海參居維氏管研究進(jìn)展

吳偉東，原麗紅

（廣東藥科大學(xué)生命科學(xué)與生物制藥學(xué)院，廣東廣州 510006）

海參（Sea cucumbers，holothurians）屬于棘皮動物門（Echinodermata）海參綱（Holothuroidea，Holothurioi‐dea）。在全世界范圍內(nèi)，海參約有1 400種，其中可食用的有60余種，多數(shù)為熱帶或亞熱帶種類，主要集中在刺參科（Stichopodidae）和海參科（Holothuriidae）[1]。在我國海域分布的海參有134種，可食用的有21種，僅仿刺參（Apostichopus japonicus）屬于溫帶種，分布在黃海和渤海海域，其余20種均為熱帶種，分布在南海?！吨袊鴿O業(yè)統(tǒng)計年鑒2019》的數(shù)據(jù)顯示，2018年我國海參養(yǎng)殖面積達(dá)2.4萬hm2，產(chǎn)量達(dá)17.4萬t，其中遼寧省和山東省分別達(dá)到1.4萬hm2和8.8萬hm2[2]，廣東、福建等東南沿海一帶海參的養(yǎng)殖正逐步規(guī)模化。由于海參不易保存，除了直接煮食外，大多被加工成干海參、鹽漬海參等。有數(shù)據(jù)表明，2018年全球干海參產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到3.93萬t，產(chǎn)值達(dá)161.26億美元。目前海參消費市場主要在亞洲，2019年僅我國國內(nèi)的干海參消費量就已達(dá)4 242 t（產(chǎn)量4 484 t），該數(shù)據(jù)還在持續(xù)上升[3]。

在海參加工過程中，海參的內(nèi)臟被當(dāng)作廢料丟棄（內(nèi)臟約占體質(zhì)量的15%~55%）。如果能將海參內(nèi)臟回收利用，可大大提高海參養(yǎng)殖的經(jīng)濟(jì)效益。海參科中部分海參有一種重要的防御器官，位于海參的泄殖腔附近，被稱作居維氏管（Cuvierian tubules）。當(dāng)海參受到威脅或外來刺激時，會通過神經(jīng)傳導(dǎo)信號使放射肌及體壁環(huán)肌強(qiáng)力收縮，在排泄腔附近產(chǎn)生裂縫把居維氏管從該裂縫壓入排泄腔，進(jìn)而從肛門排出。居維氏管在排出時會伸長，碰到物體時會有較強(qiáng)的黏附性，進(jìn)而纏繞和驅(qū)趕捕食者[4]。此外，有研究表明，居維氏管中含有豐富的海參皂苷，具有提高免疫力、抗腫瘤、抗菌、抗癌等多種生物活性［5］?！妒澜缰匾?jīng)濟(jì)海參種類》[6]和《中國動物志·棘皮動物門·海參綱》[4]記錄，我國有8種海參具有居維氏管，分別是玉足海參（Holo‐thuria leucospilota）、蛇目白尼參（Bohadschia argus）、圖紋白尼參（Bohadschia marmorata）、格皮氏海參（Pearsonothuria graeffei）、棘輻肛參（Actinopyga echi‐nites）、子安輻肛參（Actinopyga lecanora）、白底輻肛參（Actinopyga mauritiana）、烏皺輻肛參（Actinopyga mili‐aris）。目前，玉足海參的規(guī)?；庇c苗種培育已獲得成功，預(yù)示著熱帶海參養(yǎng)殖進(jìn)入新的發(fā)展階段[7]。隨著我國熱帶海參規(guī)?；B(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，為居維氏管的精深加工及在創(chuàng)新藥物研發(fā)中的應(yīng)用提供了物質(zhì)保障。

