海洋藥物的研究現狀

張海濤 （廣東醫科大學，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難度不斷加大，導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境。大多數(五分之四)的生物在海環境中活動，海洋中不僅有大量的魚、蝦、蟹等物種，還有多種形態各異、不計其數的低級物種，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系統中相互影響，對維持海洋生態系統平衡具有重要的穩定作用。由于海洋環境存在高壓、高鹽、缺氧、低(無)光照等陸地環境沒有的生存壓力，在海洋生活的物種為在競爭有限的資源中取得優勢，不得不在進化過程生產出結構獨特、活性強的化合物(次生代謝物)，研究發現海洋生物次生代謝產物與陸地生物相比有著更大的多樣性。這些化學物質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。藥理研究結果顯示，不同結構的海洋化合物對人類不同疾病具有很好的治療效果，這些結果吸引了人們投入更多的研究，也成為制藥企業開發新藥的資源。由于海洋生物物種資源豐富，產生化合物結構的獨特性和多樣性，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、不良反應小的藥物，這吸引人們對海洋物種資源、生態學、生物活性物質等進行研究，希望以海洋生物活性化合物為基礎研制出預防和治療人類疾病的創新藥物。

以 “藍色海洋藥庫”為資源庫，研制新藥物已成為當今醫藥工業發展的重要方向，因此各制藥強國紛紛投入大量的研究經費加緊研究，如美國國家研究委員會和國立癌癥研究所、日本海洋生物技術研究院及日本海洋科學技術中心、歐共體海洋科學和技術等機構每年均投入上億美元作為海洋藥物開發研究的經費。而在我國，為壯大海洋經濟，國家要求加強海洋生物醫藥、海洋生物制品、海洋生物材料的研究發展，以青島、上海、廈門、廣州為中心建設海洋生物技術和海洋藥物研究中心。

2 海洋藥物研究的熱點

我國學者呂陽對1980－2017年SCIE數據庫收錄的相關論文進行統計和分析后發現，現有海洋藥物研究熱點包括：海洋天然產物中的藥物挖掘及其抗菌活性、海洋化合物細胞毒的藥理機制、海洋環境下海洋生物化學物質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。根據近年的文獻追蹤發現，與海綿、海藻等(尤其是海綿等海洋生物代謝產物)有關的研究成為海洋藥物領域研究焦點。此外，海洋藥物領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制的藥物。

3 獨特的海洋天然產物

海洋生物及其生活環境的多樣性是其能產生超乎人類現有想象能力的新化合物基礎。海洋生物產生的全新化學骨架的物質被發現的數量也大大超出了研究人員的想象。新發現的海洋化合物總會出現一些獨特的化學功能基團，如含多鹵素取代基團的化合物、含硫甲胺基功能基團的化合物等。

從海綿中發現結構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的細胞毒性化合物，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構的生物堿renieramycins T和U從海綿Xestospongia sp.中被提取成功；一種含有1，4-二醛基特殊結構的二倍半萜類化合物在海綿Cacospongia mollior中被發現；一種多環胍類生物堿16β-hydroxycrambescidin從海綿Monanchora unguifera中被篩選出來；已知結構中含有最大環的大環內酯類化合物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構化合物大田軟海綿酸在海綿Halichondria okadaii中被發現，大田軟海綿酸是蛋白質磷酸酯酶的抑制劑，有一定的促癌作用，常作為細胞生理研究的工具藥。

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

此外，其他海洋生物也能產生結構獨特的化合物。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內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容

海洋來源的化合物結構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域。按研究內容可主要分為海洋毒素 、海洋生化藥物和海洋化學生態學三個方面。

