抗菌、抗病毒海洋活性物质研究进展.doc

抗菌、抗病毒海洋活性物质研究进展班级：生物工程1311班 姓名：张坤煌 学号：201321042023摘要：进入21世纪以来，海洋生物已成为天然药物的重要来源之一，从各类海洋生物中可提取分离到具有各种药用活性的化合物，具有开发成新药的潜力。海洋多变复杂的环境导致了海洋生物的多样性。近年来,在对海洋生物的研究中发现了许多独特的生物活性物质。通过对这些生物活性物质的提取、药理研究，为新药的开发和各种疑难疾病的治愈提供了新的希望。本文就海洋生物活性物质的几种重要生物活性，如抗菌、抗病毒，分别进行概述，概括了海洋生物活性物质的研究方法以及存在的问题，同时对海洋生物活性物质主要种类、研究方法和具体应用进行了简要阐述，对前景进行了展望。关键词：海洋生物、活性物质、抗菌、抗病毒。Abstract:Sincethe21stcentury marineorganismhasbecomeoneofimportantsourceofnaturalmedicines.Medicinalactivecompoundsextractedandseparatedfromwhichhavethepotentialofbeingnewmedicines.The environment of sea is changeable and complex,which causes the diversity of marine microorganism.In recent years,many unique bio active materials were found in the researches of marine microorganism.The extraction and pharmacology of these bio active materials were studied,which provide new hope for the development to of new medicines and the cure of different diseases.Several kinds of important bio activity of active materials from marine microorganism were introduced,such as anti-tumor,antibacterial,enzyme and enzyme inhibitor activity.And the research methods and existing problems of active materials from marine microorganism were summarized. Inthispaper,themainkinds,researchmethodandconcreteapplicationofmarineorganismwerebrieflyexpounded,andforegroundofmarineorganisminnearfuturewereprospectedKeywords:Marineorganism；Active material；Anti-bacteria；Anti-virus 海洋是生命的发源地，约占地球表面积的71%，其中生物种类20多万种，其多样性远远超过陆地生物的多样性。由于海洋环境具有高盐度、高压、低营养、低温和无光照等条件，从而形成了海洋生物与陆地生物不同的生长方式和代谢系统。近年来，随着人们对海洋生物研究的不断深入，发现了多种多样的生物及许多具有新颖、特异化学结构的生物活性物质。海洋生物活性物质主要包括生物信息物质、生理活性物质、海洋生物毒素及生物功能材料等。目前，从海洋生物中已相继发现300余种新型化合物，结构新颖并具有多样性：有枯类、聚醚类、当醇类、皂昔类、生物碱、多糖、小分子肤、核酸及蛋白质等，并具有丰富的生理及药理活性，包括抗菌、抗病毒等多种功能。