生物制药中海洋微生物活性物质研究概况

生物制药中海洋微生物活性物质研究概况

摘 要: 生物制药是指生物工程应用于制药工业部分,生物制药是生物工程研究开发和应用中最活跃、进展最快的领域,被公认为21世纪最具前途的产业之一，国内医药企业在国际竞争中求得生存和发展的关键，莫过于加快生物医药研发的国产化。本文综述了生物制药产业的发展历程, 探讨我国生物制药产业的发展方向。目前，生物制剂领域具有自主知识产权的技术被发达国家所垄断，我国医药生物技术缺少独立知识产权，主要靠模仿和跟踪，这种现状成了制约国内生物医药企业发展的“瓶颈”。所以，应加强自主创新和前瞻性基础研究，打造生物医药研发的国产化航母单位，力争在某些领域取得突破性进展，跻身国际前沿行列。

其中海洋微生物由于其特殊的生存环境, 往往能产生结构新颖、功能多样的活性物质, 海洋微生物作为活性物质的新来源, 正日益受到人们的关注。综述了近几年海洋微生物产生的抗肿瘤、抗心血管病、免疫调节剂、抗生素等生物活性物质的开发利用现状及相关的研究技术和方法, 展示出海洋微生物活性物质巨大的开发利用前景。

Abstract: Bio-Pharmacies refers to the application of bio-pharmaceutical industry, biopharmaceutical industry is a field which has the most active and the fastest

progress in the biopharmaceutical research and development and application, it is one of the most promising industries in the 21st Century, the localization of the

biomedical research and development is the key in the international competition for survival and development. This paper reviews the development of bio-pharmaceutical industry, and explores the development direction of bio-pharmaceutical industry in China. At present, the technology with independent intellectual property rights in the area of biological preparation have been monopolized by developed countries, China's pharmaceutical biotechnology lack of independent intellectual property rights, but imitate and follow mainly, the status quo has become a "bottleneck" which restricts the domestic biomedical enterprise's development. Therefore, we should strengthen the independent innovation and prospective basic research, and build China-made aircraft units of biomedical research and development, strive to achieve a

breakthrough in some areas in order to win a place on the international forefront.

The sea microorganism as a result of its special survival environment,often can have the structure to be novel, the function diverse activematerial, the sea microorganism took the active material the neworigin, is receiving people's attention day by day. Summarized anti-biological activity matter the and so on the tumor, anti-cardiovascular disease, immunity conditioner, antibiotic which the seamicroorganism produces in recent years development use presentsituation and the correlation research technology and the method,demonstrates the sea microorganism active material huge developmentuse prospect.

关键词: 生物技术,生物制药,海洋微生物, 活性物质

Key words: Biotechnology, Bio-Pharmacies,Marine microbe,Activematerial

一 生物技术制药的定义

所谓生物技术，是指“用活的生物体（或生物体的物质）来改进产品、改良植物和动物，或为特殊用途而培养微生物的技术”。 生物制药就是把生物技术应用到药物制造领域，其中最主要的是基因工程方法,即利用克隆技术和组织培养技术，对DNA进行切割、插入、连接和重组，从而获得生物医药制品[1]。

生物技术药物或称生物药物是集应用生物学、医学、物理化学和工程学以及药学的原理与方法研制而成的一大类用于预防、诊断、治疗和康复保健的医用制品。广义的生物药物有[2]：①天然生物药物。如生化药物、微生物药物和海洋药物；②基因重组多肽和蛋白质治疗药物（包括基因工程和蛋白质工程药物）, 如用DNA重组技术制造的多肽、蛋白质、激素、酶、细胞因子、单克隆抗体和疫苗等；③基因药物, 即以遗传物质DNA、 RNA及核苷酸衍生物为基础研制而成的基因治疗剂。如基因疫苗、反义药物、干涉核酸和核酶等；④合成与部分合成的生物药物。

二 生物制药产业的发展方向

面对世界生物制药产业新的发展趋势, 我国的生物制药产业可以充分发挥自身优势, 如天然植物药资源, 中草药及其有效生物活性成份的发酵生产。中草药经发酵、酶化后, 其有效成分能被充分分离、提取, 使其更具有生物活性, 并含有大量的活性酶, 服用后能被人体组织细胞迅速吸收, 达到祛病、健体、双向免疫调节的功能, 更好地发挥中草药这一天然药物的药效作用。因此, 应用现代生物技术大规模工业化提取中草药的有效生物活性成份, 发展具有中国特色的生物技术制药工业的前景十分广阔。

（一）改造抗生素工艺技术[3]。在目前各类药物中, 抗生素用量最大, 应研究采用基因工程、细胞工程技术和传统生产技术相结合的方法, 选育优良菌种, 加快应用现代生产技术生产高效低毒的广谱抗生素药物。

