海洋藥物的研究現(xiàn)狀

張海濤 （廣東醫(yī)科大學(xué)，廣東湛江 524023）

1 背景

以往人類獲取天然藥物的重要來源主要是陸地的動植物資源，這些藥用資源被廣泛用于臨床治療各種疾病，保障了人類的健康。但隨著人類對自然不斷的改造和索取，陸地資源逐漸耗竭，陸地資源來源的藥物研發(fā)難度不斷加大，導(dǎo)致不能滿足人類日益增加的健康需求，這促使研究人員不斷地尋找全新的藥物來源。

地球75%的表面被海水覆蓋，是生物種類最多樣化的環(huán)境。大多數(shù)(五分之四)的生物在海環(huán)境中活動，海洋中不僅有大量的魚、蝦、蟹等物種，還有多種形態(tài)各異、不計其數(shù)的低級物種，如軟體動物、珊瑚、海綿、微生物和海藻等。這些海洋生物在海洋生態(tài)系統(tǒng)中相互影響，對維持海洋生態(tài)系統(tǒng)平衡具有重要的穩(wěn)定作用。由于海洋環(huán)境存在高壓、高鹽、缺氧、低(無)光照等陸地環(huán)境沒有的生存壓力，在海洋生活的物種為在競爭有限的資源中取得優(yōu)勢，不得不在進(jìn)化過程生產(chǎn)出結(jié)構(gòu)獨特、活性強(qiáng)的化合物(次生代謝物)，研究發(fā)現(xiàn)海洋生物次生代謝產(chǎn)物與陸地生物相比有著更大的多樣性。這些化學(xué)物質(zhì)具有防御天敵的捕食、抗拒微生物入侵、阻止浮游微粒粘附、個體間信息交流的作用。藥理研究結(jié)果顯示，不同結(jié)構(gòu)的海洋化合物對人類不同疾病具有很好的治療效果，這些結(jié)果吸引了人們投入更多的研究，也成為制藥企業(yè)開發(fā)新藥的資源。由于海洋生物物種資源豐富，產(chǎn)生化合物結(jié)構(gòu)的獨特性和多樣性，以及人們對治療重大疾病、提高身體健康保障的需求，迫切要求尋找效果明顯、不良反應(yīng)小的藥物，這吸引人們對海洋物種資源、生態(tài)學(xué)、生物活性物質(zhì)等進(jìn)行研究，希望以海洋生物活性化合物為基礎(chǔ)研制出預(yù)防和治療人類疾病的創(chuàng)新藥物。

以 “藍(lán)色海洋藥庫”為資源庫，研制新藥物已成為當(dāng)今醫(yī)藥工業(yè)發(fā)展的重要方向，因此各制藥強(qiáng)國紛紛投入大量的研究經(jīng)費加緊研究，如美國國家研究委員會和國立癌癥研究所、日本海洋生物技術(shù)研究院及日本海洋科學(xué)技術(shù)中心、歐共體海洋科學(xué)和技術(shù)等機(jī)構(gòu)每年均投入上億美元作為海洋藥物開發(fā)研究的經(jīng)費。而在我國，為壯大海洋經(jīng)濟(jì)，國家要求加強(qiáng)海洋生物醫(yī)藥、海洋生物制品、海洋生物材料的研究發(fā)展，以青島、上海、廈門、廣州為中心建設(shè)海洋生物技術(shù)和海洋藥物研究中心。

2 海洋藥物研究的熱點

我國學(xué)者呂陽對1980－2017年SCIE數(shù)據(jù)庫收錄的相關(guān)論文進(jìn)行統(tǒng)計和分析后發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有海洋藥物研究熱點包括：海洋天然產(chǎn)物中的藥物挖掘及其抗菌活性、海洋化合物細(xì)胞毒的藥理機(jī)制、海洋環(huán)境下海洋生物化學(xué)物質(zhì)測定及微生物毒性分析、海洋生物提取物成分分析和抗菌抗癌化合物研究等。以天然化合物、新藥篩選、海洋微生物多樣性、代謝化合物和化合物生物合成等為重點研究方向。根據(jù)近年的文獻(xiàn)追蹤發(fā)現(xiàn)，與海綿、海藻等(尤其是海綿等海洋生物代謝產(chǎn)物)有關(guān)的研究成為海洋藥物領(lǐng)域研究焦點。此外，海洋藥物領(lǐng)域也開始深入研究海洋微生物次生代謝物的抗菌抗癌活性，并探索尋找新作用機(jī)制的藥物。

