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河豚毒素TTX如今价格与提取工艺
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河豚毒素的研究进展（高源）
浩瀚的海洋占地球表面积71.8 % ,占地球总体积的90 %以上,在这个具有巨大时空尺度的开放型复杂体系中蕴藏着种类繁多、数量庞大的海洋生物,据估计生物总种类达30多门50 余万种,生物总量占地球总生物量的87 % ,与陆生植物相比,人们对海洋生物的认识和利用率相当有限.
海洋是大自然赋予天然产物化学家进行药物研究的广阔领域,30余年来各国科学家对海洋生物进行了广泛的研究,从中分离和鉴定出15 000余种海洋天然活性物质,并且每年以600～800 个新天然产物的速度增加.海洋生物的特殊生活环境如高压、高盐度、低营养、低温但恒温以及有限的光照和缺氧等决定了海洋生物的次生代谢产物相对陆生植物的次生代谢产物有其独特的特点.
海洋毒素(Marine Toxin) 是海洋生物活性成分中结构独特活性特强的一大类成分,主要包括聚醚梯、线性聚醚、大环内酯聚醚、生物碱聚醚、肽类和河豚毒素(tet rodotoxin , TTX) 类等,其中对TTX 类化合物的认识最早,研究也较深入.本文主要就TTX 类化合物的各方面研究进展进行总结如下.
一、TTX的研究历史
我国历代本草如《神农本草经》和《本草纲目》中都有河豚的记载.河豚（图1）学名：Fugn rubripes,属硬骨鱼纲,鲀形目,鲀亚目,鲀科,是暖水性海洋底栖鱼类,分布于北太平洋西部,在我国各大海区都有捕获,假睛东方豚还经常进入长江、黄河中下游一带水域,而暗纹东方豚亦可进入江河或定居于淡水湖中.
TTX（图2）又称原豚素 ( spheroidine) 和东方豚毒素(fugu poison) ,是一种神经毒素,它的名字来源于动物东方豚属(fugu)河豚(spheroides rubripes)的科名Tet raodontidae .
河豚味道鲜美,营养丰富,日本、中国、欧洲等国人民素有食用习惯,由于TTX 毒性很强,因食用河豚中毒事件屡有发生.最初1909 年田原对河豚鱼卵的神经毒性进行了描述并命名其毒性成分为TTX .1938年日本学者横尾晃,首次从河豚中提取出较纯的毒性成分,到1950 年才分离到单体结晶.随后日本津田恭介小组于1952 年,平田义正小组于1955 年,美国的Woodward 小组于1957年和后来的后藤小组相继分离得到了TTX 单体结晶.
TTX 的分子并不大,其结构新颖,在有机溶剂和水中都不溶解, 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,加之核磁共振技术在20 世纪60 年代刚刚开始应用,给TTX 的结构鉴定带来了相当的困难.为了确定TTX 的结构,日本的津田、平田和美国的Woodward 3 个小组分别制备了TTX 的衍生物并进行X2衍射实验.终于1964 年在京都召开的国际天然产物化学会议上同时报告了TTX 的正确结构,是一种分子量不大但结构很复杂的笼形原酸酯类生物碱,分子中几乎所有的碳原子均有不对称取代.同年Mosher 从产于加利福尼亚的蝾螈中也分离出TTX.1964 年以前日本和美国学者对TTX 的结构进行了深入的研
究,报道了多个TTX 的可能结构和部分结构.
二、TTX的分布及起源的探讨
1964 年以前,人们普遍认为TTX 仅分布于东方豚中,直到Mosher 从产于加利福尼亚的加州蝾螈中分离出了TTX才改变了人们的认识.研究发现, TTX分布于陆地和海洋的许多动物中,包括毫不相干的脊椎动物,无脊椎动物的体内和体表,甚至海底沉积的生物中,如热带刺鲥鱼,蟾蜍,哥斯达黎加的箭毒蛙,蓝斑章鱼,多棘槭海星,马蹄形蟹,花纹爱洁蟹,腹足纲软体动物如硰罗法海螺,日本东风螺,环节动物以及其他的软体动物和线虫.