（二） 大力开发疫苗与酶诊断试剂。这方面我国已有一定的基础, 开发重点是乙肝基因疫苗与单克隆抗体诊断试剂。

（三）开发活性蛋白与多肽类药物[4]以及它们的长效药物[5]。这方面的开发重点是干扰素、生长激素、T-PA及PEG化蛋白及多肽。

（四） 开发靶向药物, 以开发肿瘤药物为重点[6]。目前治疗肿瘤药物确实存在一个所谓“敌我不分”的问题。在杀死癌细胞的同时, 也杀死正常细胞。导向治疗就是针对这个问题提出来。所谓导向治疗就是利用抗体寻找靶标, 如导弹的导航器,把药物准确引入病灶, 而不伤及其他组织和细胞。

（五）发展氨基酸工业和开发甾体激素。应用微生物转化法与酶固定化技术发展氨基酸工业和开发甾体激素, 并对现在传统生产工艺进行改造。

（六） 人源化的单克隆抗体的研究开发。目前的单克隆抗体,多为鼠源抗体, 注入人体后会产生抗体或激发免疫反应。目前国外已研究噬菌体抗体技术、嵌合抗体技术、基因工程抗体技术以解决人源化抗体问题。

（七）血液替代品的研究与开发。由于人血难免被各种病原体所污染, 如艾滋病病毒及乙肝病毒等, 因此利用基因工程开发血液替代品引人注目。

三 海洋微生物活性物质的开发利用现状

（一）抗肿瘤的活性物质

目前癌症是对人类威胁最大的疾病之一。海洋微生物产生的活性物质种类丰富, 结构多样, 已成为寻找新的抗癌药物的一个最有希望的药源[7].。有学者预言, 最有前途的抗肿瘤药物将来自海洋, 而海洋微生物在此领域有着巨大的潜力。抗癌药物是一重要的医药大类品种,其销售份额约占世界医药市场的 15 %。如紫杉醇是1992年美国百时美施贵宝公司开发的全新植物抗癌药,在上市短短几年内全球销售额突破10亿美元大关,是目前临床上广泛使用的首选抗癌药物之一[8] ,但是陆地资源正在枯竭,科学家预言,最有前途的抗癌药物将来自海洋。海洋抗癌药物研究在海洋药物研究中一直起着主导作用,现已发现海洋生物提取物中至少有 10 %具有抗肿瘤活性;从海洋植物获得的化合物 3. 5 %具有抗癌或细胞毒活性 。美国每年有1500个海洋天然产物被分离出来,其中 1 %具有抗肿瘤活性。最早的

[9]海洋抗肿瘤活性物质发现于贝类动物中,1964年,Schmeer 首先从文蛤中提取出

多糖类化合物蛤素。临床制剂海生素(KEMH) ,来自海洋贝类提取物,对癌细胞的总杀伤率为 55 %以上,同时又具有显著的免疫增强功能膜海鞘素Didemnin B 是第一个进入临床试验的抗癌海洋药物;大田软海绵酸(Okadaic acid) 为C38长链脂肪酸的多醚衍生物,能抑制致癌基因,使它逆转为正常表现型,但其同族酶也可作为肿瘤促进剂,现已成为研究生命科学的重要工具药。阿糖胞苷(Cytarabine)是第一个人工合成的海绵尿苷类抗嘧啶药物,主要治疗急性白血病及消化道癌,它的合成成功表明, 丰富的海洋天然产物不仅可直接作为药用资源,而且作为新药研究的结构模式,可提供有用的化学信息。

（二）海洋心脑血管活性物质

对具有抗心脑血管疾病活性物质的研究是海洋天然产物研究的又一重点。海洋天然产物在心脑血管疾病的研究主要有多糖及其衍生物类:主要包括海藻多糖、甲壳多糖、硫酸软骨素、海参粘多糖、刺参粘多糖、羊栖菜多糖等 ,目前已有许多药物从实验室进入到临床研究阶段。Dehme 等于 1973 年在软体动物麝香蛸(Eledone moschata 和 Eledone aldrocandi)中分离出麝香蛸毒素 ,具有持续的降压作用 ,是迄今所知活性最强的降压物质 ,其效应比硝酸甘油强数千倍。另有 50 多种海洋生物毒素在心血管系统具有相当的活性 ,如从槽沟海葵 Anemonia sulcata 中分离出海葵素 thalassin 和 Congestin ,从岩沙海葵中分离出非肽类心血管活性物质。从黄海葵中分离出AP - Q ,根据所测得的海葵毒素的氨基酸序列 ,人工合成了海葵毒素基因 ,并运用 DNA 克隆技术导入细菌中 ,将其在大肠杆菌中以融合蛋白的形式、在枯草杆菌中以分泌蛋白的形式进行了表达 ,均得到了有天然活性的海葵毒素。海葵毒素具有强心作用 ,对心率却无影响 ,可望开发成一种取代洋地黄毒苷的生化药物。海兔毒素不仅有强心作用而且有很强的降压作用。河豚毒素 (TTX) 的抗心律失常作用目前研究较多。