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重污染毒素的問題，人類必須加強對海洋毒素產生、致毒、檢測和預防的研究。大多數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。可見對海洋毒素的研究是十分重要和必要的。多數海洋毒素的結構復雜、龐大，如甲藻Gymnodinium breve中分得的 Brevetoxin B是以像“梯子”一樣的6-8 元環聚醚為基本結構單元的巨大而復雜的結構。Ciguatoxin和Maitotoxin也屬于結構復雜的環聚醚類海洋毒素，而從珊瑚Palythoa toxicus中發現的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、海葵毒素、海蛇毒素、石房蛤毒素和海兔毒素等。海洋毒素化合物的結構鑒定是研究工作的關鍵，也是難點。對毒素結構解析需要綜合運用光譜解析、質譜分析和化學合成的方法，但相信隨著分析解析結構的智能化和高速運算分析系統的使用，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。雖然研究人員發現了許多高活性的化合物，但只有少數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物來源化合物進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。

海洋生物活性物質成為藥物需要一個漫長的研發過程。首先要根據建立的體外體內模型進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獲得有效化合物單體，綜合運用光譜解析、質譜分析和化學合成的方法解析化合物結構，確定化合物有效性和安全劑量。但海洋生物活性物質要成為藥物除了有效性和安全外，還需要進一步克服許多關鍵的技術瓶頸。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生有效化合物的生產技術。Bryostatin 1 的研發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中被發現，經過10年時間的結構解析，人們發現Bryostatin 1是結構非常復雜的大環內酯類化合物。Bryostatin 1 由于具有非常強的抗癌活性，因而它順利進入了臨床試驗，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。而此后進一步的研究發現，Bryostatin 1 很可能是由與Bugula neritina共生的細菌所產生，這一研究結果為人類通過生物技術人為控制催化合成Bryostatin 1的基因生產Bryostatin 1奠定了基礎，最終徹底解決了藥源問題。此外，研究發現人工半合成的Bryostatins 1與天然的Bryostatin 1一樣具有抗癌活性，這為化學合成生產Bryostatin 1開辟了新途徑。可見對于含量微少的活性物質，可根據其結構和產生的方式，引入現代化學合成技術和基因工程技術建立規模化生產技術制備，從而突破原料的限制。

4.3 海洋化學生態學的研究

海洋生態系統是最大的生態系統，海洋生物種類繁多。數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境中競爭生存，他們會各自進化出特有的化學防御機制，這些化學防御手段彼此相容、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，而且身體柔軟，盡管無有效的物理防御物質，但它們依靠其體內進化出來的化學防御手段卻能在嚴酷的海洋環境中生存繁衍。研究表明，軟珊瑚含有拒捕食、防附著、抗微生物等化學防御作用的化合物。這些化合物結構新穎，藥理活性強，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防御化合物的生物合成，如芋螺毒素、河豚毒素、海葵毒素、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生的相互關系，分析與宿主共生的微生物在宿主化學防御中的作用，既是海洋化學生態學研究的熱點，也是海洋藥物研發的一個重要方向。如海綿Latrunculia magnifica為防御魚類，而含有對魚類有很強毒性的Laturnculin A，進一步的研究發現Laturnculin A也有很強的細胞毒活性，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，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生不同的藥理活性，將來可以藥用。可見海洋化學生態學研究將有助于更多的海洋藥物前體化合物被發現。

