水蛭素（Hirudin）是水蛭及其唾液腺中已提取出多种活性成分中活性最显著并且研究得最多的一种成分，它是由65-66个氨基酸组成的小分子多肽。水蛭含有丰富的水蛭素，水蛭素对凝血酶有极强的抑制作用，是迄今为止所发现最强的凝血酶天然特异抑制剂。 水蛭素具有极强的抑制凝血作用和抗血栓形成作用，在临床治疗和预防各种血栓形成方面有着广阔的应用前景。

水蛭属于高度特化的环节动物，始载于《神农本草经》，俗称蚂蝗，是我国传统的中药，味咸、苦，性平。《中华人民共和国药典》载具有破血、逐瘀、通经之疗效，主要用于治疗瘤症、痞块、血瘀、闭经和跌打损伤。1884年，Haycraft首次在欧洲医用水蛭的唾液腺里发现了一种生物活性物质水蛭素。1927年，Shionoya最先把它作为抗血栓的有效药物来进行研究。1955Markwardt指出其为蛋白物质，并命名为水蛭素。天然水蛭素是从医用水蛭中提取的一种抗凝血蛋白质，是由65个或66个氨基酸残基组成的单链多肽，相对分子质量为7000Dalton。水蛭素的N末端有3对二硫键，使N末端肽链绕叠成密集的环肽结构，对蛋白结构起稳定作用。其N末端含活性中心，能识别底物即凝血酶碱性氨基酸富集位点，并与之结合。C末端富含酸性氨基酸残基，最后9个氨基酸中有6个为酸性氨基酸。

水蛭素肽链中部有一个由Pro-Lys-Pro组成的特殊序列，不被一般蛋白酶降解，这一结构有2个方面的作用：①维持水蛭素分子的稳定性；②引导水蛭素分子以正确的方向与凝血酶分子结合。

天然水蛭素是由65或66个氨基酸残基组成的单链多肽，分子量约为7000，能在极端的pH和热条件下稳定存在。水蛭素的形状类似蝌蚪，蝌蚪头部是多肽的N端，富含半胱氨酸（cys），半胱氨酸间相互作用形成3个二硫键（Cys6-Cys14，Cys16-Cys28，Cys22-Cys39）使N末端结构紧密；蝌蚪尾部是含有多个酸性氨基酸和一个被磺酸化的酪氨酸（Tyr63）的多肽C末端。凝血酶是血液凝固和止血过程中的中心酶，它不但能剪切纤维蛋白原，将纤维蛋白原转化为纤维蛋白；还能激活其它的凝固血液的酶类，如凝血因子Ⅴ、Ⅷ、ⅩⅢ和抗凝血酶蛋白C等。凝血酶与大分子底物的相互作用取决于三个不同的区域：催化反应位点的初级结合位C，邻近催化位点的非极性结合位点AB和负责凝血酶与纤维蛋白原专一性作用的阴离子结合位点R。水蛭素的N端能封阻凝血酶的活性位点，其疏水结构域与凝血酶的非极性结合位点（AB）互补；该非极性结合位点靠近凝血酶的催化中心。水蛭素C末端有6个酸性氨酸，能与带正电的凝血酶识别位点形成许多离子键。N端、C端两个功能域以协同的方式结合到凝血酶上，在凝血酶的活性部位形成一个帽子，阻止底物的结合。

为了更好地了解水蛭素结构对性能的影响，人们对于水蛭素的N端、C端和各位点做了大量研究，得出许多结论，为水蛭肽的设计打了坚实的理论基础。各种研究表明水蛭素C末端的10个氨基酸是必需的最小结构，C末端的最佳大小至少是12个氨基酸（Hir54-65），在这一序列中每个氨基酸都非常重要。几个疏水残基和酸性残基对于维持水蛭素C末端的功能非常重要。

