В статье затронута мало освещаемая, но очень важная область исследований океана, поиск и выделение фармакологически активных продуктов естественного происхождения. Это направление расширяет задачи традиционной аквакультуры, вовлеченной лишь в производство продуктов питания.

Морские естественные продукты, с уникальными структурными особенностями и выраженной биологической активностью, продолжают лидировать в качестве объекта поиска новых лекарственных средств. Беспозвоночные, такие как губки, оболочники, моллюски и другие сидячие или медленно передвигающиеся животные, которые в своем большинстве, не имеют морфологических защитных структур, до сих пор обеспечивают основную долю вторичных морских продуктов, включая любопытных кандидатов на роль лекарств. Этот обзор представляет недавние научные открытия группы исследователей, связанные с естественными продуктами морских беспозвоночных. Освещенные в статье области включают экологические функции вторичных метаболитов губок против хищных рыб, поиск новых фармакологически активных метаболитов губок, оболочников и связанных с губками грибов, использование их в качестве источника новых биологически активных природных продуктов.

Фармакологически активные вещества из наземных растений

Природа непрерывно обеспечивает человечество обширным и разнообразным по структуре рядом фармакологически активных веществ, которые подтвердили свою незаменимость в лечении смертельных заболеваний или в качестве основы для новых фармацевтических средств. По крайней мере, до появления антибиотиков, пенициллина, стрептомицина и других, высшие наземные растения (преимущественно благодаря своей высокой доступности для человека) являлись ключевым сырьем в разработке лекарств. Подтверждением этому служит важная роль медицинских растений в основанной на эмпирическом опыте традиционной медицине. Даже сегодня, наряду с современными, часто ориентированными на определенную мишень методами разработки лекарств, наземные растения продолжают обеспечивать сырье для создания большинства необходимых фармацевтических средств. Примерами служат Паклитаксел (таксол) из Taxus brevifolia; Этопозид (вепезид), производное от частичного синтеза лигнана подофиллотоксина, выделенного из Podophyllum peltatum или Иринотекан (камптозар), полученный путем оптимизации структуры алкалоида камптотецина из Camptotheca acuminata. Довольно странно, что океаны, покрывая 70% поверхности Земли и длительное время играя важную роль в обеспечении человека пропитанием, лишь недавно привлекли внимание в качестве источника лекарств.

Первые находки «лекарств в море»

Первыми естественными продуктами, выделенными из морских организмов и убедительно выступающими в качестве базового элемента в разработке фармацевтических средств, явились необычные нуклеозиды spongouridin и spongothymidin из губки Cryptotethya crypta (Bergmann and Feeney 1951), которые выступают сырьем для производства антивирусных препаратов, например, AraA. Открытие простагландинов в Карибской горгонарии, Plexaura homomalla (Weinheimer and Spraggins 1969) рассматривалось как отправная точка в создании лекарств. Однако, это случилось ко времени определения их роли в организме человека в качестве медиаторов различных процессов, в частности, воспалительном процессе. Прогресс в развитии технологий подводного плавания позволил химикам собирать организмы на такой глубине, которая значительно ниже глубины погружения пловца с маской и трубкой. Кроме того, совершенствование спектроскопии, необходимой для выявления часто сложных вторичных метаболитов, явился сильным стимулов в поиске «лекарств в море».

Губки, оболочники, мшанки и моллюски — лидеры по поставкам биологически активных веществ

С начала исследований морских природных продуктов в конце 1960-х годов и до настоящего времени выделено свыше 10000 различных веществ. В отличие от суши, где основным источником биологически активных веществ являются растения, в море в этом плане лидируют губки, оболочники, мшанки и моллюски. Беспозвоночные, особенно, губки не только образуют большое количество всех известных морских продуктов, но демонстрируют химическое разнообразие этих веществ. Они включают такие важнейшие группы веществ как алкалоиды, пептиды, терпены и поликетиды. Неудивительно, что около 13 морских продуктов (или аналоги, их производные) сегодня проходят клинические испытания, 12 из которых выделены из беспозвоночных (Proksch et al. 2002). Тринадцатый компонент (скваламина лактат) выделен у акул, и пока не получен у водорослей или морских микроорганизмов (Proksch et al. 2002). На сегодня два наиболее многообещающих продукта, зиконотид (Ziconotide) и эктеинасцидин 743 (Ecteinascidin 743, ET 743), получены от моллюска конуса мага (Conus magus) и оболочника Ecteinascidia turbinata, соответственно (Proksch et al. 2002). Зиконотид является новым анальгетиком для купирования боли при злокачественных заболеваниях (онкология, СПИД) и незлокачственных нейропатических болях (Olivera 2000), ET 743 новый компонент борьбы с раком, широкого спектра активности, особенно против солидных опухолей (сарком и рака груди) (Valoti et al.1998). В 2003 году ожидается внедрение препаратов на основе ET 743. Применение зиконотида уже одобрено (Proksch et al. 2002).

