海洋微生物药物的开发和应用

2024年2月21日发(作者：鲁滨孙漂流记读书笔记)

海洋微生物药物的开发和应用

随着陆栖微生物在抗生素、酶、酶抑制剂等生物

活性物质方面的大量开发和应用,寻找新种属或特

殊性状的微生物及其代谢产生新型药物的难度越来

越大。于是最近几年人们把目光转向更具有药物开

发前景的海洋微生物———海洋药物的重要资源[1]。

海洋是生命的起源地,不仅占地球表面积的

71%,而且包含着地球上80%的生物资源。海洋环

境的多样性和特殊性如存在的高盐、高压、低温、低

营养或无光照等特殊生态环境,共同造就了海洋生

物种类的多样性和特殊性,其中海洋微生物种类就

多达100万种以上,而目前所研究和鉴别过的海洋

微生物还占不到海洋微生物总量的5%[2],其中日

本近年来的大量研究发现约27%的海洋微生物具

有抗菌活性[3]。因此海洋微生物普遍具备耐盐、液

化琼脂能力的同时还具有独特的代谢途径和遗传背

景,产生出不同结构和功能的天然活性物质,所以这

成为寻找特定目的海洋微生物及其药物的丰富资

源,也为微生物工业化生产新药开辟了一条崭新道

路。

1 海洋微生物药物的开发和应用现状

自从美国1967年提出“向海洋要药(Drug from

the a)”的口号开始,“蓝色药物”引起了各国的重

视,短短几十年便有10000多种新型结构的化合物

被发现,其中200多种已申请专利[4]。海洋微生物

药物作为海洋药物的重要组成部分同样取得了辉煌

的成就,成功的例子是1945年从意大利撒丁岛分离

到一株海洋真菌(顶头孢霉菌),它产生的头孢霉素

已被开发成临床广泛应用的30多个品种如先锋霉

素。目前海洋微生物药物的开发和应用现状主要有

以下几方面。

首先是海洋微生物在抗菌抗病毒类药物方面的

开发和应用,它是陆栖微生物药物研究开发的延续

和扩展。药物的直接来源是从海水、海泥中筛选出

的微生物代谢产物,可直接开发成新药或经修饰后

成为新药,也可作为新药开发的先导化合物。如厦

门鼓浪屿附近海泥中筛选到的链霉菌亚种S. rut-

gernsis subsp. Gulangyunensis产生的氨基糖苷

8510-1抗生素临床应用表明对绿脓杆菌和革兰氏

阴性菌有强抑制活性[5]。冈见氏从日本相模湾的

浅海泥中分离出的链霉菌SS-20,产生的抗菌素

Aplasmomycin,对G+菌有强抑制作用,体内试验可

抑制疟原虫且毒性小。冈崎氏分离到钦氏菌产生的

抗菌素SS-228Y可抑制G+菌、小鼠艾氏腹水癌和

多巴胺β—羟化酶[3]。方金瑞等分离到一株嗜碱海

洋链霉菌2B产生广谱抗菌素———丁酰杆菌素和抗

G+菌的脂溶性物质[1]。这些都表明成功开发海洋

微生物抗菌抗病毒类药物是可行的。

海洋微生物药物开发和应用的重点在抗肿瘤药

物方面。1996年Burkholder从海洋假单孢菌中分

离到有抗癌作用的硝吡咯菌素Pyrolintrin开始,人

们期望从筛选的海洋微生物代谢产物中得到所需新

型抗肿瘤药物成为研究开发的重点领域。短短几年

便得到许多具有抗肿瘤活性的化合物,如日本冈见

分离到一株黄杆菌属的海洋细菌Uliginosum代谢

产生杂多糖Marinactan,能够增强免疫功能和抑制

动物移植肿瘤并成为化疗药物治疗肿瘤的佐剂。日

本海北部3000多米深的海泥中分离到一株海洋细

菌AlteromanasHaloplanktis能产生抑制肿瘤细胞

的离子载体类代谢产物[6]。K. Custafson等从海洋

细菌中分离到大环内酯类化合物Maclolactins,具有

抗肿瘤、抗病毒、抗菌等功能。海洋粘球菌Chon-

dromyces中发现一类新型缩酚酸肽Chondramides A

~D,对多种人类瘤细胞有极强的细胞毒性[7]。Brill

Gerwick研究组最近从加勒比海真菌Lyngbra ma-

juscula中分得Curacin A,它是一种有抗肿瘤和有丝

分裂潜力的药物[8]。Romero等从海洋放射菌L-

13-ACM-092的菌丝中分离到多肽Thiocoraline ,

对P-388、A-549和MEL-28有强的细胞毒活

性[9]。Imamura等从Pelagiobacter variabilis中得

到吩嗪抗生素Pelagiomicins A,B和C,在体内外有

较强的抗肿瘤活性[10]。

对许多海洋生物毒素进行研究时发现很多活性

物质是由共生或寄生的微生物产生,因此从海洋大

型生物的体表或内脏中分离、筛选海洋微生物药物

成为新药开发的重要来源。这已引起人们地重视并

展开深入的研究,已经取得大量研究成果。河豚毒

素Tetrodotoxin是由鱼内脏中的单孢菌属细菌产

生,通过细菌培养得到河豚毒素[11];海神毒素Is-

tamycins由海泥中的链霉菌S. tenjimariensis产

生,海葵毒素Ap-A、Ap-B及石房蛤毒素Saxitox-

in等也都是由相应的海洋微生物产生。从Apogon

endekataenia鱼内脏中分离到脂肽Fellutamides A

和B,具细胞毒性并能刺激神经生长因子,从佛罗里

达水母体内分离到一种海洋细菌可产生新抗生素

Salinamide A、B[12],从海洋双贝壳Mytilus coruscus

上分离的丝状真菌青霉得到代谢产物Coruscol[2],

而螃蟹Chinoecetes opilio上分离到真菌Phoma sp.

