「毒咬」之藥 ─ 來自大自然的巡航導彈

撰文│郭珩輝
中文翻譯│陳靜

天然毒液和毒素因其卓越的藥效,長期以來令人類深深著迷。自古以來,人們就懂得從大自然中尋找各種天然材料來改善健康,治療疾病。而這些天然材料都是取自於人類聚居地附近以及偏遠地區的動植物和礦物質。數百萬年以來,這些地區都不斷上演著一場為生存而鬥爭的生物戰。現代生物學家認為應該將這些生物武器用來造福人類,用於對抗目前尚未能根治的頑疾。這是現代生物學的一個悖論──在實驗中,利用很多天然毒素所具有的多樣性和選擇性,來研究生理功能紊亂背後的生物機理;另一方面,透過阻礙生物功能或機理的正常運作從而增加對天然毒素特性的瞭解。

1. 希拉毒蜥(學名:Heloderma suspectum

希拉毒蜥(圖1)和墨西哥串珠蜥蜴(圖2)是同屬於毒蜥科的兩個不同物種,一直以來人們誤以為希拉毒蜥和墨西哥串珠蜥蜴是世界上唯一的兩種毒蜥。它們經常出現在民間傳說和神話中;在墨西哥和美國西南部的印第安居民眼裡,它們是邪惡、死亡和權力的象徵。毒蜥慢吞吞的動作以至攻擊時的致命一咬,讓人一方面為之著迷,一方面膽戰心驚,而它們高超的生化戰本領又讓人不由心生敬畏。毒蜥的毒液成分複雜,包含多種生物活性分子,如毒素、蛋白質以及能令入侵者迅速癱瘓的縮氨酸。其劇烈的毒性應該不只是某個成分單一作用的結果,而是所有成分之間複雜的生化、藥理和生理反應的結果。

2. 墨西哥串珠蜥蜴 (學名:Heloderma horridum

過去幾十年間,希拉毒蜥和墨西哥串珠蜥蜴的毒液成為許多科學家研究的對象,特別是新類型藥物的研究。如研發成功,這類新類型藥物將有望應用於臨床治療。然而,美國和墨西哥政府將毒蜥列入《瀕臨絕種野生動植物國際貿易公約附錄二》(CITES Appendix II)以及《歐盟附件乙指定》(EU Annex B designate)內,並禁止毒蜥及其毒液的銷售和出口。大部分關於毒蜥和其毒液的研究都已暫停,是因為對毒蜥毒液進行蛋白質組研究和基因體研究需要犧牲實驗動物或者切除毒蜥的毒液腺,此外,毒液的提取方面也存在諸多問題。

(A) 頭成 30-45 度角的毒蜥正在咀嚼塑料移液器  

經過研究團隊的共同努力和不懈嘗試,我們與美國亞利桑那索諾拉沙漠博物館(Arizona-Sonora Desert Museum)的同事合作設計出一種經改良的簡化方法,可以在不傷害毒蜥的情況下成功提取毒液(圖3)。我們已就該成果發表了一份聯合報告。該研究報告可算是自學者阿靈頓(Arrington)於1930年首個公開發表的毒蜥毒液提取方法以來對該領域最重大的貢獻。

通過蛋白質組和基因組研究,我們對提取自希拉毒蜥和墨西哥串珠蜥蜴的原毒液進行純化和特性分析,從而發現了一種新的縮氨酸Helokinestatin。從希拉毒蜥和墨西哥串珠蜥蜴身上分離出來的Helokinestatin擁有完全相同的基因排序,這或許能解釋為何這兩種毒蜥擁有相似的生物學反應,也表明Helokinestatin可能是由同一祖先毒液縮氨酸進化而來,或是祖先細微進化演變的結果。此外,Helokinestatin的生物活性也為我們提供了大量寶貴的資料和新的研究方向,將來或可幫助我們研發出治療藥物的主要成分。

Helokinestatin作為緩激肽B2受體縮氨酸抑製劑,對毒蜥毒液的總體毒效應起到補充作用。充分瞭解其作用機理後,或可將其用於製造舒緩激肽拮抗劑,以控制癌症及類風濕性關節炎患者因服用消炎藥而出現的相關疾病。當然,此研究加深了我們對毒液成分及其活性的瞭解,這本身已為我們提供了非常有價值的資料,為日後醫藥科研提供參考。

