殼聚糖的脫乙酰度、分子質量和性狀對其體外促凝血活性的影響

程沁園, 張家驪, 夏文水

(1. 食品科學與技術國家重點實驗室, 江南大學 食品學院, 江蘇 無錫 214122; 2. 江南大學 醫藥學院, 江蘇無錫 214122)

殼聚糖的脫乙酰度、分子質量和性狀對其體外促凝血活性的影響

程沁園1, 張家驪2, 夏文水1

(1. 食品科學與技術國家重點實驗室, 江南大學 食品學院, 江蘇 無錫 214122; 2. 江南大學 醫藥學院, 江蘇無錫 214122)

制備不同脫乙酰度、分子質量的殼聚糖固體粉末和溶液, 并利用試管法比較了不同濃度、不同性質及不同狀態的樣品的體外凝血時間。結果表明: 當分子質量相近時, 殼聚糖溶液的體外凝血時間隨脫乙酰度的增加而減少, 脫乙酰度中等的固體粉末具有最強的促凝血能力; 當脫乙酰度相近時, 只有高分子質量的殼聚糖溶液具有一定的促凝血活性, 但固體粉末狀態的三種殼聚糖均具有一定的縮短體外凝血時間的能力; 同等劑量的殼聚糖溶液和粉末, 除了高脫乙酰度、高分子質量的殼聚糖外, 其余樣品的固體粉末對于縮短體外凝血時間更為有效。

殼聚糖; 粉末; 溶液; 促凝血活性

殼聚糖(chitosan, CS)是一種由若干N-乙酰-2-氨基-2-脫氧-D-氨基葡萄糖和 2-氨基-2-脫氧-D-氨基葡萄糖以 β-l,4-糖苷鍵形式連接而成的多糖, 是由甲殼素(chitin)部分或完全脫乙酰基的產物, 是自然界中唯一的天然堿性多糖, 也是少數具有正電荷的天然產物之一[1], 無毒, 物理和化學性質相對穩定, 同時具有良好的生物相容性、生物降解性及降血脂、絮凝、抗菌等多種生物活性, 因而在醫藥、化工、環境、食品等諸多方面顯示出良好的應用前景[1-2]。

自1977年Muzzarelli首度報道了甲殼素對人類創傷的作用[3]后, 甲殼素和殼聚糖及其衍生物與血液的相互作用就成為研究熱點之一。多年研究顯示:甲殼素、殼聚糖及部分衍生物都具有良好的止血活性, 其作用機理目前雖尚未明確, 但可以肯定的是其作用過程完全不同于一般傳統的止血劑[4]。已有研究表明殼聚糖可黏附聚集紅細胞和血小板, 通過血小板的活化激活凝血途徑, 加速纖維蛋白膠的合成,刺激血管收縮, 最終封合傷口[5]。同時殼聚糖還具有一定的抗菌、止痛、促進傷口愈合及減少疤痕的作用[6], 是一種理想的傷口敷料。

然而, 目前的研究大多集中于止血性殼聚糖的劑型開發[7-8]和作用機制研究[5], 尚未有對其狀態(固體粉末或溶液)對止血活性的影響報道。本文主要對比研究了不同脫乙酰度、分子質量的殼聚糖在不同狀態下(溶液或固體粉末)體外促凝血活性的差異。

1 實驗部分

1.1 材料與試劑

殼聚糖(CS): 實驗室自制, 粉末粒徑<0.44 mm;兔血: 新西蘭白兔耳緣靜脈取血, 3.8%枸櫞酸鈉抗凝;乙酸酐(AcO2)、乙酸(HAc)、過氧化氫(H2O2)、鹽酸(HCl)等, AR, 國藥集團化學試劑有限公司; 云南白藥粉: 4g/瓶, 批號 20080420, 云南白藥股份集團有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 不同脫乙酰度和不同分子質量殼聚糖的制備

以高脫乙酰度的殼聚糖為原料, 參照文獻[9]中的乙酸酐-吡啶法, 在反應體系中加入不同量的乙酸酐制備得不同脫乙酰度的殼聚糖, 沉淀洗凈后凍干樣品。

以高分子質量的殼聚糖為原料, 參照文獻[10]用HAc/H2O2體系對其進行不同時間的降解得到一系列分子質量較低的殼聚糖樣品, 沉淀洗凈后凍干。

參照文獻[11-12], 采用酸堿滴定法和烏氏黏度法分別測定殼聚糖的脫乙酰度和黏均分子質量。結果如表 1所示。本實驗制得一系列分子質量相近、脫乙酰度依次降低的殼聚糖樣品(CS、CS-A、CS-B)和脫乙酰度相近、分子質量依次降低的殼聚糖樣品(CS、CS-a、CS-b)。

表1 殼聚糖樣品的脫乙酰度和黏均分子質量Tab. 1 Degrees of deacetylation and molecular weights of chitosan samples