Значение биологически активных веществ для беспозвоночных

Частая встречаемость биологически активных веществ у сидячих или медленно передвигающихся морских беспозвоночных, губок, оболочников, моллюсков без раковин, которые не имеют морфологических защитных структур (раковин, шипов), неудивительно и отражает экологическую приспособляемость. Эта адаптация позволила хрупким существам выживать и процветать, несмотря на хищничество со стороны рыб и других животных (Proksch and Ebel1998; Proksch 1999; McClintock and Baker 2001). В морской, также как и наземной среде, накопление токсинов и/или неприятных по вкусу естественных продуктов выступают эффективной стратегией отпугивания потенциальных хищников или соседей, конкурирующих за территорию. Показано, что вещества, которые защищают беспозвоночных продуцентов от хищников (Дидемнин B, didemnin B; Lindquist et al.1992) или их быстродействующие нейролептические токсины нападения (токсины моллюска конуса), также интересные кандидаты на роль лекарств. Пример этому история успеха зиконотида (Olivera 2000). Экологические наблюдения позволяют отыскивать организмы, потенциальных носителей биологически активных веществ. Они предоставляют ценную информацию для отбора подходящих животных для проведения фармакологического скрининга, что ведет к открытию лекарств.

Синтезировать сложно, а добывается мало

С самого начала исследований проблема поставок морских продуктов замедляет открытие лекарств. Естественная концентрация многих фармакологически активных веществ в морских организмах мала и иногда менее 10^-6% от сырой массы. Например, для получения примерно 1 грамма ET 743 потребовалось собрать и переработать 1 метрическую тонну оболочников E. turbinata (Mendola 2000). Очевидно, дальнейший вылов из дикой природы приведет к вымиранию естественных источников многих фармакологически активных продуктов (Proksch et al. 2002). Во многих случаях, химический синтез экономически не целесообразен и не выступает альтернативой. Так, вещество ET 743 структурно очень сложное, с большим числом хиральных центров. Зиконотид является пептидом, поэтому его можно синтезировать в неограниченных количествах. Недавно, однако, наметился значительный прогресс в развитии аквакультуры губок, оболочников и других морских беспозвоночных. Результатом этого станет экологически безопасное и стабильное поступление морских естественных продуктов (Mutter and Wills 2000; Mendola 2000). Оболочников E. turbinata, источник ET 743, а также мшанок Bugula neritina, источник бриостатинов, уже поставляет марикультура. Хотя объемы поставок ещё далеки от покрытия спроса на эти продукты (Mendola 2000). Тем не менее, разрабатываются новые технологии культивирования, которые решат проблему устойчивых поставок беспозвоночных, без вовлечения естественных источников.

Культивирование эндосимбионтов беспозвоночных решит проблему биосинтеза лекарств

С позиции биотехнологии, решение проблем поставок препаратов возможно с вовлечением в биосинтез связанных микроорганизмов эндосимбионтов губок, мшанок или оболочников (Proksch et al. 2002). Фактически, многие, если не все морские беспозвоночные являются пристанищем цианобактерий, бактерий, одноклеточных водорослей и грибов. Эти микроорганизмы эндосимбионты располагаются во внеклеточном и внутриклеточном пространстве хозяев (Vacelet and Donadey 1977; Wilkinson 1992; Friedrich et al. 1999) и могут иногда составлять существенную долю биомассы хозяина. Например, биомасса средиземноморской губки Aplysina aerophoba на 40% состоит из микроорганизмов. Часто выдвигаются предположения, что микроорганизмы, проживающие в беспозвоночном или захваченные им в ходе питания и фильтрации, вовлечены в биосинтез естественных продуктов. Во многих случаях, эти гипотезы основываются на том, что многие вещества, выделенные из морских беспозвоночных, имеют явное структурное сходство или даже идентичны аналогам микробного происхождения. Например, стауроспорин и несколько его аналогов недавно найдены в морском оболочнике Eudistoma toealensis и связанном с ним плоском черве Pseudoceros sp. (Schupp et al. 1999, 2002). Эти же вещества ранее выделены из актиномицетов Saccharothrix aerocolonigenes (Streptomyces staurosporeus). Детальное изучение структуры противоопухолевого вещества ET 743 из оболочника E turbinata показало его сходство с сафрацином B, метаболитом Pseudomonas fluorescens (Ikeda et al. 1983). Для других веществ, выделенных из губок, найдены более достоверные свидетельства их микробного происхождения. Например, губка Theonella swinhoei, выловленная на Филиппинах или Микронезии, содержит циклический пептид теопалауамид (theopalauamide) и макролид свинхолид A (macrolide swinholide A). Клеточное фракционирование в ходе дифференциального центрифугирования показало присутствие теопалауамида только в нитчатых бактериях, связанных с губкой, тогда как свинхолид обнаружен в фракции, содержащей преимущественно одноклеточные бактерии (Bewley et al.1996; Bewley and Faulkner 1998). Используя секвенирования гена 16S рибосомальной ДНК нитчатых бактерий, содержащих теопалауамид, удалось вычислить принадлежность бактерии к сестринскому таксону дельта-протобактериям — Myxococcales (Schmidt et al. 2000). Однако попытки культивирования бактерии оказались неудачными.

Опираясь на вышеприведенные факты и многочисленные исследования, видится вероятным вовлечение микроорганизмов в биосинтез естественных продуктов, выделенных из беспозвоночных. Хотя непосредственных свидетельств этому мало. Тем не менее, поиск микроорганизмов источников фармакологически активных веществ в морских беспозвоночных, вместе с разработкой методов их культивирования, либо молекулярных методов переноса бактериальных генов, вовлеченных в биосинтез продуктов (т.е. поликетид синтаз), в более управляемые системы является перспективным направлением.

——

Progress in Molecular and Subcellular Biology. 2003. Müller et al..