互动科普

蜗牛的镇痛毒素

Gary Stix

多年来，科学家们一直预测，源自海洋生物的药品将在制药业掀起新的浪潮。一种成分为人工合成的蜗牛毒素的镇痛药新近通过认证，并成为第一批海洋药品之一。

过去18个月来，催眠师、瑜伽老师和针灸医师大行其道。由于不断出现有关伟克适（Vioxx）、希乐葆（Celebrex）、萘普生（Aleve）的负面报道，以及拉什·林堡（Rush Limbaugh，美国著名脱口秀主持人）对镇痛药的上瘾，许多慢性疼痛患者倾向于对各种形式的镇痛替代药物做出理性的选择。

不过对于那些宁愿选择药物止痛而非精神疗法的患者来说，情况也并不是那么糟糕。去年12月底，美国食品与药品管理局（FDA）低调地批准了两种镇痛药，用于缓解对抗炎药和鸦片类制剂耐受的疼痛。抗炎药和鸦片类制剂是目前最常用的两类止痛药物。医学专家对两种新药的上市表示欢迎。“用鸦片和阿司匹林类药物治疗疼痛着实令人尴尬，”美国俄勒冈州保健科学大学（Oregon Health Sciences University）的Edwin McClesfcey说，“鸦片已经使用了两千多年，而阿司匹林也快两百岁了。”

最初获准用于其他病状治疗的药物常常能使难治性疼痛的治疗变得柳暗花明。去年12月31日，FDA批准辉瑞出品的Lyrica（Pregabalin）用干缓解糖尿病和带状疱疹神经损害所致的神经性疼痛。抗惊厥药是包括Lyrica在内的一类药物，已用于缓解疼痛，其中有些药物未得到FDA的正式许可。2000年，华纳-兰伯特（Warner Lambert）公司并入辉瑞，在此之前，该公司为促进抗癫痫药加巴喷丁（Neurontin）的销售，非法宣传该药在治疗神经性

疼痛及其他病状方面的功效。去年，辉瑞答应为此支付4.3亿美元的刑事与民事罚款。

另一种在去年12月份获得FDA认证的镇痛药齐考诺肽（Prialt）没能像普瑞巴林（Lyrica）那样一鸣惊人，爱兰（Elan）公司出产的普瑞奥特（Prialt）（齐考诺狀，ziconotide）需要外接式或植入式药泵将药物经由导管注人脑脊液，该技术只应用于重症艾滋病与肿瘤患者。也许华尔街人并不觉得普瑞奥特光彩照人，但神经科学家和药理学家却认为两种药物中普瑞奥特更加引人注目。“可以说，它是第一种从动物实验进入临床研究的止痛药物，其他药物的止痛作用则发现于非疼痛病状的治疗过程之中，然后经由动物实验得以验证。”加州大学旧金山分校的解剖学教授Allan I. Bashbaum说，“确实存在值得研究的新的药物作用靶点，这便是证据。”

普瑞奧特是堪称魔术师的锥形蜗牛（学名Conusmagus，生活在印度太平洋海域的软体动物）的一种毒素的人工合成制剂，也是最早的海洋药物之一。这些成功案例表明，利用海洋生物，尤其是无脊椎动物研制新药前景光明。

对普瑞奥特的研发始于1970年代早期。当时，Baldomero Olivera（最近在斯坦福大学完成博士后研究）从斯坦福大学回到自己的祖国菲律宾筹建实验室。此前，他在斯坦福协助分离纯化了DNA连接酶，即一种能将DNA片断连接起来的酶。他打算在菲律宾继续研究DNA连接酶，可是没能置办到必需的设备。喜爱收集贝壳的Olivera思考着这样的问题：有毒的锥形蜗牛中是否含有能阻断神经传导通路的分子？是否含有能用于神经科学研究的、像河豚和台湾水蛇那样的毒素？“起初我并没有宏伟目标，”Olivera回忆说，“大抵上，我只是想找一个能出成果的课题而已。”

后来，他在犹他大学得到一个教学职位，决定把研究蜗牛毒素作为兼职，而将主要精力投入到以前的DNA研究中去。几年后，也就是1978年，一个在Olivera实验室工作的19岁本科生Craig Clark对蜗牛毒素产生了兴趣-他想测试如果将杀手芋螺（C. geographus）的髙度致死性毒素的约100余种肽中的一种或几种直接注射入小鼠脑内——而不是像以往那样，把肽注射人小鼠腹腔会有什么情况发生。Olivera对此没有太大信心，但他还是同意Clark做下去。令所有人惊讶的是，这些肽诱发了多种行为改变。其中一种使小鼠入睡，另一种使小鼠打颤，还有一种能使小鼠搔抓不停。

