海洋糖类创新药物研究进展

发布时间：2019-09-18

　　摘要：海洋生物资源作为一种可持续利用的再生性资源，为我们提供了丰富的海洋特征化合物，特别是糖类化合物已经成为寻找和发现海洋创新药物的重要源泉。海洋糖类化合物依据其来源可分为：海洋植物来源、动物来源及微生物来源糖类分子，而不同来源的糖类化合物由于其结构存在较大差异，可被用于不同功能的糖类药物研发。综述了海洋来源糖类化合物的结构与活性特征、修饰与衍生方法以及相关糖类药物研发的最新进展。尽管我国有丰富的海洋生物资源，且在海洋糖药物研发方面走在世界前列，然而目前糖类药物开发仍面临巨大挑战，亟需有效解决糖类先导化合物的作用靶点、作用机制、药代动力学性质以及安全性评价等方面问题，进而建立完善的糖类药物研发技术平台，加快推进我国具有自主知识产权的海洋糖类创新药物的研究与开发。

　　关键词：海洋药物;糖类药物;海洋糖类化合物;药物研究与开发

　　巨大的海洋水体环境孕育了庞大而复杂的海洋生态系统，创造了丰富的生物物种多样性、基因多样性和分子多样性。海洋生物资源物产丰富，种类繁多，衍生出大量结构新颖、活性独特的化合物分子[1]。截至目前，全球共有13个海洋药物被批准上市，管华诗院士1985年开发上市的我国首个海洋药物藻酸双酯钠(PSS)就是其中之一。进入21世纪后，海洋药物的开发和上市速度明显加快，十几年间，先后有8个海洋药物被美国FDA(美国食品药品监督管理局)或欧盟EMEA(欧洲药品评估局)批准上市。到2016年，海洋药物的全球市场达到86 亿美元，已成为世界海洋经济发展中的重要力量[2]。在已上市的海洋药物中，阿糖胞苷、藻酸双酯钠等 4个药物都属于糖类药物。在众多海洋天然产物中，糖类化合物以结构复杂著称，且其分离纯化相对困难、体内代谢评价技术体系缺乏，这给海洋糖类药物的研发带来极大的挑战。海洋活性糖类化合物具有单糖组成特异及类糖胺聚糖的聚阴离子特性能与生物体各种功能蛋白结合，在抗病毒、抗凝血、抗血栓、抗肿瘤、降血糖等方面展现出独特的生物活性，引起了研究者的广泛关注[3]。2018年7月，海洋褐藻来源的“甘露寡糖二酸”(GV-971)顺利通过Ⅲ期临床试验，有望成为首个用于治疗阿尔茨海默症的特效药物，为多途径、多靶点海洋糖类创新药物研发打了一针强心剂[4]。

　　1 海洋来源的丰富糖类资源

　　海洋生物资源和物种丰富，可从中获得结构独特的多糖、寡糖、糖脂、糖肽及糖蛋白等。依据其来源不同又可分为 ：海洋植物、动物和微生物来源的糖类化合物(图1)[5]。不同的海洋植物具有各自结构独特的糖类化合物，如 ：褐藻中富含褐藻胶(alginate)、褐藻糖胶(fucoidan)、褐藻淀粉(laminaran)及褐藻纤维(alga cellulose)等 ;红藻中富含卡拉胶(carrageenan)、琼胶(agarose)及红藻淀粉(fl oridean)等 ;绿藻中则主要含有绿藻胶(ulvan)，其结构是糖醛酸与硫酸鼠李糖组成的重复二糖片段。海洋动物糖类化合物结构也丰富多样，在虾蟹壳中大量存在的以β-(1→4)氨基葡萄糖组成的甲壳质(chitin);海参中含有大量的岩藻糖基化硫酸软骨素(fucosylated chondroitin sulfate)和高硫酸化岩藻聚糖(highly sulfated fucoidan)，另外还有海洋动物中广泛存在的GAGs类多糖，如鲨鱼软骨中的硫酸软骨素(chondroitin sulfate)和硫酸角质素(keratan sulfate)，海洋动物皮肤中的硫酸皮肤素(dermatan sulfate)等。海洋蕴含着丰富的微生物资源，其在生长代谢过程中分泌的胞外多糖和糖复合物中单糖组成多样、分子量高且结构比较复杂，在免疫调节、抗肿瘤、清除自由基及抗氧化等方面显示出广泛生物活性。本文将基于海洋糖类化合物的不同来源，综述其结构与活性特征、修饰方法以及相关糖类药物研发的最新进展。

