第一章海洋药物学概论1

第一章概论

第一节海洋药物学一、海洋药物学TheMedicinalChemistryofMarineProducts

海洋药物学是包括一切源自海洋植物、动物及微生物代谢产物作为药物、先导化合物的化学。

生物碱、大环内酯、萜类、聚醚化合物、甾类、糖苷、氨基酸、肽类、糖类。

各个学科的相互渗透使天然产物化学、海洋药物学已涉及许多生命现象，如药物作用过程中配体与受体的作用机理，药物在人体内的代谢产物，使他与内源性物质为主要研究对象的生物化学出现了交叉。AgeladineA多羟基甾醇海洋萜类岩沙海葵毒素二、海洋药物学得到发展的原因1、海洋生物种类众多海洋约占地球表面积的71.2%，达3.6亿平方千米，生物总种类达30多门50余万种，生物总量占地球总生物量的87%。与对陆生生物的研究相比，人们对海洋生物的认识还相当有限，利用率不到1%。2、海洋生物生态环境特殊海洋特殊生态环境中的生物资源已成为拓展天然药用资源的新空间。3、重大疾病患病人数的增加癌症、艾滋病、心脑血管疾病世界海洋生物约有20万种以上，其中海洋植物约2万种，海洋动物约18万种。2007年认识水平4、生物活性作用明显生长和代谢过程中，产生并积累了大量具有特殊化学结构并具有特殊生理活性和功能的物质，是开发新型海洋药物和功能食品的重要资源。三、海洋药物学发展的四个阶段海洋天然产物化学（海洋药物学）也是从人们对海洋生物的认识与应用开始的。人们使用海洋生物作为食物和药物已有悠久的历史。我国是世界上最早应用海洋药物的国家，早在公元一世纪的《神农本草经》中收载海洋药物约10种，到1596年李时珍的《本草纲目》则已收载90余种海洋药物的性味、功能和药用价值。海洋天然活性物质的研究已有100多年的历史。纵观其发展大致可分为四个阶段：1960年以前称为孕育期，60~70年代为形成期，80年代进入快速发展期，90年代以后为成熟期。海洋药物学发展的4个阶段近年来海洋天然产物越来越引起科学家们的注意，人们相信在辽阔的海洋中存在着众多令人激动、超出想象、结构新颖的化合物。1孕育期上世纪50年代以前，海洋天然产物的研究相当缓慢，最初的研究主要集中在大型海藻类生物中。巨藻属（Macrocystis）硅藻和红藻1881年，Stanford发现了褐藻中的多糖—褐藻胶。1884年，Stenhouse发现了褐藻中的甘露醇。1909年，田原对河豚鱼卵的神经毒性进行描述并命名其毒性成分为河豚毒素（Tetrodotoxin，TTX）。1938年，横尾晃从河豚中提纯TTX，到1950年才分离到单体结晶。随后，津田恭介等于1952年、平田义正等于1955年、美国的Woodward等于1957年和后来的后藤等都得到了单体结晶，但没有解析出正确的结构。1922年日本学者从异足索沙蚕（Lumbriconerisheteropoda）体内分离到具有杀虫作用的沙蚕毒素（Nereistoxin,1）；1934年明确了它的化学结构；1961年完成人工合成。并以沙蚕毒素为先导化合物，开发成功一系列拟沙蚕毒素杀虫剂如杀虫双（Dimehypo）、杀螟丹（Cartap）、杀虫环（Tiocyclam）和新农药巴丹（Padan）Dimehypo含硫生物碱1945年，意大利科学家GiuseppeBrotzu从撒丁岛海洋淤泥中分离到一株海洋真菌（顶头孢霉菌，Cephalosporiumacremonium），他发现这些顶头孢分泌出的一些物质可以有效抵抗引起伤寒的伤寒杆菌。1946年他把这株真菌送到了牛津大学，牛津大学的EdwardAbraham教授从中分离获得若干头孢菌素类化合物，其代表物是头孢菌素C。此后，经水解获得的头孢烯母核成为一系列头孢菌素类抗生素的合成材料，头孢菌素钠（Cephalosporinnatrium）为从海洋微生物中发现并开发成功的第一个“海洋新抗”，开创了开发海洋新抗生素药的先例。CephalosporinnatriumLactam内酰胺噻吩thiophene1953年从日本海藻（Digeneasimplex）中分离得到海人草酸（红藻氨酸，kainicacid,2）和别红藻氨酸（g-allo-kainicacid,3）（图2）；1955年用经典的化学降解反应和对降解片断的合成等方法研究了它们的结构，并最终用X-衍射确定了其立体结构.上世纪30年代初，W.Bergmann等开始了对海绵的研究，50年代他和他的同事从加勒比海域的一种海绵（Crypthotecacrypta）的丙酮提取物中经反复重结晶先后得到了两种罕见的特异核苷类化合物，海绵核苷（Songothymidine，4）及海绵尿苷（Spongouridine，5）（图3），这两个化合物后来成为重要的抗病毒药物Ara-A和抗癌药物Ara-C的先导化合物。第一个抗病毒海洋药物为阿糖胞苷（Cytara-bine），1955年被美国FDA批准用于治疗人眼单纯疱疹病毒感染。1956年JackJ.Fox等报道了Spongothymidine的全合成工作。Ara-AAra-C1961年，美国的Upjohn小组合成了阿糖胞苷Ara-C并报道了其在动物实验中的抗白血病活性研究。紧接着Ara-C被批准为临床抗肿瘤用药，主要用于治疗急性粒细胞白血病，对恶性淋巴瘤、肺癌、消化道癌、头颈部癌也有一定的疗效，此外Ara-C还具有抗病毒作用，对病毒性眼病、带状疱疹、单纯疱疹性结膜炎有效。这是第一个由海洋天然产物衍生而来并最终成功上市的药物。特点：