多年来，国内外一直致力于这方面的研究，试图从中开发结构明确，疗效肯定的新型生物活性物质，以用于攻克人类面临的重大疑难疾病，其中具有高生物活性和高选择性的海洋生物毒素备受重视，成为研究的热点。1. 国内外海洋生物活性物质研究现状1.1 国外海洋生物活性物质研究现状 美国是最早研究海洋生物抗菌肽物质的国家之一。随着“回归自然”浪潮的出现，人们越来越关心环境生态与污染、化学致癌物等的关系。天然产物的化学分离与化学分析的长足进步，使现在能以从前根本不可实现的速度进行分子的提取与鉴定。日本海洋生物技术研究院及海洋科学和技术中心每年用于海洋生物活性物质开发的经费为1亿多美元。在海洋生物活性物质方面的研究发展很快，对海洋微生物、微藻类、海绵、芋螺、海参等多种海洋动植物和微生物等所产生的活性物质进行研究，其中以海绵和海藻类研究最多。欧盟制订了海洋科学和技术计划，重点资助项目中有“从海洋生物资源中寻找新药”，近年来，发现了450多个具有不同生物活性的新海洋天然产物，其中31个化合物具有明显的抗肿瘤活性。每年用于海洋药物开发的经费也有1亿多美元。1.2 我国海洋活性物质的研究概况 我国利用海洋生物资源入药治疗、健体强身的历史非常悠久。但现代海洋药物研究则始于20世纪70年代。1997年我国启动海洋高技术计划，海洋药物的开发被列为重点，从而以沿海城市为中心，形成科研、生产、开发技工贸一体化的生产网络。据初步统计,我国近海已发现具有药用价值的海洋生物达700多种。总的来看,虽然我国对海洋生物活性物质的研究投入了大量的人力物力,但是到目前,在海洋药物开发方面真正达到临床应用和产业化生产的却很少,能获得一类新药证书的更是寥寥无几。但在海洋保健品和功能食品的研究和开发方面,近年来国内外却取得了不少成绩。无论是海洋药物还是海洋保健品开发,最多的都是集中在抗癌和防治心脑血管病两个方面。1.3 我国在该领域存在的主要问题与应采取措施目前我国海洋生物活性物质的研究和开发与世界先进国家相比还有差距，主要表现在：（1）活性物质筛选等基础性工作薄弱。1976年以来，全世界从海洋生物中分离得到的新型化合物达3000多种，而我国进行海洋生物活性物质筛选的单位不多，分离得到单体且属新型化合物的很少，其原因是筛选需要大量的投入，而且短期内难以见到经济效益；（2）活性物质的分离、纯化等技术与国外存在较大差距，设备落后、质量差、速度慢；（3）利用基因工程、细胞工程、酶工程、生化工程等生物技术手段进行海洋生物活性物质开发刚起步，大部分项目还处于研究的初期。（4）产业化水平低。国内虽已开发出了一些海洋药品，但真正能称为海洋一类新药者很少，多属于中药类，而且大部分的长期疗效有待进一步观察；开发出的海洋保健食品，只有少数是功能因子已知的第三代保健食品；海洋化妆品、海洋生物分子材料的研究开发则更少。很多研究开发项目常常出现一窝峰而上的现象，很多是低水平重复。为加快我国海洋生物活性物质研究和开发的速度，需增加经费支持，国家和地方政府应加大资金投入，相关企业从自身利益出发也应给予充分的重视，提前介入有关的研究与开发；全国应建立相应的海洋生物活性物质研究开发中心或基地，中心既要有较高水平的研究队伍，又要配备比较先进齐全的设备；要发挥高校、科研院所和生产企业三方面优势，共同努力，加快培养相关的研究技术人才，同时，要吸引更多从事本领域研究和开发的留学人员回国参与该领域工作；建立全国从事海洋生物活性物质研究开发的协调组织和全国海洋生物活性物质数据库。2. 抗菌、抗病毒海洋生物活性物质的种类与生理作用2.1 具有抗菌作用的海洋生物活性物质海洋中具有抗菌活性的物质主要存在于海绵、海藻、海洋纤毛虫、海洋细菌等生物中。