　　2 海洋植物来源糖类化合物及药物研发

　　目前海洋植物来源的活性糖类化合物药物研究主要集中于褐藻和红藻。褐藻中的活性多糖占脱脂褐藻干重的30% ～ 60%，尤其以褐藻胶含量最为丰富[6]。褐藻胶由β-(1→4)-D-甘露糖醛酸(M)和 α-(1→4)-L-古罗糖醛酸(G)随机排列组成，根据褐藻物种、来源和采集时间不同，可获得高甘露糖醛酸或高古罗糖醛酸以及不同M/G比例的褐藻胶，已被广泛应用于饮料、乳品、糕点等的增稠剂和稳定剂[7]。

　　20世纪80年代，管华诗团队成功开发了我国第一个现代海洋药物藻酸双酯钠(propylene glycol alginate sodium sulfate，PSS，图2)[8]，其化学结构与肝素类似，抗凝效价是天然肝素的1/3~1/2。PSS 表面带有大量的硫酸根负离子，可以有效改善血液流变学性质，并且通过抑制凝血酶介导的纤维蛋白形成发挥抗凝血作用，临床上主要用于治疗脑血栓、短暂性脑缺血及高血压、高脂蛋白血症、冠心病、心绞痛和高脂血症等。CFDA(国家食品药品监督管理总局)2018年数据显示，国内已批准PSS 生产批准文号245个，其中原料药11个、片剂194 个、注射液40个，涉及生产企业近200家，在我国上市海洋药物中占有重要地位。PSS的制备是以褐藻酸为原料，经烯酸加压水解得到低聚褐藻酸，在 NaOH溶液中与1,2-环氧丙烷反应得到褐藻酸丙二醇酯，利用HSO3Cl/甲酰胺引入硫酸酯基，经钠离子交换和纯化后获得PSS [9]。通常PSS的分子量范围在 10kDa ～ 20kDa，有机硫含量为9% ～ 14%。近期研究发现，PSS在治疗癌症、糖尿病、肝炎和慢性肾小球炎等方面具有良好效果，适应证不断扩展。因此，PSS被重新开发以提高其有效性和安全性，扩大其临床应用。结合生物和化学方法改进PSS的质量后，发现分子量在6kDa的PSS片段为最佳的抗血栓候选药物[10]。

　　2018年7月，由中国海洋大学原创并与中国科学院上海药物研究所和上海绿谷制药联合研发的治疗阿尔茨海默症新药“甘露寡糖二酸”(GV-971)顺利完成Ⅲ期临床试验，在开发抗阿尔茨海默症新药上迈出关键的一步[4]。该糖类化合物来源于海洋褐藻，经过提取、降解、分离等步骤获得结构明确的寡糖分子。GV-971不同于传统靶向抗体药物，能够以多位点、多片段、多状态地捕获β淀粉样蛋白(Aβ)，抑制Aβ纤丝形成，并使已形成的纤丝解聚为无毒单体。研究还发现，GV-971能通过调节肠道菌群失衡、重塑机体免疫稳态，进而降低脑内神经炎症，阻止阿尔茨海默症病程进展。

　　褐藻糖胶是褐藻中另一种重要的硫酸化多糖，在日本作为膳食补充剂，增强免疫功能。海昆肾喜胶囊(haikun shenxi capsule, HSc)是中国科学院海洋研究所开发、用于治疗慢性肾功能衰竭的海洋中药[11]，其结构主要是以α-(1→2)-L-Fuc-4-OSO3 ﹣为主和少量的α-(1→3)或α-(1→4)连接的硫酶化α-L-Fuc- 4-OSO3 ﹣组成。Ren等[12]报道，褐藻糖胶可刺激肠上皮细胞过氧化氢酶的表达，增加前列环素(PGI2)的产生，缩短溶栓时间。Hernández-Corona等[13]研究发现，用药3个月，褐藻糖胶可以降低肥胖或超重患者舒张压和LDL-C水平，增加胰岛素分泌、改善胰岛素抵抗，表明褐藻糖胶可用于治疗肥胖引起的慢性代谢紊乱疾病。最近，Tsai[14]对降解后的低分子量褐藻糖胶(LMWF)等开展临床试验，评价了LMWF作为辅助治疗在转移性结直肠癌(mCRC)患者中的疗效，结果表明LMWF联合化疗药物可显著提高mCRC的疾病控制率。

