硫酸多糖生物活性研究進(jìn)展

阿地拉·艾皮熱，李金玉，付長霜，周方方，李金耀

（新疆生物資源基因工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/新疆大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，新疆 烏魯木齊830046）

糖的生物學(xué)活性已為人們所共識。經(jīng)過對糖生物學(xué)的多年不懈研究，人們已總結(jié)出一套應(yīng)用于多糖的分離提取和結(jié)構(gòu)解析高效的分析技術(shù)；同時對其抗氧化，抗感染、促進(jìn)免疫等多方面功能和生物活性的研究也取得了較大進(jìn)展[1-4]。多糖的生物活性與其物理化學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)，如分子大小、單糖類型和比率以及糖苷結(jié)構(gòu)特性等[5]。近年來多糖的化學(xué)分子修飾尤其是硫酸化修飾極大引起了研究者的興趣。硫酸多糖是一類富含有帶負(fù)電荷硫酸根的化合物[6]，包括從動、植物中提取的各種天然硫酸多糖（如肝素），天然中性多糖的硫酸硫酸化修飾物及人工合成，半合成的各種硫酸多糖。硫酸多糖因具有廣泛的生物學(xué)性質(zhì)而受到人們的關(guān)注[7-8]。

1 硫酸多糖來源

1.1 天然硫酸多糖

硫酸多糖也稱多糖硫酸酯或硫酸酯多糖，最先發(fā)現(xiàn)于軟骨素以及從豬腸粘膜中提取的肝素，后來發(fā)現(xiàn)它還廣泛存在于海藻類植物。肝素是動物體內(nèi)一種天然抗凝血物質(zhì)，臨床上有廣泛應(yīng)用[9-10]。

海藻中紅藻、褐藻、綠藻等中含有豐富的硫酸多糖。紅藻細(xì)胞壁上提取的卡拉膠[11]、海洋褐藻和棘皮動物中提取的糖硫酸酯、綠藻提取物硫酸化半乳糖[12]具有多種生物活性如抗病毒、抗腫瘤、抗凝血等而無毒副作用，可用于食品、藥物及保健品中[13]。

1.2 硫酸化修飾多糖

目前制備硫酸化多糖常用方法包括濃硫酸法、氯磺酸-吡啶法、三氧化硫-吡啶法、氯磺酸-甲酰胺法等[7，14]。硫酸基團(tuán)的引入對多糖多種生物活性有影響。糖分子自由-OH被-SO3H取代后，使多糖的電荷和靜電作用會增加，從而增強(qiáng)水溶性和構(gòu)象的轉(zhuǎn)變。Zhang等[15]通過氯磺酸-吡啶法修飾靈芝多糖，檢測其物理化學(xué)性質(zhì)、生物學(xué)功能的變化，發(fā)現(xiàn)其水溶性隨取代度的增加而增加，并且提高了其抗氧化和抗腫瘤活性。多糖經(jīng)硫酸化后具有多方面的生物活性或者是增強(qiáng)了原來多糖的生物活性，這與它的硫酸根取代度、相對分子質(zhì)量、結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變有關(guān)[16]。

2 硫酸多糖生物活性

2.1 抗病毒

1958年，Gerber[17]首次報(bào)道硫酸多糖的抗病毒活性，他們研究發(fā)現(xiàn)從石花菜中提取的硫酸多糖cartilagenium能預(yù)防雞胚被流感病毒B和腮腺炎病毒感染。許多種類的海藻含有大量的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的硫酸多糖已被證明抑制包膜病毒的復(fù)制，包括DNA、RNA病毒等（見 表1）。川明參多糖是一種天然的硫酸多糖，在77.12～104.81 μg/mL質(zhì)量濃度范圍內(nèi)顯著抑制鴨腸炎病毒 （Duck enteritis virus，DEV）的活性[18]。

木耳（Auricularia auricula）在亞洲具有悠久的應(yīng)用歷史，被廣泛用于醫(yī)藥和保健品中。木耳重要活性成分多糖（AAP）具有生物學(xué)功能。Nguyen等人[28]研究發(fā)現(xiàn)木耳多糖硫酸化修飾后比修飾前相比抗病毒活性增強(qiáng)。硫酸多糖主要是作用于病毒囊膜蛋白，從而阻止病毒感染早期階段，包括初始吸附到靶細(xì)胞以及病毒的侵入[29]。

