水蛭素提取工藝

1、原創(chuàng)水蛭素提取工藝2014分離工程方向課程設計題目水蛭素水蛭素(hirudin)是水蛭(Leech)及其唾液腺中已提取出多種活性成分中活性最 顯著并且研究得最多的一種成分，它是由65-66個氨基酸組成的小分子蛋白質(多 肽)。水蛭素對凝血酶有極強的抑制作用，是迄今為止所發(fā)現(xiàn)最強的凝血酶天然特 異抑制劑。概述水蛭素(hirudin)是水蛭(Leech)及其唾液腺中已提取出多種活性成分中活性最 顯著并且研究得最多的一種成分，它是由65-66個氨基酸組成的小分子蛋白質(多 肽)。水蛭素對凝血酶有極強的抑制作用，是迄今為止所發(fā)現(xiàn)最強的凝血酶天然特 異抑制劑。作用動物試驗與臨床研究表明，水蛭素能高效抗凝

2、血、抗血栓形成，以及阻止凝血 酶催化的凝血因子活化和血小板反應等進一步血瘀現(xiàn)象。此外，它還能抑制凝血酶 誘導的成纖維細胞的增殖和凝血酶對內皮細胞的刺激。與肝素相比，它不僅用量 少，不會引起出血，也不依賴于內源性輔助因子;而肝素則有引起出血的危險，在 彌漫性血管內凝血的發(fā)病過程中抗凝血酶III往往減少，這將限制肝素的療效，采 用水蛭會有較好的效果。應用水蛭素是一類很有前途的抗凝化瘀藥物，它可用于治療各種血栓疾病，尤其是 靜脈血栓和彌漫性血管凝血的治療;也可用于外科手術后預防動脈血栓的形成，預 防溶解血栓后或血管再造后血栓的形成;改善體外血液循環(huán)和血液透析過程。在顯 微外科手術中常因為吻合處血管栓

3、塞而導致失敗，采用水蛭素可促進傷口愈合。研 究還表明，水蛭素在腫瘤治療中也能發(fā)揮作用。它能阻止腫瘤細胞的轉移，已證明 有療效的腫瘤如纖維肉瘤，骨肉瘤，血管肉瘤，黑素瘤和白血病等。水蛭素還可配合化學治療和放射治療，由于促進腫瘤中的 血流而增強療效。動物試驗和臨床研究表明，靜脈或皮下注射水蛭素均無明顯毒副作用，無論急 性、亞急性的毒性試驗，對血壓、心率、血相、出血時間和血液化學成分均不受影 響，呼吸系統(tǒng)也沒有影響，無過敏反應，一般無特異抗體發(fā)現(xiàn)。半致死劑量 LD5050mgAg，遠大于治療所用的劑量（1mgAg）。尤其值得指出的是，水蛭素可以口 服，這給用藥帶來很大方便。水蛭素比較穩(wěn)定，胰蛋白酶和

4、糜蛋白酶并不破壞其活 性，而且水蛭素的某些水解片段仍有抑制凝血酶的作用，這就可以解釋為何口服中藥水蛭提取液仍然有療效的原理。近年來在我國以水蛭素為主要成分的中成藥已有許多種，如抗血栓片、活血通 膠囊等，其年產值達數(shù)千萬元。含水蛭的新藥也在不斷研究和推出。利用基因工程 生產重組水蛭類多肽藥物，以取代水蛭素或作為抗凝化瘀藥的添加成分，這在近期 內就可實現(xiàn)。作為注射劑用于心血管系統(tǒng)疾病和腫瘤治療藥物，則還需要進一步的 臨床研究。毋庸置疑，重組水蛭素類多肽藥物的開發(fā)將會帶來巨大的社會效益和經 濟效益。重組由于水蛭素具有重要開發(fā)價值，而水蛭的來源有限，故國內外醫(yī)藥界均著重研 究通過基因工程獲得重組水蛭素