已报道的抗菌活性物质的活性成分大多为生物碱、多糖类、脂类、蛋白质、萜类等化合物,如Matsunaga等从红海海绵(Theonellaswinhoei)中分离得到2种新的具抗菌作用的血浆纤维多糖;EllaiahP等从印度本地不同泥层中分离到罕见的放射菌类,并研究了所有分离株的抗菌活性和酶活性,结果表明有34种分离物(占所有分离物的36.95%)具备极好的抗菌活性;Iijima等从印度海兔(Dolabellaauricularia)的皮肤及其粘液中分离到一种被命名为DolabellaninB2的抗菌肽,由33个氨基酸残基组成,当这种肽的浓度达到2.5100mg/mL时,即对致病微生物具有细胞毒作用,同时对裂殖酵母(Schizosaccharomycespombe)IFO1628和热带假丝酵母(Candidatropicalis)TIMM0313这2个菌株极为敏感。另据报道,从小鹅卵石中分离出一种海洋细菌X153,其天然培养液对引起人类皮肤病的致病菌,以及包括鱼类致病弧菌在内的海洋细菌有很高的活性,在细菌细胞内和培养液中均发现有活性物质。通过离子交换层析等4个步骤得到纯化的抗菌蛋白,由SDS聚丙烯酰胺凝胶电泳确定X153蛋白分子质量为87kDa,带负电荷,鱼类致病弧菌实验表明,X153细菌能降低双壳类幼虫的死亡率。EndoT等从海绵(Agelassp.)中分离出8种新的二聚溴吡咯生物碱(nagelamidesA-H)和一种单体生物碱(9,10-dihydrokeramadine),nagelamidesA-H对革兰氏阳性细菌(G+)有抗菌活性。Pan等从双齿围沙蚕(PerinereisaibuhitensisGrube)匀浆液中分离到一种命名为Perinerin的新抗菌肽,Perinerin由51个氨基酸残基所组成,从结构上看具有高度的碱性和疏水性,对G+和革兰氏阴性细菌(G-)及真菌都有显著抗菌活性。蜡样芽孢杆菌QNO3323产生的YM-266183和YM-266184,对包括耐药菌株在内的葡萄球菌和肠球菌有抗菌活性,但对G-没有活性,质谱和核磁共振分析表明,YM-266183和YM-266184为包含噻唑、嘧啶及若干特殊氨基酸的环状含硫肽类物质。AassilaH等报道从海洋无脊椎动物中分离出来的一种生物碱对鱼类致病性鳗弧菌(Vibrioanguillarum)具有抗菌活性,其MIC为0.017mm。我国在开发海洋抗菌活性物质方面也取得了一些进展,近年来已开发了系列头孢菌素、玉足海参素渗透剂等海洋抗菌药物。从海参中提取的海参皂苷,其抗真菌有效率达88.5%,是人类历史上从动物界找到的第一种抗真菌皂苷。此外,海洋放线菌HSL-6能产生对金黄色葡萄球菌有强烈抑制作用的活性物质。另据报道,从海洋分离出的一种相对分子质量小于5000的抑菌肽活性物质C03,对金黄色葡萄球菌(26001)、甲型链球菌(32213)、乙型链球菌(32204)、肺炎双球菌(31108)等多种传染性细菌表现出了较好的抑制作用,可望开发出一种抗菌海洋新药。抗病毒海洋生物活性物质主要存在于珊瑚、海鞘、海藻、海绵等海洋生物中。已报道的抗病毒海洋生物活性物质的活性成分主要为萜类、生物碱、甾醇类、核苷类等化合物。第一个抗病毒海洋药物阿糖胞苷(Ara-C,Cytarabine)于1955年被美国FDA批准用于治疗人眼单纯疱疹病毒感染。当前,艾滋病在全球蔓延的趋势正在加剧,它是由人类免疫缺陷性病毒(HIV)引起的。对海洋天然产物抗HIV活性的筛选结果表明,这可能是一条寻找抗HIV药物或先导化合物的重要途径。研究者们已先后在海绵、藻类等海洋生物中发现了数十种抗HIV活性物质,如从贪婪倔海绵(Dysideaavara)中分离到的Avarol及其氧化产物Avarone具有抑制HIV逆转录酶活性的作用,且对病毒装配和释出也有阻断作用,当Avarol的浓度为5g/mL时,对该逆转录酶的抑制率可达82%,而对正常细胞无细胞毒活性,并有细胞保护作用。该药目前已应用于临床。此外,Patil等从来源于加勒比海域的海绵中分离出一系列的呱呢啶类生物碱BatzelladineA-D,BatzelladineA和BatzelladineB抗HIV的活性比BatzelladineC和BatzelladineD强,其作用机理是能有效阻止病毒糖蛋白GP120与宿主细胞的CD4抗原分子选择性结合,从而阻止HIV进入宿主细胞,抑制HIV的复制。Okutani等从海洋假单胞菌HA318分离到的多糖,在低硫酸化状态下能100%抑制HIV对MT4细胞的侵染,IC50为0.69g/L。