既然TTX广泛分布于这么多种的生物体内,那么TTX的起源问题就引起了学者的关注.总结来看关于TTX起源问题,现在有四种假说.分别是内因说、外因说、食物链假说和微生物起源假说.
1、内因假说
主张内因说的学者认为河豚等含有的刺胞、毒腺中的蛋白质毒素是内源性毒素的来源.推测河豚鱼体内有特定功能或微生物能将摄入的食物转化为毒素.Matsumura 用人工授精法从河豚鱼( Fugu ni2phobles) 卵母细胞发育的胚胎中发现河豚毒素的毒性随胚胎发育不断增高,提出TTX 是河豚鱼胚胎的产物但始终没有更多证据证实这种说法,因此内因说没有得到广泛认可.
2、外因假说
外因说是日本学者清水、松居最早提出的.他们用含TTX 的饵料投喂养殖的无毒河豚及人工采苗饲育的河豚,结果发生毒化现象,推测毒素的起源可能是外因性的.
3、食物链假说
食物链假说是由桥本野口发现并提出的,他从海螺、海星及花纹爱洁蟹( A tergatisf lori dus) 检出高浓度的TTX ,为食物链起源假说提供了证据.Noguchi 证实白法螺( B oshubora) 体内的毒素是进食了含TTX 的海星积累的,这是食物链假说的又一例证.但这些动物含毒程度为何因地区个体的不同有很大差别呢? 毒素起源于含毒饵料假说也有不少难以自圆之处.
4、 微生物起源假说
于是松居提出了TTX微生物起源假说,但当时并无实验证据.微生物起源假说日本安元健从藻食性青点鹦嘴鱼中检出的毒素经氢氧化钠衍生后生成TTX 衍生物22氨基262羟甲基喹唑啉(C9 碱) ;对摄食石灰藻的铜铸熟若蟹的检测证实同样含TTX;而不摄食石灰藻的多毛纲动物也检测到TTX 衍生物,因此认为石灰藻并非原始产毒者,推测石灰藻上可能有共生细菌附着.Nogu2chi 等由石灰藻和毒蟹的内脏分离的假单胞菌属 ( Pseudomonas) 细菌培养液中得到2 个有毒成分,确证分别与河豚毒素及脱水河豚毒素一致,碱液分解也生成C9碱;高压液相,红外光谱、质谱分析确证是TTX;分别注射小鼠腹腔,显示了与河豚毒素和脱水河豚毒素相对应的致死率,从而证实TTX是细菌的代谢产物,这是TTX起源于共生微生物的最早证据.迄今已发现很多产TTX 的微生物类群.因此主张微生物起源假说的学者越来越多.
1986 年日本学者野口和安元又首次从微生物发现TTX .随后众多的微生物如弧菌属、假单胞菌属、发光菌属、气单胞菌属、邻单胞菌属、芽胞杆菌属、不动杆菌属、链霉菌属等中发现了TTX 及其类似物,从而支持了Mosher 的假设.
三、TTX的生物活性
TTX 是发现最早的小分子海洋毒素,分子量为319(C11H17N3O8) ,毒性极大,LD50为8. 7μg/ kg ,是氰化钠的1000 倍.很多海洋食品中毒事件都与TTX 有关,河豚中毒是鱼类中毒中最为严重的一类,患者病死率高达60 %.
TTX中毒的主要临床表现为知觉麻痹、运动障碍、头晕头痛、恶心呕吐、血压下降、呼吸困难、严重者因呼吸衰竭而死亡.TTX 还是麻醉剂, 其局部麻醉作用是普鲁卡因(procaine)的4000倍,可作为癌症后期的缓解药.TTX 的作用机理与陆地发现的毒素不同,极低的浓度就能选择性地抑制钠离子通过神经细胞膜,但却允许钾离子通过, TTX 是一种电压敏感的钠通道(voltage2gated sodium channels ,VGSC)外口特异性阻滞剂,神经、肌肉、心肌传导纤维等可兴奋细胞膜生的钠通道,并具有高度专一性,其作用机制是通过与膜上的专一受体结合,再通过关启机制关闭通道,从而阻滞神经细胞的兴奋与传导.（见图3）
TTX 分子中1 ,2 ,32胍氨基及其附近的C4 ,C9 ,C10 碳上的羟基为活性基团.胍氨基在生理条件下通过质子化形成正电活性区域,与专一受体蛋白的负性羟基结合, 其周围羟基以氢键形式与受体结合,受体位于膜外层离子孔附近.