一系列酶促级联放大反应在内源性和外源性凝血过程中使凝血酶原活化，生成凝血酶。凝血酶是一种丝氨酸蛋白酶，在血栓形成过程中起非常关键的作用，包括血凝过程的级联反应、纤维蛋白沉积和血小板活化等。抗凝抑制剂可分为间接凝血酶抑制剂和直接抗凝血酶抑制剂。前者是通过催化凝血酶的天然抑制剂（ATIII或肝素辅助因子II）而产生抗凝作用。而水蛭素是特异性凝血酶抑制剂，能与凝血酶直接结合,其抗凝作用不依赖ATIII或肝素辅助因子II，属直接凝血酶抑制剂。水蛭素通过作用于凝血酶的非活性底物识别位点和酶活性中心2个位点，与凝血酶1:1结合形成不可逆的复合物，从而使凝血酶失去作用。水蛭素的抗凝作用不但专一，而且其抗凝活性明显强于肝素。此外，水蛭素不仅能抑制血浆中游离的凝血酶。

动物试验与临床研究表明，水蛭素能高效抗凝血、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应等进一步血瘀现象。此外，它还能抑制凝血酶诱导的成纤维细胞的增殖和凝血酶对内皮细胞的刺激。与肝素相比，它不仅用量少，不会引起出血，也不依赖于内源性辅助因子；而肝素则有引起出血的危险，在弥漫性血管内凝血的发病过程中抗凝血酶III往往减少，这将限制肝素的疗效，采用水蛭会有较好的效果。

水蛭素是一类很有前途的抗凝化瘀药物，它可用于治疗各种血栓疾病，尤其是静脉血栓和弥漫性血管凝血的治疗；也可用于外科手术后预防动脉血栓的形成，预防溶解血栓后或血管再造后血栓的形成；改善体外血液循环和血液透析过程。在显微外科手术中常因为吻合处血管栓塞而导致失败，采用水蛭素可促进伤口愈合。研究还表明，水蛭素在肿瘤治疗中也能发挥作用。它能阻止肿瘤细胞的转移，已证明有疗效的肿瘤如纤维肉瘤，骨肉瘤，血管肉瘤，黑素瘤和白血病等。水蛭素还可配合化学治疗和放射治疗，由于促进肿瘤中的血流而增强疗效。

动物试验和临床研究表明，静脉或皮下注射水蛭素均无明显毒副作用，无论急性、亚急性的毒性试验，对血压、心率、血相、出血时间和血液化学成分均不受影响，呼吸系统也没有影响，无过敏反应，一般无特异抗体发现。半致死剂量LD50>50mgAg，远大于治疗所用的剂量（1mgAg）。尤其值得指出的是，水蛭素可以口服，这给用药带来很大方便。水蛭素比较稳定，胰蛋白酶和糜蛋白酶并不破坏其活性，而且水蛭素的某些水解片段仍有抑制凝血酶的作用，这就可以解释为何口服中药水蛭提取液仍然有疗效的原理。

含水蛭的新药也在不断研究和推出。利用基因工程生产重组水蛭类多肽药物，以取代水蛭素或作为抗凝化瘀药的添加成分，则还需要进一步的临床研究。重组水蛭素类多肽药物的开发将会带来巨大的社会效益和经济效益。

天然水蛭素是一种从吸血类水蛭唾液腺及其分泌液中提取的天然活性物质，而重组水蛭素则是通过基因工程获得的人工产品。重组水蛭素的氨基酸序列和结构与天然水蛭素唯一不同的是其在63位酪氨酸残基未硫酸化，该特点使其对凝血酶的抑制作用明显降低，仅为天然水蛭素的1/10。重组水蛭素在药理活性、药代动力学方面与天然水蛭素非常相似。

由于多种原因，世界上对天然水蛭素的药理学和临床研究严重滞后，对重组水蛭素的研究也是在1986年后才陆续开始的，近十几年来的文献大多都是研究有关重组水蛭素的内容，故在本章节的药理学和临床研究的内容中收录了重组水蛭素文献资料，以佐证天然水蛭素的相关作用与应用。

体内外试验表明，水蛭素是迄今发现的作用最强的凝血酶特异性抑制剂，对各种血栓性疾病都有效。水蛭素的作用机制是它与凝血酶按1:1的比例非共价结合形成一种稳定的复合物，抑制了凝血酶的活性，从而阻止了纤维蛋白原凝固及凝血酶对血小板的作用，达到抗凝的目的，同时水蛭素的作用不依赖于抗凝血酶m，其抑制血栓形成的浓度远小于其引起出血的浓度，无明显毒副作用。

