海洋生物海綿中溴吡咯生物堿的研究進(jìn)展

高荔

(山東省體檢辦公室，山東 濟(jì)南 250014)

這個(gè)美麗的藍(lán)色星球上，海洋面積十分廣大，占地球的四分之三。眾多的海洋生物在海洋中共生共存，相互依賴，它們在這樣相對穩(wěn)定的環(huán)境中繁衍生息。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人類把探索的觸角伸向了廣闊無垠的海洋?？茖W(xué)家從眾多的海洋生物中提取到了許多有效成分，這些成分與陸地生物中所提取的成分截然不同。因此，海洋生物的次級代謝產(chǎn)物在化學(xué)結(jié)構(gòu)和藥理活性方面也與陸生生物有著較大的差別，在醫(yī)藥領(lǐng)域有著無限的開發(fā)潛力和巨大的研究價(jià)值[1]

海洋生物品種多、數(shù)量大，海綿就是其中非常重要的一種。作為最原始多細(xì)胞動(dòng)物的海綿，細(xì)胞已經(jīng)發(fā)生分化，但仍未形成組織。因?yàn)闄C(jī)體表面存在很多小孔，所以在動(dòng)物分類學(xué)上屬于多孔動(dòng)物門，海綿大多生活在海洋中一些非常堅(jiān)硬的物質(zhì)(如：礁石、珊瑚等)上。在長期的生物進(jìn)化過程中，海綿與放線菌等微生物形成了極其密切的共生關(guān)系,進(jìn)而產(chǎn)生了許多化學(xué)結(jié)構(gòu)新穎且多種多樣、藥理活性豐富且良好的次級代謝產(chǎn)物[2]。長期以來，來自各個(gè)國家和地區(qū)的科學(xué)家們通過不斷的努力，已經(jīng)研究了地球上不同海域海綿的活性化學(xué)化學(xué)成分。對于那些有明確藥理活性的化合物，科學(xué)家們還對其生物合成途徑進(jìn)行進(jìn)一步探究，試圖找到該類化合物的人工合成方法，造福人類。

海水中含有大量的鹽分，即具有豐富的氯離子(Cl-)。同時(shí)，還含有大量的溴離子(Br-)和較少量的碘離子(I-)。這些鹵素離子，廣泛參與海洋生物的生物合成過程中的各種鹵化反應(yīng)，最終產(chǎn)生大量帶有鹵素原子的化合物。含有鹵素原子的天然藥物，例如抗生素金霉素和氯霉素、抗真菌藥灰黃霉素等，它們均具有較為獨(dú)特的生物活性。由此可見，含有特殊結(jié)構(gòu)的生物堿成分也可能含有某種特別的藥理活性，非常具有研究價(jià)值。

目前，結(jié)構(gòu)獨(dú)特、在海綿中廣泛存在且藥理活性多樣的生物堿成分，已經(jīng)成為天然藥物化學(xué)研究中的一個(gè)重要目標(biāo)化合物[3-5]。近年來，研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這些溴吡咯生物堿具有鎮(zhèn)痛、抗組胺[6]、抗菌[7]細(xì)胞毒及免疫抑制[8]等多種生物活性。本文將對目前已分離純化得到的溴吡咯生物堿類成分按不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類介紹，并對相關(guān)的提取分離合成方法進(jìn)行簡要闡述。