　　随着褐藻酸和褐藻糖胶相关的海洋药物被研发，褐藻淀粉的结构活性研究也日益受到人们的关注。Yu等[15]在褐藻中发现了一种β-1,3/1,6-葡聚糖(BG136)，其可通过toll样受体4对RAW264.7巨噬细胞显示出免疫调节作用。目前，BG136作为一种具有免疫调节作用的抗肿瘤先导化合物，处于临床前研究阶段。另外，昆布多糖在乌克兰已被用作碘缺乏症患者的膳食补充剂。

　　卡拉胶是从红藻中提取的一类硫酸半乳聚糖，该多糖是由α-(1→3)和β-(1→4)连接的半乳聚糖组成，根据硫酸基的含量和取代位置不同，卡拉胶可分为十几种结构类型。卡拉胶除了作为增稠剂、凝胶剂等用于食品领域外，还具有抗病毒(HSV、HIV)、抗肿瘤及抗氧化等活性，可用于药物开发[16]。卡拉胶的抗病毒作用主要发生在病毒感染早期，通过抑制吸附、侵入、脱离等病毒复制过程，也可通过增强宿主免疫力或直接杀死病毒来发挥抗病毒活性。卡拉胶可抑制病毒Enterovirus 71(EV71)的复制，通过阻断病毒进入细胞而抑制EV71的感染以及抑制 EV71诱导的细胞凋亡，同时卡拉胶可以与EV71缔合形成复合物，从而破坏病毒-受体的相互作用[17]。

　　3 海洋动物来源糖类化合物及药物研发

　　海洋动物种类繁多，小到单细胞原生动物，大到几百吨的鲸类，这也导致了海洋动物来源糖类化合物的结构和生物活性的多样性。

　　甲壳质在自然界中的储量近次于纤维素，是由β-(1→4)-氨基葡萄糖组成，是自然界唯一的碱性多糖。甲壳质主要来源于海产品加工过程中的虾蟹壳等，其可经化学酶法降解、乙酰化和羧甲基化修饰等步骤获得壳聚糖等衍生物，被广泛用于化妆品、食品添加剂、保健品、生物医药的研究与开发。 2018年，壳聚糖的全球市场有望达到118 000吨。几丁糖酯(PS916)是一种低分子量壳聚糖衍生物药物。以甲壳质为原料，利用45%的氢氧化钠溶液脱乙酰，先后经过羧甲基化和硫酸酯化修饰获得终产物PS916[18]。该化合物不仅具有良好的水溶性、生物相容性，而且与内源性GAGs具有极为相似的结构和理化性质，具有明显的保护内皮细胞和抑制平滑肌细胞增殖、调血脂和抗氧化活性，在抗动脉粥样硬化方面具有良好的应用前景。吕志华[19]利用荧光标记的方法实现了对PS916在大鼠体内的代谢追踪研究。经口服和静脉注射后，发现PS916主要以原型的形式吸收代谢，且主要分布于大鼠的肾脏和肝脏中。Li等[20]分别制备了N-乙酰化和全乙酰化壳寡糖，活性评价显示全乙酰化壳寡糖能显著抑制谷氨酸诱导的细胞凋亡且呈现浓度依赖性，说明乙酰化修饰是壳寡糖发挥神经保护作用的物质基础。另外，壳聚糖具有天然的生物相容性、优良的可降解性和较低的毒性，已有大量报道将其用于靶向药物递送、药物缓释等领域[21]。利用壳聚糖游离氨基和羟基等多重活性中心，经化学物理修饰制备环境、 pH和热敏感响应性以及能够跨越血脑屏障等特征的纳米凝胶、胶束、脂质体、纳米纤维和纳米球等，进而实现口服药物递送、肠外药物递送、黏膜递送、结肠靶向药物递送、局部递送、癌症治疗、疫苗递送和基因递送等。

