第一章海洋藥物學概論1

第一章概論

第一節(jié)海洋藥物學一、海洋藥物學TheMedicinalChemistryofMarineProducts

海洋藥物學是包括一切源自海洋植物、動物及微生物代謝產(chǎn)物作為藥物、先導化合物的化學。

生物堿、大環(huán)內(nèi)酯、萜類、聚醚化合物、甾類、糖苷、氨基酸、肽類、糖類。

各個學科的相互滲透使天然產(chǎn)物化學、海洋藥物學已涉及許多生命現(xiàn)象，如藥物作用過程中配體與受體的作用機理，藥物在人體內(nèi)的代謝產(chǎn)物，使他與內(nèi)源性物質(zhì)為主要研究對象的生物化學出現(xiàn)了交叉。AgeladineA多羥基甾醇海洋萜類巖沙?？舅囟?、海洋藥物學得到發(fā)展的原因1、海洋生物種類眾多海洋約占地球表面積的71.2%，達3.6億平方千米，生物總種類達30多門50余萬種，生物總量占地球總生物量的87%。與對陸生生物的研究相比，人們對海洋生物的認識還相當有限，利用率不到1%。2、海洋生物生態(tài)環(huán)境特殊海洋特殊生態(tài)環(huán)境中的生物資源已成為拓展天然藥用資源的新空間。3、重大疾病患病人數(shù)的增加癌癥、艾滋病、心腦血管疾病世界海洋生物約有20萬種以上，其中海洋植物約2萬種，海洋動物約18萬種。2007年認識水平4、生物活性作用明顯生長和代謝過程中，產(chǎn)生并積累了大量具有特殊化學結(jié)構(gòu)并具有特殊生理活性和功能的物質(zhì)，是開發(fā)新型海洋藥物和功能食品的重要資源。三、海洋藥物學發(fā)展的四個階段海洋天然產(chǎn)物化學（海洋藥物學）也是從人們對海洋生物的認識與應用開始的。人們使用海洋生物作為食物和藥物已有悠久的歷史。我國是世界上最早應用海洋藥物的國家，早在公元一世紀的《神農(nóng)本草經(jīng)》中收載海洋藥物約10種，到1596年李時珍的《本草綱目》則已收載90余種海洋藥物的性味、功能和藥用價值。海洋天然活性物質(zhì)的研究已有100多年的歷史?？v觀其發(fā)展大致可分為四個階段：1960年以前稱為孕育期，60~70年代為形成期，80年代進入快速發(fā)展期，90年代以后為成熟期。海洋藥物學發(fā)展的4個階段近年來海洋天然產(chǎn)物越來越引起科學家們的注意，人們相信在遼闊的海洋中存在著眾多令人激動、超出想象、結(jié)構(gòu)新穎的化合物。1孕育期上世紀50年代以前，海洋天然產(chǎn)物的研究相當緩慢，最初的研究主要集中在大型海藻類生物中。巨藻屬（Macrocystis）硅藻和紅藻1881年，Stanford發(fā)現(xiàn)了褐藻中的多糖—褐藻膠。1884年，Stenhouse發(fā)現(xiàn)了褐藻中的甘露醇。1909年，田原對河豚魚卵的神經(jīng)毒性進行描述并命名其毒性成分為河豚毒素（Tetrodotoxin，TTX）。1938年，橫尾晃從河豚中提純TTX，到1950年才分離到單體結(jié)晶。隨后，津田恭介等于1952年、平田義正等于1955年、美國的Woodward等于1957年和后來的后藤等都得到了單體結(jié)晶，但沒有解析出正確的結(jié)構(gòu)。1922年日本學者從異足索沙蠶（Lumbriconerisheteropoda）體內(nèi)分離到具有殺蟲作用的沙蠶毒素（Nereistoxin,1）；1934年明確了它的化學結(jié)構(gòu)；1961年完成人工合成。并以沙蠶毒素為先導化合物，開發(fā)成功一系列擬沙蠶毒素殺蟲劑如殺蟲雙（Dimehypo）、殺螟丹（Cartap）、殺蟲環(huán)（Tiocyclam）和新農(nóng)藥巴丹（Padan）Dimehypo含硫生物堿1945年，意大利科學家GiuseppeBrotzu從撒丁島海洋淤泥中分離到一株海洋真菌（頂頭孢霉菌，Cephalosporiumacremonium），他發(fā)現(xiàn)這些頂頭孢分泌出的一些物質(zhì)可以有效抵抗引起傷寒的傷寒桿菌。1946年他把這株真菌送到了牛津大學，牛津大學的EdwardAbraham教授從中分離獲得若干頭孢菌素類化合物，其代表物是頭孢菌素C。此后，經(jīng)水解獲得的頭孢烯母核成為一系列頭孢菌素類抗生素的合成材料，頭孢菌素鈉（Cephalosporinnatrium）為從海洋微生物中發(fā)現(xiàn)并開發(fā)成功的第一個“海洋新抗”，開創(chuàng)了開發(fā)海洋新抗生素藥的先例。CephalosporinnatriumLactam內(nèi)酰胺噻吩thiophene1953年從日本海藻（Digeneasimplex）中分離得到海人草酸（紅藻氨酸，kainicacid,2）和別紅藻氨酸（g-allo-kainicacid,3）（圖2）；1955年用經(jīng)典的化學降解反應和對降解片斷的合成等方法研究了它們的結(jié)構(gòu)，并最終用X-衍射確定了其立體結(jié)構(gòu).上世紀30年代初，W.Bergmann等開始了對海綿的研究，50年代他和他的同事從加勒比海域的一種海綿（Crypthotecacrypta）的丙酮提取物中經(jīng)反復重結(jié)晶先后得到了兩種罕見的特異核苷類化合物，海綿核苷（Songothymidine，4）及海綿尿苷（Spongouridine，5）（圖3），這兩個化合物后來成為重要的抗病毒藥物Ara-A和抗癌藥物Ara-C的先導化合物。第一個抗病毒海洋藥物為阿糖胞苷（Cytara-bine），1955年被美國FDA批準用于治療人眼單純皰疹病毒感染。1956年JackJ.Fox等報道了Spongothymidine的全合成工作。Ara-AAra-C1961年，美國的Upjohn小組合成了阿糖胞苷Ara-C并報道了其在動物實驗中的抗白血病活性研究。緊接著Ara-C被批準為臨床抗腫瘤用藥，主要用于治療急性粒細胞白血病，對惡性淋巴瘤、肺癌、消化道癌、頭頸部癌也有一定的療效，此外Ara-C還具有抗病毒作用，對病毒性眼病、帶狀皰疹、單純皰疹性結(jié)膜炎有效。這是第一個由海洋天然產(chǎn)物衍生而來并最終成功上市的藥物。特點：