海星酸性粘多糖(SDAMP)有明显降低胆固醇及温和的抗凝血作用。许东晖等[10] 从中国南海棘皮动物多棘海盘车 ( Asterias amurensis) 分离获得海星甾醇 ,该化合物为β(3 - 羟基雄甾 - 5 - 烯 - 17 - 酮)具有增强记忆及抗氧化作用 ,提取后的海星甾醇经结构修饰得化合物 CO1 ,具有抗心律失常作用。多糖衍生物有褐藻淀粉酯钠、藻酸双酯钠 ,甘糖酯等。

（三）海洋抗病毒活性物质

抗病毒海洋生物活性物质主要存在于海绵、珊瑚、海鞘、海藻等海洋生物中 ,其活性成分主要有萜类、核苷类、生物碱和其它含氮多糖杂环类化合物。虽然从海洋生物次生代谢产物中已筛选出一批抗病毒活性成分 ,但能进入临床或临床前研究的先导化合物仍为数不多。第一个抗病毒海洋药物为阿糖胞苷

(Ara-C,Cytarabine) 于 1955 年被美国 FDA批准用于治疗人眼单纯疱疹病毒感染。从贪婪倔海绵 Dysidea avara 中分离到的 Avarol及其氧化产物 Avarone 具有抑制 HIV 逆转录酶活性且对病毒装配和释出也有阻断作用 ,Avarol 的浓度为 5g·mL 时对该逆转录酶的抑制率可达 82 %,而对正常细胞无细胞毒活性 ,并有细胞保护作用 ,该药目前已应用于临床.[11]。

Toximsol 系红海海绵 Toxiclona toxius中的化合物 ,已证明对多种病毒逆转录酶有抑制作用 ,它还影响 DNA 聚合酶的活性Kelletinin A 是从海洋腹足动物(Buccinulumcorneum)中分离的产物 ,对人 T 细胞白血病病毒 Ⅰ型(HTLV - 1)有抑制作用 ,能抑制细胞DNA 和 RNA 的合成 ,降低病毒转录水平 ,但不影响蛋白合成。美国国立癌症研究所(NCI) 从一种蓝细菌 ( Nostoc ellipsosporum) 中分离得到一种 HIV - 灭活蛋白cyanovirin? N(CY- N) ,由 101 个氨基酸组成 ,已通过大肠杆菌基因工程表达成功。在极低浓度下 ,就能完全消除多种临床分离和实验的 HIV - 1 株的感染性 ,可望成为一种19新的抗艾滋病的有效制剂 。CV - N 蛋白不但能抵抗人免疫缺陷病毒(HIV)的感染 ,还能抵抗另一种病毒埃博拉病毒 (Ebolavirus)的感染 ,能延长埃博拉病毒感染小鼠的寿命。对埃博拉病毒感染 ,目前尚无任何有效治疗方法 ,这一研究发现发表在 AntiviralResearch 杂志上 ,这项研究对了解埃博拉病毒感染的机制和治疗研究具有非常重要的意义。美国 Phytera 在对加勒比海柳珊瑚中发现的活性物质化学合成物 Cyclomarin A 作抗病毒临床前研究。对大量海洋动物的提取物进行抗细菌和抗病毒试验 ,结果表明鲍( Haliotis rufescens) 、巨蛎 ( Crassostrea virginica)及硬壳蛤( Mercenaria mercenaria)中的大分子化合物在体内、体外均显示出抗细菌和抗病毒活性。

目前国内抗病毒海洋药物有珍宁注射液、海力特、益肝注射液等。近期从福氏海盘车、长棘海星 ( Acanthaster planci) 和海燕(Asterina pectinifera)中分离出的皂苷能抑制流感病毒的繁殖[12] 。

