蛭綱
蛭綱
概述蛭綱(Hirudinea)是環節動物門的一綱。本綱動物通稱蛭,俗稱螞蟥。蛭綱是一類高度特化的環節動物。它們與寡毛綱、多毛綱等其他環節動物不同,多數營暫時性的體外寄生生活。與這種生活方式相適應,蛭綱的體上無剛毛,前、後端有吸盤,體內肌肉發達,體腔被肌肉和結締組織分割充填而縮小。世界已知約600種,分隸於4目10科。中國已知約70種,隸屬於3目5科25屬。
蛭綱
由於蛭類結締組織或葡萄組織以及肌肉的發展,體腔受擠縮小,形成一種竇系或腔隙系。
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常較長,並彎向後方。腸或為1根直管,或有4對細長的腸盲囊。
腎管按體節排列,10~17對,由腎孔開口於體外。
雄性先熟,異體受精。雄性有4~11對球形的精巢,從第12或13節開始,按節排列。每個精巢育輸精小管通到輸精管。輸精管縱行於身體的兩側,到第1對精巢的前方,各自膨大或盤成貯精囊,再到射精管。兩側射精管在中部匯合到精管膨腔,經雄孔開口體外(圖2)。卵巢通常1對,包在卵巢囊內。卵巢囊通輸卵管,2根輸卵管匯合到總輸卵管和陰道,經雌孔開口體外。
大多數蛭徠類,包括舌蛭科、魚蛭科和醫蛭科的大部分種類在內,都以吸血或吸體腔液為生。吸血的對象包括多種脊椎動物和無脊椎動物,如魚蛭吸食魚血,盾蛭取食兩棲類和爬行類,鰓蛭寄生於爬行動物,晶蛭寄生於水鳥的鼻孔中。醫蛭的食譜最廣,一般吸人和耕畜的血液,但也常侵襲龜、蛇、蛙、魚、蚯蚓,甚至其他蛭類。石蛭為肉食性種,魚肉、蛙肉、蛙卵、貝類、甲殼動物、蠕蟲、昆蟲及其幼蟲都可作為食物。吻蛭目的種依靠吻穿入宿主組織內取食。
吸血種類主要為醫蛭、牛蛭、鼻蛭、山蛭4個屬。它們的吸血有3個共同的特點:①能在宿主未察覺的情況下,從宿主體上吸吮大量的血液。這是由於它們有銳利的、精細的切割宿主皮膚的工具——帶齒的顎,並在切割時分泌一種麻醉劑和擴張血管的類組胺化合物。②吸血時分泌一種抗凝血的蛭素,使吸入的血液不會在螞蟥體內凝固,既有利於消化吸收,又不致因凝成血塊而妨礙運動。③吸血螞蟥的腸道內無任何蛋白水解酶,所以消化機能可能完全由共生菌承擔。
吸血的蛭只是偶爾才有機會吸血。因此,每次吸血量很大,相當於自身體重的2.5~10倍,可供在數月內慢慢地消化。在消化道中有食物時,蛭利用的熱量大都由蛋白質分解而來,18℃時能量的消耗為每天15卡。在飢餓時,螞蟥利用貯藏的糖和脂肪,能量的消耗降到每天7卡。所以,蛭即使每年只吸1次血也不會餓死。
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它就會敏捷地吸附上去。醫蛭對於在人腋窩處放過的玻棒,晶蛭對於與鴨體接觸過的玻棒都有同樣的反應。
蛭的運動可以分為游泳、尺蠖式運動和蠕動3種方式。游泳時體平鋪如一片柳葉,波浪式向前遊動。水螞蟥離開水體時象尺蠖一樣運動。旱螞蟥把身體平鋪在地面上向前蠕動,速度雖慢,但可鑽入縫隙。陸上生活的山蛭已失去游泳能力。此外,生活在水邊石塊下的扁舌蛭等石蛭科的種類有捲曲的習性。一受驚動,身體兩端向腹面彎曲成圓球形。有的種類會滾翻。
醫蛭科水蛭有陰莖。交配時,兩條水蛭的腹面緊貼,頭部方向相反,1條螞蟥從雄孔伸出陰莖插入另一條的雌孔內。有的種類無陰莖,交配時,把精埋到對方皮下,傳送精子。交配后經2天或數個月產卵繭,卵繭的形狀依種類而異(圖3)。孵出的幼蛭有的需親體暫時保護,有的當即能獨立生活。