1960年以前對于海洋生物化學成分的研究相對較少、進展也相當緩慢，海洋天然藥物的研究也一直沒有引起科學界的重視。主要原因是人們普遍對海洋天然產(chǎn)物認識不足，而且海洋天然產(chǎn)物結(jié)構(gòu)比較復雜，當時的測試條件尚不成熟，特別是30-50年代正值合成藥物和抗生素藥物的黃金年代，也挫傷了人們對海洋天然產(chǎn)物的研究熱情。2形成期

上世紀60年代天然產(chǎn)物研究的偉大成就之一就是完成了河豚毒素Tetrodotoxin，TTX，9）的結(jié)構(gòu)確定。其結(jié)構(gòu)新穎，在有機溶劑和水中都不易溶解而僅溶于醋酸等酸性溶劑并且在堿性和強酸性溶劑中不穩(wěn)定?；\形原酸酯類生物堿，分子不對稱1964年（研究歷經(jīng)15年）于京都召開的第三屆IUPAC國際天然產(chǎn)物化學會議上，日本的津田、平田和美國的Woodward三個小組同時報告了TTX的正確結(jié)構(gòu)，震驚了與會的包括90名世界頂尖天然產(chǎn)物化學家在內(nèi)的1500名學者。1972年日本名古屋大學的岸義人（Y.Kishi，現(xiàn)哈佛大學終身教授）首先報道了河豚毒素外消旋體的全合成。1962年日本科學家下村修（OsamuShimomura）從生活在美國西海岸近海的一種海洋生物水母Aequoreavictoria身上分離出了綠色熒光蛋白（GFP）。在這種水母的體內(nèi)有一種叫水母素的物質(zhì)，在與鈣離子結(jié)合時會發(fā)出藍光，而這道藍光未經(jīng)人所見就已被一種蛋白質(zhì)吸收，改發(fā)綠色的熒光。這種蛋白質(zhì)捕獲藍光發(fā)出綠光。這種神奇的蛋白質(zhì)后來成為當代生物化學研究的最為重要的工具之一，利用綠色熒光蛋白技術可以跟蹤生物器官內(nèi)不可見的一些生理現(xiàn)象，如跟蹤腦細胞的活動或者是跟蹤癌細胞的活動，為人類解決醫(yī)學難題提供了寶貴的信息。greenfluorescentprotein(GFP)

