認識河豚毒素及其類似物

 

    河豚毒素（Tetrodotoxin，TTX）研究歷史

 

    在我國歷代本草如《神農本草經》和《本草綱目》中都有關于河豚毒素的記載。河豚毒素又稱原豚(Spheroidine)和東方豚毒素(Fugu poison)是一種神經毒素，它的名字來源于動物東豚屬(Fugu)河豚(Spheroides rubripes)的 科名 - 2 - Tetraodontidae。由于河豚味鮮美, 營養豐富, 日本、中國，歐洲等國人民素有食用習慣, 由于河豚毒素毒性很強, 因食用河豚中毒事件屢有發生。 zui初是在1909年田原對河豚魚卵的神經毒性進行了描述命名其毒性成分河豚毒素(Tetrodotoxin)，1938年日本學者橫尾晃從河豚中提取出較純的毒性成分，但直到1950年才分離到單體結晶，隨后日本津田恭介小組于1952年，平田義正小組于1955 年，美國的Woodward小組于1957年和后來的後藤小組等相繼分離得到了河豚毒素單體結晶。雖然河豚毒素的分子并不大，由于其結構新穎，在有機溶劑和水中都不溶 解，僅溶于醋酸等酸性溶劑，并且在堿性和強酸性溶劑中不穩定，加之核磁共振技 術在六十年代剛剛開始應用，給河豚毒素的結構鑒定帶來了相當的困難。為了確定河豚毒素的結構，日本的津田，平田和美國的Woodward三個小組均分別制備了河豚 毒素的衍生物并進行X-衍射實驗。終于在15年后的1964年在京都召開的天然產 物化學會議上三個研究小組同時報告了河豚毒素的正確結構，是一種分子量不大但 結構很復雜的籠形原酸酯類生物堿 ，分子中幾乎所有的碳原子均有不對稱取代,同年Mosher從產于加利福尼亞的蠑螈中也分離出了河豚毒素。在1964年以前日本學者和美國學者對河豚毒素的結構進行了深入的 研究，報道了多個河豚毒素的可能結構和部分結構。

 

    河豚毒素的分布

 

    在1964年以前，人們普遍地認為河豚毒素僅分布于東方豚中，直到1964年 Mosher從產于加利福尼亞的加州蠑螈(Taricha torosa, Taricha rivularis, and Taricha granulosa)中也分離出了河豚毒素才改變了人們這一片面的認識。現在的研究發現，河豚毒素分布于陸生和海洋中的許多動物中, 包括毫不相干的脊椎動物，無脊椎動物的體內和表體，甚至海底沉積的生物中，如熱帶刺鰣魚(Yongeichthys criniger)， 蟾蜍，哥斯達黎加的箭毒蛙(Aopus species)皮，藍斑章魚(Octopus maculosa)，多棘槭海星(Astropecten polyacanthus)， 馬蹄形蟹(Carcinoscorpius rotundicauda)，花紋愛潔蟹(Atergatis floridus)，腹足綱軟體動物如硰羅法海螺(Charonia sauliae), 日本東風螺(Babylonia japonica), 環節動物(Annelida)以及其他的軟體動物(Mollusks)和線蟲(Lineus fuscoviridis, Tubulanus punctatus)中。鑒于河豚毒素分布于如此廣泛的動物 中，1984年Mosher和Fuhrman提出一個令人鼓舞的假設：河豚毒素的真正來源不是這些動物本身，而是和這些動物共生的或感染的微生物或通過食物鏈獲得的微生物如細菌，微藻等，盡管當時還沒有從微生物中發現了河豚毒素存在的報道。直到1986年日本學者野口和安元從微生物發現了河豚毒素 。隨后從眾多的微生物如弧菌屬(Vibrio sp), 假單胞菌屬(Pseudomons sp), 發光菌屬(Photobaterium sp), 氣單胞菌屬(Aeromonas sp), 鄰單胞菌屬(Plesiomoanas sp), 芽胞桿菌屬(Bacollus sp), 不動桿菌屬(Acinetobacter sp), 鏈霉菌屬(Streptomyces sp)等中均發現了河豚毒素及其類 似物的存在，從而支持了Mosher的假設。

 

    河豚毒素的生物活性

   

