海洋药物的研究现状

张海涛 （广东医科大学，广东湛江 524023）

1 背景

以往人类获取天然药物的重要来源主要是陆地的动植物资源，这些药用资源被广泛用于临床治疗各种疾病，保障了人类的健康。但随着人类对自然不断的改造和索取，陆地资源逐渐耗竭，陆地资源来源的药物研发难度不断加大，导致不能满足人类日益增加的健康需求，这促使研究人员不断地寻找全新的药物来源。

地球75%的表面被海水覆盖，是生物种类最多样化的环境。大多数(五分之四)的生物在海环境中活动，海洋中不仅有大量的鱼、虾、蟹等物种，还有多种形态各异、不计其数的低级物种，如软体动物、珊瑚、海绵、微生物和海藻等。这些海洋生物在海洋生态系统中相互影响，对维持海洋生态系统平衡具有重要的稳定作用。由于海洋环境存在高压、高盐、缺氧、低(无)光照等陆地环境没有的生存压力，在海洋生活的物种为在竞争有限的资源中取得优势，不得不在进化过程生产出结构独特、活性强的化合物(次生代谢物)，研究发现海洋生物次生代谢产物与陆地生物相比有着更大的多样性。这些化学物质具有防御天敌的捕食、抗拒微生物入侵、阻止浮游微粒粘附、个体间信息交流的作用。药理研究结果显示，不同结构的海洋化合物对人类不同疾病具有很好的治疗效果，这些结果吸引了人们投入更多的研究，也成为制药企业开发新药的资源。由于海洋生物物种资源丰富，产生化合物结构的独特性和多样性，以及人们对治疗重大疾病、提高身体健康保障的需求，迫切要求寻找效果明显、不良反应小的药物，这吸引人们对海洋物种资源、生态学、生物活性物质等进行研究，希望以海洋生物活性化合物为基础研制出预防和治疗人类疾病的创新药物。

以 “蓝色海洋药库”为资源库，研制新药物已成为当今医药工业发展的重要方向，因此各制药强国纷纷投入大量的研究经费加紧研究，如美国国家研究委员会和国立癌症研究所、日本海洋生物技术研究院及日本海洋科学技术中心、欧共体海洋科学和技术等机构每年均投入上亿美元作为海洋药物开发研究的经费。而在我国，为壮大海洋经济，国家要求加强海洋生物医药、海洋生物制品、海洋生物材料的研究发展，以青岛、上海、厦门、广州为中心建设海洋生物技术和海洋药物研究中心。

2 海洋药物研究的热点

我国学者吕阳对1980－2017年SCIE数据库收录的相关论文进行统计和分析后发现，现有海洋药物研究热点包括：海洋天然产物中的药物挖掘及其抗菌活性、海洋化合物细胞毒的药理机制、海洋环境下海洋生物化学物质测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、新药筛选、海洋微生物多样性、代谢化合物和化合物生物合成等为重点研究方向。根据近年的文献追踪发现，与海绵、海藻等(尤其是海绵等海洋生物代谢产物)有关的研究成为海洋药物领域研究焦点。此外，海洋药物领域也开始深入研究海洋微生物次生代谢物的抗菌抗癌活性，并探索寻找新作用机制的药物。

3 独特的海洋天然产物

海洋生物及其生活环境的多样性是其能产生超乎人类现有想象能力的新化合物基础。海洋生物产生的全新化学骨架的物质被发现的数量也大大超出了研究人员的想象。新发现的海洋化合物总会出现一些独特的化学功能基团，如含多卤素取代基团的化合物、含硫甲胺基功能基团的化合物等。

从海绵中发现结构独特的化合物是目前海洋药物研究热点，很多是具有成药潜质的细胞毒性化合物，如西太平洋Papua New Guinea海域海绵Diacarnus levii具有杀伤癌细胞、含过氧链降倍半萜类化合物diacarnoxides A和B。含二聚四氢四喹啉结构的生物碱renieramycins T和U从海绵Xestospongia sp.中被提取成功；一种含有1，4-二醛基特殊结构的二倍半萜类化合物在海绵Cacospongia mollior中被发现；一种多环胍类生物碱16β-hydroxycrambescidin从海绵Monanchora unguifera中被筛选出来；已知结构中含有最大环的大环内酯类化合物zooxanthellamides在海绵Symbiodinium sp.中分离得到。此外，具有38碳脂肪酸链的多醚结构化合物大田软海绵酸在海绵Halichondria okadaii中被发现，大田软海绵酸是蛋白质磷酸酯酶的抑制剂，有一定的促癌作用，常作为细胞生理研究的工具药。