1.2.2 試管法測定凝血時間

[13]的方法, 取潔凈的試管, 分別加入1 mL濃度分別為40、2 g/L的殼聚糖–0.1 mol/L鹽酸溶液或80、40、20、10 mg的殼聚糖粉末, 1 mL 0.1 mol/L鹽酸溶液或空白試管作陰性對照, 1 mL濃度為40 g/L、2 g/L云南白藥–0.1mol/L鹽酸混懸液或40 mg云南白藥粉末作陽性對照, 每樣品每濃度設 3支試管。將各管輕輕搖勻或使粉末盡量鋪開于試管底部,37℃水浴中保溫 1 h, 自兔耳緣靜脈取血開始計時,依次將1 mL兔血加入上述試管中, 平穩地移入37℃水浴中, 每隔30 s將第一支試管傾斜一次(角度小于30°), 其余兩支暫時不要動, 直到第一支試管緩慢倒置血流不動為止, 以同樣方法觀察第二、第三支試管,至第三管內的血全凝后, 按停秒表, 記下該組的凝血時間。凝血時間以60 min為上限, 超過即判為不凝血。每樣品重復6次。

1.3 數據處理

采用SPSS16.0統計軟件進行分析。實驗數據均以“ˉx±s”表示, 多組間兩兩比較進行統計學分析處理。

2 結果與討論

2.1 脫乙酰度對殼聚糖溶液及粉末的促凝血活性的影響

2.1.1 不同脫乙酰度殼聚糖溶液的體外凝血時間

不同濃度、不同脫乙酰度的殼聚糖-鹽酸溶液的體外促凝血活性如圖1所示。

圖1 不同脫乙酰度殼聚糖-鹽酸溶液的體外凝血時間* 表示與空白對照組相比的統計學差異P<0.05, ** 表示 P<0.01;## 表示與云南白藥組相比的統計學差異為P<0.01Fig. 1 The cogulation time of chitosan-HCl solutions with different degrees of deacetylation in vitro* denotes comparison with the control group, P<0.05, ** denotes P<0.01; ## denotes comparison with Yunnan Baiyao P<0.01

由圖 1可知, 各脫乙酰度、各濃度的殼聚糖-鹽酸溶液均有一定的體外促凝血能力, 且其活性隨脫乙酰度的降低而降低。與空白組相比, 高脫乙酰度(85.32%)的CS高、低濃度組和中等脫乙酰度(68.22%)的 CS-A高濃度組的凝血時間有極顯著的差異(P<0.01)。同時, 殼聚糖的促凝血能力與其濃度高低具有相關性。此外, 高脫乙酰度的CS-鹽酸溶液的凝血時間更比同濃度的云南白藥-鹽酸混懸液極顯著縮短(P<0.01), 其體外促凝血能力更優于云南白藥混懸液。

2.1.2 不同脫乙酰度殼聚糖粉末的體外凝血時間

不同劑量、不同脫乙酰度的殼聚糖粉末的體外促凝血活性如圖2所示。由圖2可知, 與空白試管中兔血的凝固時間相比, 終濃度為 40 g/L的 CS粉末(脫乙酰度為 85.32%)和 80、40、10 g/L的 CS-A粉末(脫乙酰度為 68.22%)均具有極顯著的體外促凝血能力(P<0.01), 終濃度為80、20 g/L的CS粉末、20 g/L的CS-A粉末及80 g/L的CS-B粉末具有顯著的促凝血活性(P<0.05)。此外, 終濃度為40 g/L的CS粉末、80、40、10 g/L CS-A粉末和80 g/L CS-B粉末的凝血時間均值(分別為517.90、258.86、171.55、466.36及416.45 s)都低于陽性對照40 g/L云南白藥的凝血時間(540.36 s)。三種不同脫乙酰度的殼聚糖粉末相比, 脫乙酰度為 68.22%的 CS-A具有最好的促凝血能力, CS次之, CS-B最差, 且各樣品的促凝血活性呈現一定的劑量相關性。

圖2 不同脫乙酰度殼聚糖粉末的體外凝血時間* 表示與空白對照組相比的統計學差異P<0.05, ** 表示 P<0.01Fig. 2 The cogulation time of chitosan powder with different degrees of deacetylation in vitro* denotes comparison with the control group, P<0.05, ** denotes P<0.01

2.2 分子質量對殼聚糖溶液及粉末的促凝血活性的影響

2.2.1 不同分子質量殼聚糖溶液的體外凝血時間

不同濃度、不同分子質量的殼聚糖-鹽酸溶液的體外促凝血活性如圖3所示。

圖3 不同分子質量殼聚糖-鹽酸溶液的體外凝血時間** 表示與空白對照組相比的統計學差異P<0.01; ## 表示與云南白藥組相比的統計學差異為P<0.01Fig. 3 The cogulation time of chitosan-HCl solutions with different molecular weight in vitro** denotes comparison with the control group, P<0.01; ## denotes comparison with Yunnan Baiyao P<0.01

