海洋天然产物和海洋药物研究的历史、现状和未来

郭跃伟

（中国科学院上海药物研究所国家新药研究重点实验室）

1 前　言

众所周知, 目前人类栖息生存的这个星球四分之三的表面被海水所覆盖。海洋不仅是地球上万物的生命之源, 亦是地球上生物资源最丰富的领域。据报道, 地球物种的80 %生活在海洋中, 其中除了人类熟知的鱼、虾、贝类等生物外, 仅较低等的海洋生物物种(海绵、珊瑚、软体动物等)就有20 多万种。这些海洋生物虽不太为人类所熟悉, 但它们在海洋生物系统中占有重要的地位, 起着关键的生态作用。

不仅如此, 由于海洋生态环境的特殊性(高压、高盐、缺氧、闭光), 使得海洋生物物种间的生存竞争非常激烈。为能在严酷的环境下进化生存, 迫使很多海洋生物在生命过程中代谢产生一些结构特殊、生物活性显著的化学物质即次生代谢产物。这些化学物质的主要功能是防范潜在天敌的进攻, 避免海洋微生物及浮游杂物的附着, 以及物种之间的信息传递。

近年的研究发现, 由于海洋生物与陆地生物生存环境的不同, 使得海洋生物次生代谢产物与陆地生物相比有着更大的化学多样性。现代药理研究表明, 很多海洋次生代谢产物对人类多种疾病有着很好的疗效, 从而引起化学家、生物学家、药理学家的极大兴趣。由于海洋生物资源的相对完整性,丰富的生物多样性和次生代谢产物化学结构的多样性,以及人类对治疗重大疾病高效低毒创新药物的迫切需求, 使得世界各国, 尤其是西方发达国家, 纷纷斥巨资对海洋生物的资源、化学、生态学、生物活性等多方面进行深入研究, 目的是为了从海洋生物资源中寻找能有效预防、治疗严重威胁人类生命健康的创新药物。海洋生物资源是一个巨大的潜在的未来新药来源的宝库已成为一种共识。

2 海洋天然产物研究

世界上对海洋生物次生代谢产物的化学和生物功能的研究, 即海洋天然产物研究, 始于20 世纪60 年代并迅速发展成为一门新兴前沿学科。在美国科学家的

带领下, 欧洲、日本及其他国家学者相继开展了海洋生物的化学、生物学、生态学等多方面的基础研究, 并针对人类重大常见疾病如肿瘤, 心血管疾病开展应用基础研究。在短短40 多年时间, 海洋天然产物的研究取得了飞速迅猛的发展, 成为当前国际上一个生机勃勃的热点研究领域。

海洋天然产物化学从一开始与其他学科的关系便十分密切, 并相互渗透、影响。早期海洋天然产物化学的研究沿袭和借鉴了植物化学和昆虫化学生态学的研究方法和方向。它的研究内容大致可归纳为三个方面:海洋毒素、海洋生化药物和海洋化学生态学。正是由于在这三个领域取得的令人瞩目的成就, 使得海洋天然产物化学研究在短短数十年的时间里发展成为一个生机勃勃、独具特色的新兴研究领域和研究热点。

2.1 海洋毒素

海洋毒素的研究一直是海洋天然产物化学的一个重要内容。日本学者对海洋毒素的研究最为深入并取得了很大的成就。多数海洋毒素的结构均很复杂、庞大, 其结构解析工作的难度非常高。1981年由Nakanishi等从甲藻Gymnodinium breve 中分得的Brevetoxin B 是人类获得的第一个海洋天然毒素, 其巨大复杂的结构是通过X-衍射方法才确定下来的, 组成Brevetoxin B像“梯子”一样骨架的基本结构单元是6-8 元环聚醚。

随后发现了一系列结构更大更复杂的海洋毒素, 如Ciguatoxin及其结构类似物Maitotoxin等。这些化合物虽然结构上与Brevetoxin B 有明显不同, 但仍属环聚醚类毒素。