能否取得食物是決定蛭類分佈的重要因素之一。例如,山蛭的分佈範圍常可通過放牧畜群的活動而擴展。溫度和濕度對蛭類的活動影響很大。開春后氣溫回升的快慢和水田灌水的早晚直接影響田埂中蛭出土的時間。醫蛭在平均溫度 10~13℃時開始出土。水蛭在11℃以下的水體中通常不能繁殖。但魚蛭能在5~10℃時生殖。醫蛭科螞蟥的卵繭一般產在含水量30~40%的土壤中。山蛭的活動與濕度關係密切,它們的分佈範圍與空氣和土壤的濕度更有直接的關係。海南山蛭分佈於年雨量為1800毫米的山區或低洼地中。山蛭常分佈於一定的海拔高度。喜馬拉雅山的敏捷山蛭分佈於海拔1700米上下,珠峰山蛭分佈於2 400米上下,水蛭可分佈於3 000米上下的水域內。蛭對水的氫離子濃度、含鹽量和含氧量的適應範圍較一般動物為廣。
蛭類與寡毛類的親緣關係最相近,據推測,兩者有一個共同的祖先。蛭類中最原始的種類——寄生於魚體上的棘蛭,有許多明顯的寡毛類特徵,如在身體前端的幾個體節上仍保留少數剛毛,無前吸盤,后吸盤在體後部的頂端,與體軸一致,體腔較寬廣等,都與 寡毛綱、蛭蚓科(Branchiodellidae)有共同點。
蛭類與寡毛類都具有環帶,環帶分泌接受卵的卵繭。兩者均為雌雄同體動物,並有通向體外的生殖腺。可以認為蛭類是適應外寄生生活方式而特化了的一類寡毛類動物。在特化過程中,它們失去蚯蚓賴以運動的剛毛,而在身體兩端發展成吸盤,以便吸血時吸附於宿主;它們的消化道發生了變異,適應貯存大量的食物;肌肉發達,體腔退化,體節不分明,都與它們的生活方式相適應。
蛭類內部的親緣關係大體如下:除最原始的類群棘蛭目(Acanthobdellida)外,蛭類在早期即從吻的有無向兩大分支發展,有吻的一類為吻蛭目( Rhynchobdellida),無吻的為顎蛭目(Gnathobdellida)和咽蛭目(Pharyngob- dellida)。
吻蛭目無顎,前端有吻,用以刺穿宿主的組織,如舌蛭科中的舌蛭、澤蛭、擬扁蛭和晶蛭等屬中的一些種類,魚蛭科中的魚蛭和鰓蛭等。
顎蛭目的特徵是咽頭有3個肌肉發達的顎,顎上有細齒列。眼5對,排成弧形。醫蛭科的日本醫蛭是中國大部分地區水田中的主要吸血蛭。但在廣東、雲南一帶,主要吸血的水蛭是牛蛭屬中的種類。金線蛭屬中的種類不吸血,主要取食螺類及其他無脊椎動物。鼻蛭分佈於東南亞,體暗綠或鐵鏽色,無任何斑紋,寄生於人畜的鼻腔等處。如果寄生時間過長,生殖器官萎縮,甚至幾乎消失。山蛭科山蛭屬的種類生活在溫濕的山區,在草地、山林上等候宿主的經過,吸食高等動物的血液。
咽蛭目的種類,咽部無顎,有3條長的肌肉脊。眼不排成弧形。肉食性,可吞食整條蠕蟲或昆蟲幼蟲。在淡水或濕土中生活。常見的有石蛭、紅蛭、巴蛭和齒蛭屬的種類,都屬於石蛭科。本目的其他科在中國尚未見分佈。