1 目前已分離得到的溴吡咯生物堿

1.1 簡單鏈?zhǔn)戒暹量┥飰A

1.1.1 吡咯環(huán)α-側(cè)鏈為鏈狀結(jié)構(gòu)的溴吡咯生物堿 海綿中分離得到的簡單鏈?zhǔn)戒暹量┥飰A，結(jié)構(gòu)相對簡單的一種便是吡咯環(huán)α-側(cè)鏈為鏈狀結(jié)構(gòu)的溴吡咯生物堿，文獻(xiàn)中有不少報(bào)道。在對海綿中具有防污活性的化合物進(jìn)行系統(tǒng)研究時(shí)，從海綿(Agelasmauriti)中分離得到一種2.5 μg·mL-1濃度下可以促進(jìn)海鞘(Cionasavignyi)幼蟲蛻變的物質(zhì)，與其他化合物有所不同，這種化合物是4,5-dibromopyrrole-2-carbamide(1)[9]。而Tasdemir等[10]利用Ⅱ型脂肪酸途徑(FAS-II)作為抗菌藥物發(fā)現(xiàn)的驗(yàn)證目標(biāo)，以基于Plasmodiumfalciparum的enoyl-?；d體蛋白還原酶(PfFabI)的活性追蹤分離程序進(jìn)行酶抑制活性試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)化合物4,5-dibromopyrrole-2-carboxylic acid methyl ester(2)具有較好的抑制活性。Scala等[11]在對具有抗寄生性原生蟲病活性的溴吡咯生物堿進(jìn)行研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)了化合物bromopyrrolohomoarginin(3)具有非常好的抑制PfFabZ活性，其IC50值為0.28 μg·mL-1。高尚等[12]從海綿Axinellaverrucosa中分離出4種簡單鏈?zhǔn)戒暹量┥飰A，分別為化合物4～7，并對該類化合物進(jìn)行體外脾淋巴細(xì)胞的增殖實(shí)驗(yàn)。研究結(jié)果顯示化合物(4)對ConA誘導(dǎo)的T淋巴細(xì)胞具有一定的增殖作用，化合物(5)對LPS誘導(dǎo)的B淋巴細(xì)胞具有一定的增殖作用，化合物1～7的結(jié)構(gòu)式見圖1。

1.1.2 吡咯環(huán)α-側(cè)鏈上有環(huán)狀結(jié)構(gòu)的溴吡咯生物堿 吡咯環(huán)脂肪側(cè)鏈上連接有咪唑環(huán)或其他環(huán)狀結(jié)構(gòu)的溴吡咯生物堿是從海綿中分離得到的一種非常重要的化合物，它們的結(jié)構(gòu)相對簡單卻多種多樣。文獻(xiàn)資料中，oroidin(8)是非常常見的一種溴吡咯生物堿，主要從Axinellidae和Agelasidae類海綿中分離得到。Scala等[11]在對Agelasnakamurai海綿提取物進(jìn)行代謝產(chǎn)物和生物活性的初步研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)其可能具有抗腫瘤活性。Lindel等[13]在對海綿提取物進(jìn)行拒魚食活性的研究中，發(fā)現(xiàn)oroidin在高濃度時(shí)很有可能是海綿進(jìn)行化學(xué)防御的主要有效物質(zhì)，化合物keramadine(9)在結(jié)構(gòu)中含有一個(gè)N-甲基-2-氨基咪唑環(huán)及一個(gè)(Z)型雙鍵，它在高濃度條件下，基本上沒有化學(xué)防御活性。而與其結(jié)構(gòu)相似的化合物dihydrokeramadine (10)也從海綿中分離得到過，研究還發(fā)現(xiàn)化合物midpacamide(11)及其他幾種化合物合用，可提高化學(xué)防御活性。也就是說，吡咯環(huán)是該類成分產(chǎn)生化學(xué)防御活性的必需結(jié)構(gòu)，而咪唑環(huán)的存在可以增強(qiáng)化學(xué)防御的活性。