TTX 是神经生物学和药理学研究极为有用的工具药.TTX 还是一种较强的镇痛药,除对术后疼痛无效外,对其他疼痛均有效,作用缓慢且持久,目前还没有成瘾性的报道.
四、TTX的检测方法
近年来,随着渔业的发展,河豚鱼中毒事件的屡次出现,以及当前可能被恐怖分子利用的潜在威胁,使TTX的检测越来越为人们所重视,并具有重要的现实意义.现有的检测方法可分为生物测定法、理化分析法和免疫化学法.本文对各种TTX的检测方法加以简单的介绍,具体的方法已有较详细的文献记录,在此就不重复了.以便利用不同的实验条件对TTX进行快速、准确的检测.
1、生物测定法
包括小鼠生物实验法、竞争置换法、组织培养生物实验法、动电位法.
2、理化分析法
包括荧光法、紫外分光光度法、薄层色谱法及其联用技术、电泳法及其联用技术、气相色谱法及其联用技术、高效液相色谱法及其联用技术.
3、免疫化学检测法
TTX的检测方法很多,每种方法都有其优缺点,可根据实验条件及要求选择恰当的检测方法.TTX作为钠离子通道阻断剂,虽然毒性强,但在临床中也可作为高效镇痛剂,并且对某些肿瘤有抑制作用,在神经生物学、药理学、肌肉生理学等方面被广泛用于工具药.随着TTX检测手段的不断完善, TTX的研究将会有更大的发展,在食品检验、中毒诊断、治疗及国家安全等方面发挥更大的作用.
五、TTX的类似物
除TTX 以外, 从河豚鱼、蟾蜍、金色青蛙、蝾螈、水蜥、扁状蠕虫、贝壳类、海藻、微藻、细菌等水生动物和微生物中分离鉴定了20 余种TTX 的类似物.（见图4）这些化合物都是引起食物中毒的成分,20世纪80 年代在日本、加拿大、荷兰、台湾、香港、新加坡、马来西亚、澳大利亚、美国、孟加拉、菲济等地区发生的多起海鲜中毒事件均与此类化合物有关.
六、TTX的全合成
TTX 独特复杂的结构和显著的生物活性吸引了大批有机化学家对其全合成的兴趣.1972 年日本名古屋大学的岸义人(现哈佛大学教授)首先报道了TTX 消旋体的全合成,随后的30年间虽然对其全合成的研究也有报道,但没有完成全合成的报道,TTX 一直被有机合成化学家认为是一个极富有挑战性和吸引力的,同时也是非常令人可畏的全合成目标.
近年来随着不对称合成有机化学的迅速发展,2003 年名古屋大学的矶部稔教授完成了对TTX 的不对称全合成,随后又有几个小组采用不同的合成路线完成了对TTX 的不对称全合成.（见图5）不对称全合成均采用了逆合成的思路,合成策略.合成的难点是构筑季碳的不对称中心.
相信随着新的不对称合成反应试剂和新的化学反应的发现,对TTX及其类似物的不对称全合成会有新的更为简洁的合成路线和方法.
七、TTX的医药开发前景
1、TTX提取纯化工艺的研究
1909年日本田原良纯首次报道河豚毒素提取工艺,其纯度只有0.2％,随后50年代横尾等又相继报道了改进工艺,我国直到上世纪80年代才由河北省水产研究所与中国人民解放军药物化学研究所共同合作提取成功,于1982年1月9日鉴定通过,打破了日本在这方面的垄断技术.河豚毒素粗品的提取方法大同小异：使用水浸泡、酸提取,盐沉淀除杂质,再用氨水沉淀,得到河豚毒素粗品.随着科技的发展和技术的更新,河豚毒素纯化工艺有很大改进,从田原良纯提取得到的粗品的基础上采用氧化铝柱层析进行纯化,随后又改进为活性炭柱层析纯化等方法.