水蛭素具有抗凝、抗血栓、抑制血小板聚集、降血脂、改善血液流变学、抗肿瘤等多种药理作用。

由于水蛭素具有重要开发价值，而水蛭的来源有限，故国内外医药界均着重研究通过基因工程获得重组水蛭素。1986年后，重组水蛭素已在大肠杆菌和酶母中分别表达成功，与天然水蛭素相比，重组水蛭素在第63位氨基酸（酪氨酸）上未硫酸酪化，活性略低，其余性质基本相同。在治疗的剂量下静脉注射无毒副反应。现国外一些大的生物技术公司对水蛭素己进入多方面的临床研究。有关水蛭素类多肽的专利，每年公布的数量至少在十多项以上，包括水蛭素类似的多肽，研究论文每年总在数十篇以上。1998年底重组水蛭素药物在德国正式上市，1999年英国批准上市，己注册的国家有美国、欧洲、澳大利亚、新西兰、南非等10多个国家。

水蛭素在使用过程中血清半衰期太短，难以发挥抗栓效果。将水蛭素与PEG（聚乙二醇）一起加工成为耦合体制剂后可大大延长水蛭素的血清半衰期从而提高其在体内的抗血栓生成效果。

心血管系统疾病和肿瘤是主要危害人类健康的两大类病害，防治这两大类疾病的药物是新药研制的重点。水蛭在破血、逐瘀、通经、消症等方面的疗效已为我国数千年中医实践所证明，重组水蛭素在抗凝消栓以及配合肿瘤化疗和放疗上的作用也为国外临床所证明。注射针剂的要求较高，将重组水蛭素类多肽药物取代水蛭或作为中成药的添加成分，估计至少可获得上亿元的经济效益。随着临床试验的扩大，它将可以用于更多的疾病的防治，发展前景十分广阔。

表达水平，纯化工艺，产品质量与国外水平相当，某些技术指标超过国外，成本比国外低。

在美国，药用重组水蛭素每毫克6美元。我国生产的成本低，如果每毫克降至人民币6元，广大患者就有可能承受得起。国外重组水蛭素都采用针剂，我们正在研制口服剂型，口服无疑更易被病人接受，成本也可更多降低。尤其是它可以拓宽使用的范围，用于各种血栓病的防治，或作为有关药物的主要成分或添加成分，可开发更大的市场。

在医药市场上，抗栓药物的需求与日俱增，但由于天然水蛭来源有限，各国医药界都将注意力集中在重组水蛭素的开发上。美国、法国、瑞士、德国、英国、日本十多家生物技术公司和医院都在临床应用或研究重组水蛭素类多肽抗栓药物治疗血栓疾病的范围和疗效。1998年底，德国首先上市重组水蛭素药物。1999年英国也获批准上市。

中国具有心血管疾病药物和肿瘤药物的巨大市场，水蛭又是传统中药，因此重组水蛭素开发前景十分看好。

据估计，每年共需300-500公斤。

国际上常用肝素作为抗凝药物，这类抗凝药物的使用已有60多年历史，需用量逐年增加。美国70年代每年就有1000万病人使用肝素，大部分是手术后预防血栓的形成。仅美国肝素的年用量就超过9000亿单位，约相当于6吨。研究表明，水蛭素在许多性能上都优于肝素，它用药量小，不引起出血，也不依赖于内源性辅助因子。

随着临床研究的广泛开展，重组水蛭素的应用范围不断拓宽，它的需求也会日益增大。

1、水蛭素与水蛭肽抑制凝血酶的反应不需要抗凝血酶Ⅲ（AT—Ⅲ）作为辅助因子，使其抗凝作用与量效关系更吻合，而且可在缺乏抗凝血酶Ⅲ的病人(如弥漫性血管内凝血)中使用。

2、肝素不能灭活结和于血栓上的凝血酶。而水蛭素与水蛭肽则对循环中的和结合于血栓上的凝血酶都可以抑制。

3、肝素会被激活的血小板释放的血小板因子4（PTF4）或富含组氨基酸的糖蛋白等结合，水蛭素与水蛭肽则不受这些因素的影响。

4、水蛭素与水蛭肽用于抗血栓治疗，出血副作用较小，且无过敏反应和免疫原性无毒反应。