海洋微生物藥物的開發和應用

2024年2月21日發(作者：魯濱孫漂流記讀書筆記)

海洋微生物藥物的開發和應用

隨著陸棲微生物在抗生素、酶、酶抑制劑等生物

活性物質方面的大量開發和應用,尋找新種屬或特

殊性狀的微生物及其代謝產生新型藥物的難度越來

越大。于是最近幾年人們把目光轉向更具有藥物開

發前景的海洋微生物———海洋藥物的重要資源[1]。

海洋是生命的起源地,不僅占地球表面積的

71%,而且包含著地球上80%的生物資源。海洋環

境的多樣性和特殊性如存在的高鹽、高壓、低溫、低

營養或無光照等特殊生態環境,共同造就了海洋生

物種類的多樣性和特殊性,其中海洋微生物種類就

多達100萬種以上,而目前所研究和鑒別過的海洋

微生物還占不到海洋微生物總量的5%[2],其中日

本近年來的大量研究發現約27%的海洋微生物具

有抗菌活性[3]。因此海洋微生物普遍具備耐鹽、液

化瓊脂能力的同時還具有獨特的代謝途徑和遺傳背

景,產生出不同結構和功能的天然活性物質,所以這

成為尋找特定目的海洋微生物及其藥物的豐富資

源,也為微生物工業化生產新藥開辟了一條嶄新道

路。

1 海洋微生物藥物的開發和應用現狀

自從美國1967年提出“向海洋要藥(Drug from

the a)”的口號開始,“藍色藥物”引起了各國的重

視,短短幾十年便有10000多種新型結構的化合物

被發現,其中200多種已申請專利[4]。海洋微生物

藥物作為海洋藥物的重要組成部分同樣取得了輝煌

的成就,成功的例子是1945年從意大利撒丁島分離

到一株海洋真菌(頂頭孢霉菌),它產生的頭孢霉素

已被開發成臨床廣泛應用的30多個品種如先鋒霉

素。目前海洋微生物藥物的開發和應用現狀主要有

以下幾方面。

首先是海洋微生物在抗菌抗病毒類藥物方面的

開發和應用,它是陸棲微生物藥物研究開發的延續

和擴展。藥物的直接來源是從海水、海泥中篩選出

的微生物代謝產物,可直接開發成新藥或經修飾后

成為新藥,也可作為新藥開發的先導化合物。如廈

門鼓浪嶼附近海泥中篩選到的鏈霉菌亞種S. rut-

gernsis subsp. Gulangyunensis產生的氨基糖苷

8510-1抗生素臨床應用表明對綠膿桿菌和革蘭氏

陰性菌有強抑制活性[5]。岡見氏從日本相模灣的

淺海泥中分離出的鏈霉菌SS-20,產生的抗菌素

Aplasmomycin,對G+菌有強抑制作用,體內試驗可

抑制瘧原蟲且毒性小。岡崎氏分離到欽氏菌產生的

抗菌素SS-228Y可抑制G+菌、小鼠艾氏腹水癌和

多巴胺β—羥化酶[3]。方金瑞等分離到一株嗜堿海

洋鏈霉菌2B產生廣譜抗菌素———丁酰桿菌素和抗

G+菌的脂溶性物質[1]。這些都表明成功開發海洋

微生物抗菌抗病毒類藥物是可行的。

海洋微生物藥物開發和應用的重點在抗腫瘤藥

物方面。1996年Burkholder從海洋假單孢菌中分

離到有抗癌作用的硝吡咯菌素Pyrolintrin開始,人

們期望從篩選的海洋微生物代謝產物中得到所需新

型抗腫瘤藥物成為研究開發的重點領域。短短幾年

便得到許多具有抗腫瘤活性的化合物,如日本岡見

分離到一株黃桿菌屬的海洋細菌Uliginosum代謝

產生雜多糖Marinactan,能夠增強免疫功能和抑制

動物移植腫瘤并成為化療藥物治療腫瘤的佐劑。日

本海北部3000多米深的海泥中分離到一株海洋細

菌AlteromanasHaloplanktis能產生抑制腫瘤細胞

的離子載體類代謝產物[6]。K. Custafson等從海洋

細菌中分離到大環內酯類化合物Maclolactins,具有

抗腫瘤、抗病毒、抗菌等功能。海洋粘球菌Chon-

dromyces中發現一類新型縮酚酸肽Chondramides A

~D,對多種人類瘤細胞有極強的細胞毒性[7]。Brill

Gerwick研究組最近從加勒比海真菌Lyngbra ma-

juscula中分得Curacin A,它是一種有抗腫瘤和有絲

分裂潛力的藥物[8]。Romero等從海洋放射菌L-

13-ACM-092的菌絲中分離到多肽Thiocoraline ,

對P-388、A-549和MEL-28有強的細胞毒活

性[9]。Imamura等從Pelagiobacter variabilis中得

到吩嗪抗生素Pelagiomicins A,B和C,在體內外有

較強的抗腫瘤活性[10]。

對許多海洋生物毒素進行研究時發現很多活性

物質是由共生或寄生的微生物產生,因此從海洋大

型生物的體表或內臟中分離、篩選海洋微生物藥物

成為新藥開發的重要來源。這已引起人們地重視并

展開深入的研究,已經取得大量研究成果。河豚毒

素Tetrodotoxin是由魚內臟中的單孢菌屬細菌產

生,通過細菌培養得到河豚毒素[11];海神毒素Is-

tamycins由海泥中的鏈霉菌S. tenjimariensis產

生,海葵毒素Ap-A、Ap-B及石房蛤毒素Saxitox-

in等也都是由相應的海洋微生物產生。從Apogon

endekataenia魚內臟中分離到脂肽Fellutamides A

和B,具細胞毒性并能刺激神經生長因子,從佛羅里

達水母體內分離到一種海洋細菌可產生新抗生素

Salinamide A、B[12],從海洋雙貝殼Mytilus coruscus

上分離的絲狀真菌青霉得到代謝產物Coruscol[2],

而螃蟹Chinoecetes opilio上分離到真菌Phoma sp.