1960年以前对于海洋生物化学成分的研究相对较少、进展也相当缓慢，海洋天然药物的研究也一直没有引起科学界的重视。主要原因是人们普遍对海洋天然产物认识不足，而且海洋天然产物结构比较复杂，当时的测试条件尚不成熟，特别是30-50年代正值合成药物和抗生素药物的黄金年代，也挫伤了人们对海洋天然产物的研究热情。2形成期

上世纪60年代天然产物研究的伟大成就之一就是完成了河豚毒素Tetrodotoxin，TTX，9）的结构确定。其结构新颖，在有机溶剂和水中都不易溶解而仅溶于醋酸等酸性溶剂并且在碱性和强酸性溶剂中不稳定。笼形原酸酯类生物碱，分子不对称1964年（研究历经15年）于京都召开的第三届IUPAC国际天然产物化学会议上，日本的津田、平田和美国的Woodward三个小组同时报告了TTX的正确结构，震惊了与会的包括90名世界顶尖天然产物化学家在内的1500名学者。1972年日本名古屋大学的岸义人（Y.Kishi，现哈佛大学终身教授）首先报道了河豚毒素外消旋体的全合成。1962年日本科学家下村修（OsamuShimomura）从生活在美国西海岸近海的一种海洋生物水母Aequoreavictoria身上分离出了绿色荧光蛋白（GFP）。在这种水母的体内有一种叫水母素的物质，在与钙离子结合时会发出蓝光，而这道蓝光未经人所见就已被一种蛋白质吸收，改发绿色的荧光。这种蛋白质捕获蓝光发出绿光。这种神奇的蛋白质后来成为当代生物化学研究的最为重要的工具之一，利用绿色荧光蛋白技术可以跟踪生物器官内不可见的一些生理现象，如跟踪脑细胞的活动或者是跟踪癌细胞的活动，为人类解决医学难题提供了宝贵的信息。greenfluorescentprotein(GFP)

2008年度诺贝尔化学奖greenfluorescentprotein(GFP)