由六放珊瑚Palythoa toxicus 中分得的Polytoxin是第一个结构复杂的聚醇类海洋毒素, 它的结构解析是综合运用光谱解析和化学合成的方法确定复杂天然产物结构的一个成功例子。除了上述这些结构庞大复杂的毒素分子外, 海洋生物中还存在很多小分子毒素,如河豚毒素, 海兔毒素等。这些化合物的结构鉴定工作同样具有相当的难度和挑战性。

由于近年来沿海毒藻爆发频率的日益增加和伴随出现的严重的甲壳类动物污染问题, 继续不断加强对海洋毒素的研究是十分重要和必要的, 可以说只要人类继续食用海洋食物,对海洋毒素的研究就不能中止。

2.2 海洋生化药物 

研究海洋生物中的生物活性物质进而开发成为药物是海洋天然产物化学研究另一个重要方面。尽管到目前为止还没有一个药品出现, 但是有很多海洋天然产

物来源的药物正在进行不同程度的临床前或临床研究,有望在不久的将来成为药品上市。目前正在研究的抗癌海洋药物中, Bryos tatin 1 是反映海洋生化药物研究历史和将来发展趋势的一个典型例子。

Bryos tatin 1 是20 世纪70 年代从草苔虫Bugula neritina 中分离到的一个极其微量而且结构非常复杂的大环内酯类化合物。它的结构研究历经十余年时间, 在1982 年通过X-衍射才最后得以确定。目前这个化合物正在美国进行II 期临床研究。Bryos tatin 1 抗癌活性非常强(对P388 白血病细胞的IC50 为0 .89 g/ml), 但是它在草苔虫中的含量很低, 甚至无法满足临床试验的需要。后来发现B .neritina 可通过人工养殖的方式大量繁殖, 这一问题才得到解决。最近研究发现Bryostatin 1 很可能是由与草苔虫共生的细菌所产生, 这一发现意味着可以通过生物技术调控生物合成基因来生产Bryost atin 1 , 从而彻底解决药源问题。另外科学家还发现实验室半合成的Bryostatins 也具有同天然产物一样的抗癌活性, 为开发、生产这种药物开辟了另一条途径。其他正在积极研制阶段中的抗癌海洋药物还有Dehydrodidemnin B, Dolastatin 10, Ecteinacidin 743, Halichondrin B, Isohomohalichondrin B, Curacin A, Discodermolide, Eleutherobin B以及Sarcodictyin A。

海洋生物中除发现很多抗肿瘤活性物质外, 还有许多抗炎活性成分, 如Pseudopterosins A, E,Tops ent in , Debromohemenialdisine和Scytonemin都有很强的抗炎作用, 目前正在积极的开发研制过程中。Manoalide 是从夏威夷和加利福尼亚的海绵Luffariella variabilis 中得到的第一个具有选择性抑制与很多炎症疾病有关的磷酸酯酶A2 活性的化合物。现已商品化作为生化研究的一个标准试剂药用于炎症疾病机理的研究。海洋天然产物商品化的另一个典型例子是软珊瑚Pseudopterogorgia elisabethae 经部分纯化的粗提物(其主要抗炎活性成分是二萜葡萄糖甙Ps eudopterosins), 由于其显著的抗炎作用, 已被开发成化妆品的添加剂, 用于多种护肤化妆品中。除了上述有可能成药的海洋天然产物外, 还有许多海洋分子, 例如海绵中获得的Swinholide A,Jaspamide 等, 由于可作用于不同的蛋白和受体, 而被用作细胞生物学、生物化学研究的试剂药。

