第 282 期

健康知識
藻類毒素簡介與醫療發展價值
Algal toxins and their potential biomedical applications

藻類的研究與運用已經進展到精緻微量化學物質的時代，精緻微量代表的就是高技術與高單價（圖一），其中藻螢光蛋白及藻毒活性物質每年的全球市場約有100億元台幣以上商機。過去20-30年台灣的藻類產業一直處於代工角色與微利狀況，近10-15年來，透過現代化的分析與純化技術，藻類產物的運用，已能從藻類食品的層次，拓展至蛋白質標準品，甚至達到法定標準品的層次（certified reference standards），其中藻類毒素等生物活性成分，也從提供藻毒檢測標準品的階段，發展至作為研究探針及治療性藥物等生物醫學功能。

藻類種類的岐異度很大，從單細胞（例如單細胞綠藻）至多細胞葉狀結構體（例如昆布），其中會產生藻毒的種類多屬於單細胞的種類，例如部分藍綠藻（又稱藍綠細菌cyanobacteria，包括Microcystis spp.）、部分矽藻類（diatoms，例如Pseudo-nitzschia spp.等）以及部分渦鞭毛藻類（dinoflagellates，例如Alexandrium spp., Dinophysis spp., Gyrodiunium spp., Prorocentrum spp. 等）。



這些產毒藻種中分佈廣泛又被研究較透徹的有Microcystis spp.（微囊藻類）、Alexandrium spp.（亞歷山大屬藻類）、Prorocentrum spp（原甲藻類）以及Pseudo-nitzschia spp.（擬菱形藻類）。藻毒所產生的中毒特性初步可分為5大類：珊瑚礁魚毒中毒（CFP）、麻痺性貝毒中毒（PSP）、神經性貝毒中毒（NSP）、下痢性貝毒中毒（DSP）及失憶性貝毒中毒（ASP），其相關毒素的研究鼠半致死劑量（LD50）如圖三。前4種中毒型式主要由渦鞭毛藻毒所引起，而ASP僅由矽藻類之擬菱形藻所產生。



CFP主要由maitotoxins及ciguatoxins所引起，臨床症狀包括：腸胃性的下痢、腹痛、噁心及嘔吐；神經性的頭暈、肌肉疼痛及控制不協調、冷熱感倒置；心血管性的心律不整、血壓降低、脈搏微弱。這些症狀嚴重者可能致死，輕者症狀持續復發可達半年。

PSP主要由saxitoxins及gonyautoxins所引起，台灣在1986年所發生的西施舌中毒事件就是此類型的中毒型式，這兩類藻毒會透過阻礙鈉離子在細胞膜（特別是神經細胞膜）內外的流通（sodium channel blockers），而使呼吸與循環系統的神經傳導發生困難。其臨床症狀包括：在中毒後半小時內發病，輕微時感到指尖或上下嘴唇麻痺刺痛，流涎不止，四肢麻痺；嚴重時會造成呼吸與循環作用停止而死亡。

NSP主要由兩種主要多環醚類brevetoxin-A,與brevetoxin-B及其代謝物所引起，大約在中毒後3小時左右開始發病，其臨床症狀與CFP及PSP的輕微症狀類似，包括臉部刺痛並延伸至全身，冷熱感倒置，瞳孔放大，有酒醉的感覺，有些案例也有腹瀉狀況，目前尚未發現有因此藻毒而喪命者，主要因為藻華發生時，已然造成大量魚類的死亡，而不會因此再去採食蓄積了藻毒的貝類。這種毒素主要促使神經細胞讓大量鈉離子流入細胞中（voltaged-gated sodium channel activator），使神經異常刺激。在藻華發生時，藻毒可隨空氣中的水霧進入人們的氣管內，引起咳嗽與氣喘。

DSP主要由okadaic acid、dinophysistoxins等藻毒所引起，這些藻毒會抑制蛋白質磷酸酵素（protein phosphatase）1及2a（PP1、PP2a）之作用，造成腸黏膜細胞壞死的發炎現象。其臨床症狀包括：下痢、反胃、嘔吐、腹痛、痙攣、寒顫，通常3天左右即可恢復，且尚未發現致死病例。

ASP主要在矽藻藻華發生時（褐潮，brown tide）產成大量的domoic acid （DA）所引起，此種藻毒會抑制麩醯胺酸合成酶（glutamate synthetase）之作用，其臨床症狀包括：初期可能引起腸痛，嚴重者會有臉部歪扭或咀嚼動作不協調，其後甚至會有短期失憶及呼吸困難的情形，嚴重者甚至可能致死。

