认识河豚毒素及其类似物

 

    河豚毒素（Tetrodotoxin，TTX）研究历史

 

    在我国历代本草如《神农本草经》和《本草纲目》中都有关于河豚毒素的记载。河豚毒素又称原豚(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豚属(Fugu)河豚(Spheroides rubripes)的 科名 - 2 - Tetraodontidae。由于河豚味鲜美, 营养丰富, 日本、中国，欧洲等国人民素有食用习惯, 由于河豚毒素毒性很强, 因食用河豚中毒事件屡有发生。 zui初是在1909年田原对河豚鱼卵的神经毒性进行了描述命名其毒性成分河豚毒素(Tetrodotoxin)，1938年日本学者横尾晃从河豚中提取出较纯的毒性成分，但直到1950年才分离到单体结晶，随后日本津田恭介小组于1952年，平田義正小组于1955 年，美国的Woodward小组于1957年和后来的後藤小组等相继分离得到了河豚毒素单体结晶。虽然河豚毒素的分子并不大，由于其结构新颖，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 术在六十年代刚刚开始应用，给河豚毒素的结构鉴定带来了相当的困难。为了确定河豚毒素的结构，日本的津田，平田和美国的Woodward三个小组均分别制备了河豚 毒素的衍生物并进行X-衍射实验。终于在15年后的1964年在京都召开的天然产 物化学会议上三个研究小组同时报告了河豚毒素的正确结构，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了河豚毒素。在1964年以前日本学者和美国学者对河豚毒素的结构进行了深入的 研究，报道了多个河豚毒素的可能结构和部分结构。

 

    河豚毒素的分布

 

    在1964年以前，人们普遍地认为河豚毒素仅分布于东方豚中，直到1964年 Mosher从产于加利福尼亚的加州蝾螈(Taricha torosa, Taricha rivularis, and Taricha granulosa)中也分离出了河豚毒素才改变了人们这一片面的认识。现在的研究发现，河豚毒素分布于陆生和海洋中的许多动物中, 包括毫不相干的脊椎动物，无脊椎动物的体内和表体，甚至海底沉积的生物中，如热带刺鲥鱼(Yongeichthys criniger)， 蟾蜍，哥斯达黎加的箭毒蛙(Aopus species)皮，蓝斑章鱼(Octopus maculosa)，多棘槭海星(Astropecten polyacanthus)， 马蹄形蟹(Carcinoscorpius rotundicauda)，花纹爱洁蟹(Atergatis floridus)，腹足纲软体动物如硰罗法海螺(Charonia sauliae), 日本东风螺(Babylonia japonica), 环节动物(Annelida)以及其他的软体动物(Mollusks)和线虫(Lineus fuscoviridis, Tubulanus punctatus)中。鉴于河豚毒素分布于如此广泛的动物 中，1984年Mosher和Fuhrman提出一个令人鼓舞的假设：河豚毒素的真正来源不是这些动物本身，而是和这些动物共生的或感染的微生物或通过食物链获得的微生物如细菌，微藻等，尽管当时还没有从微生物中发现了河豚毒素存在的报道。直到1986年日本学者野口和安元从微生物发现了河豚毒素 。随后从众多的微生物如弧菌属(Vibrio sp), 假单胞菌属(Pseudomons sp), 发光菌属(Photobaterium sp), 气单胞菌属(Aeromonas sp), 邻单胞菌属(Plesiomoanas sp), 芽胞杆菌属(Bacollus sp), 不动杆菌属(Acinetobacter sp), 链霉菌属(Streptomyces sp)等中均发现了河豚毒素及其类 似物的存在，从而支持了Mosher的假设。

 

    河豚毒素的生物活性

   

    河豚毒素是发现zui早的小分子海洋毒素，分子量仅为319 (C11H17N3O8), 但毒性极大，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zui为严重的一类, 因食河豚中毒的患者病死率高达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、严重者可因呼吸衰竭而死亡 。河豚毒素还是一个麻醉剂，其局部麻醉作用是普鲁卡因（Procaine）的4000倍，可用作某些癌症后期的缓解药。然而更有意义的是TTX的作用机理与陆地发现的毒素不同，在极低的浓度就能选择性地抑制钠离子通过神经细胞膜，但却允许钾离子的通过，河豚毒素是一种电压敏感的钠通道 (Voltage-gated sodium channels (VGSC))外口特异性阻滞剂，对神经，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，再通过关启机制是通道关闭，从而阻滞神经细胞的兴奋与传导。 河豚毒素分子中1,2,3-胍氨基及其附近的C4, C9, C-10碳上的羟基为活性基团。胍氨基在生理条件下通过质子化可形成正电活性区域，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。河豚毒素是神经生物学和药理学研究极为有用的工具药。河豚毒素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，目前还没有见成瘾性的报道。

 

    河豚毒素的类似物

 

    除了河豚毒素（Tetrodotoxin，TTX）以外，到目前为止从河豚鱼(Puffer fishes, Takifugu pardalis, Takifugu niphobles, Takifugu rubripes, etc.)，蟾蜍，金色青蛙 (Aopus zeteki, Aopus chiriquiensis)，蝾螈, 水蜥(Notophthalmus viridescens), 扁状 蠕虫，贝壳类(shellfish)，海藻，微藻，细菌等水生动物和微生物中分离鉴定了二十余个河豚毒素的类似物。这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，荷兰，中国台湾, 香港，新加坡，马来西亚，澳大利亚，美国，孟加拉， 菲济等地区发生过多起因吃海鲜中毒事件均与含有此类化合物有关。

 

    河豚毒素的全合成

 

    河豚毒素(TTX) *复杂的结构和显著的生物活性吸引个大批有机化学家对其全合成的兴趣。1972年当时日本名古屋大学的岸義人(现哈佛大学教授)首先报道 了河豚毒素消旋体的全合成，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，河豚毒素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年同是名古屋大学的磯部教授完成了对河豚毒素的不对称全合成，随后又有几个小组采用不同的合成路线完成了对河豚毒素的不对称全合成。zui近的不对称全合成均是采用了逆合成的思路。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，对河豚毒素极其类似物的不对称全合成今后还会有新的更为简洁的合成 路线和方法。

 

    尽管河豚毒素及其类似物作为防御性化学武器分布于如此广泛的海生动物和两栖动物中，但关于它们的生合成途径还知之甚少。很多细菌可以合成河豚毒素或其 类似物，但为什么要合成这些毒素，为什么河豚毒素又比较集中地分布于河豚鱼的 卵巢部位，目前还没有得出肯定的结论。虽然近年来关于河豚毒素及其类似物的不对称合成已经完成，由于受产率低的限制，目前关于河豚毒素的供应还主要依靠于从河豚中直接提取，致使河豚毒素类化合物非常昂贵，这也在一定程度上限制了河豚毒素类化合物作为一个非常有用的工具药的广泛应用。关于河豚毒素及其类似物的化学结构研究已经成熟，但关于河豚毒素的结构修饰和构效关系方面的研究还没见报道。目前由于河豚毒素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。关于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。