宫庆理等采用大孔树脂D201和离子交换树脂IRC286进行吸附,用去离子水将杂质洗掉,再用酸将河豚毒素洗脱下来,采用高效液相色谱制备得到高纯度的河豚毒素,纯度为99.5％,粗品精制得率为81.1%,将河豚毒素的纯化工艺又提高了一个层次.目前的提取纯化工艺成熟,在提高产率的同时,又能获得高纯度的河豚毒素,确保了河豚毒素原料的生产.
2、TTX质量控制方法可行性
国内外研究河豚毒素检测方法主要有生物测定法、高效液相色谱紫外检测法（HPLC-UV）、高效液相色谱荧光检测法（HPLCFLD）、高效毛细管电泳法（HPCE）、液质联用、气质联用等方法.生物法有酶联免疫（ELISA）法和小鼠法等.ELISA法具有特异性好、灵敏度高,可定量检测,而且有采样量极小等特点,多用于河豚毒素的痕量检测；小鼠法是利用河豚毒素的毒性特点进行的小鼠毒性检测的方法,方法简便,但定量不准确且重复性差、目标性差,现已少用.
HPLCUV法是常用的检测手段,既可以检测含量,又可以作为有关物质的考察,河豚毒素没有紫外光谱特征吸收,采用末端吸收进行检测；国外多采用柱后衍生化荧光检测的方法进行含量测定,河豚毒素本身没有荧光,氢氧化钠破坏后产生降解产物C9碱具有荧光；荧光检测的灵敏度比紫外检测的灵敏度高,但在含量测定检测结果上两种方法不存在显著性差异.
HPCE法具有高分离度和高柱效的优点,但其有重现性差、灵敏度低、需要加入内标才能定量,在有更好的HPLC检测方法时,HPCE只能作为一个补充方法.具有高灵敏度与选择性的液质联用和气质联用在分析河豚毒素及其类似化合物时显示出了其特有的专属性和高分辨、高灵敏的优越性,也是近几年研究较多的方法,为河豚毒素杂质定性检测提供保障.
国内的研究方法主要是在国外的研究基础上进行的,并没有太大的改进.目前的研究方法足以确保河豚毒素药品的质量检测,很少有报道研究河豚毒素有关物质的方法,所以还应对其有关物质的检测方法做研究,确保河豚毒素药品质量和用药安全.
3、河豚毒素医药开发展望
河豚毒素虽为剧毒,但是其高活性和高特异性的生物特征有着潜在的、巨大的医药开发价值,在临床应用方面有广阔的前景,如果利用妥当,“变毒为宝”,既减少河豚毒素处理不当对环境造成的污染,又可以创造经济利润.从稀有昂贵的河豚鱼卵巢、肝脏等内脏器官中提取河豚毒素,技术要求精湛,寻找到先进、合理的提取工艺,可以申请专利,形成技术壁垒,具有很高的商业开发价值.
河豚毒素的临床应用研究显示,河豚毒素可以用作消炎镇痛药物、还有局麻、治疗肌肉痉挛的功效,河豚毒素既可以治疗心血管疾病,又可以作为毒品的戒断药物.日本有河豚毒素针剂,国外其它国家尚未有以河豚毒素为主药成分的药物研究,国内已有多个厂家正在申报河豚毒素的原料药及其制剂,现已通过审评进入临床阶段,充分肯定了河豚毒素开发的可观前景.
八、TTX的应用前景,存在的问题及展望
尽管TTX 及其类似物作为防御性化学武器广泛分布于海生动物和两栖动物中,但对它们的生物合成途径还知之甚少.很多细菌可以合成TTX 及其类似物,但为什么要合成这些毒素,为什么TTX集中分布于河豚鱼的卵巢部位,目前还没有得出肯定的结论.
近年来关于TTX 及其类似物的不对称合成已经完成,但其产量低,目前TTX 的供应主要依靠于从河豚中直接提取,致使TTX 类化合物非常昂贵,这在一定程度上限制了TTX 类化合物作为工具药的广泛应用.
关于TTX 及其类似物的化学结构研究已经成熟,但关于TTX 的结构修饰和构效关系的研究还未见报道.由于TTX 类化合物的毒性太强,限制了其临床应用,将来经过结构修饰或改造降低其毒性有可能扩大其临床应用.其药理作用和临床应用已有专门综述,但新的作用机制还在不断的被发现.