微囊藻類產生的毒素稱為微囊藻毒（microcystins，MCYSTs）除了會透過抑制PP1及PP2a作用，造成類似DSP的中毒類型之外，這種環狀胜肽化合物（圖四），還是很強的肝臟毒素（hepatotoxin），透過膽酸轉運體（bile acid transporter）進到肝臟，造成肝臟壞死，誘發肝癌，或造成肝臟的嚴重出血及肝癌的病變。這種藻類常見於優養化淡水及半淡鹹水水域，包括湖泊、水庫、養殖池蓄水池及水溝等，甚至還可能存在老舊未清理的水管網路裡，是全世界各地及台灣分布最普遍的毒藻與藻毒。



台灣有關於藻類精緻微量化學物質研究與開發，相對於其他微生物而言，還有很大的進步空間。純化的微囊藻毒MCYSTs等藻毒目前除了作為藻毒定量檢測之藻毒標準品之外，也朝向運用藻毒發展研究探針（research probe）、法定標準品（certified reference standards）及治療性藥物。藻毒saxitoxins（STXs）及gonyautoxins（GTXs）及其衍生物除了被用來作為經濟性貝類PSP之法定檢測標準品（http://www.zen-u.com.tw），也以其類似河豚毒（TTX）的特性用來作為細胞膜鈉離子通道研究的探針（Yu and Catterall, 2003；Nicholson, 2007），並且被用來作為癌症及成癮病人的止痛藥（Garrido et al., 2007; Rodriguez-Navarro et al., 2007）。

NSP藻毒brevetoxins（PbTXs）及其類似物除了被用來作為NSP之法定檢測標準品，以及鈉離子通道激態時重複激發（repetitive firing of excitation）的研究探針，其對鈉離子通道的作用機轉（activator）與上述藻毒的（blocker）不同（圖五）；研究也發現，不同的brevetoxins（PbTX-1及PbTX-2）在斑馬魚受精卵及胚胎發育過程，在不同部位及不同鈉離子通道上有不同的表現。



DSP藻毒okadaic acid（OA）及其衍生物與微囊藻毒microsystins類似，也是PP1及PP2a的抑制劑，但是其作為研究探針時，在動物毒性上的表現卻截然不同。Microsystins主要作用在肝臟，造成肝臟病變，而okadaic acid主要作用在腸道中，造成下痢。

台灣大學漁業科學研究所周宏農教授研究團隊從1980年代中期即開始收集與鑑定台灣的毒藻，分析其藻華產生之環境因子，協助建立台灣的藻毒檢測標準，發展純化毒素之技術，研究其對動物生理機制之影響，並進一步發展量產毒藻之培養技術，篩選相關之毒藻。團隊所建立的毒藻種原已存放於台灣大學所建置的微細藻類（microalgae）種原庫，可供國內外研究與產業團體申請使用。團隊也與國內其他研究單位與產業機構共同合作，將藻毒檢驗標準品，並進一步發展為法定檢驗標準品，以更簡化的純化流程，提高產品純度，除了可提高10-100倍的產品單價，還可協助解決目前標準品貨源及品質不穩定的狀況。

研究團隊也正致力於新種毒藻之藻毒分離技術研發及毒藻培養密度與技術的提昇。以okadaic acid（OA）產毒藻種的2個Prorocentrum藻株為例，團隊過去已發現這2種藻株在培養至44天時，每毫升藻細胞數量可達24,000個，其培養液中所含釋放出之藻毒濃度也最高，並且可從200公升的藻液中獲得約67mg的OA；目前研發技術已能將每毫升細胞數提昇至12萬，並預期以更進步的提純操作，可將生產成本降低至1%。

此外，研究團隊也從2000年開始，從所建立的藻類種原庫、配合國家衛生研究院高通量細胞毒性試驗及生技製藥國家型計畫許多藥物活性平台研發團隊及機構的協助下，積極研發具有藥物潛力的藻類生物活性天然物。以OA及MCYSTs藻毒的研發為例，積極進行其在細胞凋亡及其他細胞功能的研究，進行其作為癌症形成及腫瘤促進劑的風險評估，並生產其食品衛生檢測標準品。未來規劃運用自動化高通量藥物篩選技術（high throughput screening）進行藥物活性篩選，同時進行毒物結構修飾，以進行新藥研發。團隊已由不同的藻株中初步檢測出其在各種不同活性包括抗癌、抗病毒、抗菌、抗氣喘、抗凝聚、抗血管新生及中樞神經與肝臟保護等作用上的效果。周宏農教授研究團隊，企盼與國內相關研究者一起合作，由現有藻毒與活性物質的提純，作為細胞學與細胞發育研究上的探針，提供作為深一層之活性機制探討，藉著這些活性物質供應上的優勢，協助國內學者得以引領全球某些領域上研發項目。
《文/圖：台灣大學漁業科學研究所周宏農教授演講；編輯中心吳萃慧整理》