海參居維氏管研究進展

吳偉東，原麗紅

（廣東藥科大學生命科學與生物制藥學院，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，海參約有1 400種，其中可食用的有60余種，多數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業統計年鑒2019》的數據顯示，2018年我國海參養殖面積達2.4萬hm2，產量達17.4萬t，其中遼寧省和山東省分別達到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殖正逐步規?；?。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。有數據表明，2018年全球干海參產量已經達到3.93萬t，產值達161.26億美元。目前海參消費市場主要在亞洲，2019年僅我國國內的干海參消費量就已達4 242 t（產量4 484 t），該數據還在持續上升[3]。

在海參加工過程中，海參的內臟被當作廢料丟棄（內臟約占體質量的15%~55%）。如果能將海參內臟回收利用，可大大提高海參養殖的經濟效益。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）。當海參受到威脅或外來刺激時，會通過神經傳導信號使放射肌及體壁環肌強力收縮，在排泄腔附近產生裂縫把居維氏管從該裂縫壓入排泄腔，進而從肛門排出。居維氏管在排出時會伸長，碰到物體時會有較強的黏附性，進而纏繞和驅趕捕食者[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洕⒎N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?；庇c苗種培育已獲得成功，預示著熱帶海參養殖進入新的發展階段[7]。隨著我國熱帶海參規?；B殖產業的發展，為居維氏管的精深加工及在創新藥物研發中的應用提供了物質保障。

為充分了解居維氏管的研究與開發現狀，筆者首先在世界知識產權組織WIPO網站（https：//patent‐scope2.wipo.int/search/zh/search.jsf）和中國國家知識產權局專利檢索及分析系統（http：//pss-system.cnipa.gov.cn/sipopublicsearch/portal/uiIndex.shtml）中通過關鍵詞“居維氏管（Cuvierian tubule）”檢索，發現僅有2個專利（102016001094595和201811098258.4），這2項專利均是關于海參內臟的應用，其中居維氏管作為海參內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，發現關于居維氏管的相關研究文獻共有43篇，最早報道見于1957年，2014年至今有13篇文獻，國內暫無相關研究。這40多篇文獻大部分集中于海參居維氏管的力學（37%）、提取物活性（35%）、組織結構功能（19%）的研究，關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域分布Figure 1 Research field distribution of sea cucumber cuvi‐erian tubles

1 居維氏管的組織結構和成分

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未被排出的靜止小管[9]。

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

2 居維氏管的力學性能

居維氏管有靜止和伸長兩種狀態，主要區別是伸長時的管壁較薄，因為居維氏管在被排出時，管腔中被強力注入水，使腹膜細胞解體，管徑擴大，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的居維氏管和伸長的居維氏管的機械性能，靜態居維氏管為緩解伸長，會表現出較低的延伸阻力，但是抗拉強度較低，而伸長時的居維氏管有著較高的抗拉強度（3 300 kPa[13]；6 000 kPa[12]），表現出較高的韌性而抵抗捕食者掙脫產生的牽引力[12]。居維氏管在拉伸實驗中不會出現突然的破裂而是組織逐漸脫位，在水下拉伸實驗中，居維氏管呈現與羊毛纖維相似的曲線[13]，而且居維氏管的最大應力也大于羊毛的斷裂應力[14]，表明居維氏管在水下也許有著與羊毛類似的力學特性。與羊毛、蠶絲、蜘蛛絲、尼龍等相比，居維氏管的韌性、抗拉強度都明顯偏弱，可能與它有較高的伸長率有關（表1）。

表1 居維氏管與其他纖維的力學性能對比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，發現間皮的免疫反應性最強，而組織層則與粘連有關。隨后通過測量各種材料表面的黏附性發現，黏性蛋白的黏附性在鉀和EDTA存在時增強，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測試發現，海參居維氏管的黏力與施加的壓縮力呈S型關系，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、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對居維氏管的黏附上皮細胞及產生的黏性物質進行觀察發現，居維氏管在被排出前，腹膜細胞會形成外部保護性細胞層，防止在體內黏附；而居維氏管被排出后，居維氏管伸長破壞了保護層，使粒狀細胞展開并在居維氏管表面暴露，此時居維氏管仍沒有黏性；只有當排出的居維氏管與材料表面接觸后，粒狀細胞才會釋放顆粒成分，膨脹、擴散，并在材料表面形成薄薄的均質層，呈現黏附性，且在形態組織上對各種材料表面表現高親和力。此外，研究發現，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，黏力可能和顆粒與表面接觸的多少有關，就像壓敏黏合劑，它們的黏力與施加的預緊力相關。

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、生物醫學、材料等領域中應用，為制備瞬時生物黏膠或防水膠提供新的研發方向。此外，根據居維氏管的黏附性、韌性、抗拉力等性能特點，可將其作為生產水下服飾或材料的原料。現有研究結果表明，居維氏管在生物醫學領域及工業中有著很好的應用前景，然而海參居維氏管的力學性能種間差異較大，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，顏色與皂苷含量有關，分子量較大，不易結晶且極性較大，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介質。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對腫瘤細胞的生長有顯著的抑制作用。Kitisin等[22]研究發現，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]的研究中更是發現，玉足海參居維氏管富含皂苷的提取物可通過調節脂肪儲存和代謝相關基因的信使RNA的表達來減低脂肪沉積和三酰甘油的水平。Malaiwong等[24]也發現，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抗帕金森效應，為研發抗帕金森藥提供了新的方向。這些研究結果提示，居維氏管的提取物可能是多種疾病預防和治療藥物、保健食品、抑菌劑等的良好原料。

5 居維氏管的再生

海參具有較強的再生能力，即使身體被截斷也能恢復成完整的個體；在遇到受污染的海水或機械刺激時會將內臟排出，一段時間后又長出新的內臟。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。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]研究發現，當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，而是經過一段潛伏期后才會再生。而當受到較強的刺激時，因排出的居維氏管數較多，海參會馬上分批進行居維氏管的再生。這樣，海參在進行居維氏管再生時不會短時間內消耗大量的能量，利于它的可持續生長。海參居維氏管再生同樣也依照著細胞分化、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胞（可能由腹膜細胞產生），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，通過研究海參的創傷修復與再生機制及基因調控機制，或許能尋找新的生物治療方法，來促進機體自我修復與再生及構建新的組織與器官。海參居維氏管的再生周期與其他動物器官再生相比較短，但用作生產各產品的原料時相對比其他原料產率低，若能通過人為調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率低的問題。

6 展望

隨著海參養殖產業的快速發展，對海參內臟的再利用無疑是進一步提高海參養殖經濟效益的關鍵。作為海參內臟的重要組成部分，居維氏管展現出良好的水下黏附性、伸長率和藥用活性，有望用于研發新型水下黏合劑及醫學中的生物黏合劑、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，具有極高的應用價值。然而，目前國內外針對海參居維氏管的應用性研究較少，可作為相關領域的新研究方向。