為充分了解居維氏管的研究與開發(fā)現(xiàn)狀，筆者首先在世界知識產(chǎn)權(quán)組織WIPO網(wǎng)站（https：//patent‐scope2.wipo.int/search/zh/search.jsf）和中國國家知識產(chǎn)權(quán)局專利檢索及分析系統(tǒng)（http：//pss-system.cnipa.gov.cn/sipopublicsearch/portal/uiIndex.shtml）中通過關(guān)鍵詞“居維氏管（Cuvierian tubule）”檢索，發(fā)現(xiàn)僅有2個專利（102016001094595和201811098258.4），這2項專利均是關(guān)于海參內(nèi)臟的應(yīng)用，其中居維氏管作為海參內(nèi)臟中的一部分被提到。隨后，筆者在Googlescholar對居維氏管（Cuvierian tubule）分別用中、英文檢索，發(fā)現(xiàn)關(guān)于居維氏管的相關(guān)研究文獻(xiàn)共有43篇，最早報道見于1957年，2014年至今有13篇文獻(xiàn)，國內(nèi)暫無相關(guān)研究。這40多篇文獻(xiàn)大部分集中于海參居維氏管的力學(xué)（37%）、提取物活性（35%）、組織結(jié)構(gòu)功能（19%）的研究，關(guān)于居維氏管的再生只有1篇，可作為以后居維氏管著重研究的方向（圖1）。

圖1 海參居維氏管研究領(lǐng)域分布Figure 1 Research field distribution of sea cucumber cuvi‐erian tubles

1 居維氏管的組織結(jié)構(gòu)和成分

居維氏管包括分支居維氏管和平滑居維氏管，分支居維氏管只出現(xiàn)在輻肛參屬中，輻肛參的居維氏管不能排出且不具有黏性，所以不具有防御作用[8]；而平滑居維氏管出現(xiàn)在白尼參屬、海參屬、皮氏海參屬中，雖然其中部分種類不易或者不排出，但如果人為地將其取出后拉長，則和其他海參的居維氏管一樣具有黏性，當(dāng)前的研究都以平滑居維氏管為主。平滑居維氏管也可分為兩種，分別是已排出的伸長小管和在海參體內(nèi)未被排出的靜止小管[9]。

居維氏管的組織層由外到內(nèi)分為3層，包括間皮層、結(jié)締組織層和內(nèi)皮層。間皮層是偽分層，由內(nèi)層的顆粒細(xì)胞和外層的腹膜細(xì)胞組成。結(jié)締組織包含圓形和縱向肌肉纖維層，它們將結(jié)締組織層分成一個薄的外部區(qū)域和一個厚的內(nèi)部區(qū)域，內(nèi)部區(qū)域中的膠原纖維形成6個平行于居維氏管長軸的環(huán)狀螺旋[9]。居維氏管的膠原纖維與部分酸性多糖相關(guān)，而且研究發(fā)現(xiàn)，膠原纖維是主要的構(gòu)成部分，其抵抗張力的能力增強(qiáng)了居維氏管的防御性。居維氏管的結(jié)締組織在化學(xué)組成上與脊椎動物的結(jié)締組織相似，居維氏管被射出時伸長與結(jié)締組織有關(guān)[10]。在居維氏管的細(xì)胞內(nèi)還能看到有大量顆粒的隔室或角體，當(dāng)居維氏管伸長時，結(jié)締組織中膠原纖維層的螺旋會被拉伸，而間皮層外層的腹膜細(xì)胞層被分解，內(nèi)層的顆粒細(xì)胞則成為新的外層，且顆粒的隔室或角體會轉(zhuǎn)化成無形狀的顆粒物，當(dāng)居維氏管接觸物體時，顆粒細(xì)胞會將顆粒內(nèi)的成分排出，增強(qiáng)了居維氏管的黏附性，進(jìn)而導(dǎo)致粘連[11]。

2 居維氏管的力學(xué)性能

居維氏管有靜止和伸長兩種狀態(tài)，主要區(qū)別是伸長時的管壁較薄，因為居維氏管在被排出時，管腔中被強(qiáng)力注入水，使腹膜細(xì)胞解體，管徑擴(kuò)大，管壁厚度減小[9]。居維氏管在被排出時會伸長為原來的幾倍甚至十幾倍，而且在伸長后會變硬。Zahn等[12]的研究表明，居維氏管承受的最大力與牽拉速度呈正比，而延展性與牽拉速度呈反比，牽引速度越快，可承受力越大，延展性越低，捕食者一旦被居維氏管纏住，掙脫速度越快則居維氏管越硬越難拉開。Demeuldre等[13]在海水中分別用牽引實驗研究靜態(tài)的居維氏管和伸長的居維氏管的機(jī)械性能，靜態(tài)居維氏管為緩解伸長，會表現(xiàn)出較低的延伸阻力，但是抗拉強(qiáng)度較低，而伸長時的居維氏管有著較高的抗拉強(qiáng)度（3 300 kPa[13]；6 000 kPa[12]），表現(xiàn)出較高的韌性而抵抗捕食者掙脫產(chǎn)生的牽引力[12]。居維氏管在拉伸實驗中不會出現(xiàn)突然的破裂而是組織逐漸脫位，在水下拉伸實驗中，居維氏管呈現(xiàn)與羊毛纖維相似的曲線[13]，而且居維氏管的最大應(yīng)力也大于羊毛的斷裂應(yīng)力[14]，表明居維氏管在水下也許有著與羊毛類似的力學(xué)特性。與羊毛、蠶絲、蜘蛛絲、尼龍等相比，居維氏管的韌性、抗拉強(qiáng)度都明顯偏弱，可能與它有較高的伸長率有關(guān)（表1）。