5、。1986年后，重組水蛭素已在大腸桿菌和酶母中 分別表達成功，與天然水蛭素相比，重組水蛭素在第63位氨基酸（酪氨酸）上未硫 酸酪化，活性略低，其余性質基本相同。在治療的劑量下靜脈注射無毒副反應。現(xiàn) 國外一些大的生物技術公司對水蛭素己進入多方面的臨床研究。有關水蛭素類多肽 的專利，每年公布的數(shù)量至少在十多項以上，包括水蛭素類似的多肽，研究論文每年總在數(shù)十篇以上。1998年底重組水蛭素藥物在德國正式上市，1999年英國批準 上市，己注冊的國家有美國、歐洲、澳大利亞、新西蘭、南非等I0多個國家。水蛭素在使用過程中血清半衰期太短，難以發(fā)揮抗栓效果。美國一研究機構將 水蛭素與PEG 一起加工成為耦合體制

6、劑后可大大延長水蛭素的血清半衰期從而提高 其在體內的抗血栓生成效果。研究我們對重組水蛭素基因工程作了大量系統(tǒng)的研究，具有堅實的技術基礎。我們 從國內養(yǎng)殖的醫(yī)用水蛭中克隆出水蛭素的cDNA進行測序，并合成了大腸桿菌偏愛 密碼子的水蛭素基因，構建了分泌型大腸桿菌表達載體，優(yōu)化表達條件，獲得高效 表達，產物直接分泌至跑外，大大簡化了下游工程。我們根據(jù)水蛭素的特性，設計 了適合大規(guī)模生產的低成本的分離純化新工藝，無需高效液相層析或反相層析，只 經三步純化，即獲得電泳純的產品。目前我們得到水蛭素的表達量、純度和得率均 達到國際先進水平。前景心血管系統(tǒng)疾病和腫瘤是主要危害人類健康的兩大類病害，防治這兩大類

7、疾病 的藥物是新藥研制的重點。水蛭在破血、逐瘀、通經、消癥等方面的療效已為我國 數(shù)千年中醫(yī)實踐所證明，重組水蛭素在抗凝消栓以及配合腫瘤化療和放療上的作用 也為國外臨床所證明。注射針劑的要求較高，目前在臨床主要用于抗深靜脈血栓。 而作為口服藥劑在短期內即可取得經濟和社會效益。將重組水蛭素類多肽藥物取代 水蛭或作為中成藥的添加成分，估計至少可獲得上億元的經濟效益。隨著臨床試驗 的擴大，它將可以用于更多的疾病的防治，發(fā)展前景十分廣闊。比較表達水平，純化工藝，產品質量與國外水平相當，某些技術指標超過國外，成 本比國外低。在美國，藥用重組水蛭素每毫克6美元。我國生產的成本低，如果每毫克降至 人民幣6元，

8、廣大患者就有可能承受得起。國外重組水蛭素都采用針劑，我們正在 研制口服劑型，口服無疑更易被病人接受，成本也可更多降低。尤其是它可以拓寬 使用的范圍，用于各種血栓病的防治，或作為有關藥物的主要成分或添加成分，可 開發(fā)更大的市場。分析在醫(yī)藥市場上，抗栓藥物的需求與日俱增，但由于天然水蛭來源有限，各國醫(yī) 藥界都將注意力集中在重組水蛭素的開發(fā)上。美國、法國、瑞士、德國、英國、日 本十多家生物技術公司和醫(yī)院都在臨床應用或研究重組水蛭素類多肽抗栓藥物治療血栓疾病的范圍和 療效。1998年底，德國首先上市重組水蛭素藥物。1999年英國也獲批準上市。目 前己注冊的國家有歐洲、美國、澳大利亞、新西蘭、南非等十多