蛭類與其他環節動物的一個重要區別是其體腔被結締組織大量地侵入而逐漸縮小。在原始的棘蛭(Acanthobdella)中,身體的前端還保留有分室的體腔,背腹血管仍存在。有趣的是這類蛭沒有前吸盤,具體腔的體節仍保留有剛毛,它提供了蛭類與寡毛類有親緣關係的例證。除此之外,其他所有的蛭體節間的隔膜消失。一種葡萄狀的組織(botryoidal tissue)逐漸侵入體腔,形成發達的血竇。在吻蛭類(Rhynchobdellida),形成了背血竇(dorsal sinus)、腹血竇(ventral sinus)、側血竇(lateral sinus),中間竇(intermediate sinus),以及皮下竇(subepidermal sinus),同時背、腹血管存在,位於背、腹血竇中。血竇中仍充滿體腔液,它們實際上起著循環系統的作用,其中背血管及身體的收縮推動體腔液的流動。在顎蛭目(Gnathobdellida),體腔中的間質更發達,使體腔竇進一步縮小成管狀,中間竇也消失,背、腹血管也完全消失,循環作用完全由血竇進行,其中以側血竇的搏動推動體腔液的流動。蛭類主要是通過體表進行氣體交換,只有個別種具有鰓。例如魚蛭科(Piscicolidae)的一些種,具有囊狀鰓,末端分支,它實際上是體壁的一種延伸物,其中充滿體腔液。另外吻蛭類與咽蛭類的體腔液中含有呼吸色素,以致產生紅色,這些呼吸色素負責傳遞部分的氣體。
蛭類完全行有性生殖。與寡毛類相似,雌雄同體。生殖腺也是由殘存的體腔形成,具有固定的位置。雄性生殖系統有4~12對球形精巢,每個精巢都包在精巢囊中,並通過一輸精小管連到兩側的輸精管上。輸精管前行,至前端盤旋形成貯精囊,其後端形成肌肉質的射精管。兩個射精管聯合形成陰莖,其周圍有前列腺包圍,最後以雄性生殖孔開口在體表腹中線上。原始的吻蛭類不形成陰莖,而形成精包囊(spermatophore)。卵巢一對,位於精巢之前,也包在卵巢囊中。每個卵巢通出一條輸卵管,兩個輸卵管很快聯合形成陰道,以共同的生殖孔開口在雄性生殖孔之後。蛭類也行交配,其交配方式相似於寡毛類,陰莖為其交配器官。沒有陰莖的種類行皮下注射,即將精包囊排到對方環帶處,然後穿過體壁進入體內,精子在體內經組織進入卵巢管受精。產卵時也形成卵繭,卵繭落入水底或潮濕土壤中。發育也相似於寡毛類,一年後成熟,在夏季開始繁殖,成體壽命2~5年。
世界上不少國家在古代都有用醫蛭的吸血習性來給病人放血,特別是在歐洲曾大量採用。
天然水蛭素
1.水蛭素的發現和其它活血成份
水蛭素(hirudin)是從動物水蛭 (螞蟥) 中提取的一種抗凝血蛋白質。1884年Haycraft首次發現歐洲水蛭提取物具有抗凝血性質和作用; 1904年Jacoby等人首次從水蛭中分離出抗凝血物質,並正式命為水蛭素;1954年Mark wardt等人從水蛭頭部唾液腺分離出水蛭素純品,開始對其組成,結構和理化性質進行研究;1955年他指出這種抗凝物質為蛋白質; 70年代確認水蛭素是一種天然多肽類化合物,並完成其一級結構分析等。
菲牛蛭素,自菲牛蛭中分出的一種多肽,其抗凝活性與水蛭素相似,抑制凝血酶, 也是由60多個氨基酸組成, 分子量7000多, 序列分析表明, 其中50%~60%的氨基酸殘基與水蛭素相同。其立體結構和構型有待進一步研究。它的免疫抑制活性與水蛭素不同。
溶纖素,自巴西一種吸血水蛭中分出,其抗凝作用與鏈激酶相似, 活化纖維蛋白原前活化因子, 是纖維蛋白溶酶前活化因子的活化劑。
待可森,自北美一種水蛭中分出,它拮抗血小板膜上的纖維蛋白原受體, 抑制血小板聚集,當其濃度達到1mmol時, 則血小板聚集完全被抑制。由39個氨基酸組成, 分子量4000多。
