胡軍娜，呂春爽，梁思源，安紅艷，趙寶華

(1.河北師范大學(xué)匯華學(xué)院,河北 石家莊 050024；2.河北師范大學(xué)，河北 石家莊 050024)

生物毒素的研究進(jìn)展

胡軍娜1，呂春爽2，梁思源2，安紅艷2，趙寶華2

(1.河北師范大學(xué)匯華學(xué)院,河北 石家莊 050024；2.河北師范大學(xué)，河北 石家莊 050024)

本文對(duì)動(dòng)物毒素、植物毒素和微生物毒素等生物毒素的種類、功能和危害做了簡(jiǎn)要介紹，概括了生物毒素在生物學(xué)、醫(yī)藥學(xué)、農(nóng)藥中的應(yīng)用及進(jìn)展，并對(duì)生物毒素目前的研究發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析，指出了生物毒素研究的熱點(diǎn)。

生物毒素;應(yīng)用;研究進(jìn)展

0 引言

生物毒素又稱生物毒和天然毒素，是指生物來(lái)源并不可自復(fù)制的有毒化學(xué)物質(zhì)，包括動(dòng)物、植物、微生物產(chǎn)生的對(duì)其它生物物種有毒害作用的化學(xué)物質(zhì)。近數(shù)十年間，毒素學(xué)(Toxinology)急速發(fā)展成為一門(mén)重要的交叉性學(xué)科，其研究發(fā)展對(duì)于農(nóng)牧業(yè)、生物醫(yī)藥、生態(tài)環(huán)境、災(zāi)害防治等多方面有重要意義。由于生物毒素的多樣性和復(fù)雜性，許多生物毒素還沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識(shí)，因此，生物毒素中毒癥的救治與公害防治仍然是世界性的難題。

1 生物毒素種類

生物毒素具有多樣性和復(fù)雜性的特點(diǎn)，目前研究報(bào)道的生物毒素主要有以下幾種：

1.1 動(dòng)物毒素(animal toxin)

研究報(bào)道顯示動(dòng)物毒素的主要成分是多聚肽、酶和胺類等[1]。

(1)蜂毒(apisin)。蜜蜂的毒腺能夠分泌蜂毒，其成分有：蜂毒肽，神經(jīng)毒素-蜂毒明肽[2]，對(duì)炎癥具有拮抗作用的肥大細(xì)胞脫粒肽[3]，重要的活性成分-磷脂酶A2，過(guò)敏原-透明質(zhì)酸酶等。具有抗炎，抗腫瘤，鎮(zhèn)痛，降血壓，抗菌，抗凝，改善微循環(huán)的作用[4]。

(2) 蛇毒(venin)。毒蛇的頭部毒腺能夠分泌毒液，大部分屬于酶類[5],含有10多種酶類，如精氨酸酯酶、膠原蛋白酶等。另外還包括一些神經(jīng)毒素、出血毒素、膜毒素和響尾蛇胺等[6]，一定程度上能夠致死。

(3) 蝎毒(Scorpion Venom,SV)，存在于蝎尾部毒腺內(nèi)，是一類具有多種生物活性的蛋白質(zhì)或多肽的混合物。蝎毒主要由兩部分組成，非蛋白部分主要包括甜菜堿、棕櫚酸等化學(xué)成分，蛋白部分主要是毒素和具有藥理活性的蛋白[7]。

(4) 蝦夷扇貝毒素(yessotoxins，YTXs)。高春蕾等從我國(guó)貝類體內(nèi)檢測(cè)出含雙硫酸基的蝦夷扇貝毒素(yessotoxins，YTXs)，其對(duì)人的肝臟[8]、心臟[9]、神經(jīng)系統(tǒng)[10]有損傷?，F(xiàn)100種左右的蝦夷扇貝毒素的同系物發(fā)現(xiàn)于浮游植物和貝類[11-12]。

1.2 植物毒素(phytotoxin)

(1) 軟骨藻酸(Domoic acid)，是由水藻產(chǎn)生的一種生物毒素，經(jīng)食物鏈富集，使動(dòng)物體內(nèi)含有較高濃度的軟骨藻酸，對(duì)所在地區(qū)的生態(tài)環(huán)境造成影響，并引起動(dòng)物發(fā)病和死亡。Wang等[13]研究結(jié)果顯示，軟骨藻酸可對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)造成損害，引起脊髓損傷。