在現(xiàn)代生物堿的研究中，海洋生物海綿中溴吡咯生物堿的研究在全世界范圍內(nèi)有著舉足輕重的地位。在生物體內(nèi)，有超過2 000個(gè)蛋白激酶在調(diào)節(jié)細(xì)胞的功能。對這些激酶進(jìn)行篩選，可以發(fā)現(xiàn)效果明顯且選擇性好的蛋白激酶抑制劑，為人類疾病的治療提供可靠的藥物。對分離自海綿的活性成分sventrin(12)進(jìn)行活性篩選，發(fā)現(xiàn)其對珊瑚礁魚Thalassomabifasciatum具有拒食作用，構(gòu)-效關(guān)系研究表明，其結(jié)構(gòu)中N-甲基的存在能夠降低其拒食活性[14]。運(yùn)用老鼠胚胎干細(xì)胞體外血管組織模型對ageladine (13)的抗血管新生作用進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)其可能具有抗腫瘤活性[15]。而dispacamide A(14)、dispacamide B(15)、dispacamide C(16)和dispacamide D(17)則除了具有抗血管新生活性之外，還有明顯的抗組胺活性。與之結(jié)構(gòu)相似mukanadin A即dispacamide D、mukanadin B (18)、和mukanadin D(19)也是在海綿中發(fā)現(xiàn)的，其中mukanadin D具有神經(jīng)保護(hù)活性和谷氨酸拮抗活性，化合物8～19的結(jié)構(gòu)式見圖2。

圖2 吡咯環(huán)α-側(cè)鏈上有環(huán)狀結(jié)構(gòu)的溴吡咯生物堿

1.1.3 羧酸類溴吡咯生物堿 在溴吡咯生物堿中，很多含有羧基這一特別的官能團(tuán)，有的以游離形式存在，有的與其他化合物成鹽，以解離狀態(tài)存在。Erik等[16]從Agelascerebrum粗提取液中分離出一些簡單羧酸類溴吡咯生物堿,這些生物堿具有一定的抗腫瘤、抗瘧疾作用，如：4,5-dibromopyrrole-2-carboxylic acid(20)、4,5-dibromopyrrole-2-carboxylic acid TFA salts(21)、5-bromopyrrole-2-carboxylic acid(22)以及與之結(jié)構(gòu)十分相似的化合物4-bromopyrrole-2-carboxylic acid(23)、3,4-bromopyrrole-2-carboxylic acid(24)和側(cè)鏈上含有胍基的化合物4-bromopyrrole-2-carboxyhomoarginine(25)等。從Axinella和Agelas屬海綿中分離得到的 manzacidin A(26)和agelongine1(27)等有具有對4種寄生原生動(dòng)物有抑制作用，另外還發(fā)現(xiàn)了manzacidin B(28)、manzacidin C(29)、N-methylmanzacidin C(30)等化合物[11]，化合物20～30的結(jié)構(gòu)見圖3。

1.2 并環(huán)類溴吡咯生物堿

1.2.1 吡咯并七元環(huán)類溴吡咯生物堿 吡咯并七元環(huán)類溴吡咯生物堿是并環(huán)類溴吡咯生物堿中很重要的一類，其結(jié)構(gòu)特征是在吡咯環(huán)2,3位形成七元并環(huán)，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。這些吡咯并七元環(huán)類溴吡咯生物堿結(jié)構(gòu)新穎而復(fù)雜，并表現(xiàn)出多種生物活性，是海洋天然藥物化學(xué)的研究中不可或缺的組成部分，在天然藥物領(lǐng)域中具有極大的關(guān)注度。然而，因?yàn)楹＞d中的此類成分的含量極少，經(jīng)過一步的提取分離實(shí)驗(yàn)后，樣品的損耗必然存在，所以我們要積極的探究新穎的研究方法，更快，更準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)一些微量甚至是超微量的成分。

