魔芋葡甘聚糖在醫學中的研究進展

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綜述·講座

魔芋葡甘聚糖在醫學中的研究進展

作者單位:650032 昆明,成都軍區昆明總院骨科、全軍創傷骨科研究所(黃合飛,徐永清,李福兵)；昆明醫科大學成都軍區昆明總醫院臨床學院(黃合飛)

黃合飛,徐永清,李福兵

[關鍵詞]魔芋葡甘聚糖；藥理作用；生物材料；研究進展

魔芋葡甘聚糖(konjac glucomanan,KGM)是從魔芋(amorphophallus konjac)塊莖中提取的多糖,是一種低熱量、難消化的膳食纖維,具有降血糖、降血脂、減肥、抗腫瘤、增強免疫和潤腸通便等特殊作用。魔芋葡甘聚糖具有良好的膨脹性、乳化性、生物降解性、凝膠特性及pH敏感性,在食品工業及生物醫學材料方面有著廣泛的應用,本文就魔芋葡甘聚糖的藥理作用及生物醫學材料方面的應用作一綜述。

1KGM的結構

KGM是由D-葡萄糖和D-甘露糖通過β-1,4糖苷鍵以1∶1.4~1∶1.6摩爾比連接組成的復合多糖(圖1),其分子結構中,在甘露糖C3的位置上存在一些支鏈結構,主鏈上存在著5%~10%以酯鍵結合的乙?；鵞1-2]乙酰基團與魔芋膠有著密切聯系,在堿性條件下KGM會發生脫乙酰反應,利于分子間氫鍵的形成,使KGM部分結晶,形成具有三維結構的凝膠。因此,通過改變pH可調控KGM凝膠促發時間和凝膠程度,利用這種性能可以改變KGM的生物降解性、機械強度[1-3]。KGM不同的結構使其具有不同的生物功能和活性,廣泛應用于生物醫學材料的研發制備。

圖1　魔芋葡甘聚糖分子結構

2KGM在生物醫學材料方面的應用

2.1藥物緩釋用魔芋葡甘聚糖/海藻酸鈉/氧化石墨烯(KGM/SA/GO)制備的一種pH敏感的水凝膠,利用氧化石墨烯作為抗癌藥物負載和釋放的藥物結合效應器,抗癌藥物5-氟尿嘧啶(5-FU)復合KGM/SA/GO-3水凝膠后,藥物釋放量為38.02%(pH=1.2,>6 h)、84.19%(pH=6.8,>12 h),該水凝膠能夠較好地控制5-FU的釋放[4]。另外κ-卡拉膠與魔芋膠混合作為骨科支架材料,并且能夠緩釋藥物,對水溶性藥物鹽酸青藤堿具有良好的體外緩釋特性。在不同的溶液介質中,藥物的釋放速度不同(0.1 mmol/L鹽酸溶液>純水>pH=6.8PBS),緩釋是以擴散和溶蝕釋藥相結合的方式進行[5]。劉艷華等[6]研究發現,苦參堿與魔芋葡甘聚糖多孔雜化水凝膠制備的緩釋膠囊,能夠持續釋藥12 h,具有良好的緩釋特性,釋藥機制以擴散為主,在胃腸道滯留給藥系統載體材料方面具有廣泛的前景。羧甲基魔芋膠作為藥物緩釋的骨架材料,釋藥機制為藥物擴散和骨架溶蝕相協同,較低劑量即可很好延緩藥物釋放,可用于制備主藥含量高的緩釋制劑[7]。殼聚糖/氧化魔芋葡甘聚糖/雙氯芬酸鈉以1∶2∶1制備聚合物膜控制雙氯芬酸鈉的釋放,在模擬胃液(pH=1.2)中超過2 h,雙氯芬酸鈉釋放量<1%；置于模擬腸液(pH=7.4)中8~24 h,藥物釋放量為6%~19%,減小了藥物的副作用,可考慮作為長期(至少3 d)腸控制釋放藥物模型[8]。糜志遠等[9]研究發現,以魔芋葡甘聚糖和黃膠原為基質,制備阿昔洛韋口腔緩釋膜,藥物含量為(13.87±0.34)mg/片,0.5 h、4.5 h體外累積釋放度分別為21.56%、92.25%,具有良好的緩釋效果,可用于口腔黏膜潰瘍的局部給藥。Ma等[10]用陽離子脂質體包封萬古霉素負載于納米羥基磷灰石/殼基糖/魔芋葡甘聚糖復合骨支架上,體外釋藥以萬古霉素陽離子脂質體形式釋放,該載藥系統可持久釋放抗生素,并能夠抑制細菌生物膜形成,為治療生物膜感染引起的骨髓炎提供了一種新型的抗生素藥物緩釋系統。應用魔芋葡甘聚糖的的特性制備的各種藥物緩釋系統,提高了藥物的療效,為臨床上藥物的研發及給藥提供了新的思路。