(2) 赭曲霉毒素(ochratoxins,OT)，由曲霉屬和青霉屬中的某些菌種產(chǎn)生的一組次級(jí)代謝物，包含了7種結(jié)構(gòu)類似的化合物，其中以赭曲霉毒素A(OTA)的毒性最強(qiáng)。當(dāng)人畜攝入被這種毒素污染的食品及飼料后會(huì)發(fā)生急性或慢性中毒癥或致畸、致癌、致突變，赭曲霉毒素對(duì)虹鱒魚(yú)的危害有肝臟壞死顏色變暗腎臟腫大死亡率變高等[14]。

(3) 黃曲霉毒素(aflatoxin,AF)，是土壤中常見(jiàn)的病原菌，是自然界中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的理化性質(zhì)最為穩(wěn)定的一類霉菌毒素。黃曲霉素(AFB1)的毒性很強(qiáng)，分別是氰化鉀、砒霜的10倍、68倍[15]。姚佳佳[16]等研究發(fā)現(xiàn)黃曲霉素(AFB1)在低分子量腐殖酸改性蒙脫土吸附量明顯高于蒙脫土原土。黃曲霉毒素能夠抑制合成DNA和RNA，導(dǎo)致細(xì)胞周期混亂，對(duì)肝、腎、肺、胃、結(jié)腸等有致癌作用[17]。當(dāng)前的檢測(cè)方法有美國(guó)研制的檢測(cè)BoNT/A，B，E的雙抗體夾ELISA方法[18],我國(guó)所發(fā)明的生物學(xué)試驗(yàn)法[19]——禽眼瞼注射試驗(yàn)法[20]，費(fèi)氏弧菌發(fā)光強(qiáng)度法[21]。目前人們對(duì)AF在土壤中的遷移、轉(zhuǎn)化等環(huán)境行為還知之甚少。

1.3 微生物毒素(microbial toxin)

微生物在成長(zhǎng)過(guò)程中能夠產(chǎn)生的次級(jí)代謝產(chǎn)物——微生物毒素，種類眾多，但目前研究較少，有很大研究?jī)r(jià)值。

肉毒桿菌毒素(botulinum neurotoxin，BoNT)，是由肉毒梭菌分泌產(chǎn)生的毒素，細(xì)胞膜受體主要是神經(jīng)節(jié)苷(ganglioside，G)[22]，能引起人和動(dòng)物的肉毒中毒。目前，較為簡(jiǎn)有效的辦法包括膠體金免疫層析技術(shù)，間接免疫PCR和夾心免疫PCR檢測(cè)，神經(jīng)節(jié)苷脂-脂質(zhì)體免疫試驗(yàn)方法等[23]。

1.4 其他生物毒素

此外還有赤霉菌毒素、甘薯黑斑病、麥角菌毒素等真菌毒素，肉瘤桿菌毒素、霍亂毒素、大腸桿菌腸毒素等細(xì)菌毒素，赤潮生物毒素、海參毒、巖沙?？镜群Ｑ笊锒尽?/p>

2 生物毒素應(yīng)用

2.1 生物毒素在醫(yī)藥方面應(yīng)用

近年來(lái)，從治療神經(jīng)性疾病、溶血栓、強(qiáng)心、降血壓和抗腫瘤等方面進(jìn)行生物毒素新藥的研發(fā)，且已取得一系列重大進(jìn)展。

2.1.1 抗癌作用

(1) 蜂毒能夠有效的抑制胃癌細(xì)胞(SGC-7901)和肝癌細(xì)胞(SMMC7721)的增長(zhǎng)，并能夠特異性使其凋亡[24]，由于蜂毒具有不定向的毒性，易發(fā)生溶血和過(guò)敏，所以應(yīng)用于臨床需要對(duì)其進(jìn)行改造，以降低毒副作用[25]。