(B) 毒液自毒蜥(頭成水平角度)下顎流出

目前,在所有從毒蜥毒液中分離出來的治療劑當中,最為人所知的莫過於用來治療糖尿病的exendin縮氨酸。這種藥物當中的主要成分是從墨西哥串珠蜥蜴和希拉毒蜥的exendin-3和exendin-4中發現的。基於此方面,這些縮氨酸的哺乳類聚集定位和基因數據具有一定的參考價值。曾有報告指出犬類涎腺含有類似exendin的免疫反應性,不過研究人員未能在人類涎腺組織裡發現exendin免疫反應性。通過解剖毒蜥,不僅可以確定這些縮氨酸在毒液腺裡的分布,還能克隆這些縮氨酸的基因密碼。不過,由於目前美國和墨西哥禁止銷售和出口CITES Appendix II所列明的受保護瀕危物種,這些問題尚未有進一步解答和進展。

為克服這個難題,我們的研究團隊嘗試了一個頗具挑戰性的創新方法,從原毒液本身進行克隆,而特別值得一提的是,我們用毒液充當毒腺組織,結果在沒有犧牲動物的情況下,我們從希拉毒蜥身上成功克隆了exendin-4,同時也獲得了希拉毒蜥exendin-3的首組基因數據。此外,我們也從墨西哥串珠蜥蜴身上獲得了exendin-3及其先導體的首組基因數據。我們的結果證明,採用凍乾長達一年以上的原毒液,也可以成功克隆互補脫氧核糖核酸(cDNA)。雖然這些凍乾的原毒液樣本經過長期冷凍儲存,但我們仍然能夠成功地將其毒液蛋白質的多聚腺苷酸信使核糖核酸(polyadenylated mRNA)復原。而通過這種技術得出的基因數據可用於科學研究與疾病治療。實驗中我們還發現,正如原毒液所展示,培植具有兩親合成縮氨酸的即時聚合酶鏈式反應(RT-PCR)產品會產生滯留效應。我們的結論是,爬行類動物毒液的信使核糖核酸(mRNA)保護是通過目前尚不明確的成分來實現的,而本實驗所採用的程序步驟有效地揭示了毒液腺的轉錄組。以這項創新發現為基礎,我們進一步從毒蜥毒液中分離出染色體脫氧核糖核酸(genomic DNA)。

我們從墨西哥串珠蜥蜴凍乾的毒液中成功克隆了全新的局部12S核糖體核糖核酸基因(partial 12S rRNA gene)。本研究是首次用爬行類動物毒液的單個樣本證明樣本中不僅含有該動物的毒液腺蛋白質組和轉錄組,而且亦含有該動物的基因組。這些發現為獲取分子數據提供了一種快速、非致命性、非侵入性的方法。這種方法不僅不會降低數據的科學穩健性,而且還提供了對同一個瀕危標本開展並連續重複研究的可能性。

醫藥業研發的毒液縮氨酸(資料來源:Bogin 2005)

基於毒液的縮氨酸發現方法已成為醫藥行業關注的領域,目前很多生物技術公司已看到源自各種動物毒液縮氨酸的巨大潛力,並開始思考如何從進化過程中所產生的選擇性和敏感性(表1)裡尋找新的商機。《新科學人》期刊最近發表的一份報告稱,毒液研究已進入基因組時代;換言之,毒液研究已不再是過去那種從成千上萬有毒物質中篩選出潛在藥物的費時費力的工作,而是變成一個高通量的科研技術過程。也因此,毒液不僅成為一個明顯藥源,更成為醫藥業最熱的科研項目之一。

最後,在結束本文之前,我希望通過介紹基於毒液縮氨酸藥物相關的研究,能夠幫助大家認識自然環境以及動物的價值。最近有一些報告指出,許多兩棲動物和爬行類動物的數量正在大幅下降,甚至瀕臨滅絕,而其中一個主要原因就是棲息地的毀滅。毒液領域的研究表明,自然環境以及生活在其中的動物是一個幾乎尚未被挖掘的醫藥活性劑寶庫,因此我們有責任立即採取行動,一同保護我們的自然環境和生活在其中的野生動物。

本文作者為澳門大學健康科學學院助理教授。其主要研究領域是利用天然藥物,(包括採用毒液縮氨酸等)來治療癌症、糖尿病和類風濕性關節炎等疾病。

第10期 | 2014年

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