1969年美国科学家Weinheimer和Spraggins从加勒比海柳珊瑚Plexaurahomomalla中分离得到了含量高达1.4%的前列腺素15R-PGA2前列腺素具有强烈生理活性和广谱药理效应的物质，但是它们在自然中存量极微，合成也很困难，这就限制了对其深入研究。而从柳珊瑚中发现的含量丰富的前列腺素，改变了研究与应用的被动局面，也极大地刺激了化学界对来自海洋生物活性物质的兴趣。上世纪60年代中期美国科学家．W．Halstead总结整理了海洋有毒生物的资料并出版了《世界海洋有毒和有毒腺的生物》一书，开创了海洋药物专著的先声。1967年在美国罗得岛大学召开了第一届海洋药物研讨会（DrugsfromtheSea），标志着海洋药物研究国际合作的开始。1969年美国科学家M.H.Baslow主编的《MarinePharmacology》和H.W.Youngken主编的《Food-DrugfromtheSea》分别出版。1973年美国科学家PaulJ.Scheuer编著的第一本海洋天然产物化学专著《ChemistryofMarineNaturalProducts》出版。PaulJ.Scheuer主编的《MarineNaturalProducts-ChemicalandBiologicalPerspectives》1-4卷在70年代末出版以及日本化学会1979年编写出版的《海洋天然物化学》，标志着海洋天然产物化学已经成为一门独立的、多学科交叉的新学科，其研究内容包括海洋毒物、海洋生物药学和海洋化学生态学。特点发展期到上世纪80年代，海洋药物的研究开始进入了一个崭新的历史时期各种二维核磁技术和软离子质谱技术的逐渐应用以及分离技术手段的快速发展，加快了微量成分和复杂结构化合物测定、分析的研究进程，一些结构比较复杂、生理活性独特的海洋天然产物相继被分离并完成结构鉴定。1980年从海绵（Luffariellavariabilis）中分离得到的线型二倍半萜类化合物Manoalide（18，图8）是第一个具有选择性作用于磷酯酶A2（PLA2）及对磷脂酶C、鸟氨酸脱羧酶、醛糖还原酶等多种酶具有抑制作用的活性化合物，其对细胞膜上Ca2+通道也有阻滞作用，现已成为研究阻断PLA2的常规工具药。上世纪80年代中期它已被作为一个典型的抗炎剂在临床试用。1981年美籍日本科学家中西香尔（K.Nakanishi，现美国哥伦比亚大学终身教授）从形成“赤潮”的涡鞭毛藻Gymnodiniumbrevis中分离出毒素成分短裸甲藻毒素B（Brevetoxin，BTX-B）是第一个聚醚化合物，随后又发现了岩沙海葵毒素（Palytoxin，PTX，19，图9）超级长链聚醚化合物，分子量2677，分子式为C129H221O54N3，耗费10年时间于1981年底完成了其分子结构的测定，1982年日本的平田义正（Y.Hirata）小组和美国的Moor小组同时报道了它的立体构型，这是一个光谱技术和化学方法相结合进行结构鉴定的经典例证。PTX是目前最强的冠脉收缩剂，作用强度比血管紧张素强100倍。1989年，安元健受世界卫生组织的委托去调查法国西加鱼中毒事件的原因。其从4,000千克鳗鱼中纯化出0.35mg西加毒素（Ciguatoxin，CTX）和0.45mgCTX-4B，主要依靠NMR技术搞清了CTX（20）的化学结构（图10）。这一研究成果标志着海洋天然产物化学进入了快速发展期。1988年从加勒比海被囊动物Trididemnumsolidum中分离出来一组抗病毒和细胞毒活性的环状缩肽化合物膜海鞘素（Didemnins）。是第一个在美国进入临床研究的海洋天然产物，作为一种新型抗肿瘤尤其是抗乳腺癌药物即将推向市场。目前DidemninB已经完成人工全合成。脱氢膜海鞘素DehydrodidemninB（21，商品名Aplidin，图11），来自地中海海鞘Aplidiumalbicans的一种抗肿瘤环肽，是DidemninB的二级代谢产物即DidemninB的一个羰基被还原的衍生物，但毒性和活性改变很大。1989年美国亚里桑那州立大学的GeorgeR.Pettit教授领导的研究组对印度洋海兔Dolabellaauricularia抗肿瘤活性多肽展开研究，从中分得18个含有特殊氨基酸的较短的链状肽类化合物海兔毒肽Dolastatins1~18，具有强烈抑制肿瘤细胞生长的作用，是目前已知来源的抗肿瘤剂中活性最强的一类，其中Dolastatins10和15的IC50值分别为0.059nM和2.9nM。Dolastatin10已进入治疗乳腺癌、肝癌、实体肿瘤和白血病的II期临床研究。1986年西班牙Zeltia生物制药集团成立了专门研发海洋抗肿瘤药物的PharmaMar公司，该公司开发的Et-743（商品名Yondelis®）已于2007年7月被欧洲药物管理署（EMEA，EuropeanMedicinesAgency）批准用于治疗软组织恶性肉瘤，成为第一个现代海洋药物。Trabectedin(ecteinascidin743orET-743)成熟期

进入上世纪90年代以来，药物的开发越来越困难，由于人类长期服用药物而产生的耐药性致使每年新药上市的速度几乎等于老药被淘汰的速度。所以人类迫切需要结构新颖、生物活性和作用机制独特的新的天然产物作为新药开发的先导化合物。于是很多国家把更多的目光投向了海洋这个“蓝色药物”的摇篮。海洋天然产物研究以前所未有的高速度发展，迎来了海洋药物及海洋天然产物研究的又一次高潮。1992年，代表着现代鉴定技术NMR-MS在天然产物化学结构研究中最高应用水平的刺尾鱼毒素（Maitotoxin，MTX，24）的结构鉴定圆满完成。MTX的分子量达3422，分子式为C164H256O68S2Na2，是目前被发现的最复杂的一个聚醚梯类化合物，它的结构鉴定把现代鉴定技术推上了一个新的高度。MTX是非蛋白毒素中毒性最强的物质，其毒性比河豚毒素强约200倍，比岩沙海葵毒素强9倍。1mgMTX可以致100万只小鼠于死地。MTX属于典型的钙通道激动剂，可增加细胞膜对Ca2+的通透性，是研究钙通道药理作用的特异性工具药。1995年安元健又从涡鞭毛藻中分离鉴定出5个PTX的类似物、16个CTX的同系物1995年日本的中村（H.Nakamura）从涡鞭毛藻Symbiodiniumsp中分离鉴定出62元环的大环内酯类化合物Zooxanthellatoxin安元健建立了一套分离鉴定微量聚醚类海洋毒素的方法，样品有的仅5μg甚至更少就可以完成平面结构的鉴定，主要依靠2D-NMR和MS/MS。目前，毫克级以下的复杂海洋天然产物的分离、纯化、结构鉴定都已不