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藍色珍寶:珊瑚活性物質的開發

珊瑚給人的印象是顏色鮮艷和形態優美,所形成的珊瑚礁不僅可以造陸,也能提供給其他海洋生物做為棲息地,死掉的珊瑚有些還可以當作寶石供人配戴。未來珊瑚是否還有令人意想不到的應用?
 
 
 
近年來,許多專家預測21世紀最具發展前景的科技之一是生物科技,因此各國投入大量的資金及人力發展生技產業,其中「生技製藥」是生技產業的重點發展項目之一。台灣產業界與政府每年也投入數百億資金在生技製藥的研究上,其中新藥的開發是生技製藥發展的主軸之一。

海洋新藥開發

新藥是指具有新療效而且有專利保護的新化合物。過去一百年,陸地生物如動植物或微生物一直是新藥開發的研究材料,近年來由於海洋科技的快速發展,提升了海洋採集樣品的設備和技術,加上陸地上的資源逐漸貧乏,科學家開始把研究焦點轉移到海洋生物上。

從僧袍芋螺可分離出一種短鏈胜肽類物質,2004年12月美國食品藥物管理局(FDA)核准愛爾蘭的伊藍大藥廠把這物質做為強效止痛劑Prialt(學名是ziconotide),它是第一個從海洋開發成功的天然藥物。目前海洋生物(如海藻、海綿、珊瑚、海鞘、軟體動物、刺皮動物、苔蘚蟲、海洋微生物等)是新藥開發中最常研究的題材,在台灣研究最多的海洋生物是珊瑚,其次是海綿。

活性物質的研究發展

大部分的珊瑚屬於附著性生物,沒有自由移動的能力,因此會生產一些化學物質,稱為「二級代謝物」。這些物質在生態上,可能有防禦掠食者、競爭空間、抗拒其他生物附著或生殖聯絡等功能;在應用上,可能有抗腫瘤、抗發炎、抗癌等治療人類疾病的生物活性,這些「活性物質」或許能發展成為藥物。

珊瑚生長在地球上已有數億年之久,在中國歷代本草書籍如《唐本草》、《海藥本草》、《日華子本草》、《本草綱目》等都有記載。珊瑚以中醫入藥可除去眼翳(眼睛結膜下新生的贅肉)、消宿血、吹入鼻內可抑止鼻出血、明目鎮心、止驚癇、點入眼睛可去除飛絲。

近代關於珊瑚活性物質的研究發現,在1983年從加勒比海的一種羽毛型柳珊瑚純化出一系列抗發炎物質Pseudopterosins,這些物質可以抑制皮膚過敏反應,目前已由知名廠商雅詩蘭黛添加在化妝品中。1993年,科學家在澳大利亞西部沿海地區發現了一種蘿蔔形狀的黃色珊瑚,1995年從這珊瑚體內提取出一種命名為eleutherobin的雙萜類物質,其藥理作用和現今治療乳腺癌和卵巢癌的抗癌藥物紫杉醇有相似的功效。

活性物質的開發技術

珊瑚活性物質的開發,其研究流程可分為6個部分:採集樣品、鑑種分類、萃取及分離純化、活性物質結構解析、活性物質藥理測試、珊瑚養殖。

採集樣品 以潛水方式小量採集珊瑚(溼重約10公克),並記錄珊瑚的位置。珊瑚樣品分成兩個部分,一做為鑑種分類之用,二則以乙醇萃取並進行藥理測試。若發現有藥理活性,則較大量地採集樣品,採集時須注意到生態保育,至少把一半以上的珊瑚留在原生長地成長。

鑑種分類 珊瑚之名來自古波斯語sanga(石),現在是指一群能分泌碳酸鈣骨骼或骨針的刺絲胞動物。一般人常以珊瑚的骨骼硬度把珊瑚分成石珊瑚和軟珊瑚兩大類,但這樣的分法有時會出錯。因為有些珊瑚例如柳珊瑚的骨骼質地很硬,然而它在分類學上比較接近於軟珊瑚。

在生物分類學上,珊瑚屬於刺絲動物門或稱腔腸動物門珊瑚蟲綱。珊瑚蟲綱分為兩個亞綱—六放珊瑚亞綱和八放珊瑚亞綱。兩者如何分辦?最簡單的分類法是觀看珊瑚蟲觸手,如珊瑚蟲觸手有6隻或6的倍數,一般稱為「六放珊瑚」,例如石珊瑚或稱「造礁珊瑚」。觸手是8隻的則稱為「八放珊瑚」,一般人潛水所看到的軟珊瑚或像樹枝狀的柳珊瑚都屬於這一類。

六放珊瑚通常有堅硬的石灰質骨骼,它是由碳酸鈣不斷堆積而形成的,在物理性防禦上較八放珊瑚有效,因此八放珊瑚比較可能演化出具化學防禦能力的物質。在醫藥上的應用,八放珊瑚所含的活性物質較六放珊瑚有潛力。目前從珊瑚物種中純化出活性物質的研究題材,大部分集中在八放珊瑚亞鋼的軟珊瑚目與柳珊瑚目。

軟珊瑚目又稱為「海雞頭目」,藉由分裂或出芽生殖形成一個大群體,且分裂後蟲體之間的肉並未分開,而是相互連在一起,稱為「共肉組織」。軟珊瑚目所屬珊瑚的共肉組織柔軟有彈性,並可以區分成內、外二層。柳珊瑚目又稱為「角珊瑚」,共肉組織也區分為內層和外層(表皮),大部分柳珊瑚的內層是由角蛋白構成的中軸骨,因此柳珊瑚的形狀變化很大,生態上的形狀常以扇形、鞭形或枝狀呈現,又稱為海扇、海柳或海鞭。