由圖 3可知, 各分子質量、高低各濃度的殼聚糖-鹽酸溶液的體外促凝血能力差異較大。高分子質量(12.20×105, Da)的 CS溶液與空白對照相比, 其體外凝血時間極顯著縮短(P<0.01), 甚至比對應同濃度的云南白藥混懸液的凝血時間都有極顯著縮短(P<0.01), 但中等分子質量的 CS-a(1.45×105, Da)只在低濃度時略有促凝血活性, 低分子質量的 CS-b(0.16×105, Da)則已完全無體外促凝血活性。因此, 分子質量的高低對殼聚糖溶液的促凝血活性具有極其顯著的影響, 只有高分子質量的殼聚糖溶液才具有較強的體外促凝血能力。

2.2.2 不同分子質量殼聚糖粉末的體外凝血時間

不同劑量、不同分子質量的殼聚糖粉末的體外促凝血活性如圖4所示。

圖4 不同分子質量殼聚糖粉末的體外凝血時間* 表示與空白對照組相比的統計學差異P<0.05, ** 表示 P<0.01Fig. 4 The cogulation time of chitosan powder with different molecular weight in vitro* denotes comparison with the control group, P<0.05, ** denotes P<0.01

由圖 4可知, 各分子質量的殼聚糖粉末都有一定的體外促凝血能力, 終濃度為40 g/L的CS粉末、80、40、20 g/L CS-a粉末及40 g/L CS-b粉末的體外凝血時間都較空白對照有極顯著的縮短(P<0.01), 且與云南白藥組對照無顯著差異; 終濃度為80、20 g/L的CS粉末和80 g/L CS-b粉末的體外凝血時間則都較空白對照顯著縮短(P<0.05)。

此外, 對比圖1和圖2、圖3和圖4可以發現, 同等劑量的殼聚糖溶液和粉末(終濃度均為20 g/L), 除了高脫乙酰度、高分子質量的CS外, 其余樣品的固體粉末均能更為有效地縮短體外凝血時間, 尤其是分子質量較低的 CS-a和CS-b在溶液狀態時基本無促凝血活性, 而其粉末卻仍可保持一定的促凝血能力, 其中CS-a的促凝血活性更可與高出一倍劑量的云南白藥相媲美(P=0.702)。

3 結論

本文主要對比研究了殼聚糖的脫乙酰度、分子質量及狀態(溶液或固體粉末)對其體外促凝血活性的影響。結果顯示: 三個因素對殼聚糖的促凝血活性的影響互有交叉。

當分子質量相近時(CS、CS-A、CS-B), 溶液狀態的殼聚糖的體外凝血時間隨脫乙酰度的增加而縮短, 即促凝血活性增加; 而固體粉末狀態的殼聚糖體外凝血時間變化規律略有不同, 脫乙酰度中等(68.22%)的CS-A具有最強的促凝血能力。

而當脫乙酰度相近時(CS、CS-a、CS-b), 只有高分子質量的CS溶液具有一定的促凝血活性, 但固體粉末狀態的三種殼聚糖均具有一定的縮短體外凝血時間的能力, 且活性大致相當, 分子質量的影響并不十分明顯。

同時對比發現, 除了高脫乙酰度、高分子質量的CS外, 其余同等劑量的殼聚糖樣品的固體粉末對于縮短體外凝血時間更為有效, 而分子質量的影響更為顯著。

因此, 鑒于高脫乙酰度、高分子質量殼聚糖制備成本較高, 且適合溶劑較少, 生產開發的困難較大,因此建議可將研究重點置于分子質量較低、脫乙酰度中等的殼聚糖, 開發其粉末制劑應用于人類或動物的止血中。

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The effects of degrees of deacetylation, molecular weights and states of chitosans on procoagulant activities in vitro

CHENG Qin-yuan1, ZHANG Jia-li2, XIA Wen-shui1
(1. Key Laboratory of Food Science and Technology, Jiangnan University, 1800 Lihu Avenue, Wuxi 214122;2. School of Medicine and Pharmaceutics, Jiangnan University, 1800 Lihu Avenue, Wuxi 214122)

May,19,2011

chitosan; powder; solution; procoagulant activity

To investigate the effects of degrees of deacetylation, molecular weights and states (solutions or solid powder) of chitosans on the procoagulant activities in vitro, the blood clotting time of the samples with different concentrations, properties and states were tested the in tube method. When molecular weights were close, the blood clotting time of chitosan solutions decreased with the increasing of degree of deacetylation, however, the procoaglant ability of the chitosan powder with medium degree of deacetylation was the best of all. When degrees of deacetylation were close, the solution of chitosan with high molecular weight was the only one that had procoagulant activity, but all the powders could decrease the clotting time in vitro. All solid chitosan powders, except the one with high degree of deacetylation and molecular weight, promoted the blood coaglations more efficiently than the correspondent solution at the same concentration.

R962; O636.1

A

1000-3096(2012)06-0059-05

2011-05-19;

2011-12-04

國家 863計劃項目(2007AA091603); 食品科學與技術國家重點實驗室 2008年目標導向項目(SKLF-MB-200805); PCSIRT0627;111 project-B07029

程沁園(1981-), 女, 江蘇無錫人, 博士研究生, 研究方向:生物活性物質研究, E-mail: cheng-qinyuan@163.com; 夏文水, 通信作者, E-mail: xiaws@jiangnan.edu.cn

(本文編輯：康亦兼)