9、個國家。中國具 有心血管疾病藥物和腫瘤藥物的巨大市場，水蛭素又是傳統(tǒng)中藥，因此重組水蛭素 開發(fā)前景十分看好。據(jù)估計，我國目前血栓病人約有2000萬人，如果其中l(wèi)00萬人采用水蛭素治 療，每年共需300500公斤。國際上常用肝素作為抗凝藥物，這類抗凝藥物的使用已有60多年歷史，需用 量逐年增加。美國70年代每年就有1000萬病人使用肝素，大部分是手術后預防血 栓的形成。僅美國肝素的年用量就超過9000億單位，約相當于6噸。研究表明， 水蛭素在許多性能上都優(yōu)于肝素，它用藥量小，不引起出血，也不依賴于內源性輔 助因子。隨著臨床研究的廣泛開展，重組水蛭素的應用范圍不斷拓寬，它的需求 也會日益增大。優(yōu)點

10、第一，水蛭素與水蛭肽抑制凝血酶的反應不需要抗凝血酶？(AT?)作為輔助因子，使其抗凝作用與量效關系更吻合，而且可在缺乏抗凝血酶?的病人(如彌漫性血 管內凝血)中使用。第二，肝素不能滅活結和于血栓上的凝血酶。而水蛭素與水蛭肽則對循環(huán)中的 和結合于血栓上的凝血酶都可以抑制。第三，肝素會被激活的血小板釋放的血小板因子4(PTF4)或富含組氨基酸的糖 蛋白等結合，水蛭素與水蛭肽則不受這些因素的影響。第四，水蛭素與水蛭肽用于抗血栓治療，出血副作用較小，且無過敏反應和免 疫原性無毒反應。原理天然水蛭素是由65或66個氨基酸殘基組成的單鏈多肽，分子量約為7 000,能 在極端的pH和熱條件下穩(wěn)定存在。水蛭素

11、的形狀類似蝌蚪，蝌蚪頭部是多肽的N端, 富含半胱氨酸(cys),半胱氨酸間相互作用形成3個二硫鍵(Cys6-Cys14,Cys16-Cys28,Cys22-Cys39)。使N末端結構緊密;蝌蚪尾部是含有多個酸性氨基酸和一個被磺酸化的酪 氨酸(Tyr63)的多肽C末端。凝血酶(thrombin)是血液凝固和止血過程中的中心酶， 它不但能剪切纖維蛋白原，將纖維蛋白原轉化為纖維蛋白；還能激活其它的凝固血液 的酶類，如凝血因子？、？、？?和抗凝血酶蛋白C(Fenton,1981)等。凝血酶與大分子 底物的相互作用取決于三個不同的區(qū)域:催化反應位點的初級結合位 C(Magnusen,1971),鄰近催化

12、位點的非極性結合位點AB(Brlinr and Shen,1977;Sonder and Fenton,1984)和負責凝血酶與纖維蛋白原專一性作用的陰 離子結合位點(識別位點)R(Fenton et al.1989;Henriksen and Mann,1988)。水蛭 素的N端能封阻凝血酶的活性位點，其疏水結構域與凝血酶的非極性結合位點(AB) 互補，該非極性結合位點靠近凝血酶的催化中心。水蛭素C末端有6個酸性氨酸，能 與帶正電的凝血酶識別位點形成許多離子鍵。N端、C端兩個功能域以協(xié)同的方式 結合到凝血酶上,在凝血酶的活性部位形成一個帽子，阻止底物的結合。為了更好地了解水蛭素結構對性能的影響，人們對于水蛭素的N端、C端和各位 點做了大量研究，得出許多結論，為水蛭肽的設計打了堅實的理論基礎。各種研究表 明水蛭素C末端的10個氨基酸是必需的最小結構,C末端的最佳大小至少是12個 氨基酸(Hir54-65)，在這一序列中每個氨基酸都非常重要。幾個疏水殘基和酸性殘 基對于維持水蛭素C末端的功能非常重要。區(qū)別1.水蛭素，主要是從吸血水蛭的唾液中分離提純出來，具有抗凝，抗血栓功效 的多肽物質，臨床常用于多重血栓性疾病的治療，可以消除血管阻塞，使血細胞解聚, 血栓消散，促進微血管復通，改善微循環(huán)