海洋微生物也含有独特结构的化合物。例如，在海洋甲藻Prorocentrum sp.中，人们发现了一类具有17元环的大环内酯类化合物formosalides A和B，这些化合物的不饱和化学键均为顺式结构，同时具有四氢吡喃环和四氢呋喃环和一个14碳的烃链。含有15个连续饱和醚环的聚醚gymnocin B在海洋微藻Karenia mikimotoi中被发现；具有抗真菌活性的多羟基化合物karatungiols从海洋甲藻Amphidinium sp.中被发现。Karatungiols的化学结构中具有一条含有1个羰基、24～25个羟基和2个四氢吡喃环的69碳烃链。含有吡喃环结构的化合物chaetomugilins在海洋微生物Chaetomium globosum中被发现；一类含12～26元环的大环内酯类化合物Amphidinolides从Amphidinium Clap.et Lachmann属的菌株中被发现。

此外，其他海洋生物也能产生结构独特的化合物。例如，第一个含溴原子的西松烷 (briarane) 型二萜类化合物从希腊海域的海草Cymodocea nodosa中被分离得到。一种含有四氢异喹啉的大环内酯类生物碱在红树海鞘Ecteinascidia turbinata中被分离出来。

4 海洋化合物的研究内容

海洋来源的化合物结构独特新颖吸引了研究人员极大兴趣，拓展出化合物研究的多个领域。按研究内容可主要分为海洋毒素 、海洋生化药物和海洋化学生态学三个方面。

4.1 海洋毒素研究

海洋毒素一直是海洋生物药用资源的一个重要研究内容。沿海赤潮毒藻大量繁殖可造成食用鱼类和甲壳类动物严重污染毒素的问题，人类必须加强对海洋毒素产生、致毒、检测和预防的研究。大多数有毒的化合物均有特定的生理功能，不仅可作为特定生理功能研究试剂，也具有潜在的成药可能性。可见对海洋毒素的研究是十分重要和必要的。多数海洋毒素的结构复杂、庞大，如甲藻Gymnodinium breve中分得的 Brevetoxin B是以像“梯子”一样的6-8 元环聚醚为基本结构单元的巨大而复杂的结构。Ciguatoxin和Maitotoxin也属于结构复杂的环聚醚类海洋毒素，而从珊瑚Palythoa toxicus中发现的Polytoxin是聚醇类海洋毒素。此外，海洋生物还能合成许多小分子毒素，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。海洋毒素化合物的结构鉴定是研究工作的关键，也是难点。对毒素结构解析需要综合运用光谱解析、质谱分析和化学合成的方法，但相信随着分析解析结构的智能化和高速运算分析系统的使用，将会逐渐克服这一问题。

4.2 海洋生化药物研究

对海洋生物活性物质研究的目的是最终研制成为药物，这是海洋化合物研究的一个重要方面。虽然研究人员发现了许多高活性的化合物，但只有少数化合物最终能成为上市药品。随着海洋药物研究热潮的到来，将会有更多的海洋天然产物来源化合物进入临床前或临床研究，不久的将来会有更多的化合物成为药品上市。

海洋生物活性物质成为药物需要一个漫长的研发过程。首先要根据建立的体外体内模型进行高通量筛选确定化合物的组分来源和活性，然后通过生化分离纯化技术获得有效化合物单体，综合运用光谱解析、质谱分析和化学合成的方法解析化合物结构，确定化合物有效性和安全剂量。但海洋生物活性物质要成为药物除了有效性和安全外，还需要进一步克服许多关键的技术瓶颈。例如，一般从海洋生物中分里获得的化合物是非常微量的，这就需要建立可大量产生有效化合物的生产技术。Bryostatin 1 的研发过程就是海洋生化药物研制的一个典型例子。Bryostatin 1从草苔虫Bugula neritina中被发现，经过10年时间的结构解析，人们发现Bryostatin 1是结构非常复杂的大环内酯类化合物。Bryostatin 1 由于具有非常强的抗癌活性，因而它顺利进入了临床试验，但化合物在草苔虫中含量极微，完全不能满足临床试验的需要量，只能通过人工大量繁殖Bugula neritina加以解决。而此后进一步的研究发现，Bryostatin 1 很可能是由与Bugula neritina共生的细菌所产生，这一研究结果为人类通过生物技术人为控制催化合成Bryostatin 1的基因生产Bryostatin 1奠定了基础，最终彻底解决了药源问题。此外，研究发现人工半合成的Bryostatins 1与天然的Bryostatin 1一样具有抗癌活性，这为化学合成生产Bryostatin 1开辟了新途径。可见对于含量微少的活性物质，可根据其结构和产生的方式，引入现代化学合成技术和基因工程技术建立规模化生产技术制备，从而突破原料的限制。