 2.3 海洋化学生态学

 海洋天然产物化学家对海洋生物所产生的次生代谢产物在生物体内的自然功能一直很感兴趣, 很多重要化合物的发现是基于观察到母体生物所表现出来的一些自然特性进而跟踪分离得到的。如生物学家发现褐藻Stypopodium zonale 和海绵Latrunculia magnifica 均具有很强的鱼毒性。通过对它们的化学成分进行研究发现, 由褐藻中分得的Stypoldione和由海绵中分得的Laturnculin A分别为这两种生物使鱼致死的主要活性成份, 而这两个化合物经后来药理研究发现亦具有很强的细胞毒活性。化学生态学研究还发现很多海洋生物能够代谢产生一些化学分子用作防御潜在天敌的进攻和捕食的“武器” , 如多种海藻的代谢产物能导致鱼类的拒食。科学家还发现红藻产生的次生代谢产物(多卤素取代的单萜类成份)能够被海兔Aplysia californica选择性地储藏在其内脏腺体和外皮部, 而裸腮类软体动物Phyllidea varicosa 所含的倍半萜异腈成分是其食物海绵Hymeniacidon sp .的次生代谢产物。这些发现使得科学家有理由认为很多失去坚硬外壳保护的软体动物在长期的进化过程中发展了一种从它们的食物来源中摄取化学物质用来防御潜在天敌捕食的策略。

 很多无柄海洋生物代谢产生的化学物质具有抗附着生物附着(antifouling)在其躯体上的功能。据此科学家希望能开发出海洋天然产物抗附着药品以取代现在使用的污染环境的含重金属离子的抗附着剂。

 在近10 年来, 很多科学家都发现了共生现象在海洋生态环境中的重要性,并推测很多重要海洋天然产物是由共生微生物所产生的。如最近发现海绵Theonella

swenhoei 的两个次生代谢产物Swinholide A 和环肽Theopalauamide 也存在于与其共生细菌中。这一事实证实上述假设是有一定道理的。尽管很多共生细菌目前还无法由人工培养获得, 但是一种寄生虫Amphiscolops sp .的共生甲藻Amphidinium sp .却可在实验室人工培养并能产生许多细胞毒活性很强的大环内酯类化合物, 如Amphidinalide B。

 2.4 独特的海洋天然产物

 海洋生物似乎能提供无穷尽的新化合物。尤其是近年来海洋生物中新化合物发现的速度和数量均超出了人们的想象,且不断有全新骨架的海洋化合物被报道。这些研究成果极大地丰富了有机化学的内容和促进了有机化学学科的发展。海洋有机物往往含有一些独特的化学功能团, 如多卤素取代的化合物,含硫甲胺基功能团的化合物等等。一些倍半萜、二萜异腈、二倍半萜类化合物主要是从海绵中发现, 而这类化合物的生物合成途径至今仍不清楚。以Manzamine A 为代表的大环二胺类海洋生物碱是近年来海洋天然产物化学研究的一个热点。尤其是这类化合物的生物合成途径引起了化学家的极大兴趣。尽管缺乏实验根据, 目前认为这类生物碱的生物合成前体是3-取代双吡啶大环。很多结构复杂罕见的环肽,如从背囊类动物Lissoclinum patella 中发现的Ulithiacyclamide和从海绵Theonella swinhoei 中分得的Theonellamide等, 也是一类很重要的海洋天然产物。还有其他很多具有新颖奇特化学结构的海洋天然产物, 这里不一一赘述。