目前珊瑚主要以珊瑚個體生態或骨骼的形態做為鑑種的依據,八放珊瑚的鑑種有些還需配合珊瑚體內骨針的形狀和大小。珊瑚骨針的取得方法及步驟是:取小量珊瑚樣品,但必須是一個完整的個體,涵蓋各部分組織如珊瑚頂部及底部(因珊瑚各部分的骨針有所不同);以10%漂白水浸泡,溶解共肉組織讓珊瑚骨針裸露;使用解剖或電子顯微鏡觀測骨針形態。

萃取及分離純化 珊瑚樣品先以冷凍乾燥機除去水分,然後以研磨機打碎。再以乙醇多次重複萃取珊瑚體內的物質,至珊瑚樣品無顏色析出為止,利用減壓濃縮機把乙醇萃取物中的乙醇溶劑蒸發掉而得到萃取物(混合物)。進行萃取物的藥理活性測試,如具有藥理作用則以層析法分離與純化,最後得到純物質(化合物)再進行藥理活性分析,以確定何者具有藥理活性。最常使用的層析方法是薄層層析、管柱層析、高效能液相層析等。

活性物質結構解析 純化出來的化合物,利用光譜法解析其化學結構,確定化合物的三維立體結構。主要使用的光譜儀器如下:以質譜儀的技術測定化合物的分子量;利用傅立葉轉換紅外線光譜儀了解化合物結構上有哪些有機官能基;利用核磁共振儀測試化合物的氫和碳光譜,據以得知分子中氫和碳的數目,以及分子中碳和氫之間的關係。

研究人員組合上述所測出樣品的圖譜資料,經縝密的思考解析物質分子結構。把化合物養成單晶,則可以利用X光繞射分析儀確定其三維的立體結構。另外可用自動旋光儀測定化合物是左旋物質還是右旋物質。

活性物質藥理測試 在開發珊瑚活性物質的過程中,藥理活性測試是非常重要的一環,常利用相關試驗(如抗發炎活性測試、細胞毒殺活性測試、抗氧化功能測定等)來導引具藥理活性生物的找尋、萃取及層析分離,以快速有效地找到具醫藥用途的活性物質。常用的測定方法有西方墨點法、細胞毒殺試驗,或捕捉、清除自由基能力測定等方法。

珊瑚養殖 過去幾年來,科學家從珊瑚體發現幾種具有藥理活性物質。然而有些活性物質因在珊瑚體內含量太低或珊瑚物種採樣困難,加上近年來珊瑚保育的觀念盛行,科學家想從野外珊瑚提取大量活性物質不太可行,因此要找尋新的方法來解決活性物質來源缺乏的問題。

近年來,海洋科技的發展日益精進,國立海洋生物博物館更在珊瑚養殖技術上有相當的突破(目前在珊瑚的養殖技術方面已獲得數項專利),可讓研究人員獲得較大量的珊瑚物種,進而得到其所含的大量活性物質,從事各項的藥理活性測試甚至臨床實驗,使得將來有機會開發成為有用的藥物。

珊瑚的生長

任何生命體為求生存或廷續下一代,都會發展出一套本領,珊瑚也不例外。珊瑚生長的營養模式,包括自營性模式(光合作用)和異營性攝食。

在自營性模式中,珊瑚提供棲所保護共生藻,共生藻行光合作用後的產物,透過特定的機制傳送給珊瑚利用,形成互利共生,進而維持珊瑚的生長與生存。共生藻雖然能提供大量的能量給珊瑚,但是有些珊瑚生長所耗費的能量,超過共生藻所提供的能量,因此珊瑚必須透過異營性攝食水中浮游動物、細菌或一些含氮營養物質來補充營養的不足。異營性攝食模式對於沒有共生藻的珊瑚而言,也是唯一的維生方法。

珊瑚會以有性生殖和無性生殖二種方式繁殖:

有性生殖   分為兩類繁殖方式,一是排放配子型,珊瑚排放精子或卵子到海水中進行外部受精,接著發育成幼蟲;二是體內或體表孵育型,卵子在珊瑚體內授精,授精卵會留在珊瑚體內或珊瑚體表,待授精卵發育成幼蟲後才排出體外至海水中。台灣南部海域每年三、四月是珊瑚產卵時期。

無性生殖   珊瑚以無性斷裂生殖方式產生新的個體,快速地擴展並建立群體,以無性出芽方式增大群體體型。國立海洋生物博物館的珊瑚育養技術,是以人工切割方式的無性生殖來擴大珊瑚的群體。

台灣四面環海,南部海域及鄰近島嶼(如澎湖、綠島、蘭嶼、小琉球等)海域中珊瑚分布很廣,種類繁多。由台灣海域珊瑚研究所發表的論文中,發現具有生物活性的天然物質比率很高,因此對於台灣海域珊瑚所含天然物質的研究,有機會找到具有開發抗癌、抗病毒藥物潛力的生物物種及其活性物質。持續從台灣海域珊瑚中尋找具有生物活性的物質,對於新藥的開發非常重要。

深度閱讀
  1. 戴昌鳳、洪聖雯(2009)台灣珊瑚圖鑑,貓頭鷹出版社股份有限公司,台北。
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