随着对锥形蜗牛与锥形蜗牛毒素多样性认识的深入（500种蜗牛分泌至少5万种肽，而从所有植物中分离鉴定的生物碱仅约1万种），Olivera决定放弃研究DNA，转而全力探索何以在相对较短的5000万年的进化历程中，蜗牛毒素竟变得如此种类繁多。他还试图阐明神经系统离子通道的作用机制，以及如何将这些毒素应用于神经科学研究与药物开发。他评论“蜗牛是自然界的神经化学家”。

毒素的追寻之路

Olivera研究小组的论文引起了南加州大学生物化学家George Miljanich的注意。当时Miljanich正在研究神经信号在突触（神经元之间的连接点）之间传递的问题。神经系统中存在将化学信号传递给细胞的不同类型的钙通道，Miljanich参与了这些通道的鉴定与分类工作。他从美国国家卫生研究院得到一项资助，用于合成一种锥形蜗牛的毒素。这种蜗牛的毒素将作为探针，阐明不同分子信号通路的功能。他在Olivera实验室养殖蜗牛，经历千辛万苦之后，勉强得到一滴珍贵的毒液。因此，一家新成立的生物工程公司在1988年提供的一个工作机会对他来说格外具有诱惑力。这家公司名叫Neurex，由两位斯坦福大学教授于1986年创立，旨在实现生物工程学与神经科学的交叉融合。公司还从Miljanich从事博士后研究工作的加州大学旧金山分校聘请到了一流的肽化学家。

Miljanich劝说Neurex研发部的同事承担起合成α-锥形肽毒素的艰巨任务，这种毒素能阻断某种钙通道。正常情况下，这种钙通道对跨细胞膜电压的改变做出应答，使钙离子内流，从而触发神经细胞突触之间化学信号的传递。一些源自蜗牛幻芋螺的ω-锥形肽对鱼类有毒，对人类却无毒。起初，Neurex管理层对Miljanich的项目半信半疑，公司早先有一个从牛脑提取药用肽的研究项目，目的井不十分明确，该项目宣告失败以后，他们不再保持沉默。没过多久，Neurex已能够生产以克计量的人工合成ω-锥形肽。

Olivera实验室首先分离得到的一种锥形肽特别引起了研究人员的关注。Miljanich分析了用这种锥形肽制成的药品可能会有的几种用途。止痛最初未在考虑之中，但很快就成为最主要的硏究与验证对象之一。试管试验虽然发现这种被幸运选中的ω-锥形肽（命名为SNX-111，后来改称Prialt/ziconotide）有希望用于治疗癫痫，但小鼠试验却遭遇惨败，事实上它诱发了小鼠颤抖，接下来是测试中风或脑外伤导致脑缺氧时，通过静脉途径施予该毒素能否对脑细胞产生保护作用。1993年，公司就SNX-111的神经保护功能开展一期临床试验，但由于SNX-111会导致血压下降，FDA暂时禁止了这项试验。劳而无功，花钱如流水，绝望之余，Neurex开始筹划SNX-ill治疗严重疼痛的一期临床试验。

当时一项新的研究表明，吗啡镇痛机理之一是间接封闭了特异亚型（N-型）的钙通道，据此，公司的科学家们推测该化合物具有止痛功效。放射性标记与电生理学实验表明，SKX-11能选择性阻断N-型钙通道的活性，这种阻断作用使钙通道不能开放，钙离子不能流入细胞。而钙离子的作用是促使刺激信号通过突触，传入脊髓，并进一步传入大脑，产生痛觉。“这是我们继续开展研究的确实的理论依据。”Miljanich评论说。随后的动物试验证实这种候选药物的镇痛作用比鸦片强1000倍，且无耐受或成瘾之虞。

自然界的馈赠

1995年，Neurex启动一项临床试验，将SNX-111用于疼痛剧烈，但未采用鞘内输注阿片类药物止痛的病人。鞘内输注是一种通过植入性药泵以及埋植于皮下的导管将药物泵入脑脊液的给药方法。Neurex使用同样的药泵向精心筛选的受试者输注合成的蜗牛肽。由于早期试验观察到药物的副作用，FDA要求公司将受试对象严格限定于临终病人。经过多年来对氨基酸序列的测试分析，两次临床试验使用的人工合成多肽已与天然蜗牛毒素在结构上完全一致。“在测试了数百种类似物后，我们接受了自然界给我们的馈赠。”Miljanich说道。

试验开始后不久，研究人员很快发现用药剂量出了差错。一些病人出现机体协调障碍、听幻觉或视幻觉等严重副反应。后期试验特地减小了剂量，逐级加量的时间间隔也大大延长。一些病人的副反应消失，但也有例外。一例患者陷入谵妄状态，动用电休克治疗之后方始好转9批准SNX-111上市时，FDA特别强调，治疗过程中必须频繁监测患者的神经精神状态。

