌药物。从海参中提取的海参皂苷其抗真菌有效率达 88. 5 是人类历史上从动物界找到的第一种抗真菌皂苷 16 。此外海洋放线菌 HSL - 6 能产生对金黄色葡萄球菌有强烈抑制作用的活性物质 17 。另据报道从海洋分离出的一种相对分子质量小于 5000 的抑菌肽活性物质 C03对金黄色葡萄球菌 26001 、甲型链球菌32213 、乙型链球菌 32204 、肺炎双

14、球菌31108等多种传染性细菌表现出了较好的抑制作用可望开发出一种抗菌海洋新药 18 。抗病毒海洋生物活性物质主要存在于珊瑚、海鞘、海藻、海绵等海洋生物中。已报道的抗病毒海洋生物活性物质的活性成分主要为萜类、生物碱、甾醇类、核苷类等化合物。第一个抗病毒海洋药物阿糖胞苷Ara - C Cytarabine于 1955 年被美国 FDA 批准用于治疗人眼单纯疱疹病毒感染 16 。当前艾滋病在全球蔓延的趋势正在加剧它是由人类免疫缺陷性病毒H IV引起的。对海洋天然产物抗 H IV活性的筛选结果表明这可能是一条寻找抗 H IV 药物或先导化合物的重要途径。研究者们已先后在海绵、藻类等海洋生物中发现了数

15、十种抗 H IV 活性物质如从贪婪倔海绵Dysidea avara 中分离到的Avarol 及其氧化产物 Avarone 具有抑制 H IV 逆转录酶活性的作用且对病毒装配和释出也有阻断作用当 Avarol 的浓度为 5g/mL 时对该逆转录酶的抑制率可达 82 而对正常细胞无细胞毒活性并有细胞保护作用。该药目前已应用于临床 19 。此外Patil 等从来源于加勒比海域的海绵中分离出一系列的呱呢啶类生物碱 Batzelladine A -DBatzelladine A 和 Batzelladine B 抗 H IV 的活性比 Batzelladine C 和Batzelladine D 强其作

16、用机理是能有效阻止病毒糖蛋白 GP 120 与宿主细胞的 CD4 抗原分子选择性结合从而阻止 H IV 进入宿主细胞抑制 H IV 的复制。Okutani 等从海洋假单胞菌 HA 318 分离到的多糖在低硫酸化状态下能 100抑制 H IV 对 MT 4 细胞的侵染 IC5 0 为0. 69g/L。另据报道从水中分离出的一种相对分子质量小于 5000 的抑菌肽活性物质 C03 对流感病毒鼠肺适应株 FM1 表现出了较好的抗病毒作用可望开发出一种抗病毒海洋新药 18 。而在体外筛选模型中海洋生物活性物质总草苔虫内酯在 4 g/mL 以上浓度时显示有一定的对抗严重急性呼吸综合征相关冠状病毒 SAR

17、S - CoV和保护被感染细胞的作用 20 。羊栖菜多糖是从全藻羊栖菜中提取得到的一种水溶性多糖主要由褐藻胶和褐藻多糖硫酸酯组成。有研究报道羊栖菜多糖及其分离产物对单纯疱疹病毒 1 型HSV - 1有明显的抗病毒作用且样品的抗病毒作用随着纯度的提高而增强对柯萨奇病毒 CVB3的抗病毒效果优于病毒唑羊栖菜多糖样品对 Vero 细胞的毒性较小半数致死浓度 CC5 0 大于 5000 mg/L 21 。从海洋微藻 Cochlodiniumpolyk rikoides 中分离到的硫酸多糖体外能完全抑制包膜性病毒对宿主细胞的侵入而对宿主细胞无毒害而且不会引起抗凝血作用。3. 2 具有抗肿瘤、抗癌作用的生

18、物活性物质对海洋生物抗肿瘤活性物质的研究始于 Bergman 1951的开拓性工作。由于受采样、分离纯化、化学结构鉴定等技术限制在最初的几十年里对抗肿瘤、抗癌活性物质的开发工作进展比较缓慢。近年来随着深海生物采集、大规模人工养殖、色谱分析、核磁共振、高通量筛选、基因工程等技术的相继运用使得海洋抗肿瘤、抗癌活性物质的生物资源开发进入了快速发展时期。如 Kreuter 等从海绵Verong iaaerophoba 中提取的一种酪氨酸代谢物能抑制表皮细胞生长因子受体 EGFR酪氨酸蛋白激酶的磷酸化作用对高表达的乳腺癌、肺癌有极强的抑制作用当其浓度为 0. 250. 5 mmol/L 时即可引起肿瘤细