    河豚毒素是發現zui早的小分子海洋毒素，分子量僅為319 (C11H17N3O8), 但毒性極大，LD50 為8.7µg/kg，是氰化鈉的1000倍。很多海洋食品中毒事件都與TTX有關，河豚中毒是魚類中毒中zui為嚴重的一類, 因食河豚中毒的患者病死率高達60%。TTX中毒的主要臨床表現為知覺麻痹、運動障礙、頭暈頭痛、惡心嘔吐、血壓下降、呼吸困難、嚴重者可因呼吸衰竭而死亡 。河豚毒素還是一個麻醉劑，其局部麻醉作用是普魯卡因（Procaine）的4000倍，可用作某些癌癥后期的緩解藥。然而更有意義的是TTX的作用機理與陸地發現的毒素不同，在極低的濃度就能選擇性地抑制鈉離子通過神經細胞膜，但卻允許鉀離子的通過，河豚毒素是一種電壓敏感的鈉通道 (Voltage-gated sodium channels (VGSC))外口特異性阻滯劑，對神經，肌肉，心肌傳導纖維等可興奮細胞膜生的鈉通道，并具有高度專一性，其作用機制是通過與膜上 的專一受體結合，再通過關啟機制是通道關閉，從而阻滯神經細胞的興奮與傳導。 河豚毒素分子中1,2,3-胍氨基及其附近的C4, C9, C-10碳上的羥基為活性基團。胍氨基在生理條件下通過質子化可形成正電活性區域，與專一受體蛋白的負性羥基結合， 其周圍羥基以氫鍵形式與受體結合，受體位于膜外層離子孔附近。河豚毒素是神經生物學和藥理學研究極為有用的工具藥。河豚毒素還是一種較強的鎮痛藥，除對術后疼痛無效外，對其他疼痛均有效，作用緩慢且持久，目前還沒有見成癮性的報道。

 

    河豚毒素的類似物

 

    除了河豚毒素（Tetrodotoxin，TTX）以外，到目前為止從河豚魚(Puffer fishes, Takifugu pardalis, Takifugu niphobles, Takifugu rubripes, etc.)，蟾蜍，金色青蛙 (Aopus zeteki, Aopus chiriquiensis)，蠑螈, 水蜥(Notophthalmus viridescens), 扁狀 蠕蟲，貝殼類(shellfish)，海藻，微藻，細菌等水生動物和微生物中分離鑒定了二十余個河豚毒素的類似物。這些化合物都是引起食物中毒的成分，八十年代在日 本，加拿大，荷蘭，中國臺灣, 香港，新加坡，馬來西亞，澳大利亞，美國，孟加拉， 菲濟等地區發生過多起因吃海鮮中毒事件均與含有此類化合物有關。

 

    河豚毒素的全合成

 

    河豚毒素(TTX) *復雜的結構和顯著的生物活性吸引個大批有機化學家對其全合成的興趣。1972年當時日本名古屋大學的岸義人(現哈佛大學教授)首先報道 了河豚毒素消旋體的全合成，隨后的30年間雖然對其全合成的研究也有報道，但沒有完成全合成的報道，河豚毒素一直被有機合成化學家認為是一個極富有挑戰性 和吸引力的同時也是非常令人可畏的全合成目標。近年來隨著不對稱合成有機化學 的迅速發展，2003年同是名古屋大學的磯部教授完成了對河豚毒素的不對稱全合成，隨后又有幾個小組采用不同的合成路線完成了對河豚毒素的不對稱全合成。zui近的不對稱全合成均是采用了逆合成的思路。合成 的難點是構筑季碳的不對稱中心。相信隨著新的不對稱合成反應試劑和新的化學反應的發現，對河豚毒素極其類似物的不對稱全合成今后還會有新的更為簡潔的合成 路線和方法。

 

    盡管河豚毒素及其類似物作為防御性化學武器分布于如此廣泛的海生動物和兩棲動物中，但關于它們的生合成途徑還知之甚少。很多細菌可以合成河豚毒素或其 類似物，但為什么要合成這些毒素，為什么河豚毒素又比較集中地分布于河豚魚的 卵巢部位，目前還沒有得出肯定的結論。雖然近年來關于河豚毒素及其類似物的不對稱合成已經完成，由于受產率低的限制，目前關于河豚毒素的供應還主要依靠于從河豚中直接提取，致使河豚毒素類化合物非常昂貴，這也在一定程度上限制了河豚毒素類化合物作為一個非常有用的工具藥的廣泛應用。關于河豚毒素及其類似物的化學結構研究已經成熟，但關于河豚毒素的結構修飾和構效關系方面的研究還沒見報道。目前由于河豚毒素類化合物的毒性太強，限制了其臨床應用，將來經過結構修飾或改造降低其毒性有可能擴大其臨床應用。關于其藥理作用和臨床應用已有專門綜述，但新的作用機制還在不斷的被發現。