可產生Phomactins,蝦卵共生菌中可分離出有明顯

抗真菌作用的抗生素Istatin,海洋藻Sargassum

tortile表面分離到絲狀真菌Leptospharia sp.,產生

Leptosins。所有研究成果表明這是開發新型海洋微

生物藥物的重要來源。

海洋微生物產生的其它有藥效的活性物質可開

發成為醫療保健品。海洋真菌如破囊壺菌Thraus-

tochytrium、裂殖壺菌Sohizochytrium等產生二十

碳五烯酸EPA和二十二碳六烯酸DHA等多價不

飽和脂肪酸[13],海洋真菌及杜氏鹽藻Dunaliella

salina產生β—胡蘿卜,海洋細菌Pudomonas SP

產生靈菌紅素Prodigiosin,Shimizu實驗室用海洋細

菌生產蝦青素Astaxantin[14]。這都表明開發海洋微

生物醫療保健品前途廣闊。

總之海洋微生物藥物的開發雖取得巨大成績,

但研究開發尚處于初級階段,還有更多海洋微生物

藥物等待進一步開發來提供給臨床上更多治療和預

防用新型特效藥。

2 海洋微生物藥物研究開發的技術和方法

海洋微生物藥物的研究開發需要依靠現代科技

的進步和各門學科的協同作用,目前海洋微生物藥

物的迅速開發和應用是新技術不斷涌現并推廣應用

的必然結果。

2.1 海洋微生物的采集和海洋微生物藥物的篩選

技術和方法

海洋微生物藥物開發首先是采集和篩選海洋微

生物及其藥物。海洋微生物的來源主要分為海水、

海泥和海砂中的微生物;鮮活魚蝦的組織、消化道中

共生微生物;鯊魚、多毛類生物體表的微生物等。由

于海洋微生物的采集遠比陸地微生物的采集困難,

尤其是特殊環境如高壓或高溫下的微生物采集,這

需要專門儀器和付出巨大代價,而且海洋微生物的

培養和活性物的篩選難度也大。因此海洋微生物藥

物的篩選必定采用活性引導型開發方法,即先明確

研究目標物質的活性是什么,市場有多大,競爭對手

如何,篩選成功可能性有多大等主要投入產出問題

后才確定能否行開發。

海洋微生物菌株要從海洋各區域中進行采集,

而將能產生特定藥物的微生物從大量樣品中特異、

高效分離出來本身需要一套專門的微生物及活性物

分離培養技術。針對微生物分離培養的特定生長環

境如高鹽、高壓、高溫、低營養等,以及微生物種類的

不同如細菌、真菌或放線菌等,世界各地的實驗室都

有一套專門快速有效的方法。如福建海洋研究所的

海洋微生物培養、分離方法和技術就頗為成功[15],

而美國Cyanamid公司的研究人員運用保密的獨特

分子篩選技術,對從世界各地采集的海洋微生物進

行測試來尋找有抗菌、抗病毒、抗癌征兆或有治療心

血管、神經系統疾病苗頭的藥物。目前海洋微生物

藥物篩選快捷有效的方法是采用自動化高通量藥物

篩選(HTS)或快速分子篩選(Rapid Molecular

screening methods)方法,而以藥物作為靶點如酶和

受體的篩選模型提高了藥物篩選的特異性,以基因

作為靶點篩選模型可得到藥物作用機理的信息,計

算機輔助篩選則通過模擬來加快藥物篩選速度,這

些都已成為海洋微生物藥物研究的重要方法。總之

隨著海洋微生物及其藥物篩選模型的不斷增多將使

篩選工作變的容易并可發現更多新型海洋微生物及

其藥物。

2.2 海洋微生物藥物開發成新藥的技術和方法

對于篩選到的活性物質必須確定其化學結構和

藥理功能才能夠開發成藥物。由于篩選到天然產物

的結構復雜、種類繁多,特別是自動化高通量藥物篩

選等技術的應用使天然產物數量和活性種類迅速增

多,導致天然產物化學結構確定工作變得更加困難。

1968年Pettit小組在大量采集的海洋生物中發現強

烈抗腫瘤活性的總合草苔蟲Bugula neritina,經過

13年的連續努力才闡明其活性成分草苔蟲素Bryo-

statin1的化學結構。不過隨著組合化學技術、微量

結構分析技術等的快速發展和應用使許多化學結構

十分復雜的天然產物結構迎刃而解,從而能夠確定

是通過有機合成還是生物提取進行生產。目前許多

先進的國家正在建立與之相關的藥物、藥理篩選數

據庫及天然產物分子資源庫,這為高效率開發活性