凝血因子Xa抑製劑, 自歐洲醫蛭中分出, 只抑制Xa, 則不抑制凝血酶。作用溫和, 對血液凝固起調節作用。
上面簡單介紹了水蛭的幾種活血有效成分, 對已發現的成分,如水蛭素,正在進行大規模的臨床試驗。許多水蛭科學家及生化專家, 還繼續在從各種水蛭中探索新成分。吸血水蛭的唾腺里, 都含有抗凝物質,阻止宿主血液凝固, 便於吸血, 同時維持吸入的血液在腸道內不致凝固。廣泛研究水蛭中的抗凝物質, 就有可能獲得活血作用的新成分。我國在水蛭的藥理試驗和臨床應用方面做了大量的工作, 但對其有效成分的研究與國際水平相差甚遠[11,12,13]。
2.水蛭素的結構和抗凝血機制
從醫蛭及其分泌的唾液中,已經提取出多種活性成份如水蛭素、伊格林(eglin)、博待啉(bdellins)等,其中研究比較清楚的是水蛭素,水蛭素是由60多個氨基酸組成的多肽,多數含有65個氨基酸,也有一些異構體含64到69個氨基酸,天然水蛭素含有多種異構體,分子量為7000D左右。水蛭素肽鏈N-端有3個二硫橋鍵連接環繞,形成密集區,具疏水性C-端,富含酸性氨基酸,具親水性,伸展在分子表面。已分離鑒定出10多種異構體。水蛭素的二級和三級結構對其抗凝活性起決定性作用,二硫鍵是決定其分子構型的穩定性,保持高抗凝活性的關鍵。當二硫橋鍵被氧化或還原,或者分子發生了蛋白降解,則失去抗凝活性,若水蛭素的羧基被酯化,或失去酸性C-端氨基酸,也會失去與凝血酶結合的能力。
天然水蛭素具有抗凝血作用,不同來源和結構的水蛭素, 其抗凝血機制不盡相同,天然水蛭素可從多個環節影響血液凝固和血栓形成。
1)抗凝血酶作用 水蛭素的抗凝血酶作用見於歐洲醫用水蛭、亞洲水牛水蛭和印度水蛭等。這些水蛭素含6個分佈相似的半胱氨酸殘基, 這種結構可以達到水蛭素與凝血酶呈1∶1的比例形成穩定的複合物, 從而對凝血酶有高度特異的抑制作用, 起到抑制凝血酶的抗凝血作用。
2)其他抗凝血作用 1988年, 從墨西哥水蛭唾液腺中提取的一種由119個氨基酸殘基組成的多肽,它含半胱氨酸殘基, 能特異地、可逆地與因子Xa結合形成複合物, 起到抗凝血的作用。新近, 在亞馬遜巨型水蛭中發現一種抗因子XIIIa的物質, 含66個氨基酸殘基。它是迄今發現的因子XIIIa最強的特異性抑制物, 且對其他谷氨醯胺轉移酶也有抑制作用,這樣可以全面抑制纖維蛋白單體的交聯反應, 起到抗凝血作用。
3)抗血小板作用 1992年, 從墨西哥水蛭中提取出一種稱為水蛭抗血小板蛋白質。它具有特異性抑制膠原誘導血小板聚集的作用。1994年, 從北美水蛭中提取一種含39個氨基酸殘基的多肽, 其三維構象與水蛭素很相似, 抑制纖維蛋白原介導的血小板聚集作用。
4)降解纖維蛋白 (原) 作用 1984年, 從亞馬遜巨型水蛭中提取一種物質可以降解纖維蛋白 (原) 的特定肽鏈, 從而可以阻止血栓形成和溶解已經形成的血栓[9,12,13]。
3.水蛭素的臨床應用和醫藥學意義
近百年來,隨著對吸血螞蟥唾液腺分泌物的深入研究,發現螞蟥在醫療臨床上有許多新用途。1986年召開的第二屆全國活血化瘀學術會議上,螞蟥被確定為35種活血化瘀中藥材之一,屬於作用很強的破血葯類,批准投產的以螞蟥為主要原料的中成藥已不下10種 [9,12]。