2008年度諾貝爾化學獎greenfluorescentprotein(GFP)

1969年美國科學家Weinheimer和Spraggins從加勒比海柳珊瑚Plexaurahomomalla中分離得到了含量高達1.4%的前列腺素15R-PGA2前列腺素具有強烈生理活性和廣譜藥理效應的物質(zhì)，但是它們在自然中存量極微，合成也很困難，這就限制了對其深入研究。而從柳珊瑚中發(fā)現(xiàn)的含量豐富的前列腺素，改變了研究與應用的被動局面，也極大地刺激了化學界對來自海洋生物活性物質(zhì)的興趣。上世紀60年代中期美國科學家．W．Halstead總結(jié)整理了海洋有毒生物的資料并出版了《世界海洋有毒和有毒腺的生物》一書，開創(chuàng)了海洋藥物專著的先聲。1967年在美國羅得島大學召開了第一屆海洋藥物研討會（DrugsfromtheSea），標志著海洋藥物研究國際合作的開始。1969年美國科學家M.H.Baslow主編的《MarinePharmacology》和H.W.Youngken主編的《Food-DrugfromtheSea》分別出版。1973年美國科學家PaulJ.Scheuer編著的第一本海洋天然產(chǎn)物化學專著《ChemistryofMarineNaturalProducts》出版。PaulJ.Scheuer主編的《MarineNaturalProducts-ChemicalandBiologicalPerspectives》1-4卷在70年代末出版以及日本化學會1979年編寫出版的《海洋天然物化學》，標志著海洋天然產(chǎn)物化學已經(jīng)成為一門獨立的、多學科交叉的新學科，其研究內(nèi)容包括海洋毒物、海洋生物藥學和海洋化學生態(tài)學。特點發(fā)展期到上世紀80年代，海洋藥物的研究開始進入了一個嶄新的歷史時期各種二維核磁技術和軟離子質(zhì)譜技術的逐漸應用以及分離技術手段的快速發(fā)展，加快了微量成分和復雜結(jié)構(gòu)化合物測定、分析的研究進程，一些結(jié)構(gòu)比較復雜、生理活性獨特的海洋天然產(chǎn)物相繼被分離并完成結(jié)構(gòu)鑒定。1980年從海綿（Luffariellavariabilis）中分離得到的線型二倍半萜類化合物Manoalide（18，圖8）是第一個具有選擇性作用于磷酯酶A2（PLA2）及對磷脂酶C、鳥氨酸脫羧酶、醛糖還原酶等多種酶具有抑制作用的活性化合物，其對細胞膜上Ca2+通道也有阻滯作用，現(xiàn)已成為研究阻斷PLA2的常規(guī)工具藥。上世紀80年代中期它已被作為一個典型的抗炎劑在臨床試用。1981年美籍日本科學家中西香爾（K.Nakanishi，現(xiàn)美國哥倫比亞大學終身教授）從形成“赤潮”的渦鞭毛藻Gymnodiniumbrevis中分離出毒素成分短裸甲藻毒素B（Brevetoxin，BTX-B）是第一個聚醚化合物，隨后又發(fā)現(xiàn)了巖沙?？舅兀≒alytoxin，PTX，19，圖9）超級長鏈聚醚化合物，分子量2677，分子式為C129H221O54N3，耗費10年時間于1981年底完成了其分子結(jié)構(gòu)的測定，1982年日本的平田義正（Y.Hirata）小組和美國的Moor小組同時報道了它的立體構(gòu)型，這是一個光譜技術和化學方法相結(jié)合進行結(jié)構(gòu)鑒定的經(jīng)典例證。PTX是目前最強的冠脈收縮劑，作用強度比血管緊張素強100倍。1989年，安元健受世界衛(wèi)生組織的委托去調(diào)查法國西加魚中毒事件的原因。其從4,000千克鰻魚中純化出0.35mg西加毒素（Ciguatoxin，CTX）和0.45mgCTX-4B，主要依靠NMR技術搞清了CTX（20）的化學結(jié)構(gòu)（圖10）。這一研究成果標志著海洋天然產(chǎn)物化學進入了快速發(fā)展期。1988年從加勒比海被囊動物Trididemnumsolidum中分離出來一組抗病毒和細胞毒活性的環(huán)狀縮肽化合物膜海鞘素（Didemnins）。是第一個在美國進入臨床研究的海洋天然產(chǎn)物，作為一種新型抗腫瘤尤其是抗乳腺癌藥物即將推向市場。目前DidemninB已經(jīng)完成人工全合成。脫氫膜海鞘素DehydrodidemninB（21，商品名Aplidin，圖11），來自地中海海鞘Aplidiumalbicans的一種抗腫瘤環(huán)肽，是DidemninB的二級代謝產(chǎn)物即DidemninB的一個羰基被還原的衍生物，但毒性和活性改變很大。1989年美國亞里桑那州立大學的GeorgeR.Pettit教授領導的研究組對印度洋海兔Dolabellaauricularia抗腫瘤活性多肽展開研究，從中分得18個含有特殊氨基酸的較短的鏈狀肽類化合物海兔毒肽Dolastatins1~18，具有強烈抑制腫瘤細胞生長的作用，是目前已知來源的抗腫瘤劑中活性最強的一類，其中Dolastatins10和15的IC50值分別為0.059nM和2.9nM。Dolastatin10已進入治療乳腺癌、肝癌、實體腫瘤和白血病的II期臨床研究。1986年西班牙Zeltia生物制藥集團成立了專門研發(fā)海洋抗腫瘤藥物的PharmaMar公司，該公司開發(fā)的Et-743（商品名Yondelis?）已于2007年7月被歐洲藥物管理署（EMEA，EuropeanMedicinesAgency）批準用于治療軟組織惡性肉瘤，成為第一個現(xiàn)代海洋藥物。Trabectedin(ecteinascidin743orET-743)成熟期