表1 從不同的海藻中提取的硫酸多糖的抗病毒活性Table 1 Antiviral activity of sulfated polysaccharides from different seaweeds

2.2 抗氧化

活性氧 （ROS）攻擊細(xì)胞膜大分子蛋白質(zhì)和DNA，導(dǎo)致嚴(yán)重的組織損傷性疾病，如癌癥、糖尿病、神經(jīng)退行性疾病和炎癥。抗氧化劑可以減緩活性氧，如OH、H2O2和 O2-引起的氧化應(yīng)激過程，有益于人體健康[30]。許多合成的抗氧化劑在食品和醫(yī)藥行業(yè)中被廣泛應(yīng)用，如二叔丁基對甲酚、叔丁基羥基茴香醚（BHA）、特丁基對苯二酚（TBHQ）和沒食子酸丙酯（PG）等。然而，這些合成的抗氧化劑具有一定的毒副作用[31-32]。天然抗氧化劑具有不可替代的優(yōu)勢，如硫酸多糖等。已有文獻(xiàn)報(bào)道，江蘺（Gracilaria debilis）[33]、毛菜（Pterocladia capillacea）[34]、裂片石蓴 （Ulva fasciata）[35]以及腸滸苔（Ulva intestinalis）熱水提取物中的褐藻素、海帶多糖、海藻酸等成分具有很強(qiáng)的清除 DPPH、O2-、OH、H2O2的活性，是良好的抗氧化劑。Yuan等[36]采用微波提取技術(shù)從球型褐藻中提取其硫酸多糖，發(fā)現(xiàn)在不同溫度水浴條件下提取的巖藻糖 （fucose）和葡糖醛酸（glucuronic acid）都具有清除DPPH和還原能力。

黨參多糖（CP）是黨參（Codonopsis pilosula）重要的活性成分，具有藥理活性。Liu等人[37]采用氯磺酸一吡啶法對其進(jìn)行酯化改性，提高了其清除自由基活性。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，硫酸化黨參多糖（sCP）能顯著降低肝損傷模型小鼠血液中谷丙轉(zhuǎn)氨酶（ALT）、谷草轉(zhuǎn)氨酶（AST）、腫瘤壞死因子-α（TNF-α）和肝組織丙二醛（MDA）的含量，并且肝組織中SOD、GSH-Px顯著高于模型組和黨參多糖組。結(jié)果表明，天然多糖經(jīng)過硫酸化修飾后其抗氧化活性會發(fā)生不同程度的增強(qiáng)。

2.3 抗腫瘤

目前惡性腫瘤已被認(rèn)為是危害人類健康的疾病之一。天然硫酸多糖已被證明具有較強(qiáng)的抗腫瘤活性，其抗腫瘤活性主要表現(xiàn)在抑制腫瘤細(xì)胞的增殖，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞凋亡以及通過提高免疫系統(tǒng)的功能來協(xié)同殺傷腫瘤細(xì)胞。馬尾藻（Sargassum horneri）水溶性硫酸多糖SHP30能將人結(jié)腸癌上皮細(xì)胞（DLD）阻止在G0/G1期，從而抑制其生長；實(shí)時熒光PCR結(jié)果顯示，它降低了Bcl-2的表達(dá)，增加了Bax的表達(dá)[38]。已有的研究發(fā)現(xiàn)硫酸化修飾可在一定程度上提高多糖抗腫瘤活性。O-硫酸化大腸桿菌K5莢膜多糖（OS-K5PS）能抑制纖維母細(xì)胞生長因子（fibroblast growth factor，F(xiàn)GF）的表達(dá)而抑制乳腺癌細(xì)胞S115的增殖，而NS，OS-K5PS沒有這種活性[39]。然而，Teng等報(bào)道了NS，OS-K5PS顯著抑制SDF-1/CXCL12趨化因子誘導(dǎo)的B16黑色素瘤細(xì)胞的增殖，使細(xì)胞周期停滯在G0/G1期，而且其抑制效果高于OS-K5PS[40]。另一研究發(fā)現(xiàn)，NS，OS-K5PS能抑制轉(zhuǎn)化生長因子-β1（transforming growth factor-β，TGF-β）誘導(dǎo)的骨轉(zhuǎn)移性乳腺癌細(xì)胞MDA-MB-231中溶骨因子IL-11的表達(dá)，小鼠模型證明NS，OS-K5PS抑制了腫瘤的生長和癌細(xì)胞的轉(zhuǎn)移[41]。硫酸多糖不同的生物活性可能與硫酸取代度、硫酸化作用的位點(diǎn)密切相關(guān)。