(2) 蝎毒對(duì)血管的刺激和神經(jīng)毒性的作用較小，能夠明顯抑制人體癌細(xì)胞的生長(zhǎng)。李桂生[26]研究表明MTT BMK抑制Bel-7404細(xì)胞增殖，抑制有濃度依賴性，且端粒酶活性的抑制可能是BMK發(fā)揮抗癌活性的作用機(jī)制之一，并可作為評(píng)價(jià)BMK抗肝癌治療效果的指標(biāo)之一。其中，有成功臨床案例表明蝎毒對(duì)腎癌和乳腺纖維瘤具有很好的療效[27]。

(3) 對(duì)癌癥治療也有明顯效果。Lwaguch[28]發(fā)現(xiàn)注射眼鏡蛇蛇毒有抗癌作用，涉谷昌彥[29]發(fā)現(xiàn)蛇毒中的Arg能夠消除由癌癥轉(zhuǎn)移而使血管壁形成的斑塊，防止腫瘤轉(zhuǎn)移。高傳發(fā)等[30]對(duì)蛇毒酶加中藥治療的中晚期腫瘤患者進(jìn)行了臨床試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)總效率超過(guò)40%。

(4) 植物毒素與癌癥的關(guān)系。長(zhǎng)春新堿喜樹(shù)堿紫杉醇用于治療癌癥，對(duì)白血病、腫瘤、癌癥等有良好的療效[31]。通過(guò)家畜中毒研究發(fā)現(xiàn)多種植物毒素具有致畸、致癌和促癌作用，如棒曲霉素[32]。

2.1.2 用于醫(yī)藥的其他方面

(1)治療心血管疾病

目前依據(jù)蛇毒研制的高效藥物有抗凝血藥—英國(guó)研制的蛇類凝血酶；昆明動(dòng)物研究所針對(duì)五步蛇研制的“去纖維蛋白陣”；植物生物毒素研究新藥如強(qiáng)心藥洋地黃、鈴蘭毒苷等。

(2)治療糖尿病

美國(guó)的“希拉毒蜥”的有毒唾液中的伸展蛋白-4可刺激胰島細(xì)胞分泌出大量的胰島素，能夠顯著降糖，被開(kāi)發(fā)為新型抗糖尿病藥和強(qiáng)力減肥藥并已商品化生產(chǎn)。

(3)鎮(zhèn)定劑、止疼藥

模仿有劇毒的W-芋螺毒素的分子結(jié)構(gòu)，人工合成出名為Ziconotide的強(qiáng)力止痛無(wú)成癮性的新藥，阻遏疼痛信號(hào)傳導(dǎo)，從而起到止疼作用[33]。

(4)美容產(chǎn)品

肉毒桿菌毒A(BTX-A)用于治療神經(jīng)肌肉痙攣疾病，已成為國(guó)際市場(chǎng)上的暢銷藥物。注射幾微克的BTX-A就能夠?qū)η嗌倌晷币暫椭欣夏耆搜鄄€下垂起到良好作用，被歐美國(guó)家應(yīng)用于美容除皺和治療多汗癥。[34]。

2.2 生物毒素在開(kāi)發(fā)生物農(nóng)藥上的應(yīng)用

隨著世界各地區(qū)人民環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，對(duì)生物農(nóng)藥的環(huán)境安全性要求漸漸提到了首位。蘇云金桿菌(Bt)殺蟲(chóng)劑就是一種良好的生物農(nóng)藥，它能夠在蟲(chóng)體內(nèi)產(chǎn)生一種蛋白毒素，并且能夠在48 h內(nèi)殺滅超過(guò)100種特異種類的昆蟲(chóng)[35]；甘肅研制出了斑蝥素殺蟲(chóng)劑；阿維菌素能防治森林、棉花、蔬菜、水稻等多種作物的多種害蟲(chóng)；印楝素(Azadirachtin，AZ)是目前世界上公認(rèn)的理想的殺蟲(chóng)農(nóng)藥；蒿素、茼蒿素對(duì)菜粉蝶、小菜蛾幼蟲(chóng)具有拒食活性；生物毒素的生產(chǎn)菌株ZD1代謝產(chǎn)物能夠制備成殺線蟲(chóng)生物毒素，對(duì)松材線蟲(chóng)有良好的毒殺效果，具有良好的應(yīng)用開(kāi)發(fā)前景[36]。