19、胞死亡而且在其浓度高达 l0 倍时对正常的成纤维细胞亦无影响该化合物目前已进入临床试验阶段。Rinehart 等1981分离得到了具有抗肿瘤活性的 3 个环肽类化合物 即 Didemnin A、B、C 其中Didemnin B 的活性最强在 0. 1 g/mL 时对乳腺癌、卵巢癌具有明显的细胞毒活性。在临床试验中不同实体瘤和 non - Hodgkin 淋巴瘤患者每 3 周静脉注射 1 次 Didemnin B可以观察到明显的抗肿瘤效果。从日本海采集的红藻中分离到一种抗肿瘤活性物质 M arg inisporumcrassissim an能够促进 T 细胞的出芽生长和 IgG 的形成对小鼠骨髓

20、瘤细胞、黑色素瘤细胞 B16 - BL6、小鼠肿瘤细胞株 JYG - B、人肿瘤细胞株 KPL - 1 均有良好的抑制效果 22 。Thiocoraline 是一种具有显著抗肿瘤活性的缩酚酸肽Dep sipep tide 是从生长于印度洋靠近莫桑比克海岸的软珊瑚上分离到的一株小单孢菌M icrom onospora sp. 所产生的它对肿瘤细胞 P 388A - 549 HT - 29 及 MEL - 28 的 IC5 0分别为 0. 002、0. 002、0. 01 及 0. 002g/mL同时可显著抑制 DNA 及RNA 的合成。进一步的抗肿瘤机理研究表明 Thiocoraline 具有细

21、胞周期阻滞作用但不抑制拓扑异构酶 II 及 DNA 断裂其最主要的抗肿瘤机理可能在于抑制 DNA 聚合酶 23 。李棋福等 2002用从中国鲎血细胞中提取的鲎素处理人肝癌 SMMC - 7721 细胞研究海洋生物活性物质的抗肿瘤作用试验结果表明: 鲎素能有效地抑制肝癌细胞的增殖活动具有与癌细胞诱导分化物相似的抗肿瘤效果 24 。3. 3 可影响心血管系统机能的生物活性物质对影响心血管系统机能的活性物质的研究是海洋生物活性物质研究的又一重点。影响心血管系统机能的海洋生物活性物质主要包括多糖类、肽类、甾醇类、海洋毒素等。从石珊瑚类的角孔珊瑚Goniopora 中提取的角孔珊瑚毒素Goniopora

22、 toxin GPT为一种多肽毒素对心脏有正性肌力作用强度大于强心甙类对离体心脏用量在 3 mmol 以上可诱发心律失常。GPT 对心脏的激动作用可被 TTX 和戊脉安或恒温水浴槽中 Na 、Ca2 的梯度降低所抑制电生理研究表明 GPT可延长动作电位时程 25 。三丙酮胺 Triacetonamine TAA是中山大学天然物研究室 1982 年从中国南海鳞灯芯柳珊瑚Juncella sqamata中获得的纯品 具有抗心律失常的作用它能够显著地抗氯仿、氯化钙、哇巴因等药物及电刺激、机械结扎所造成的实验性心律失常在抗室颤方面效果特别显著另外它还可抗心肌缺血、缺氧作用。从南海的甘蓝柔荑软珊瑚N e

23、phthea brassica Kukenthal中分离得到的四羟基甾醇能缓慢抑制心肌的收缩力对心律失常伴有心动过速者效果较好。此外还有降低血压、抗炎、提高免疫功能、抑制血管平滑肌收缩等药理作用 25 。由鲨鱼软骨结缔组织中分离得到的鲨鱼软骨粘多糖Muscous PolysaccharideMPS具有抗凝作用使凝血时间延长凝血酶原时间延长而对纤维蛋白原含量、血小板数无明显影响其作用机理类似肝素而与纤维蛋白降解产物的机理不同 26 。从海绵Xestopongia exgua中提取分离得到的光溜海绵素Xestospongin为生物碱类物质 27 具有扩张血管的作用。4. 海洋活性物质药物研究开发的

24、技术方法4. 1 基于分子生物技术和基因工程技术的大规模筛选目前，国际上主要是以分子水平的药物模型为基础的大规模筛选技术，即使用生命活动中具有重要作用的受体、酶、离子通道、核酸等生物分子作为大规模筛选的作用靶点，来进行活性物质的筛选 借助基因工程技术，采用基因工程受体，如以癌基因和抑癌基因为作用靶点进行抗肿瘤药物筛选等。4. 2 利用生物表达系统解决海洋活性物质的生产问题海洋药物研究与开发的瓶颈是药源问题。目前，国际上对生物技术在海洋生物活性物质研究和开发中应用研究得最多的是基因工程，即分离、克隆活性物质的基因，转入高效、廉价的表达系统进行生产，以获得大量高质量的产物，确保海洋生物资源的持续性