圖3 羧酸類溴吡咯生物堿

圖4 吡咯并七元環(huán)類溴吡咯生物堿

Linington等[17]在對海綿中分離得到的化合物進(jìn)行生物活性研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)化合物hymenialdisine(31)具有蛋白激酶抑制活性，能調(diào)節(jié)炎癥轉(zhuǎn)化因子、抑制G2細(xì)胞循環(huán)站點(diǎn)，并且可以減輕骨關(guān)節(jié)炎惡化，藥理活性多樣。Sauleau等[18]在海綿Cymbastelacantharella中發(fā)現(xiàn)了一系列結(jié)構(gòu)相似的化合物，即hymenialdisine類化合物，包括(+)-dihydrohymenialdisine (32)、(-)-dihydrohymenialdisine(33)和一些其他化合物。這類化合物化學(xué)結(jié)構(gòu)獨(dú)特，對蛋白激酶具有非常明顯的抑制活性，在澳大利亞一篇關(guān)于海洋科學(xué)的文章中，報(bào)道了2-bromoaldisin(34)、axinohydantoin (35)、hymenin(36)和stevensine(37)等一系列化合物已經(jīng)在海綿中被發(fā)現(xiàn)。Fouad等[19]從采集自印度尼西亞海域的海綿Stylissasp.中發(fā)現(xiàn)了化合物12-N-Methyl stevensine(38)、12-N-Methyl-2-debromostevensine(39)、3-debromolatonduine B methyl ester (40)、和3-debromolatonduine A(41)等溴吡咯類生物堿。在對海綿的研究中，還發(fā)現(xiàn)了一些結(jié)構(gòu)新穎的溴吡咯生物堿，這些化合物包括：沒有細(xì)胞毒性的latonduine A(42)和latonduine B(43)及其衍生物，即latonduine B的酯類化合物latonduine B ethyl ester (44)和latonduine B methyl ester(45)等。

1.2.2 吡咯并哌啶類溴吡咯生物堿 吡咯并哌啶類生物堿也是一種非常重要的溴吡咯生物堿，其結(jié)構(gòu)特征為吡咯環(huán)1,2位形成六元并環(huán)，其詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖5。吡咯并哌啶類生物堿與吡咯并七元環(huán)類溴吡咯生物堿，在海綿中溴吡咯生物堿的研究、海洋天然產(chǎn)物的研究以及天然產(chǎn)物的研究中具有同等地位。

到目前為止，從Agelasida、Axinellida和Halichondrida屬海綿中已經(jīng)分離得到很多種具有不同生物活性的溴吡咯生物堿，此外，在海綿中還發(fā)現(xiàn)了幾種化合物，這幾種化合物對人類20S蛋白酶體和20S免疫蛋白酶體催化中心蛋白質(zhì)的水解活性具有一定的抑制作用，這些化合物為dibromophakellin (46)、bromophakellin (47)、4,5-dibromopalau′amine (48)、 dibromophakellstatin(49)、和dibromoisophakellin (50)。另外dibromoagelaspongin (51)、cycoroidin(52)、hanishin(53)N-methyldibromoisophakellin(54)等化合物也在海綿中有所發(fā)現(xiàn)[20-21]。Akta等[20]從海綿Agelasoroides中分離到兩種化合物。化合物mukanadin C(55)的粗提取物在HPLC上的保留時(shí)間為21.87 min。oxocyclostylidol(56)則是從海綿Stylissacaribica中獲得的一種分子內(nèi)環(huán)化的oroidin衍生物。

圖5 吡咯并哌啶類生物堿

1.3 聚合類溴吡咯生物堿 聚合類溴吡咯生物堿是由兩個(gè)或多個(gè)溴吡咯生物堿聚合而成的，其結(jié)構(gòu)中含有兩個(gè)及兩個(gè)以上的溴吡咯環(huán)，與其他結(jié)構(gòu)類型的溴吡咯生物堿相比，較為復(fù)雜。其結(jié)構(gòu)如圖6，大多數(shù)的聚合類溴吡咯生物堿屬于化合物oroidin的衍生物。Tanaka等[22]應(yīng)用簡單的提取技術(shù)，及HPLC、LC-MS 和 MS-MS等方法，快速地發(fā)現(xiàn)了Agelassp.海綿中sceptrin (57)、debromosceptrin (58)、oxysceptrin (59)、dibromosceptrin (60)及 nakamuric acid(61)等化合物的存在。而Buchanan等[23]在研究中發(fā)現(xiàn)化合物stylissadine A(62)和stylissadine B (63) 作為P2X7受體拮抗劑，具有抗炎活性。另外，從日本海綿PseudoceratinaPurpurea中分離得到了具有抗菌活性和細(xì)胞毒性的結(jié)構(gòu)相對簡單的化合物pseudoceratidine(64)及可阻止藤壺幼蟲附著的具有抗污損活性的mauritiamine(65)[24]。