表1 居維氏管與其他纖維的力學(xué)性能對比Table 1 Mechanical property comparison of cuvierian tubles with other fibers

3 居維氏管的黏力

非輻肛參屬的居維氏管在接觸到物體表面時會變得十分具有黏力，在10 s內(nèi)就可形成黏合，通過黏住捕食者而得以逃生[15]。Baranowska等[16]用電洗脫、免疫沉淀等方法從海參居維氏管中，提取分離出具有黏性的蛋白，發(fā)現(xiàn)間皮的免疫反應(yīng)性最強(qiáng)，而組織層則與粘連有關(guān)。隨后通過測量各種材料表面的黏附性發(fā)現(xiàn)，黏性蛋白的黏附性在鉀和EDTA存在時增強(qiáng)，在鎘存在時減弱，而添加抗體和胰蛋白酶則可以廢除提取物的黏合特性。Flammang等[17]對Holothuria forskali、圖紋白尼參、Bohadschia.subrubra、格皮氏海參、丑海參（H.impatiens）、玉足海參等7種海參的居維氏管生物力學(xué)測試發(fā)現(xiàn)，海參居維氏管的黏力與施加的壓縮力呈S型關(guān)系，韌性測試中海參屬的黏力最大，玉足海參為135 kPa，其他海參為30~60 kPa，而且居維氏管的韌性隨著居維氏管基質(zhì)、海水的溫度、鹽度和排出時間的變化而變化。Demeuldre等[18]通過不同的顯微鏡技術(shù)對居維氏管的黏附上皮細(xì)胞及產(chǎn)生的黏性物質(zhì)進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，居維氏管在被排出前，腹膜細(xì)胞會形成外部保護(hù)性細(xì)胞層，防止在體內(nèi)黏附；而居維氏管被排出后，居維氏管伸長破壞了保護(hù)層，使粒狀細(xì)胞展開并在居維氏管表面暴露，此時居維氏管仍沒有黏性；只有當(dāng)排出的居維氏管與材料表面接觸后，粒狀細(xì)胞才會釋放顆粒成分，膨脹、擴(kuò)散，并在材料表面形成薄薄的均質(zhì)層，呈現(xiàn)黏附性，且在形態(tài)組織上對各種材料表面表現(xiàn)高親和力。此外，研究發(fā)現(xiàn)，并不是所有的顆粒都用于粘連，有少部分顆粒仍處于完整狀態(tài)，黏力可能和顆粒與表面接觸的多少有關(guān)，就像壓敏黏合劑，它們的黏力與施加的預(yù)緊力相關(guān)。

居維氏管作為海參的防御器官具有瞬時粘連的特性，可在碰到敵人的瞬間黏住威脅者，這樣的特性可在化工、生物醫(yī)學(xué)、材料等領(lǐng)域中應(yīng)用，為制備瞬時生物黏膠或防水膠提供新的研發(fā)方向。此外，根據(jù)居維氏管的黏附性、韌性、抗拉力等性能特點，可將其作為生產(chǎn)水下服飾或材料的原料?，F(xiàn)有研究結(jié)果表明，居維氏管在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域及工業(yè)中有著很好的應(yīng)用前景，然而海參居維氏管的力學(xué)性能種間差異較大，其毒性、生物親和性、生物相容性等還需更深入的研究。