3 獨特的海洋天然產(chǎn)物

海洋生物及其生活環(huán)境的多樣性是其能產(chǎn)生超乎人類現(xiàn)有想象能力的新化合物基礎(chǔ)。海洋生物產(chǎn)生的全新化學(xué)骨架的物質(zhì)被發(fā)現(xiàn)的數(shù)量也大大超出了研究人員的想象。新發(fā)現(xiàn)的海洋化合物總會出現(xiàn)一些獨特的化學(xué)功能基團(tuán)，如含多鹵素取代基團(tuán)的化合物、含硫甲胺基功能基團(tuán)的化合物等。

從海綿中發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)獨特的化合物是目前海洋藥物研究熱點，很多是具有成藥潛質(zhì)的細(xì)胞毒性化合物，如西太平洋Papua New Guinea海域海綿Diacarnus levii具有殺傷癌細(xì)胞、含過氧鏈降倍半萜類化合物diacarnoxides A和B。含二聚四氫四喹啉結(jié)構(gòu)的生物堿renieramycins T和U從海綿Xestospongia sp.中被提取成功；一種含有1，4-二醛基特殊結(jié)構(gòu)的二倍半萜類化合物在海綿Cacospongia mollior中被發(fā)現(xiàn)；一種多環(huán)胍類生物堿16β-hydroxycrambescidin從海綿Monanchora unguifera中被篩選出來；已知結(jié)構(gòu)中含有最大環(huán)的大環(huán)內(nèi)酯類化合物zooxanthellamides在海綿Symbiodinium sp.中分離得到。此外，具有38碳脂肪酸鏈的多醚結(jié)構(gòu)化合物大田軟海綿酸在海綿Halichondria okadaii中被發(fā)現(xiàn)，大田軟海綿酸是蛋白質(zhì)磷酸酯酶的抑制劑，有一定的促癌作用，常作為細(xì)胞生理研究的工具藥。

海洋微生物也含有獨特結(jié)構(gòu)的化合物。例如，在海洋甲藻Prorocentrum sp.中，人們發(fā)現(xiàn)了一類具有17元環(huán)的大環(huán)內(nèi)酯類化合物formosalides A和B，這些化合物的不飽和化學(xué)鍵均為順式結(jié)構(gòu)，同時具有四氫吡喃環(huán)和四氫呋喃環(huán)和一個14碳的烴鏈。含有15個連續(xù)飽和醚環(huán)的聚醚gymnocin B在海洋微藻Karenia mikimotoi中被發(fā)現(xiàn)；具有抗真菌活性的多羥基化合物karatungiols從海洋甲藻Amphidinium sp.中被發(fā)現(xiàn)。Karatungiols的化學(xué)結(jié)構(gòu)中具有一條含有1個羰基、24～25個羥基和2個四氫吡喃環(huán)的69碳烴鏈。含有吡喃環(huán)結(jié)構(gòu)的化合物chaetomugilins在海洋微生物Chaetomium globosum中被發(fā)現(xiàn)；一類含12～26元環(huán)的大環(huán)內(nèi)酯類化合物Amphidinolides從Amphidinium Clap.et Lachmann屬的菌株中被發(fā)現(xiàn)。

此外，其他海洋生物也能產(chǎn)生結(jié)構(gòu)獨特的化合物。例如，第一個含溴原子的西松烷 (briarane) 型二萜類化合物從希臘海域的海草Cymodocea nodosa中被分離得到。一種含有四氫異喹啉的大環(huán)內(nèi)酯類生物堿在紅樹海鞘Ecteinascidia turbinata中被分離出來。