另据报道,从水中分离出的一种相对分子质量小于5000的抑菌肽活性物质C03对流感病毒鼠肺适应株FM1表现出了较好的抗病毒作用,可望开发出一种抗病毒海洋新药。而在体外筛选模型中,海洋生物活性物质总草苔虫内酯在4g/mL以上浓度时显示有一定的对抗严重急性呼吸综合征相关冠状病毒(SARS-CoV)和保护被感染细胞的作用。羊栖菜多糖是从全藻羊栖菜中提取得到的一种水溶性多糖,主要由褐藻胶和褐藻多糖硫酸酯组成。有研究报道,羊栖菜多糖及其分离产物对单纯疱疹病毒1型(HSV-1)有明显的抗病毒作用,且样品的抗病毒作用随着纯度的提高而增强,对柯萨奇病毒CVB3的抗病毒效果优于病毒唑,羊栖菜多糖样品对Vero细胞的毒性较小,半数致死浓度CC50大于5000mg/L。从海洋微藻(Cochlodiniumpolykrikoides)中分离到的硫酸多糖,体外能完全抑制包膜性病毒对宿主细胞的侵入,而对宿主细胞无毒害,而且不会引起抗凝血作用。2.2 具有抗病毒作用的海洋生物活性物质抗病毒海洋生物活性物质主要存在于海绵、珊瑚、海鞘、海藻等海洋生物中,其活性成分主要有萜类、核苷类、生物碱和其它含氮多糖杂环类化合物。虽然从海洋生物次生代谢产物中已筛选出一批抗病毒活性成分,但能进入临床或临床前研究的先导化合物仍为数不多。第一个抗病毒海洋药物为阿糖胞苷(Ara-C,Cytarabine)于1955年被美国FDA批准用于治疗人眼单纯疱疹病毒感染。从贪婪倔海绵Dysideaavara中分离到的Avarol及其氧化产物Avarone具有抑制HIV逆转录酶活性且对病毒装配和释出也有阻断作用,Avarol的浓度为5gmL时对该逆转录酶的抑制率可达82%,而对正常细胞无细胞毒活性,并有细胞保护作用,该药目前已应用于临床。Toximsol系红海海绵Toxiclonatoxius中的化合物,已证明对多种病毒逆转录酶有抑制作用,它还影响DNA聚合酶的活性KelletininA是从海洋腹足动物(Buccinulumcorneum)中分离的产物,对人T细胞白血病病毒型(HTLV-1)有抑制作用,能抑制细胞DNA和RNA的合成,降低病毒转录水平,但不影响蛋白合成。美国国立癌症研究所(NCI)从一种蓝细菌(Nostocellipsosporum)中分离得到一种HIV-灭活蛋白cyanovirin?N(CY-N),由101个氨基酸组成,已通过大肠杆菌基因工程表达成功。在极低浓度下,就能完全消除多种临床分离和实验的HIV-1株的感染性,可望成为一种19新的抗艾滋病的有效制剂。CV-N蛋白不但能抵抗人免疫缺陷病毒(HIV)的感染,还能抵抗另一种病毒埃博拉病毒(Ebolavirus)的感染,能延长埃博拉病毒感染小鼠的寿命。对埃博拉病毒感染,目前尚无任何有效治疗方法,这一研究发现发表在AntiviralResearch杂志上,这项研究对了解埃博拉病毒感染的机制和治疗研究具有非常重要的意义。美国Phytera在对加勒比海柳珊瑚中发现的活性物质化学合成物CyclomarinA作抗病毒临床前研究。对大量海洋动物的提取物进行抗细菌和抗病毒试验,结果表明鲍(Haliotisrufescens)、巨蛎(Crassostreavirginica)及硬壳蛤(Mercenariamercenaria)中的大分子化合物在体内、体外均显示出抗细菌和抗病毒活性。目前国内抗病毒海洋药物有珍宁注射液、海力特、益肝注射液等。近期从福氏海盘车、长棘星(Acanthasterplanci)和海燕(Asterinapectinifera)中分离出的皂苷能抑制流感病毒的繁殖。到目前为止,已有14个化合物被FDA正式批准为抗艾滋病病毒感染的治疗药物,但这14个化合物均为化学合成物质,对该病的治疗仍会产生强烈的毒副作用及耐药性,因此寻求理想药物,研制高效、低毒的抗艾滋病药物十分必要与迫切。天然产物常含有与已有14个化合物迥然不同的结构式,应是今后开发抗艾滋病新药的最佳来源与研发重点。硫酸多糖类药物抗病毒作用的研究始于60年代,它是有膜病毒强有力的抑制剂。