海洋化學生態學的研究不但可為人類發現新的藥理活性分子，還能幫助人類解決藥理活性分子含量微少的問題。海洋化學生態學研究發現，很多重要海洋天然產物是由共生微生物所產生的，這樣我們就可以分離相應的微生物生產需要的化合物。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菌生產，這樣人們就可以從海洋生物中分離可產生相應化合物的微生物進行培養擴增，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共生的細菌可產生Bryostatin 1，我們可通過分離相應的細菌，進行人工改造馴化、發酵產生大量的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逐年增加，而美國在這一研究領域占據絕對優勢，其發文量、總被引和H指數均占絕對地位，其次為西班牙、德國和日本。據資料顯示，現階段全球大約有49種來源海洋的活性物質或其衍生物被批準上市或進入臨床試驗，但絕大多數是國外研發產品。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個進入Ⅲ期臨床試驗；來自海洋藻類的活性物質7個，其中5個上市，1個進入Ⅲ期臨床試驗，1個進入Ⅰ期臨床試驗；來自海綿有14個，其中3個上市，5個進入Ⅱ期臨床試驗，4個進入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個進入Ⅲ期臨床試驗，4個進入II期臨床試驗，3個進入Ⅰ期臨床試驗；來自棘皮動物門的活性物質1個進入Ⅲ期臨床試驗；從海洋尾索動物門發現的化合物4個，其中2個上市，1個進入Ⅲ期臨床試驗，1個止步于Ⅱ期臨床試驗；提取自節肢動物門的化合物有2個，均進入Ⅱ期臨床試驗；從海洋紐形動物門提取的活性物質1個，但止步于Ⅱ期臨床；在海洋脊椎動物發現的化合物6個，其中3個上市，2個進入Ⅲ期臨床試驗，1個進入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驗，但目前我國的海洋藥物研制水平落后于西方發達國家。我國第1篇關于海洋藥物研究的SCI收錄研究論文的發表時間比國際上最早發表的海洋藥物研究論文晚14年。1994－2003年，我國發文量只維持在1篇/年。2003－2006年年均發文量6.5篇，2007－2011年國際發文量開始呈現遞增趨勢，年均發文量20.4篇，論文被引量也穩定增長。2012年后中國發文量明顯增大，目前發文量占世界同年發文量的20%左右，顯示中國海洋藥物研究越來越受到研究者的重視。盡管我國有關海洋藥物的研究文獻量逐年穩步提升，但我們也要清醒地認識到，我國論文的整體質量欠佳，影響力不高。

本世紀以來，西方發達國家在海洋化合物研究領域極為活躍，它們不僅在海洋化合物的研究論文方面發表速度明顯加快，而且這些國家加大了知識產權保護力度，申請的相關專利大幅上升。目前能夠進入臨床試驗或上市的Ⅰ類新藥均為西方發達國家所壟斷，而且他們研究篩選化合物的觸角已伸到了我國近海，這對我國經濟和社會發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，但研究質量不高，大多停留在初級代謝產物的研究開發階段，國內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。這些物質化學結構和理化性質均不明確，作用靶點和藥理機制不明，這造成以這些物質研制的藥物品質控制不穩定，難以形成有效的知識產權保護。目前我國幾乎還沒有一個結構明確、靶點確定、機制清楚和具有自主知識產權的海洋藥物上市。因此當前仍需加快我國海洋生物資源的開發利用研究，避免我國海域海洋生物產生的化合物被國外搶先獲得知識產權。因此，我國應大力資助和優先發展海洋天然產物的研究，加快篩選具有顯著生物活性和結構新穎的海洋天然化合物，提高知識產權申請量，研發具有國際競爭力的一類新藥。

7 海洋藥物研究前景展望

藍色廣闊的海洋生活著數量龐大而形態各異的生物，它們產生大量各種各樣有生物活性的化合物，而結構獨特和多樣的生物活性是這些化合物成為新藥的基礎。隨著科學技術的快速發展，儀器設備越來越靈敏、先進和智能化，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度，結合現代計算機輔助藥物設計、組合化學方法等可加速人類改造和利用已知的海洋生物化合物，研發出更多適合不同臨床需求的新藥物。同時，研究領域也將從可見的海洋生物轉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域。研究顯示，海洋微生物產生的新穎且結構獨特的化合物將是新藥藥源的重要基礎。例如，在海洋鏈霉菌Streptomyces sp.strainH668中發現的新聚醚類化合物可顯著殺傷惡性瘧原蟲，但對人細胞無毒性，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展。隨著生物工程技術的發展，相信不久的將來可用基因修飾改造后的微生物進行發酵，規模化生產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增長，高校科研院所應與大型制藥公司合作，推動海洋藥物的開發，鼓勵培養海洋和生物醫藥科研人員，優化海洋、醫藥科研人員的專業知識結構，吸引更多的專業技術人才聚焦海洋藥物研究。隨著科技不斷的進步，智能化海洋生物樣品采集技術、微量活性化合物發現與合成技術、基因工程技術和微生物培養發酵技術的發展，海洋藥物研究將會更快地發現新的藥物，為人類疾病的防治作出新的貢獻。