4 海洋化合物的研究內(nèi)容

海洋來源的化合物結(jié)構(gòu)獨特新穎吸引了研究人員極大興趣，拓展出化合物研究的多個領(lǐng)域。按研究內(nèi)容可主要分為海洋毒素 、海洋生化藥物和海洋化學(xué)生態(tài)學(xué)三個方面。

4.1 海洋毒素研究

海洋毒素一直是海洋生物藥用資源的一個重要研究內(nèi)容。沿海赤潮毒藻大量繁殖可造成食用魚類和甲殼類動物嚴(yán)重污染毒素的問題，人類必須加強(qiáng)對海洋毒素產(chǎn)生、致毒、檢測和預(yù)防的研究。大多數(shù)有毒的化合物均有特定的生理功能，不僅可作為特定生理功能研究試劑，也具有潛在的成藥可能性?？梢妼Ｑ蠖舅氐难芯渴鞘种匾捅匾摹６鄶?shù)海洋毒素的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、龐大，如甲藻Gymnodinium breve中分得的 Brevetoxin B是以像“梯子”一樣的6-8 元環(huán)聚醚為基本結(jié)構(gòu)單元的巨大而復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。Ciguatoxin和Maitotoxin也屬于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的環(huán)聚醚類海洋毒素，而從珊瑚Palythoa toxicus中發(fā)現(xiàn)的Polytoxin是聚醇類海洋毒素。此外，海洋生物還能合成許多小分子毒素，如芋螺毒素、河豚毒素、?？舅亍⒑Ｉ叨舅?、石房蛤毒素和海兔毒素等。海洋毒素化合物的結(jié)構(gòu)鑒定是研究工作的關(guān)鍵，也是難點。對毒素結(jié)構(gòu)解析需要綜合運用光譜解析、質(zhì)譜分析和化學(xué)合成的方法，但相信隨著分析解析結(jié)構(gòu)的智能化和高速運算分析系統(tǒng)的使用，將會逐漸克服這一問題。

4.2 海洋生化藥物研究

對海洋生物活性物質(zhì)研究的目的是最終研制成為藥物，這是海洋化合物研究的一個重要方面。雖然研究人員發(fā)現(xiàn)了許多高活性的化合物，但只有少數(shù)化合物最終能成為上市藥品。隨著海洋藥物研究熱潮的到來，將會有更多的海洋天然產(chǎn)物來源化合物進(jìn)入臨床前或臨床研究，不久的將來會有更多的化合物成為藥品上市。

海洋生物活性物質(zhì)成為藥物需要一個漫長的研發(fā)過程。首先要根據(jù)建立的體外體內(nèi)模型進(jìn)行高通量篩選確定化合物的組分來源和活性，然后通過生化分離純化技術(shù)獲得有效化合物單體，綜合運用光譜解析、質(zhì)譜分析和化學(xué)合成的方法解析化合物結(jié)構(gòu)，確定化合物有效性和安全劑量。但海洋生物活性物質(zhì)要成為藥物除了有效性和安全外，還需要進(jìn)一步克服許多關(guān)鍵的技術(shù)瓶頸。例如，一般從海洋生物中分里獲得的化合物是非常微量的，這就需要建立可大量產(chǎn)生有效化合物的生產(chǎn)技術(shù)。Bryostatin 1 的研發(fā)過程就是海洋生化藥物研制的一個典型例子。Bryostatin 1從草苔蟲Bugula neritina中被發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過10年時間的結(jié)構(gòu)解析，人們發(fā)現(xiàn)Bryostatin 1是結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜的大環(huán)內(nèi)酯類化合物。Bryostatin 1 由于具有非常強(qiáng)的抗癌活性，因而它順利進(jìn)入了臨床試驗，但化合物在草苔蟲中含量極微，完全不能滿足臨床試驗的需要量，只能通過人工大量繁殖Bugula neritina加以解決。而此后進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，Bryostatin 1 很可能是由與Bugula neritina共生的細(xì)菌所產(chǎn)生，這一研究結(jié)果為人類通過生物技術(shù)人為控制催化合成Bryostatin 1的基因生產(chǎn)Bryostatin 1奠定了基礎(chǔ)，最終徹底解決了藥源問題。此外，研究發(fā)現(xiàn)人工半合成的Bryostatins 1與天然的Bryostatin 1一樣具有抗癌活性，這為化學(xué)合成生產(chǎn)Bryostatin 1開辟了新途徑?？梢妼τ诤课⑸俚幕钚晕镔|(zhì)，可根據(jù)其結(jié)構(gòu)和產(chǎn)生的方式，引入現(xiàn)代化學(xué)合成技術(shù)和基因工程技術(shù)建立規(guī)模化生產(chǎn)技術(shù)制備，從而突破原料的限制。