 3 海洋天然产物研究前景

 尽管海洋天然产物化学在过去30 年里对有机化学学科的发展影响很大, 但是这一学科的研究前景如何还很难预料。由于从海洋生物中找到了很多有重要的生

物活性和药用前景的海洋有机物, 使得各国, 尤其是西方发达国家, 对海洋天然有机化学研究均非常重视。

 美、日、欧洲各国都制定了开发研究海洋生物活性物质的计划, 大幅度地增加了对这一学科的经费投入, 并取得了许多重要成果, 形成了一个世界范围的研究海洋天然产物的高潮。但是必须承认科学家们对海洋生物研究的高涨热情带来的负作用就是会对海洋生态环境造成一定程度的破坏。虽然现代科学技术的飞速发展, 仪器手段越来越灵敏、先进, 使得研究所需海洋生物的量越来越少(甚至只需一个个体样品即可), 但即使这样,有人估计, 以目前的研究速度, 再过20年可能采集到的海洋生物将基本上都被研究过了。在这种情况下, 海洋天然产物化学将向何处发展呢? 确切回答这个问题很难, 因为现在开发研究新药的手段多种多样, 包括计算机辅助药物设计、组合化学方法等。尽管如此, 笔者认为海洋天然产物化学家还将大有用武之地, 因为海洋中还存在有大量的海洋微生物。通过类似于从土壤微生物中发现青霉素及其他抗生素的途径, 从海洋微生物中寻找新药或新药先导化合物将大有可为。虽然国际上几年前对海洋微生物的研究还几乎是空白, 但近年来在这方面的研究进展很快。美国、日本、加拿大及欧洲各国都对海洋微生物的生长、培养研究十分重视, 并取得了很大成就。海洋微生物与陆地微生物有着很大的不同, 由于海洋中营养成份的缺乏, 迫使许多海洋微生物与富含营养成份的海洋植物和动物共生以获得生存必需的营养。这种现象在海洋微生物中很普遍并具有很高的特异结合选择性。微生物物种之间争夺宿主的竞争也很激烈, 导致很多微生物通过代谢产生一些小分子有机化合物来争夺有限的营养资源和进行自我防御。

 由于生存环境的原因, 很多海洋微生物的代谢产物的化学结构, 生物活性均与陆地微生物有明显不同, 这些化合物就是海洋微生物作为新药药源的重要基础。虽然目前由海洋微生物发酵培养液中获得海洋药物的成功例子为数不多,但这一资源产生新药的巨大潜力不可忽视。另外, 随着生物工程技术的发展, 在不久将有可能通过将重要海洋生物产生的生物合成基因由一种海洋生物转至另一种海洋生物以获得足够量的活性化合物。如果这一技术成为现实, 将可利用基因工程技术, 通过对基因修饰后的微生物的发酵培养来生产所需的重要生物活性海洋分子。海洋天然产物化学家的工作届时也将转向对转基因发酵物中化学成分的提取分离结构鉴定方面。只有这样才能够不断从海洋生物中发现新化合物而同时又避免了过分采集海洋生物对海洋生态环境造成的破坏。预计这将是未来海洋天然产物化学研究的发展方向。

4 中国海洋天然产物研究

 我国是海洋大国, 海域辽阔(享有产权和管辖权的海域面积约300 万平方公里), 海洋生物资源丰富(目前我国已有记录的海洋生物有20 278 种)。我国还是世界

上最早利用海洋生物治疗疾病的国家。早在公元前的《尔雅》内就有关于蟹、鱼、藻类用作治病药物的记载, 而在《本草纲目》中收载的约1 900 种药物中, 来源于海洋湖沼生物的药物就有200 多种。

 尽管我国有着上述资源和历史等方面的优势, 但在近代海洋生物开发利用方面我国远远落后于西方发达国家却是不争的事实。由于多方面原因, 国内开始这方面研究的时间不长, 从事海洋天然有机化学研究的科研机构亦不多。研究工作的深度与广度与世界先进水平相比存在着巨大明显的差距。重要海洋有机物的全合成, 海洋化学生态学、海洋微生物的发酵培养等方面的研究更是才起步, 这与我国海洋大国的地位很不相称。

 当前高技术的竞争领域已从陆地转向海洋。21 世纪被称之为海洋的世纪, 海洋更被誉为21 世纪人类社会赖以生存和发展的另一个星球。进入21 世纪的人类社会面临着日益严重的“ 人口剧增, 资源匮乏, 环境恶化”三大问题的严峻挑战。随着陆地资源的不断减少, 开发海洋, 向海洋索取食物和药物变得日益迫切和重要。随着全球气候变化和环境污染的日益加重, 许多海洋生物在人类还未来得及跟他们见面、起名或编号之前就悄悄灭绝了, 因此更有必要加强, 加速海洋生物资源的科学研究。通过系统深入的生物学和化学研究, 尽快获得其对人类有某些意义(如药用价值)的内在信息, 并使其能早日为人类的生存和发展服务。欧美和日本等发达国家在海洋生物学、海洋天然产物化学、海洋化学生态学等研究方面极为活跃。一个明显的例子就是近几年来基本反应天然产物国际研究动态, 发展趋势的国际学术刊物J .Nat .Prod .上刊登的海洋天然产物的研究论文成倍增加。出于知识产权保护的考虑, 他们对许多更有意义的研究工作大多申请了专利。不仅如此, 近年来这些国家的研究触角已伸到了我国的近海邻国, 如泰国、越南、菲律宾, 这对我国将是一个潜在的巨大威胁, 如不针锋相对加快对我国海洋生物资源的开发利用研究, 极有可能在不远的将来, 我国海域内海洋生物中的宝贵物质将会因国外知识产权的保护, 而不能得到有效利用。针对这种形势, 笔者认为首当其冲的是应大力资助和优先发展海洋天然有机化学的研究,因为只有彻底阐明海洋生物的化学本质,才能够不断发现具有显著生物活性和新颖化学结构的海洋天然有机物, 进而开发成为具有我国独立知识产权及国际竞争力的一类新药, 达到对我国海洋生物资源有效合理开发利用的目的。