　　岩藻糖基化硫酸软骨素(FCS)提取自海参体壁，不同种类和来源的FCS(如来源于Holothuria mexicana、 Ludwigothurea grisea、Thelenota ananas)都具有特定的结构特征。通常FCS是由葡萄糖醛酸与氨基半乳糖交替连接作为主链，在葡萄糖醛酸C3 位或氨基半乳糖的C6位具有α-(1→3)或α-(1→4)岩藻糖侧链，而且存在不同硫酸化修饰位点。由于缺乏FCS的特定水解酶，Zhao等[22]利用亚硝酸降解法制备结构均一的FCS低聚糖，并进行了活性研究。从海参中提取获得天然FCS多糖，利用水合肼进行 N-脱乙酰，然后经亚硝酸裂解和硼氢化钠还原后，分离得到聚合度(DP)为3 ～ 18的均一寡糖(图 3)，随后对系列FCS寡糖的结构与其抑制tenase的关系开展系统研究，发现DP≥9的FCS寡糖表现出较强的抗凝血活性，可有效避免FXII激活和血小板聚集导致的出血等副作用。最近，研究人员从不同海参中分离得到一系列结构新颖的FCS，经自由基降解较完整地保留了其原始结构特征，该系列寡糖具有优良的抗凝血活性，并对特鲁索综合征有明显的抑制作用[23-24]。

　　4 海洋微生物来源糖类化合物

　　海洋中的微生物和单细胞生物，包括微藻、细菌、真菌和病毒等，占海洋生物量的98%。海洋微生物多糖、低聚糖等主要来自其胞外多糖，是海洋微生物细胞分泌促进生长的重要次生代谢产物，是其适应生存环境、维持生命活动所必需的活性成分，具有防止捕食性侵略和黏附固体表面等特点 [25]。从海洋细菌Vibrio diabolicus中可分离得到含有葡萄糖醛酸和N-乙酰己糖胺重复单元的透明质酸类糖聚合物[26]。另外，可以利用生物工程、基因改造等手段实现其规模化制备海洋微生物多糖，具有良好的工业应用前景，也为推动微生物多糖的海洋药物研发提供保障。

　　对海洋微生物胞外多糖的研究已有近30年历史，伴随着人们所能涉及的海洋领域逐渐扩大，从一般环境海洋微生物，再到深远海、极地、热液、冷泉等特殊海洋环境微生物，海洋微生物胞外多糖在增强免疫、抗氧化等显示出的广泛生物活性被逐渐认识。伴随着结构和活性研究的不断深入将有助于深入挖掘海洋微生物多糖的药物研发潜力。

　　期刊推荐：《中国现代药物应用》(半月刊)创刊于2007年，是由卫生部主管的部级专业性学术期刊。读者对象为从事临床和医学基础研究的医务工作者。主要介绍国际上先进的理论、观点和研究成果。

　　5 总结与展望

　　近年来，我国在海洋药物特别是海洋糖类创新药物的研发方面，注重基础理论创新、技术方法集成以及成果转化应用，并已取得了一批具有自主知识产权的创新成果。褐藻酸衍生物PSS和PGMS、褐藻糖胶HSc已被CFDA批准在临床使用，抗阿尔茨海默症药物GV-971顺利通过Ⅲ期临床试验，多种海洋糖类候选化合物(HS911、HS203、PGS和HS916)处在不同的临床研发阶段(图4)。尽管我国有丰富的海洋生物资源，且在海洋糖类创新药物研发中处于国际领先地位，目前糖类药物开发仍面临巨大挑战，由于海洋糖分子结构非常复杂，针对海洋糖的作用靶点、作用机制、药代动力学性质、安全性评价等方面亟需建立系统的评价体系，如构建符合国际标准的新药研究规范、建立完善的海洋糖类药物研发“一体化”技术平台等，以加快推进我国具有自主知识产权海洋糖类创新药物的研究与开发。