可产生Phomactins,虾卵共生菌中可分离出有明显

抗真菌作用的抗生素Istatin,海洋藻Sargassum

tortile表面分离到丝状真菌Leptospharia sp.,产生

Leptosins。所有研究成果表明这是开发新型海洋微

生物药物的重要来源。

海洋微生物产生的其它有药效的活性物质可开

发成为医疗保健品。海洋真菌如破囊壶菌Thraus-

tochytrium、裂殖壶菌Sohizochytrium等产生二十

碳五烯酸EPA和二十二碳六烯酸DHA等多价不

饱和脂肪酸[13],海洋真菌及杜氏盐藻Dunaliella

salina产生β—胡萝卜,海洋细菌Pudomonas SP

产生灵菌红素Prodigiosin,Shimizu实验室用海洋细

菌生产虾青素Astaxantin[14]。这都表明开发海洋微

生物医疗保健品前途广阔。

总之海洋微生物药物的开发虽取得巨大成绩,

但研究开发尚处于初级阶段,还有更多海洋微生物

药物等待进一步开发来提供给临床上更多治疗和预

防用新型特效药。

2 海洋微生物药物研究开发的技术和方法

海洋微生物药物的研究开发需要依靠现代科技

的进步和各门学科的协同作用,目前海洋微生物药

物的迅速开发和应用是新技术不断涌现并推广应用

的必然结果。

2.1 海洋微生物的采集和海洋微生物药物的筛选

技术和方法

海洋微生物药物开发首先是采集和筛选海洋微

生物及其药物。海洋微生物的来源主要分为海水、

海泥和海砂中的微生物;鲜活鱼虾的组织、消化道中

共生微生物;鲨鱼、多毛类生物体表的微生物等。由

于海洋微生物的采集远比陆地微生物的采集困难,

尤其是特殊环境如高压或高温下的微生物采集,这

需要专门仪器和付出巨大代价,而且海洋微生物的

培养和活性物的筛选难度也大。因此海洋微生物药

物的筛选必定采用活性引导型开发方法,即先明确

研究目标物质的活性是什么,市场有多大,竞争对手

如何,筛选成功可能性有多大等主要投入产出问题

后才确定能否行开发。

海洋微生物菌株要从海洋各区域中进行采集,

而将能产生特定药物的微生物从大量样品中特异、

高效分离出来本身需要一套专门的微生物及活性物

分离培养技术。针对微生物分离培养的特定生长环

境如高盐、高压、高温、低营养等,以及微生物种类的

不同如细菌、真菌或放线菌等,世界各地的实验室都

有一套专门快速有效的方法。如福建海洋研究所的

海洋微生物培养、分离方法和技术就颇为成功[15],

而美国Cyanamid公司的研究人员运用保密的独特

分子筛选技术,对从世界各地采集的海洋微生物进

行测试来寻找有抗菌、抗病毒、抗癌征兆或有治疗心

血管、神经系统疾病苗头的药物。目前海洋微生物

药物筛选快捷有效的方法是采用自动化高通量药物

筛选(HTS)或快速分子筛选(Rapid Molecular

screening methods)方法,而以药物作为靶点如酶和

受体的筛选模型提高了药物筛选的特异性,以基因

作为靶点筛选模型可得到药物作用机理的信息,计

算机辅助筛选则通过模拟来加快药物筛选速度,这

些都已成为海洋微生物药物研究的重要方法。总之

随着海洋微生物及其药物筛选模型的不断增多将使

筛选工作变的容易并可发现更多新型海洋微生物及

其药物。

2.2 海洋微生物药物开发成新药的技术和方法

对于筛选到的活性物质必须确定其化学结构和

药理功能才能够开发成药物。由于筛选到天然产物

的结构复杂、种类繁多,特别是自动化高通量药物筛

选等技术的应用使天然产物数量和活性种类迅速增

多,导致天然产物化学结构确定工作变得更加困难。

1968年Pettit小组在大量采集的海洋生物中发现强