進入上世紀90年代以來，藥物的開發(fā)越來越困難，由于人類長期服用藥物而產(chǎn)生的耐藥性致使每年新藥上市的速度幾乎等于老藥被淘汰的速度。所以人類迫切需要結(jié)構(gòu)新穎、生物活性和作用機制獨特的新的天然產(chǎn)物作為新藥開發(fā)的先導化合物。于是很多國家把更多的目光投向了海洋這個“藍色藥物”的搖籃。海洋天然產(chǎn)物研究以前所未有的高速度發(fā)展，迎來了海洋藥物及海洋天然產(chǎn)物研究的又一次高潮。1992年，代表著現(xiàn)代鑒定技術NMR-MS在天然產(chǎn)物化學結(jié)構(gòu)研究中最高應用水平的刺尾魚毒素（Maitotoxin，MTX，24）的結(jié)構(gòu)鑒定圓滿完成。MTX的分子量達3422，分子式為C164H256O68S2Na2，是目前被發(fā)現(xiàn)的最復雜的一個聚醚梯類化合物，它的結(jié)構(gòu)鑒定把現(xiàn)代鑒定技術推上了一個新的高度。MTX是非蛋白毒素中毒性最強的物質(zhì)，其毒性比河豚毒素強約200倍，比巖沙?？舅貜?倍。1mgMTX可以致100萬只小鼠于死地。MTX屬于典型的鈣通道激動劑，可增加細胞膜對Ca2+的通透性，是研究鈣通道藥理作用的特異性工具藥。1995年安元健又從渦鞭毛藻中分離鑒定出5個PTX的類似物、16個CTX的同系物1995年日本的中村（H.Nakamura）從渦鞭毛藻Symbiodiniumsp中分離鑒定出62元環(huán)的大環(huán)內(nèi)酯類化合物Zooxanthellatoxin安元健建立了一套分離鑒定微量聚醚類海洋毒素的方法，樣品有的僅5μg甚至更少就可以完成平面結(jié)構(gòu)的鑒定，主要依靠2D-NMR和MS/MS。目前，毫克級以下的復雜海洋天然產(chǎn)物的分離、純化、結(jié)構(gòu)鑒定都已不