4.3 海洋化学生态学的研究

海洋生态系统是最大的生态系统，海洋生物种类繁多。数量庞大的海洋生物生活在高压、高盐、缺氧、低(无)光等特殊且资源有限的海洋环境中，各种海洋生物为了生存繁衍，它们对食物、空间的竞争非常激烈。不同的海洋生物为了在残酷的海洋环境中竞争生存，他们会各自进化出特有的化学防御机制，这些化学防御手段彼此相容、相克维持着海洋物种间的平衡，使得不同的物种可相对稳定地生存。例如软珊瑚等固着生长的无脊椎动物不仅缺乏逃逸本领，而且身体柔软，尽管无有效的物理防御物质，但它们依靠其体内进化出来的化学防御手段却能在严酷的海洋环境中生存繁衍。研究表明，软珊瑚含有拒捕食、防附着、抗微生物等化学防御作用的化合物。这些化合物结构新颖，药理活性强，具有潜在的成药价值。研究表明，海洋无脊椎动物共生的微生物参与宿主的化学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。因此通过比较共生微生物与宿主间次生代谢物产生的相互关系，分析与宿主共生的微生物在宿主化学防御中的作用，既是海洋化学生态学研究的热点，也是海洋药物研发的一个重要方向。如海绵Latrunculia magnifica为防御鱼类，而含有对鱼类有很强毒性的Laturnculin A，进一步的研究发现Laturnculin A也有很强的细胞毒活性，这样这个化合物就有成为化疗药物的潜力。红藻产生的多卤素取代的单萜类化合物被海兔Aplysia californica摄食后，Aplysia californica选择性地将化合物储藏在其体内，用于防御潜在天敌捕食。这些次生代谢物的生物活性在人体中会产生不同的药理活性，将来可以药用。可见海洋化学生态学研究将有助于更多的海洋药物前体化合物被发现。

海洋化学生态学的研究不但可为人类发现新的药理活性分子，还能帮助人类解决药理活性分子含量微少的问题。海洋化学生态学研究发现，很多重要海洋天然产物是由共生微生物所产生的，这样我们就可以分离相应的微生物生产需要的化合物。如海绵Theonella swenhoei的次生代谢化合物Swinholide A和Theopalauamide同时可被与之共生的细菌生产，这样人们就可以从海洋生物中分离可产生相应化合物的微生物进行培养扩增，大量获取有活性的化合物，这是解决化合物量少的一种方法。如草苔虫Bugula neritina共生的细菌可产生Bryostatin 1，我们可通过分离相应的细菌，进行人工改造驯化、发酵产生大量的Bryostatin 1，从而解决药源问题。

5 海洋药物总体情况

研究海洋药物的论文数逐年增加，而美国在这一研究领域占据绝对优势，其发文量、总被引和H指数均占绝对地位，其次为西班牙、德国和日本。据资料显示，现阶段全球大约有49种来源海洋的活性物质或其衍生物被批准上市或进入临床试验，但绝大多数是国外研发产品。这些药物源于海洋真菌、放线菌的化合物有4个，其中2个上市，2个进入Ⅲ期临床试验；来自海洋藻类的活性物质7个，其中5个上市，1个进入Ⅲ期临床试验，1个进入Ⅰ期临床试验；来自海绵有14个，其中3个上市，5个进入Ⅱ期临床试验，4个进入Ⅰ期临床试验，2个停滞于Ⅰ期临床试验；来自于海洋软体动物的化合物有10个，其中2个上市，1个进入Ⅲ期临床试验，4个进入II期临床试验，3个进入Ⅰ期临床试验；来自棘皮动物门的活性物质1个进入Ⅲ期临床试验；从海洋尾索动物门发现的化合物4个，其中2个上市，1个进入Ⅲ期临床试验，1个止步于Ⅱ期临床试验；提取自节肢动物门的化合物有2个，均进入Ⅱ期临床试验；从海洋纽形动物门提取的活性物质1个，但止步于Ⅱ期临床；在海洋脊椎动物发现的化合物6个，其中3个上市，2个进入Ⅲ期临床试验，1个进入Ⅱ期临床试验。这些药物的治疗涉及到临床不同的疾病，它们均显示出独特疗效。