1987年发现,多糖类药物具有抑制HIV增殖的作用,其作用机制与干扰病毒和细胞的吸附、阻止病毒进入细胞、抑制合胞体形成有关。我国在该领域取得了一定的进展。抗艾滋病海洋药物聚甘古酯是中国拥有知识产权的第一个抗艾滋病国家类新药,是一种活性独特结构新颖的酯类化合物,与国外同类药比较具有疗效显著、毒副作用少,成本低等特点,已按国家类新药获准进入期22临床研究。海藻硫酸多糖SAE能干扰HIV病毒吸附和渗入细胞,当SAE浓度为23-110UmL时,对病毒逆转录酶抑制率高达92%,对正常细胞无影响。最近发现药用红树植物红茄冬中的多糖成分具有很强的抗HIV作用。3.海洋抗菌、抗病毒活性物质药物研究开发的技术方法3.1 基于分子生物技术和基因工程技术的大规模筛选目前，国际上主要是以分子水平的药物模型为基础的大规模筛选技术，即使用生命活动中具有重要作用的受体、酶、离子通道、核酸等生物分子作为大规模筛选的作用靶点，来进行活性物质的筛选;借助基因工程技术，采用基因工程受体，如以癌基因和抑癌基因为作用靶点进行抗肿瘤药物筛选等。3.2 利用生物表达系统解决抗菌、抗病毒海洋活性物质的生产问题 海洋药物研究与开发的瓶颈是药源问题。目前，国际上对生物技术在海洋生物活性物质研究和开发中应用研究得最多的是基因工程，即分离、克隆活性物质的基因，转入高效、廉价的表达系统进行生产，以获得大量高质量的产物，确保海洋生物资源的持续性与有效性。此外，海洋生物发酵工程、生物反应器以及酶工程等均是解决海洋药物药源难题的有效途径。3.3 抗菌、抗病毒海洋生物活性物质的分离、纯化及制备新方法近年来，许多新技术应用于海洋生物活性物质的分离、纯化及制备过程中，如超临界流体萃取、双液相萃取、灌注层析、分子蒸馏、膜分离技术等，还有能提高化合物活性的分子修饰、组合技术，加速药物研制的计算机辅助药物设计技术等。3.4 建立海洋生物资源中心及样品库在政府的支持下，组织人力财力，联合海洋生物学家对海洋生物进行大规模采集，并建立起海洋生物资源样品库，是进行海洋药物研究的基础。3.5 大力开展抗菌、抗病毒海洋生物活性物质的化学研究这是被称为“以活性检测为引导的天然产物研究”，主要有如下3种方式:组成引导型。可将海洋生物活性物质次生代谢物作为新药的结构模式，对其进行化学修饰，以寻找高效、低毒的新化合物。化学结构引导型。按构效关系，对化合物的衍生物进行研制，开发一系列新的海洋生物药用活性物质。活性引导型。突破了传统的研究框，完全是以利益为目的，即在研究之前先明确目标物质的功效、市场、竞争对手以及筛选成功的风险等。3.6 高通量药物筛选技术应用高通量药物筛选技术，对采集到的海洋生物提取物进行大规模、高效率、有秩序、多靶点的活性筛选。由于容易采集，在已发现的海洋天然化合物中，海藻、腔肠动物、棘皮动物和海绵这4大类海洋生物占90%以上。虽然被囊动物和海洋微生物因不易采集而所占的比例不高，但由于这类生物的次生代谢物所具有的极强的生物活性，必将成为今后海洋药物研究的热点。4.海洋抗菌、抗病毒活性物质研究的发展趋势海洋抗菌、抗病毒活性物质的研究,是一项高科技的课题,其发展趋势已进入全新的阶段。海洋生物工程学的应用,将成为海洋生理活性物质发展的新趋势。现代科技的日新月异,已证明海洋抗菌、抗病毒生物活性物质的初始来源大部分甚至可能是全部来自低等海洋生物如藻类及其共生的菌类,或用海洋微生物、海洋藻衍生物通过食物链进入其他海洋生物而形成特异的生理活性物质。因此,可以应用海洋生物技术采集海洋生物活性物质,或应用生物培养、基因工程、重组,转基因及克隆技术进行生物合成、生物培养、基因重组等技术取得大量的海洋生物活性物质,这样,目前在美国、日本等发达国家已形成和发展了“海洋生物工程学”,进行对海洋生理活性物质的采集、培养、利用、开发等研究。我国中科院海洋研究所秦松等用海带及螺旋藻开展基因工程的研究。作者用生物技术手段构建营养品更为完善的海带新品种,用转基因海带这一“超级生长”的植物反应器,培养可供食用物质,包括药物的大量生产的新途径。作者已成功克隆了钝顶螺旋藻别藻蓝蛋白基因,实