4.3 海洋化學(xué)生態(tài)學(xué)的研究

海洋生態(tài)系統(tǒng)是最大的生態(tài)系統(tǒng)，海洋生物種類繁多。數(shù)量龐大的海洋生物生活在高壓、高鹽、缺氧、低(無)光等特殊且資源有限的海洋環(huán)境中，各種海洋生物為了生存繁衍，它們對食物、空間的競爭非常激烈。不同的海洋生物為了在殘酷的海洋環(huán)境中競爭生存，他們會各自進(jìn)化出特有的化學(xué)防御機(jī)制，這些化學(xué)防御手段彼此相容、相克維持著海洋物種間的平衡，使得不同的物種可相對穩(wěn)定地生存。例如軟珊瑚等固著生長的無脊椎動物不僅缺乏逃逸本領(lǐng)，而且身體柔軟，盡管無有效的物理防御物質(zhì)，但它們依靠其體內(nèi)進(jìn)化出來的化學(xué)防御手段卻能在嚴(yán)酷的海洋環(huán)境中生存繁衍。研究表明，軟珊瑚含有拒捕食、防附著、抗微生物等化學(xué)防御作用的化合物。這些化合物結(jié)構(gòu)新穎，藥理活性強(qiáng)，具有潛在的成藥價值。研究表明，海洋無脊椎動物共生的微生物參與宿主的化學(xué)防御化合物的生物合成，如芋螺毒素、河豚毒素、?？舅?、石房蛤毒素和海兔毒素等。因此通過比較共生微生物與宿主間次生代謝物產(chǎn)生的相互關(guān)系，分析與宿主共生的微生物在宿主化學(xué)防御中的作用，既是海洋化學(xué)生態(tài)學(xué)研究的熱點，也是海洋藥物研發(fā)的一個重要方向。如海綿Latrunculia magnifica為防御魚類，而含有對魚類有很強(qiáng)毒性的Laturnculin A，進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)Laturnculin A也有很強(qiáng)的細(xì)胞毒活性，這樣這個化合物就有成為化療藥物的潛力。紅藻產(chǎn)生的多鹵素取代的單萜類化合物被海兔Aplysia californica攝食后，Aplysia californica選擇性地將化合物儲藏在其體內(nèi)，用于防御潛在天敵捕食。這些次生代謝物的生物活性在人體中會產(chǎn)生不同的藥理活性，將來可以藥用?？梢姾Ｑ蠡瘜W(xué)生態(tài)學(xué)研究將有助于更多的海洋藥物前體化合物被發(fā)現(xiàn)。

海洋化學(xué)生態(tài)學(xué)的研究不但可為人類發(fā)現(xiàn)新的藥理活性分子，還能幫助人類解決藥理活性分子含量微少的問題。海洋化學(xué)生態(tài)學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，很多重要海洋天然產(chǎn)物是由共生微生物所產(chǎn)生的，這樣我們就可以分離相應(yīng)的微生物生產(chǎn)需要的化合物。如海綿Theonella swenhoei的次生代謝化合物Swinholide A和Theopalauamide同時可被與之共生的細(xì)菌生產(chǎn)，這樣人們就可以從海洋生物中分離可產(chǎn)生相應(yīng)化合物的微生物進(jìn)行培養(yǎng)擴(kuò)增，大量獲取有活性的化合物，這是解決化合物量少的一種方法。如草苔蟲Bugula neritina共生的細(xì)菌可產(chǎn)生Bryostatin 1，我們可通過分離相應(yīng)的細(xì)菌，進(jìn)行人工改造馴化、發(fā)酵產(chǎn)生大量的Bryostatin 1，從而解決藥源問題。