2.2骨科方面應用朱維波等[11]研究發現,以魔芋葡甘聚糖、透明質酸鈉為主要原料,制作透明質酸鈉/魔芋葡甘聚糖復合多孔膜,具有較好的通孔率、力學性能及降解性能,在軟骨修復材料方面具有較大的應用潛質。Kondo等[12]研究發現,兔軟骨細胞與魔芋葡甘聚糖/透明質酸鈉支架復合培養,Ⅰ和Ⅱ型膠原蛋白基因表達量高于單純軟骨細胞培養,細胞活力顯著高于瓊脂糖培養軟骨細胞,對軟骨再生提供了新思路。另外,魔芋葡甘聚糖水凝膠能夠促進成纖維細胞(非角質細胞)增殖,減少皮膚攣縮程度,并且不影響上皮再生(reepithelisation),形成表皮與真皮交界的皮膚。魔芋葡甘聚糖形成的水凝膠是可降解的,一方面減少敷料更換的頻率,另一方面避免破壞新形成的皮膚,在促進傷口愈合敷料方面具有巨大的開發價值[13]。魔芋葡甘聚糖/殼聚糖/GNPs[gentamicinloaded poly(dex-GMA/AAc)nanoparticles]制備的新型生物膜具有良好的止血效果和抗菌能力,一方面膜的微孔結構能夠有效吸收血液和陷進細胞中的水分,另一方面負載抗生素的納米顆粒良好的吸收功能進一步促進了血液凝固,同時表現出優異的抗菌能力,在外傷性出血治療方面是一種有前途的新型材料[14]。黃金亮等[15]研究發現,納米羥基磷灰石/殼基糖/魔芋葡甘聚糖支架復合萬古霉素陽離子脂質體,能夠持續釋放萬古霉素,抑制金黃色葡萄球菌形成的生物膜,并且魔芋葡甘聚糖能夠減緩萬古霉素陽離子脂質體的釋放,可通過調整魔芋葡甘聚糖的含量獲得不同釋放速率和釋放量的復合支架,以滿足各種臨床需要。納米羥基磷灰石/殼基糖/魔芋葡甘聚糖支架復合萬古霉素陽離子脂質體在兔感染性骨缺損模型體內有較好的抗感染性和骨修復活性,為治療慢性感染性骨缺損提供新的策略,以魔芋葡甘聚糖為原料制備的復合材料及復合膜在骨科方面的應用,還有待進一步開發。

3KGM的生物活性

3.1降血糖作用食用魔芋能降低2型糖尿病患者餐后血糖的高峰值和餐后2 h的血糖值,膳食纖維延緩碳水化合物的吸收,降低餐后血糖的高峰值,從而減少因血糖波動引起的靶器官損傷,達到預防糖尿病并發癥的作用[16]。魔芋含有的豐富微量元素鉻是一種激素——胰島素的輔助因子,具有維持胰島正?；顒印⒒罨葝u素調節糖代謝的重要作用。魔芋精粉中含有微量元素硒,具有提高血中胰島素、增加胰島素儲備,對胰島細胞有保護功能[17]。KGM治療通過調節小腸營養物質的吸收速率、增強胰島素的敏感性降低血糖[18]。李春美等[19]以四氧化嘧啶誘導糖尿病小鼠為動物模型,研究Ⅰ型葡甘聚糖(分子量<30 000)、Ⅱ型魔芋葡甘聚糖(分子量30 000~80 000)、Ⅲ型魔芋葡甘聚糖(分子量>80 000)的降糖效果,灌胃劑量為1.5 g/kg時,小鼠血糖下降率依次為80.6%、33.4%、40.9%。

3.2降血脂作用魔芋精粉能夠降低高脂大鼠血清總膽固醇、甘油三酯及血清脂質過氧化物,并增加高密度脂蛋白膽固醇及高密度脂蛋白膽固醇/總膽固醇比值,降低血液黏度[20]。魔芋葡甘聚糖有效降低血漿膽固醇、低密度脂蛋白膽固醇、載脂蛋白含量,通過增強中性固醇和膽汁酸的糞便排泄改善血脂水平[21]。Chen等[22]研究發現,高血脂的糖尿病患者食用魔芋葡甘聚糖28 d(3.6 g/d),血漿膽固醇、低密度脂蛋白膽固醇、總膽固醇/高密度脂蛋白膽固醇比值、載脂蛋白B、空腹血糖下降率分別為11.1%、20.7%、15.6%、12.9%、23.2%,糞便中膽固醇和膽汁酸的濃度分別增加了18.0%、75.4%。