(1)整形外科和顯微外科醫生髮現利用醫用吸血螞蟥可以清除手術后血管閉塞區的瘀血,使靜脈血管通暢,減少了組織壞死發生為靜脈血管形成側枝循環贏得時間,從而大大得高了再植或移植指,腳趾、耳朵、鼻子的成功率。1987年中國科學院水生生物研究所與湖北醫學院附屬第二醫陸軍骨科協作,成功地用飢餓的吸血螞蟥日本醫蛭(Hirudo nipponia)為例斷指再植病人治療術后瘀血,我國醫生還用吸血螞蟥處理皮辯靜脈瘀血。俄國醫生用吸血螞蟥治療耳鳴和口咽缺損再造手術后的瘀血,均獲得成功。
(2)水蛭素具有:強烈的抗凝血作用, 能與凝血酶特異結合, 是已知的最強的凝血酶天然抑製劑, 系列試驗表明,水蛭素無毒性、無明顯抗原性。作為抗凝劑, 它比肝素優越, 對動脈血栓及靜脈血栓等各種血栓性疾病及彌散性血管內凝血均有很好的預防及治療效果, 具有很好的臨床應用前景。
(3)巴格達薩羅夫(1969)首先發現水蛭在治療青光眼(白內障)方面的獨特效果。
(4)英國人用其治療心血管病也取得了良好的療效。
(5)在醫用螞蟥唾液腺分泌物中發現的蛋白酶抑製劑,Eglins對於防治腸內皮潰瘍以及與敗血病有關的凝血因子非特異性蛋白水解有明顯的療效。
(6)以色列科學家還從醫用螞蟥唾液分泌物中分離出4種抑制血小板聚集的物質,而血小板聚集正是引起動脈粥樣硬化和心肌梗塞的主要原因。
(7)美國的生物化學家從一種黑西哥水蛭唾液腺中分離出一種含119個氨基酸的多肽,能通過抑制血清酶來阻止血凝固和血栓形成,也能減少實驗動物腫瘤細胞的擴散,十分有利於腫瘤患者體內免疫系統將其各個擊破。水蛭注射液能使腫瘤細胞壞死、消失,對網狀內皮細胞有增強作用 [9,12,13]。
螞蟥在臨床研究方面報道還很少,這是因為從醫用吸血螞蟥體內提取到的活性物質數量還太少,這就大大限制了在臨床上應用。
4.人工飼養繁殖螞蟥和天然水蛭素的純化
水蛭繁殖快, 再生力強, 雌雄同體, 異體受精, 受精卵直接在繭內生育。一般在5月下旬開始至9月下旬為產卵期。人工飼養的水蛭, 卵繭產於飼養池平台水邊的泥土中,呈卵圓型,
每條水蛭一次產繭4個左右, 繭產出后約16~25天孵化出幼蛭, 每個繭內可出13~35條幼蛭。幼蛭呈茶黃色, 生長迅速,孵化后1個月內平均增長2厘長以上。如池內餌料豐富, 飼養密度合適, 水質環境較好, 到9~10月即可長成成蛭。水蛭屬於高產、高效益水產養殖品種, 如果早春期間投放種蛭, 每畝水面放養密度以20公斤為好, 秋季一般可收700~1000公斤鮮水蛭[14,15]。
天然水蛭素的純化方法主要有兩種, 即從水蛭頭部提取或從整體勻漿提取,然而這兩種方法均需要殺死大量水蛭, 產量低而成本高, 致使水蛭素價格昂貴, 限制了它的臨床應。
水蛭的嗉囊消化液中含有抗凝藥物水蛭素。從100條吸食豬血后的日本醫蛭可採取消化囊液100~200ml, 每毫升消化囊液約含水蛭素10ATU活力單位, 按目前的提取工藝從100ml消化囊液中可獲得60ATU/mg的水蛭素。這樣可降低成本[13,14]。
人工養殖及天然水蛭素
這些被篩選的微生物作為水蛭代替者,可較大量的生產重組水蛭素,重組水蛭素的結構和作用與天然水蛭素相似,這不僅引起人們對水蛭素臨床應用的研究興趣,而且還鼓勵人們根據水蛭素活性部位的結構,設計合成模擬水蛭功能的人工肽段,這樣得到的仿水蛭素稱為水蛭肽,它是水蛭素醫用發展的一個新的里程碑,標誌著水蛭素的生產已進入人工合成時代。從此,水蛭素及其衍生物可望取代目前臨床一些常規抗凝劑用藥,如副作用較大的肝素等。重組水蛭素成為新一代抗凝劑和抗血栓劑,這將有效地幫助人類治療血栓、栓塞等疾病