烈抗肿瘤活性的总合草苔虫Bugula neritina,经过

13年的连续努力才阐明其活性成分草苔虫素Bryo-

statin1的化学结构。不过随着组合化学技术、微量

结构分析技术等的快速发展和应用使许多化学结构

十分复杂的天然产物结构迎刃而解,从而能够确定

是通过有机合成还是生物提取进行生产。目前许多

先进的国家正在建立与之相关的药物、药理筛选数

据库及天然产物分子资源库,这为高效率开发活性

强、结构独特的海洋微生物药物奠定了坚实基础。

2.3 与现代生物技术相结合,实现海洋微生物药物

开发的产业化

筛选到的活性物质一般存在有效成分含量低、

难分泌到胞外、生物量低、培养困难等问题,这都限

制了海洋微生物药物的产业化。因此在快速筛选及

化学结构鉴定基础上的“优中选优”是产业化开发最

重要的基础,在海洋微生物活性物质大规模分离、提

取纯化技术和产业化生产的技术性、经济性上选择

最优产业化方案。

借助现代生物技术是实现海洋微生物药物工业

化生产最好的途径。现代生物技术在基因工程、细

胞工程、发酵工程及生物反应器等方面的充分发展

和应用推广,为实现从获得目的微生物菌株到培养

生产得到需药物的全过程提供了可靠的技术保证。

特别是利用基因工程对原微生物菌株的改良或将药

物基因克隆到容易培养、生长繁殖迅速或产物容易

分泌到体外的微生物如常用陆生酵母菌、枯草杆菌、

大肠杆菌等来进行表达、合成和生产,从而大幅度提

高药物的含量和产量。利用细胞工程技术可实现不

同种属间生物的融合杂交,从而改良菌种和开发所

需药物。利用微生物发酵技术的成熟工艺、后处理

和分离纯化技术以及高度自动化的生物反应器设备

来实现海洋微生物药物生产的工业化和不断降低药

物生产成本。因此按照“优中选优”进行海洋微生物

药物开发和工业化生产的一体化是向海洋要药的重

要一环。

3 海洋微生物药物的开发和应用的展望

为寻求防治疾病用新型药物人们将研究开发转向海洋,海洋里生存着大量至

今未被认识和研究的特殊生态系统的新种属微生

物,它们具有产生新药的巨大潜力。最近十几年便

发现3000多种具药用开发价值的新型海洋天然活

性产物,而且药物研究开发重点也已从最初的抗菌、

抗霉菌方面转向抗癌和抗真菌方面,其中海洋微生

物成为能实现新药工业化生产的重要途径。目前海

洋微生物药物的开发尚处于初级阶段,但已成为许

多国家科研单位研究开发的重点领域,其中日本在

开发上处于领先地位,现已有一批天然活性产物进

入临床试验或试用阶段。

随着有计划、大规模地采集和筛选新型海洋微

生物及其药物工作的开展,各种活性化合物的提取、

纯化和结构鉴定新技术的出现和应用,通过“优中选

优”来选择确定采用有机合成还是生物合成来实现

海洋微生物药物的工业化生产,同时依靠要建立起

来的海洋微生物资源和药理活性数据库,保证药物

研究开发的成功率。

可喜的是在各国政府对海洋微生物药物的开发

大量投资同时,许多医药企业(包括中国的企业)也

开始重点投资进行新药研究开发。尤其是我国海洋

“863”计划、科教兴海计划为主体的海洋药物研究的

全面开展,海洋药物开发各类人才的培养等产学研

一体化的初步形成,都加快了在鉴定药物化学结构、

提高药物成分含量和纯度、缩短培养周期及降低生

产成本等方面的开发和产业化步伐,从而促进海洋

微生物药物开发的崭新局面形成,以开发出大量满

足人类临床疾病治疗或预防用新药的迫切需要。

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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