3.3減肥作用魔芋葡甘聚糖通過抑制小腸黏膜Na+-K+-ATP酶活性,減少腸道對營養物質的吸收,從而降低高脂飼喂小鼠餐后血糖及體重[23]。魔芋葡甘聚糖可使肥胖大鼠空腸絨毛膜的形態恢復正常,從而抑制其亢進的吸收功能,減輕大鼠體重[24]。魔芋的主要成分為魔芋葡甘聚糖,熱量較低,吸水后膨脹性好,食少量即有飽脹感,不易消化,同時能減緩膽固醇、糖分物質的吸收,有潤腸通便功效,故有極好的減肥健美功效。

3.4潤腸通便作用食用魔芋葡甘聚糖可以促進結腸發酵,降低糞便pH,增加糞便短鏈脂肪酸濃度,增加排便的頻率,進而可作為成年人一種天然的瀉藥[25]。魔芋葡甘聚糖可提高小鼠胃腸組織胃動素水平,降低生長抑素水平,從而增強胃腸道蠕動,加快胃腸道內容物的清除,減少胃腸道對糞便營養物質和水分的吸收,軟化糞便,增加小鼠排便量[26]。魔芋葡甘聚糖可以降低運動應激大鼠腸黏膜的損傷,可降低腸黏膜通透性、血漿內毒素和細菌移位率,改變腸黏膜及腸絨毛形態,提高腸液IgA漿細胞個數和SIgA含量[27]。另外其能夠促進腸道有益菌的生長繁殖,抑制有害細菌在腸道的黏附和定植,維持消化道正常微生態環境[28]。

3.5抗腫瘤作用魔芋通過增強機體免疫功能抑制移植性腫瘤生長,同時對小鼠白細胞無明顯影響,提高了T淋巴細胞轉化率,增強免疫功能,起到抗腫瘤作用[29]。羅德元等[30]研究發現,魔芋能夠預防MNNG誘發的肺癌,降低小鼠腫瘤發生數目及發癌率,腺瘤惡變率降低,良性腫瘤相對增加,延長動物壽命。另外魔芋葡甘聚糖降低了糞便中β-葡甘聚糖酶活性和二級膽汁酸水平,增加了糞便中雙歧桿菌和乳酸桿菌水平,進食魔芋葡甘聚糖有助于降低結腸癌癌前病變的危險因素[31]。

3.6止血作用對家兔股動脈出血及肝、脾出血,小鼠斷尾出血,魔芋止血靈均有明顯止血作用；對大鼠、家兔完整及破損皮膚無不良反應,不影響傷口愈合。魔芋止血靈對實驗動物有良好的止血效果,皮膚局部用藥安全性良好[32]。按1∶1制備魔芋葡甘聚糖/殼聚糖復合膜,用于肝、脾臟外傷性出血,出血時間、出血量與云南白藥相比無統計學差異(P>0.05),但與普通醫用紗布相比,有顯著效果(P<0.05)[33]。

3.7其他魔芋葡甘聚糖水解產物可作為一種抗真菌劑治療陰道感染[34]。特發性皮炎的小鼠動物模型喂食魔芋葡甘聚糖粉,可以減少小鼠的搔抓行為,顯著抑制濕疹樣皮損和皮膚炎癥免疫反應,給有過敏性鼻炎小鼠喂食魔芋葡甘聚糖粉劑,小鼠打噴嚏的頻率顯著低于對照組[35]。益生菌和魔芋葡甘聚糖的水解產物能夠抑制皮膚痤瘡丙酸桿菌的生長[36]。

4展望

我國魔芋資源豐富,魔芋的主要成分魔芋葡甘聚糖在醫療、食品、化工等方面有著廣泛的應用,魔芋葡甘聚糖在降血糖、降血脂、減肥、抗腫瘤、增強免疫方面有著特殊的功效。應用魔芋葡甘聚糖制備的藥物緩釋系統,為新藥的研發及給藥途徑提供了新思路。目前臨床上大量骨缺損、骨感染的患者急需骨替代材料及局部釋放抗生素的載藥系統,因此,基于魔芋葡甘聚糖的醫用生物材料具有極大的開發價值。

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(收稿日期:2014-10-09)

文章編號1004-0188(2015)02-0212-04

doi:10.3969/j.issn.1004-0188.2015.02.042

中圖分類號R 95/Q 946.3

文獻標識碼A

通訊作者:徐永清,E-mail：xuyongqingkm@163.net

基金項目:國家自然科學基金面上資助項目(81171734)；云南省應用基礎研究項目(2011FZ312)