1.重組水蛭素的結構
水蛭素的cDNA已克隆, 重組水蛭素與天然水蛭素的結構極其相似,也是由65個氨基酸殘基組成的肽,但在63位酪氨酸殘基上無硫酸。重組水蛭素的一級結構具C端谷氨酸和門冬氨酸含量豐富的特點, 肽鏈中有多個半胱氨酸殘基, 序列中第27、36、47位是賴氨酸。然而, 重組水蛭素的空間結構與天然水蛭素相同, 其核心區由氨基酸3~30、37~46、56~67三個肽段組成, 指狀區由31~36肽段組成, C端尾區由50~65肽段組成。
2.重組水蛭素的抗凝血特徵
(1) 作用靶位點單一, 只與凝血酶結合, 有特異地抑制凝血酶的作用; (2) 重組水蛭素與凝血酶結合形成複合物, 不依賴於其他血漿輔因子的作用; (3)重組水蛭素不被體內和體外物質所滅活, 因而在血漿中相當穩定。
3.重組水蛭素的臨床應用
(1)不穩定性心絞痛:水蛭素與肝素比較。對患者重組水蛭素優於肝素。
(2)急性心肌梗塞:重組水蛭素與重組組織纖溶酶原激活物合用,有助溶栓的血管再通。且無不良反應和出血併發症。
(3)血管成形術 冠狀動脈內球囊擴張,重組水蛭素的療效與安全性可以替代肝素用於血管成形術。
(4)外科手術后血栓的形成 深靜脈血栓形成的發生率遠低於肝素對照組,近端肢體靜脈血栓發生率也低於肝素對照組。
(5)重組水蛭素的其他應用:血液透析。慢性腎衰而需間斷透析的患者,在血透開始時給葯。水蛭素可使出血危險減低。肝素誘導的血小板減少血栓形成。部分患者在應用肝素后可引起血小板減少或血栓形成,這是肝素的又一嚴重併發症。應用重組水蛭素治療臨床癥狀改善, 未見新的血栓形成, 也無出血併發症。
由於生物合成技術的發展, 已能獲得較大量的重組水蛭素, 適應臨床試驗的需要。從國外報道的材料看, 其適應症可能有以下幾個方面:(1)動、靜脈血管內溶栓后,或血管再造后,防止其再形成血栓;(2)預防動脈血栓, 尤其是心臟手術時, 防止冠脈旁路的血栓形成;(3)阻斷急性或慢性心肌梗塞;(4)預防短期術后血栓形成,治療外科手術的靜脈血栓;(5)血透析和體外循環中的抗凝作用;(6)不穩定心絞痛的抗凝治療[9,10,12]。
總結:
由於吸血螞蟥經常侵襲人畜, 因此, 螞蟥的分佈給旅遊、放牧、科學考察和林區管理等帶來諸多不便, 儘管如此, 由於螞蟥的唾液腺能夠分泌蛭素, 防止血液凝固, 具有重要的醫學意義, 隨著人民生活水平的提高,食物結構的改變,我國老齡人口的增加, 抗血栓藥物的需求日益增加。因此合理保護、開發、利用這一動物資源, 變有害為有利, 對促進經濟的發展和治療血栓性等疾病具有重要意義。
目前世界上正在對水蛭素進行大規模的試驗, 究竟最合適的適應症是什麼, 採用多大劑量為宜等問題, 有待這方面的實驗結果, 才能作最後的結論。近年來,我國已有幾個單位開展重組水蛭素合成的研究,相信會給血栓性等疾病帶來新的治療方法。
蛭類唾液腺含有較豐富的抗血液凝固的蛭素,雖然在傳統中醫藥和現代醫藥學方面具有十分廣闊的應用前景,然而要實現規模化的吸血螞蟥飼養、繁殖來滿足製藥生產的需求並非易事,還有許多的基礎理論和應用技術研究工作等待科學工作者們來完成。