強、結構獨特的海洋微生物藥物奠定了堅實基礎。

2.3 與現代生物技術相結合,實現海洋微生物藥物

開發的產業化

篩選到的活性物質一般存在有效成分含量低、

難分泌到胞外、生物量低、培養困難等問題,這都限

制了海洋微生物藥物的產業化。因此在快速篩選及

化學結構鑒定基礎上的“優中選優”是產業化開發最

重要的基礎,在海洋微生物活性物質大規模分離、提

取純化技術和產業化生產的技術性、經濟性上選擇

最優產業化方案。

借助現代生物技術是實現海洋微生物藥物工業

化生產最好的途徑。現代生物技術在基因工程、細

胞工程、發酵工程及生物反應器等方面的充分發展

和應用推廣,為實現從獲得目的微生物菌株到培養

生產得到需藥物的全過程提供了可靠的技術保證。

特別是利用基因工程對原微生物菌株的改良或將藥

物基因克隆到容易培養、生長繁殖迅速或產物容易

分泌到體外的微生物如常用陸生酵母菌、枯草桿菌、

大腸桿菌等來進行表達、合成和生產,從而大幅度提

高藥物的含量和產量。利用細胞工程技術可實現不

同種屬間生物的融合雜交,從而改良菌種和開發所

需藥物。利用微生物發酵技術的成熟工藝、后處理

和分離純化技術以及高度自動化的生物反應器設備

來實現海洋微生物藥物生產的工業化和不斷降低藥

物生產成本。因此按照“優中選優”進行海洋微生物

藥物開發和工業化生產的一體化是向海洋要藥的重

要一環。

3 海洋微生物藥物的開發和應用的展望

為尋求防治疾病用新型藥物人們將研究開發轉向海洋,海洋里生存著大量至

今未被認識和研究的特殊生態系統的新種屬微生

物,它們具有產生新藥的巨大潛力。最近十幾年便

發現3000多種具藥用開發價值的新型海洋天然活

性產物,而且藥物研究開發重點也已從最初的抗菌、

抗霉菌方面轉向抗癌和抗真菌方面,其中海洋微生

物成為能實現新藥工業化生產的重要途徑。目前海

洋微生物藥物的開發尚處于初級階段,但已成為許

多國家科研單位研究開發的重點領域,其中日本在

開發上處于領先地位,現已有一批天然活性產物進

入臨床試驗或試用階段。

隨著有計劃、大規模地采集和篩選新型海洋微

生物及其藥物工作的開展,各種活性化合物的提取、

純化和結構鑒定新技術的出現和應用,通過“優中選

優”來選擇確定采用有機合成還是生物合成來實現

海洋微生物藥物的工業化生產,同時依靠要建立起

來的海洋微生物資源和藥理活性數據庫,保證藥物

研究開發的成功率。

可喜的是在各國政府對海洋微生物藥物的開發

大量投資同時,許多醫藥企業(包括中國的企業)也

開始重點投資進行新藥研究開發。尤其是我國海洋

“863”計劃、科教興海計劃為主體的海洋藥物研究的

全面開展,海洋藥物開發各類人才的培養等產學研

一體化的初步形成,都加快了在鑒定藥物化學結構、

提高藥物成分含量和純度、縮短培養周期及降低生

產成本等方面的開發和產業化步伐,從而促進海洋

微生物藥物開發的嶄新局面形成,以開發出大量滿

足人類臨床疾病治療或預防用新藥的迫切需要。

參考文獻

[1] 方金瑞.海洋微生物:開發海洋藥物的重要資源.中國海洋藥

物, 1998, 67(3): 53~56

[2] 汪天虹,肖 天,朱匯源等.海洋絲狀真菌生物活性物質研究

進展.海洋科學2001,25(6): 25~27

[3] 劉雪莉,錢伯初.日本海洋天然活性物質研究簡況.中國海洋

藥物, 1997, 61(1): 45~48

[4] 郭偉躍.海洋天然產物的應用前景展望.中國海洋藥物,

2000,74(2): 51~55

[5] 姜 山,李化苓,邵 磊.近幾年海洋藥物的臨床應用與研

究.中國海洋藥物, 2001, 79(1): 42~44

[6] 楊文合,楊連生.海洋生物中抗腫瘤活性成分的研究進展.海

洋科學, 2000, 133(7): 38~41

[7] Kameyama T., A. takahashi, S. kurasana, et. al. Bisucaberin,

a new siderophore, nsitizeing tumor cells to macrophage-medi-