3 生物毒素的研究前景

隨著科學(xué)的發(fā)展，生物毒素研究的不斷深入，人們需要從不同方向不同學(xué)科獲得理論知識(shí)，譬如化學(xué)、植物學(xué)、動(dòng)物學(xué)、微生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等多學(xué)科的理論知識(shí)、實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)技術(shù)，而且緊密地涉及數(shù)學(xué)(分子結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)程序軟件)、物理學(xué)(高能實(shí)驗(yàn)儀器及試驗(yàn)設(shè)備)及化學(xué)(高分子多肽、核酸的人工合成等)等學(xué)科。

3.1 醫(yī)藥方面

(1)目前在癌癥治療中，主要是單一生物毒素用于治療，將毒素合理搭配，可望研究出治療癌癥的新藥。生物毒素的抑癌機(jī)理尚待深入研究。

(2)研究生物毒素的蛋白組成及基因結(jié)構(gòu)，了解其發(fā)生過(guò)程，有目的開(kāi)發(fā)新藥。“單克隆抗體”是目前免疫科學(xué)上的“熱門(mén)”。其原理是將對(duì)于癌細(xì)胞有特殊親合力的(單克隆)抗體，注入病人體內(nèi)，有效追蹤癌細(xì)胞。若將把抗體和生物毒素(一般用蓖麻毒素和白喉毒素)共價(jià)結(jié)合起來(lái)，當(dāng)與癌細(xì)胞結(jié)合時(shí)毒性發(fā)作，便可置癌組織于死地，從而達(dá)到預(yù)定的目標(biāo)。

(3)側(cè)重于肽類分子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)研究，即氨基酸組成、初級(jí)結(jié)構(gòu)、高級(jí)結(jié)構(gòu)及其基因結(jié)構(gòu)和表達(dá)機(jī)制等，研究生物毒素分子結(jié)構(gòu)的修飾加工，探討其功能變化，為開(kāi)發(fā)新藥提供分子設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)。

3.2 分子機(jī)制

探究隱藏于生物活性功能的分子機(jī)制控制，如與細(xì)胞膜上糖蛋白(抗原、抗體和受體)等相互作用的分子機(jī)制。將血液毒作為探針，研究血液系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)的分子作用機(jī)制；將神經(jīng)毒作為“解密器”，探究神經(jīng)遞質(zhì)釋放機(jī)制，探討Na+通道、K+通道和Ca2+通道的分子機(jī)制。

3.3 生物功能

生物毒素的作用機(jī)制中含有大量復(fù)雜的生物學(xué)信息，通常能夠特異性作用于靶分子，從而對(duì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)及生理機(jī)制產(chǎn)生不同的作用效果。因此生物毒素逐漸成為研究酶、受體和離子通道等生物大分子的結(jié)構(gòu)、形態(tài)及功能的有效工具。

3.4 研究方向

生物毒素在預(yù)防公共突發(fā)事件及抵抗生物恐怖事件等問(wèn)題上有良好的研究前景及應(yīng)用價(jià)值。

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Research progress of biological toxins

HU Jun-na1, LYU Chun-shuang2, LIANG Si-yuan2, AN Hong-yan2, ZHAO Bao-hua2

(1.HuihuaCollegeofHebeiNormalUniversity,ShijiazhuangHebei050024,China; 2.HebeiNormalUniversity,ShijiazhuangHebei050024,China)

In this paper, animal toxin, phytotoxin and microbial toxin were introduced briefly in terms of the types, functions and hazards of biological toxins. The application and progress of biological toxins in the area of biology, medicine and pesticide were summarized. Finally, we also analyzed the current research trends of biological toxins, and pointed the hot spots of biological research.

Biotoxin; Application; Research trends

2016-12-06

胡軍娜(1982-)，女，河北元氏人，講師，主要研究方向?yàn)?微生物學(xué).E-mail:13313310861@163.com

趙寶華(1966-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事分子細(xì)菌學(xué)研究.E-mail:zhaobaohua@mail.hebtu.edu.cn

1001-9383(2016)04-0064-05

Q58

A