25、与有效性28。此外，海洋生物发酵工程、生物反应器以及酶工程等均是解决海洋药物药源难题的有效途径。4. 3 海洋生物活性物质的分离、纯化及制备新方法近年来，许多新技术应用于海洋生物活性物质的分离、纯化及制备过程中，如超临界流体萃取、双液相萃取、灌注层析、分子蒸馏、膜分离技术等，还有能提高化合物活性的分子修饰、组合技术，加速药物研制的计算机辅助药物设计技术等29。4. 4 建立海洋生物资源中心及样品库在政府的支持下，组织人力财力，联合海洋生物学家对海洋生物进行大规模采集，并建立起海洋生物资源样品库，是进行海洋药物研究的基础。4. 5 大力开展海洋生物活性物质的化学研究这是被称为“以活性检测为引导的

26、天然产物研究”，主要有如下 3 种方式: 组成引导型。可将海洋生物活性物质次生代谢物作为新药的结构模式，对其进行化学修饰，以寻找高效、低毒的新化合物。化学结构引导型。按构效关系，对化合物的衍生物进行研制，开发一系列新的海洋生物药用活性物质。活性引导型。突破了传统的研究框，完全是以利益为目的，即在研究之前先明确目标物质的功效、市场、竞争对手以及筛选成功的风险等。4. 6 高通量药物筛选技术应用高通量药物筛选技术，对采集到的海洋生物提取物进行大规模、高效率、有秩序、多靶点的活性筛选。由于容易采集，在已发现的海洋天然化合物中，海藻、腔肠动物、棘皮动物和海绵这 4 大类海洋生物占 90以上。虽然被囊动

27、物和海洋微生物因不易采集而所占的比例不高，但由于这类生物的次生代谢物所具有的极强的生物活性，必将成为今后海洋药物研究的热点。五、海洋生理活性物质研究的发展趋势海洋生理活性物质的研究 是一项高科技的课题 其发展趋势已进入全新的阶段。海洋生物工程学的应用 将成为海洋生理活性物质发展的新趋势。现代科技的日新月异 已证明海洋生物活性物质的初始来源大部分甚至可能是全部来自低等海洋生物如藻类及其共生的菌类或用海洋微生物、海洋藻衍生物通过食物链进入其他海洋生物而形成特异的生理活性物质。因此可以应用海洋生物技术采集海洋生物活性物质 或应用生物培养、基因工程、重组 转基因及克隆技术进行生物合成、生物培养、基因重

28、组等技术取得大量的海洋生物活性物质这样 目前在美国、日本等发达国家已形成和发展了“ 海洋生物工程学” 进行对海洋生理活性物质的采集、培养、利用、开发等研究30。我国中科院海洋研究所秦松等31用海带及螺旋藻开展基因工程的研究。作者用生物技术手段构建营养品更为完善的海带新品种 用转基因海带这一“ 超级生长” 的植物反应器 培养可供食用物质 包括药物的大量生产的新途径。作者已成功克隆了钝顶螺旋藻别藻蓝蛋白基因 实现了在大肠杆菌中大量表达 产生显著抑制肿瘤和促进淋巴活性作用的融合别藻蓝蛋白。基因工程生产的融合别藻蓝蛋白 具有显著的抑制瘤、延长生命的生理活性。作者正在将生物技术实现向海带中的转移 以期提

29、高海带的总蛋白含量、改善氨基酸组成 探索天然产物生产的新途径。生物技术类药物 是以基因工程、细胞工程、发酵工程和酶学工程为主体的现代生物技术 是年代新兴的高技术领域。现代生物技术的发展 已使医药产业发生了革命性的变化因此利用基因工程生产海洋药物 将成为继生长因子之外的新的基因工程药物新的领域 具有纯度高、产量高、成本低的优越性 也是海洋资源型药物以外迅速发展的海洋生物技术领域 具有广阔的应用前景.参考文献1 焦炳华. 海洋生命活性物质和海洋药物的研究与开发. 第二军医大学学报 2006 27 1 : 5 - 7.2 刘云国刘艳华. 海洋生物活性物质的研究开发现状. 食品与药品 2005 7 1OA : 66 - 68.3 张尔贤俞丽君. 海洋生物活性物质开发利用的现状与前景.台湾海峡 2000 19 3 : 388 3954 KYOKO S，RYUICHI K，HISASHI K，et a1. Male chromosomes of sea urchin hybrid and romerogones created with cryopreser.