2 溴吡咯生物堿的合成

海洋中的海綿種類多種多樣，傳統(tǒng)的提取分離方法已經(jīng)不能夠充分提取海綿中的有效活性成分。 因此，天然藥物學(xué)家和藥理學(xué)家將對海綿進(jìn)行進(jìn)一步的研究實(shí)驗(yàn)，為更加深入的探究奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。值得注意的是，溴吡咯生物堿化合物的合成難度與該化合物自身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度密切相關(guān)，現(xiàn)就文獻(xiàn)資料中有關(guān)溴吡咯生物堿的合成方法進(jìn)行簡單的介紹和闡述。

簡單鏈?zhǔn)降匿暹量┥飰A的合成相對簡單，Justin James[25]對海綿中orioidin 類生物堿的合成和生物活性進(jìn)行了研究，并且對簡單的羧酸類溴吡咯生物堿4,5-dibromopyrrole-2-carboxylic acid的N-甲基衍生物進(jìn)行了合成，其合成方法如圖7。海綿通過消耗體內(nèi)的氨基酸來合成其次生代謝產(chǎn)物，其生物合成途徑為氨基酸途徑。因而，可以采用氨基酸途徑對溴吡咯生物堿進(jìn)行仿生合成。Genta-Jouve等[26]對oroidin類生物堿的生物合成途徑進(jìn)行了探究，其生物合成途徑如圖8。一定要注意的是，精氨酸、高精氨酸、鳥氨酸和賴氨酸4種氨基酸是oroidin類溴吡咯生物堿的合成前體化合物。首先精氨酸通過動(dòng)物體內(nèi)的尿素循環(huán)脫去尿素，形成高精氨酸。高精氨酸經(jīng)過脫氨、氧化等步驟形成2-羧基吡咯與賴氨酸反應(yīng)得到的2-氨基咪唑類化合物反應(yīng)，最終生成oroidin類溴吡咯生物堿。這是一種非常重要的合成途徑，因?yàn)楹＞d體內(nèi)很多的溴吡咯生物堿均是由oroidin類溴吡咯生物堿衍生而成的。通過這一反應(yīng)得到的oroidin類溴吡咯生物堿，也可以應(yīng)用于合成很多結(jié)構(gòu)新穎且各有不同的溴吡咯生物堿。

圖6 聚合類溴吡咯生物堿

圖7 羧酸類溴吡咯生物堿的合成

圖8 oroidin的生物合成途徑

近年來，對溴吡咯生物堿合成方法的研究報(bào)道屢見不鮮，F(xiàn)orte等[27]探究了許多種溴吡咯生物堿的合成方法，其中最重要的兩種合成方法是吡咯并七元環(huán)類和吡咯并哌啶類溴吡咯生物堿的合成，這兩個(gè)典型的合成途徑如圖9所示。先以氨基酸途徑合成2-bromoaldisine,從它開始合成更為復(fù)雜的吡咯并七元環(huán)類化合物,得到最終產(chǎn)物axinohydantoin。另外，還采用一些簡單的化合物經(jīng)過一共六步的化學(xué)反應(yīng)，得到了一種結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜的吡咯并哌啶類溴吡咯生物堿。然而，在這篇文章中，還敘述了一些其他有生物活性的天然產(chǎn)物的合成過程。雖然這些化合物的結(jié)構(gòu)并不是十分復(fù)雜，但由于多個(gè)手性碳原子的存在，導(dǎo)致化合物空間結(jié)構(gòu)具有多樣性，使得一些手性分子的合成難度增大。對于那些具有手性碳原子的手性分子，即使合成成功，也很難采用合適的方法將不同異構(gòu)體進(jìn)行分離，因此，溴吡咯生物堿的合成是一項(xiàng)非常具有挑戰(zhàn)性的工作。