5 海洋藥物總體情況

研究海洋藥物的論文數(shù)逐年增加，而美國在這一研究領(lǐng)域占據(jù)絕對優(yōu)勢，其發(fā)文量、總被引和H指數(shù)均占絕對地位，其次為西班牙、德國和日本。據(jù)資料顯示，現(xiàn)階段全球大約有49種來源海洋的活性物質(zhì)或其衍生物被批準(zhǔn)上市或進(jìn)入臨床試驗，但絕大多數(shù)是國外研發(fā)產(chǎn)品。這些藥物源于海洋真菌、放線菌的化合物有4個，其中2個上市，2個進(jìn)入Ⅲ期臨床試驗；來自海洋藻類的活性物質(zhì)7個，其中5個上市，1個進(jìn)入Ⅲ期臨床試驗，1個進(jìn)入Ⅰ期臨床試驗；來自海綿有14個，其中3個上市，5個進(jìn)入Ⅱ期臨床試驗，4個進(jìn)入Ⅰ期臨床試驗，2個停滯于Ⅰ期臨床試驗；來自于海洋軟體動物的化合物有10個，其中2個上市，1個進(jìn)入Ⅲ期臨床試驗，4個進(jìn)入II期臨床試驗，3個進(jìn)入Ⅰ期臨床試驗；來自棘皮動物門的活性物質(zhì)1個進(jìn)入Ⅲ期臨床試驗；從海洋尾索動物門發(fā)現(xiàn)的化合物4個，其中2個上市，1個進(jìn)入Ⅲ期臨床試驗，1個止步于Ⅱ期臨床試驗；提取自節(jié)肢動物門的化合物有2個，均進(jìn)入Ⅱ期臨床試驗；從海洋紐形動物門提取的活性物質(zhì)1個，但止步于Ⅱ期臨床；在海洋脊椎動物發(fā)現(xiàn)的化合物6個，其中3個上市，2個進(jìn)入Ⅲ期臨床試驗，1個進(jìn)入Ⅱ期臨床試驗。這些藥物的治療涉及到臨床不同的疾病，它們均顯示出獨特療效。

6 我國海洋藥物研究狀況

我國約有20 278種海洋生物，資源非常豐富。我國在世界上最早記錄用海洋生物治療疾病。西漢時期就有關(guān)于蟹、魚和藻類治療疾病的記載。在《本草綱目》中記載著200多種藥物來自海洋湖沼的生物。盡管我國很早就有海洋藥物的使用歷史和經(jīng)驗，但目前我國的海洋藥物研制水平落后于西方發(fā)達(dá)國家。我國第1篇關(guān)于海洋藥物研究的SCI收錄研究論文的發(fā)表時間比國際上最早發(fā)表的海洋藥物研究論文晚14年。1994－2003年，我國發(fā)文量只維持在1篇/年。2003－2006年年均發(fā)文量6.5篇，2007－2011年國際發(fā)文量開始呈現(xiàn)遞增趨勢，年均發(fā)文量20.4篇，論文被引量也穩(wěn)定增長。2012年后中國發(fā)文量明顯增大，目前發(fā)文量占世界同年發(fā)文量的20%左右，顯示中國海洋藥物研究越來越受到研究者的重視。盡管我國有關(guān)海洋藥物的研究文獻(xiàn)量逐年穩(wěn)步提升，但我們也要清醒地認(rèn)識到，我國論文的整體質(zhì)量欠佳，影響力不高。