ated cytolysis. The Journal of Antibiotics, 1987,40:1644-1670

[8] 關美君,林文翰.海洋藥物———二十一世紀中國藥學研究的新

熱點.中國海洋藥物,2001,79(1): 1~5

[9] Romero F., Espliego F., Baz J. et al. Thiocoratine, a new dep-

sipeptide with antitumor activity produced by a marine mi-

cromonospore. The Journal of Antibiotics, 1997, 50: 734-737

[10] Imamura N., NishijimaM., Takadera T. et al. New anticancer

antibiotics pelagiomicins, producedbya newmarinebacteriumpela-

gioba cter variabilis. The Journal ofAntibiotics, 1997, 50: 8-12

[11] Haruko T., Disuke takeda, Kazunage yazawa, et al. Expression

of the eicosapentaenoic acid synthesis gene cluster from shewanella

SP. in a transgenic marine cyanobacterium, synechococcus SP.

Microbiology, 1997, 143: 2725-2731

[12] Fays F. Chemical prospectors scour the as for promising drugs.

Science, 1994, 266: 1324-1325

[13] 吳克剛.利用海洋真菌發酵生產研究概況.海洋科學, 2000,

133(7): 19~21

[14] Akihiro Yokoyama, et al. Production of Astaxanthin and 4-Ke-

tozeaxanthin by the Marine Bacterium,Agrobacterium auranti-

ence, Biotechnology & Biochemistry, 1994, 58

(10): 1842-1844

[15] 林麗玉,高霞靈等.海洋藥物資源的微生物的分離技術.中

國海洋藥物, 1999, 71(3): 15~18

Development and application of marine microorganism drugs

ZHOU Shi-shui1, DING Jin-guo2, YAO Ru-hua1

(1. College of Food and Bioengineering of South China University of Technology, Guangzhou

510640;

2. Group of Zhucheng Foreign Trade Shandong province, Zhucheng 262200 )

Abstract A brief overview of prent status of development and application of marine

microorganism drugs, technology

and method of rearching and developing marine microorganism drugs was introduced. The

perspective of developing and

applying marine microorganism drugs and its resources was provided.

Key words marine microorganisms; marine microorganism drugs; screen methods