到目前为止 ,已有 14 个化合物被 FDA正式批准为抗艾滋病病毒感染的治疗药物 ,但这 14 个化合物均为化学合成物质 ,对该病的治疗仍会产生强烈的毒副作用及耐药性 ,因此寻求理想药物 ,研制高效、低毒的抗艾滋病药物十分必要与迫切。天然产物常含有与已有 14 个化合物迥然不同的结构式 ,应是今后开发抗艾滋病新药的最佳来源与研发重点。硫酸多糖类药物抗病毒作用的研究始于60年代 ,它是有膜病毒强有力的抑制剂。1987年发现 ,多糖类药物具有抑制 HIV 增殖的作用 ,其作用机制与干扰病毒和细胞的吸附、阻止病毒进入细胞、抑制合胞体形成有关[13].。我国在该领域取得了一定的进展。抗艾滋病海洋药物聚甘古酯是中国拥有知识产权的第一个抗艾滋病国家 Ⅰ类新药 ,是一种活性独特结构新颖的酯类化合物 ,与国外同类药比较具有疗效显著、毒副作用少 ,成本低等特点 ,已按国家 Ⅰ类新药获准进入 Ⅱ期22临床研究[14]。海藻硫酸多糖 SAE 能干扰HIV 病毒吸附和渗入细胞 ,当 SAE浓度为 23 - 1×10 U·mL 时 ,对病毒逆转录酶抑制率高达 92 %,对正常细胞无影响。最近发现药用红树植物红茄冬中

[15]的多糖成分具有很强的抗HIV 作用 。

（四）海洋抗菌抗炎活性物质

从海洋生物中提取分离的抗菌、抗炎化合物有脂肪酸类、糖酯类、丙烯酸类、苯酚类、溴苯酚类、吲哚类、酮类、多糖类、多肽类、N- 糖苷类和β- 胡萝卜素类等。最早一批海洋药物即是抗菌药物 ,如头孢菌素类抗生素早已用于临床。我国在开发海洋抗菌抗炎药物方面具有一定的优势 ,近期已开发了系列头孢菌素、玉足海参素渗透剂等海洋抗菌药物 ,海参中提取的海参皂苷抗真菌有效率达

88.5 %,是人类历史上从动物界找到的第一种抗真菌皂苷。北川氏从刺参中分离得皂苷毒素 Holotoxin A、B ,现已用于治疗脚癣和白癣菌感染 ,这是来源于海洋生物的少数几个药品之一[16]。从环节动物毛乳蛰虫中分离到的含溴化合物结构与灰黄霉素相似 ,现已用于临床 ,商品名为乳头平 。国外临床使用氨基葡萄糖硫酸酯盐 ( Glucosamine sulfate)治疗骨关节炎 ,能显著减轻患者的炎症和疼痛 ,仅美国就有 5000 多万骨关节炎病人 ,使用这种无毒副作用的甲壳质水解的单糖产物 ,其效果越来越得到认可和重视[17] ，从非洲光滑爪蟾( Xenopus laevis)皮分泌物中发现并开发的多肽药物 pesiganan 用于皮肤感染 ,在美国已上 Ⅲ期临床阶段。美国 Abbott 公司从南美厄瓜多尔蛙(epipedobates tridcolor) 毒素开发出的半合成化合物(epibatidin)有镇痛作用 ,处于 Ⅱ期临床试验阶段;美国 Intra Biotics从动物白血细胞分离的抗微生物肽开发的先导化合物。

IB - 367 被用于治疗和预防口腔粘膜炎 ,处于 Ⅲ期临床;从 Pseudopterogorgia elisabethae获取的 Methopterosin 具抗炎作用 ,处于 Ⅰ期临床;Scheuert 等从 Luffariella variabilis 中提取到的抗微生物活性物质 manoalide 是一个倍半萜化合物 ,具有良好的抗炎、镇痛活性 ,目前正在进行临床研究。另外作为传统的民间药用植物 ———半红树药用植物杨叶肖槿 ( Thespesia populnea (L.) Soland . exCorr.)最近在国内外研究较多 ,从中分离出20 多个天然产物 ,其中 Mansonones 类化合物是其特有天然产物 ———高度氧化的倍半萜醌类化合物。其树皮中提取到一种含棉酚(Gossypol)的膏状物 ,具有很强的消炎作用 ,证实其在伤口治疗上是一种有效的海洋天然药物。

四 开发海洋微生物的意义

长期以来, 人们认为海洋没有生物演变的先决条件, 因此推测海洋生物物种不会多。然而最近的调查结果表明, 海底环境的生物多样性比得上陆地上物种最多的热带雨林。对比陆地生物, 海洋生物被研究的数目要少得多. 在过去10 多年中已从海洋生物中分离到数百种有机化合物, 其中近百种属世界上首次发现[7].有的化合物结构奇特, 在陆地生物中从未发现过。不少具有降血压、抗心律失常、抗癌、消炎等活性。国外的研究人员也从海洋细菌、放线菌和真菌中分离到一批具抗菌、抗病毒和抗肿瘤的活性物质, 有的结构罕见。过去从海绵等海洋生物分离到的很多具有强生物活性的化合物, 例如河豚毒素、海葵毒素、麻壳鱼毒素、石房蛤毒素及Discoderm ide 等, 现在发现其真正来源是海洋微生物。这样, 此类物质的大量工厂化生产有了希望。

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