本世紀(jì)以來，西方發(fā)達(dá)國家在海洋化合物研究領(lǐng)域極為活躍，它們不僅在海洋化合物的研究論文方面發(fā)表速度明顯加快，而且這些國家加大了知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)力度，申請的相關(guān)專利大幅上升。目前能夠進(jìn)入臨床試驗或上市的Ⅰ類新藥均為西方發(fā)達(dá)國家所壟斷，而且他們研究篩選化合物的觸角已伸到了我國近海，這對我國經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展將是一個潛在的巨大威脅。盡管在2012年后，我國海洋藥物研究的步伐加快，但研究質(zhì)量不高，大多停留在初級代謝產(chǎn)物的研究開發(fā)階段，國內(nèi)上市的海洋藥物基本集中在海洋多糖類化合物，如各種海藻多糖、甲殼素和軟骨素等。這些物質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)均不明確，作用靶點和藥理機(jī)制不明，這造成以這些物質(zhì)研制的藥物品質(zhì)控制不穩(wěn)定，難以形成有效的知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)。目前我國幾乎還沒有一個結(jié)構(gòu)明確、靶點確定、機(jī)制清楚和具有自主知識產(chǎn)權(quán)的海洋藥物上市。因此當(dāng)前仍需加快我國海洋生物資源的開發(fā)利用研究，避免我國海域海洋生物產(chǎn)生的化合物被國外搶先獲得知識產(chǎn)權(quán)。因此，我國應(yīng)大力資助和優(yōu)先發(fā)展海洋天然產(chǎn)物的研究，加快篩選具有顯著生物活性和結(jié)構(gòu)新穎的海洋天然化合物，提高知識產(chǎn)權(quán)申請量，研發(fā)具有國際競爭力的一類新藥。

7 海洋藥物研究前景展望

藍(lán)色廣闊的海洋生活著數(shù)量龐大而形態(tài)各異的生物，它們產(chǎn)生大量各種各樣有生物活性的化合物，而結(jié)構(gòu)獨特和多樣的生物活性是這些化合物成為新藥的基礎(chǔ)。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，儀器設(shè)備越來越靈敏、先進(jìn)和智能化，這大大減少了開展研究所需要采集的海洋生物樣本量和降低科研人員的工作強(qiáng)度，結(jié)合現(xiàn)代計算機(jī)輔助藥物設(shè)計、組合化學(xué)方法等可加速人類改造和利用已知的海洋生物化合物，研發(fā)出更多適合不同臨床需求的新藥物。同時，研究領(lǐng)域也將從可見的海洋生物轉(zhuǎn)移到肉眼無法觀察的海洋微生物。從海洋微生物中尋找新藥將是下一個從海洋中尋找新化合物研制海洋藥物的熱點領(lǐng)域。研究顯示，海洋微生物產(chǎn)生的新穎且結(jié)構(gòu)獨特的化合物將是新藥藥源的重要基礎(chǔ)。例如，在海洋鏈霉菌Streptomyces sp.strainH668中發(fā)現(xiàn)的新聚醚類化合物可顯著殺傷惡性瘧原蟲，但對人細(xì)胞無毒性，很有可能成為第一個海洋抗瘧藥。此外，從海洋微生物發(fā)酵液中大量高效提取有活性的化合物方式將極大推動海洋藥物的發(fā)展。隨著生物工程技術(shù)的發(fā)展，相信不久的將來可用基因修飾改造后的微生物進(jìn)行發(fā)酵，規(guī)?；a(chǎn)大量高活性的海洋化合物。

為推動我國海洋藥物研究快速持續(xù)增長，高?？蒲性核鶓?yīng)與大型制藥公司合作，推動海洋藥物的開發(fā)，鼓勵培養(yǎng)海洋和生物醫(yī)藥科研人員，優(yōu)化海洋、醫(yī)藥科研人員的專業(yè)知識結(jié)構(gòu)，吸引更多的專業(yè)技術(shù)人才聚焦海洋藥物研究。隨著科技不斷的進(jìn)步，智能化海洋生物樣品采集技術(shù)、微量活性化合物發(fā)現(xiàn)與合成技術(shù)、基因工程技術(shù)和微生物培養(yǎng)發(fā)酵技術(shù)的發(fā)展，海洋藥物研究將會更快地發(fā)現(xiàn)新的藥物，為人類疾病的防治作出新的貢獻(xiàn)。