 以新药研究开发为例, 当前从天然药用资源中分离鉴定天然化合物作为新药的模式结构和药物先导化合物, 仍是当前国际上开发研制新药的主要途径。进入21 世纪, 海洋生物已成为提供新天然化合物/ 新药先导物的主要来源。目前世界上海洋天然产物的研究正方兴未艾, 走在这一领域前列的是美国、日本、欧共体这些科技发达国家。他们工作的特点是非常重视海洋生物的基础研究, 十分强调多学科交叉合作, 综合应用海洋生物学、生态学、天然产物化学、分子生物学和药理学的方法和技术, 集中开展海洋生物中天然有机小分子活性化合物的发现、结构优化和新药开发研究。短短时间发现了一批有重要活性和成药前景的新药先导化合物, 并有20 多个化合物已进入临床研究的不同阶段。除上述提到的美国NIH新药候选化合物外, 西班牙PharmaMar 公司开发的抗癌新药Ecteinascidin 743(源自海鞘)目前已在欧洲和美国完成了III 期临床, 有望在不久之后正式批准成为临床使用药物。

目前, 国内的工作还较多地停留在初级代谢产物的研究开发阶段,如海藻多糖, 甲壳素, 鲨鱼骨素和酶制剂等。这些大分子物质的化学结构往往不明确, 理化性质不确定, 作用机制不明了。因此, 它们作为药物在品质控制, 知识产权保护等方面存在困难, 这对形成自主知识产权的创新成果十分不利。形势十分严峻的是, 我国几乎还没有具有自主知识产权、结构明确、机理清楚的海洋药物进入临床研究, 而且有特色的海洋药物先导化合物也较少有报道。

 为应对这种局面, 尤其是在我国加入WTO 后医药领域面临更加严峻的知识产权和研究创新的挑战, 国家近年来显著加大了对海洋资源开发利用的重视和资金投入, 制定了《中国海洋21 世纪议程》并将海洋生物技术列入了“863”高新技术研究发展规划。在国家计划的宏观导向指导调控下, 国家“ 十五”海洋“ 863”计划首次将“海洋药物研究”列为一个独立专题, 并启动了以提供新药先导物为目的的海洋天然产物研究项目。通过执行该项目, 国内一些著名高校, 科研机构近年来对我国东南沿海的海藻、红树林及海绵等常见海洋生物进行了细致深入的研究, 获得了大量有关这些海洋生物的化学、生物、药理等方面的知识。进入“ 十一五”国家更加重视和加大了对海洋生物, 海洋药物研究的力度和财政投入, 国内更多的科研机构加入了海洋天然活性物质研究的领域, 昭示着这一学科的蓬勃发展趋势和美好的前景。当前我国海洋天然产物的研究与国际先进水平间的距离正在缩小, 向海洋要食物、要药物已经从一句口号变成了现实,全国范围多方面的海洋生物资源开发利用为我国国民经济的持续健康发展注入了活力并做出了巨大的贡献。

郭跃伟. 海洋天然产物和海洋药物研究的历史、现状和未来[J]. 自然杂志,2009,01:27-32.为方便阅读省略了参考文献及其标记，详见原文