4 居維氏管提取物的藥用價值

海參皂苷是海參的主要次級代謝產(chǎn)物，主要分布于海參的分泌物、體液和居維氏管中。居維氏管富含海參皂苷，含量為（3.76±1.62）g/kg，是體壁的2倍多[19]。海參皂苷為淺黃色或乳白色的粉末狀物質(zhì)，顏色與皂苷含量有關(guān)，分子量較大，不易結(jié)晶且極性較大，一般可溶于水，易溶于熱水、含水稀醇、熱甲醇和熱乙醇中，難溶于乙醚、丙酮等極性小的有機(jī)介質(zhì)。因為居維氏管在含水丁醇或戊醇中溶解度較大，提取出來后可用大孔樹脂吸附、硅膠柱層析、反相硅膠柱層析等方法進(jìn)行分離純化[20]。海參皂苷具有抑菌、抗腫瘤、抗氧化、減少脂肪沉積抑制肥胖等生物學(xué)活性。趙芹等［21］從格皮氏海參中提取的海參皂苷Echinoside A對腫瘤細(xì)胞的生長有顯著的抑制作用。Kitisin等[22]研究發(fā)現(xiàn)，玉足海參皂苷提取物可延長秀麗隱桿線蟲的壽命。在Chumphoochai等[23]的研究中更是發(fā)現(xiàn)，玉足海參居維氏管富含皂苷的提取物可通過調(diào)節(jié)脂肪儲存和代謝相關(guān)基因的信使RNA的表達(dá)來減低脂肪沉積和三酰甘油的水平。Malaiwong等[24]也發(fā)現(xiàn)，玉足海參居維氏管富含皂苷的提取物對秀麗隱桿線蟲呈現(xiàn)抗帕金森效應(yīng)，為研發(fā)抗帕金森藥提供了新的方向。這些研究結(jié)果提示，居維氏管的提取物可能是多種疾病預(yù)防和治療藥物、保健食品、抑菌劑等的良好原料。

5 居維氏管的再生

海參具有較強(qiáng)的再生能力，即使身體被截斷也能恢復(fù)成完整的個體；在遇到受污染的海水或機(jī)械刺激時會將內(nèi)臟排出，一段時間后又長出新的內(nèi)臟。居維氏管作為海參的防御器官，它的再生跟吐臟類似，居維氏管在排出后不久也會恢復(fù)。玉足海參居維氏管的再生需要15~18 d[25]，黑海參的居維氏管完全再生大概需要5周[26]。Vandenspieg[26]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)海參受到輕微刺激時，僅排出少量的居維氏管，且不會立即啟動再生過程，而是經(jīng)過一段潛伏期后才會再生。而當(dāng)受到較強(qiáng)的刺激時，因排出的居維氏管數(shù)較多，海參會馬上分批進(jìn)行居維氏管的再生。這樣，海參在進(jìn)行居維氏管再生時不會短時間內(nèi)消耗大量的能量，利于它的可持續(xù)生長。海參居維氏管再生同樣也依照著細(xì)胞分化、增殖、再分化的順序，其中間皮層起著最重要的作用，因為間皮層中有著豐富的未分化細(xì)胞（可能由腹膜細(xì)胞產(chǎn)生），可分化增殖，用于再生居維氏管。海參居維氏管的再生周期較短，通過研究海參的創(chuàng)傷修復(fù)與再生機(jī)制及基因調(diào)控機(jī)制，或許能尋找新的生物治療方法，來促進(jìn)機(jī)體自我修復(fù)與再生及構(gòu)建新的組織與器官。海參居維氏管的再生周期與其他動物器官再生相比較短，但用作生產(chǎn)各產(chǎn)品的原料時相對比其他原料產(chǎn)率低，若能通過人為調(diào)控海參居維氏管的再生周期或再生量，在未來居維氏管被投入使用時就可以解決原料產(chǎn)率低的問題。

6 展望

隨著海參養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對海參內(nèi)臟的再利用無疑是進(jìn)一步提高海參養(yǎng)殖經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵。作為海參內(nèi)臟的重要組成部分，居維氏管展現(xiàn)出良好的水下黏附性、伸長率和藥用活性，有望用于研發(fā)新型水下黏合劑及醫(yī)學(xué)中的生物黏合劑、超輕防水服等軍工/運動服飾，以及抗菌、抗腫瘤、抗血栓、抗帕金森等藥物或保健品的研發(fā)，具有極高的應(yīng)用價值。然而，目前國內(nèi)外針對海參居維氏管的應(yīng)用性研究較少，可作為相關(guān)領(lǐng)域的新研究方向。