6 我国海洋药物研究状况

我国约有20 278种海洋生物，资源非常丰富。我国在世界上最早记录用海洋生物治疗疾病。西汉时期就有关于蟹、鱼和藻类治疗疾病的记载。在《本草纲目》中记载着200多种药物来自海洋湖沼的生物。尽管我国很早就有海洋药物的使用历史和经验，但目前我国的海洋药物研制水平落后于西方发达国家。我国第1篇关于海洋药物研究的SCI收录研究论文的发表时间比国际上最早发表的海洋药物研究论文晚14年。1994－2003年，我国发文量只维持在1篇/年。2003－2006年年均发文量6.5篇，2007－2011年国际发文量开始呈现递增趋势，年均发文量20.4篇，论文被引量也稳定增长。2012年后中国发文量明显增大，目前发文量占世界同年发文量的20%左右，显示中国海洋药物研究越来越受到研究者的重视。尽管我国有关海洋药物的研究文献量逐年稳步提升，但我们也要清醒地认识到，我国论文的整体质量欠佳，影响力不高。

本世纪以来，西方发达国家在海洋化合物研究领域极为活跃，它们不仅在海洋化合物的研究论文方面发表速度明显加快，而且这些国家加大了知识产权保护力度，申请的相关专利大幅上升。目前能够进入临床试验或上市的Ⅰ类新药均为西方发达国家所垄断，而且他们研究筛选化合物的触角已伸到了我国近海，这对我国经济和社会发展将是一个潜在的巨大威胁。尽管在2012年后，我国海洋药物研究的步伐加快，但研究质量不高，大多停留在初级代谢产物的研究开发阶段，国内上市的海洋药物基本集中在海洋多糖类化合物，如各种海藻多糖、甲壳素和软骨素等。这些物质化学结构和理化性质均不明确，作用靶点和药理机制不明，这造成以这些物质研制的药物品质控制不稳定，难以形成有效的知识产权保护。目前我国几乎还没有一个结构明确、靶点确定、机制清楚和具有自主知识产权的海洋药物上市。因此当前仍需加快我国海洋生物资源的开发利用研究，避免我国海域海洋生物产生的化合物被国外抢先获得知识产权。因此，我国应大力资助和优先发展海洋天然产物的研究，加快筛选具有显著生物活性和结构新颖的海洋天然化合物，提高知识产权申请量，研发具有国际竞争力的一类新药。

7 海洋药物研究前景展望

蓝色广阔的海洋生活着数量庞大而形态各异的生物，它们产生大量各种各样有生物活性的化合物，而结构独特和多样的生物活性是这些化合物成为新药的基础。随着科学技术的快速发展，仪器设备越来越灵敏、先进和智能化，这大大减少了开展研究所需要采集的海洋生物样本量和降低科研人员的工作强度，结合现代计算机辅助药物设计、组合化学方法等可加速人类改造和利用已知的海洋生物化合物，研发出更多适合不同临床需求的新药物。同时，研究领域也将从可见的海洋生物转移到肉眼无法观察的海洋微生物。从海洋微生物中寻找新药将是下一个从海洋中寻找新化合物研制海洋药物的热点领域。研究显示，海洋微生物产生的新颖且结构独特的化合物将是新药药源的重要基础。例如，在海洋链霉菌Streptomyces sp.strainH668中发现的新聚醚类化合物可显著杀伤恶性疟原虫，但对人细胞无毒性，很有可能成为第一个海洋抗疟药。此外，从海洋微生物发酵液中大量高效提取有活性的化合物方式将极大推动海洋药物的发展。随着生物工程技术的发展，相信不久的将来可用基因修饰改造后的微生物进行发酵，规模化生产大量高活性的海洋化合物。

为推动我国海洋药物研究快速持续增长，高校科研院所应与大型制药公司合作，推动海洋药物的开发，鼓励培养海洋和生物医药科研人员，优化海洋、医药科研人员的专业知识结构，吸引更多的专业技术人才聚焦海洋药物研究。随着科技不断的进步，智能化海洋生物样品采集技术、微量活性化合物发现与合成技术、基因工程技术和微生物培养发酵技术的发展，海洋药物研究将会更快地发现新的药物，为人类疾病的防治作出新的贡献。