1998年，制药商爱兰（Elan）公司启动一个收购计划，Neurex很快并入爱兰公司。虽然后阶段的两次临床试验证实SNX-111的镇痛作用明显优于安慰剂，但Neurex的官员清楚，由于既往用药过程中曾出现副反应，FEA可能会提出再做一次临床试验的要求。因为早期研究结果不太令人信服，Neurex将保护脑细胞免受脑创伤损害的临床试验推迟到了2000年。Neurex的一种与毒素无关的抗髙血压药物获得认证，为公司带来一定收益，但直到两种主要药物获准上市之后，公司才真正度过了难关。

由于同一些合资公司之间不确定的财务纠葛，爱兰公司曾一度陷入财政困境。SNX-111（现名Prialt）再次成功地通过临床试验，使公司得以起死回生。12月28日，FDA批准Prialt用于其他治疗手段无效的神经性疼痛以及严重的慢性疼痛，这比预期取得认证的时间晚了八年。如果使用鞘内导管的5.5万患者中有接近20%使用此药，以每人每年花费1.5万美元计算，Prialt每年可为爱兰公司净赚1.5亿美元。“有些让人激动，虽然经历过这么多波折，发生了这么多大事，错失了这么多机会，我们还是认为这是一件了不起的大事。”Miljanich说道。这条消息也许更会让那些诊治慢性疼痛的医生感到振奋。爱兰公司的医学顾问、主管临床试验的医生Michael Leong指出，“一些患者采用其他一切止痛手段均告失败，但Prialt却能减轻他们的疼痛。”

Prialt很可能是爱兰公司在蜗牛毒素领域里最后一次冒险。虽然收购了Neurex公司，爱兰并没有保留Neurex公司研究锥形蜗牛毒素的能力。然而，作为“自然界的组合化学家”，锥形蜗牛也许还会为我们提供很多东西。1999年，《美国科学院院报》发表了由哈佛大学两位生物学家撰写的一篇论文，文中提到，地球上进化最快的基因是两个种属的锥形蜗牛的毒素基因，基因的快速进化是它们对生活在热带珊瑚礁生态系统中的猎物的改变而做出的适应性变化。

一些公司正在筹划如何利用这笔财富，该领域的创始人Olivera在盐湖城创立了Cognetix公司。澳大利亚的两家生物工程机构（Xenome和Metabolic制药厂）也开始研制主要用于治疗慢性疼痛的蜗牛肽类药物，有的已进入临床试验。而有的公司正试图研制以钙或其他离子通道为靶标的、可以口服的小分子有机药物，它们可能优于上述的Prialt或其他肽类制剂。

然而，即使小分子化合物的设计者也可能将蜗牛肽作为设计新药的起点。随着对锥形蜗牛化学创造力的认识逐渐深化，它们的祖国可能会愈加关注这些基因金矿的专利权问题。菲律宾报纸曾提到生物技术盗版这样一个令人担忧的话题。2003年，哈佛大学、约克大学、芝加哥大学普利兹克医学院的研究人员联名致信《Science》杂志社，对贝类采集、沿海开发、污染与气候变化以及其他原因对蜗牛及其栖居者造成威胁表示不满。信中推测美国国内每年加工的蜗牛以数百万计，但有关方面对此的回复称，每年为提取毒素、进而分析毒素、合成毒素而杀死的蜗牛平均不足5000只。有一家实验室甚至经营了一个养殖蜗牛的池塘，这样他们就可以像挤牛奶一样采集毒素，而不用杀死蜗牛。

生物武器和生物技术盗版一样令人们忧心忡忡。911事件后，研究蜗牛毒素的科学家发现，与研究毒素相关的法规变得苛刻了许多，即便是对人类无害的毒素也不例外。Olivera说，“我们整日提心吊胆，担心自己会因为不知情而违犯某项法规。”一些防范措施也许确有其合理之处。蜗牛肽分子小，易于合成，在一段时期里倍受生物武器制造商的青睐。1992年，鲍里斯•叶利钦总统下令中止俄罗斯的生物武器研究计划，此前，他们的研究人员正试图将杀手芋螺（C. geographus）的一种致死性多肽基因插入天花病毒基因组中，这种重组病毒将给受害人带来毁灭性的双重打击。俄罗斯的这个研究小组没有能够加工出这个异乎寻常的、致死率百分之百的天花-蜗牛毒素杂合体。令人不寒而栗的是，他们可能仅仅是因为时间不足而未能成功。“如果时间允许，这些问题可以解决。”Serguei Popov说道，他曾是生物武器界的顶尖研究专家，现在是美国乔治•梅森大学的生物学教授。

锥形蜗牛，一种居于海洋食物链顶端的低等软体动物，它们的传说将继续令人神往。1998年，一位泰国政治家用保罗•阿狄瑞斯的笔名写了一本名为《金刚效应》的书，讲述一个用锥形蜗牛毒液暗杀美国总统的阴谋。生物学家不必诉诸幻想，5万多种蜗牛多肽这样进化上的奇迹已足够他们冥思苦想几十年了。

 [刘衡/译   周松/校]