聚合類溴吡咯生物堿的合成與其他結(jié)構(gòu)簡單的溴吡咯生物堿相比，更為復(fù)雜，聚合類溴吡咯生物堿多數(shù)是由oroidin類生物堿聚合而成，可能的合成機(jī)理見圖10[28]。

圖9 吡咯并七元環(huán)類和吡咯并哌啶類溴吡咯生物堿合成

圖10 聚合類溴吡咯生物堿的合成機(jī)理

3 結(jié)論

海綿中的溴吡咯生物堿具有多種多樣的生物活性和藥理活性，例如：抗腫瘤活性，抗組胺活性，抗菌活性等。溴吡咯生物堿的化學(xué)結(jié)構(gòu)也具有許多種類，例如：簡單鏈?zhǔn)降匿暹量┥飰A、并環(huán)類溴吡咯生物堿、聚合類溴吡咯生物堿等。在這些類型的生物堿中，聚合類溴吡咯生物堿尤為特別，它與其他類型的溴吡咯生物堿相比，生物活性與藥理活性較多，化學(xué)結(jié)構(gòu)也更加豐富。近年來，科學(xué)家對于聚合類溴吡咯生物堿的研究日益增加。

廣闊無垠的海洋是無數(shù)海洋生物的生活家園，它蘊(yùn)藏著極為豐富的自然資源，其中，海綿便是生活在海洋中的一種非常重要的動(dòng)物。隨著自然科學(xué)和動(dòng)物分類學(xué)等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，人們將會(huì)發(fā)現(xiàn)更多的海綿物種，由于海綿物種的不同，其產(chǎn)生的次生代謝產(chǎn)物也可能具有細(xì)微或較大的差別；同時(shí)，隨著化學(xué)和藥學(xué)相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，科學(xué)家能夠逐漸發(fā)現(xiàn)更加科學(xué)的海洋天然藥物研究方法，應(yīng)用更加先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)手段提取，分離并鑒定出海綿中的微量成分；值得期待的是，隨著電子科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類將建立更加完善、更加完整的海洋藥物化學(xué)成分的數(shù)據(jù)庫，特別是關(guān)于海綿中有效活性化學(xué)成分的數(shù)據(jù)庫，例如溴吡咯類生物堿等。方便科學(xué)家、學(xué)者和普通公民進(jìn)行查閱和對比研究；更有甚者，隨著藥理學(xué)、臨床藥學(xué)等學(xué)科的發(fā)展，如果人們可以應(yīng)用微量的成分預(yù)測化合物的生物活性或藥理活性，那么對于海綿中溴吡咯生物堿的科學(xué)研究將會(huì)邁出一大步。今后，隨著科學(xué)家和藥理學(xué)家對海綿中溴吡咯類生物堿更加深入的研究更多有益于人體的化學(xué)成分將等待著我們?nèi)グl(fā)掘、應(yīng)用，終將有造福人類的美好明天。

我國海洋遼闊，海洋中有著非常豐富的海綿資源,目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的海綿品種就有5 000多種,應(yīng)該還有更多的海綿品種亟待發(fā)現(xiàn)。雖然海綿的種類多種多樣，但是經(jīng)過科學(xué)研究并報(bào)道過有效活性成分的海綿物種卻只是屈指可數(shù)，這無疑是對海綿資源的一種浪費(fèi)。為了充分地利用這些海綿資源,尋找有藥用價(jià)值的海洋天然產(chǎn)物，發(fā)現(xiàn)更多具有顯著藥理活性的先導(dǎo)化合物，開發(fā)更為理想的臨床藥物，國家可以給予相應(yīng)的政策支持，鼓勵(lì)研發(fā)人員的積極研究。海綿有著十分廣闊的應(yīng)用前景，隨著社會(huì)的發(fā)展、人類的進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)從海綿中發(fā)現(xiàn)有實(shí)際藥用價(jià)值并開發(fā)為新藥運(yùn)用于臨床戰(zhàn)勝疾病這一目標(biāo)將指日可待！