2.4 抗凝血

肝素是最早應(yīng)用于臨床的天然抗凝劑，它具有相對分子質(zhì)量小、抗血栓作用強(qiáng)、口服易吸收、體內(nèi)半衰期長、生物利用度高等優(yōu)點(diǎn)，有望成為安全、高效的抗血栓類藥[42-43]。海藻類富含硫酸多糖，也是天然抗凝劑的豐富來源[44]。松藻（Codium divaricatum）[45]及礁膜（Monostroma oxyspermum）[46]硫酸多糖能劑量依賴性地延長凝血酶活化時間。因此，天然硫酸多糖在預(yù)防及治療由凝血造成的心血管疾病（包括心肌梗塞、中風(fēng)、深靜脈血栓形成等）方面具有巨大的應(yīng)用潛力。

2.5 免疫調(diào)節(jié)

研究表明，硫酸多糖具有免疫調(diào)節(jié)作用，包括免疫促進(jìn)作用和免疫抑制作用。Cao等人[47]從昆布（Ecklonia cava）水提物中通過陰離子交換色譜分離純化得到其硫酸多糖，并檢測其免疫增強(qiáng)作用。Western blot結(jié)果顯示，昆布硫酸多糖通過MAPK和NF-kB信號通路促進(jìn)RAW264.7細(xì)胞產(chǎn)生一氧化氮 （nitric oxide，NO）和促炎因子。從釀酒酵母（saccharomyces cerevisiae）得到的硫酸葡聚糖單獨(dú)免疫小雞后增強(qiáng)了小雞脾臟中免疫細(xì)胞的分化，與新城疫疫苗同時免疫小雞后42 d，能顯著提高血液中抗體滴度和細(xì)胞因子白介素-2（interleukin-2，IL-2）和 γ-干擾素（interferon-gamma，IFN-γ）的表達(dá)水平[48]。然而，紫菜（Porphyra haitanensis）多糖能抑制過敏性小鼠血清中IgG、IgG1以及IgE水平，降低脾臟細(xì)胞中Th2型細(xì)胞因子（IL-4、IL-5和 IL-13）的表達(dá)，增強(qiáng)了Th1型細(xì)胞因子IFN-γ的表達(dá)[49]。

研究發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)?shù)姆肿有揎椈蚪Y(jié)構(gòu)改變使多糖產(chǎn)生新的活性或進(jìn)一步增強(qiáng)原有的功能，尤其是硫酸化修飾。硫酸修飾會顯著提高多糖的免疫調(diào)節(jié)作用，如增強(qiáng)免疫細(xì)胞的增殖，促進(jìn)細(xì)胞因子的產(chǎn)生，作為佐劑增強(qiáng)疫苗免疫反應(yīng)或抑制促炎因子的產(chǎn)生而抑制炎癥的發(fā)生等（見表 2）。

表2 硫酸化修飾多糖的免疫調(diào)節(jié)活性Table 2 Immune regulate activity of sulfated polysaccharides

3 展 望

天然來源的產(chǎn)物在醫(yī)藥、營養(yǎng)食品、藥用化妝品和功能性食物等領(lǐng)域研究取得了多方面的進(jìn)展，如動、植物、微生物來源的多糖，尤其是硫酸多糖，具有多種生物活性[63]。最近的研究表明，天然多糖經(jīng)人工硫酸化修飾后不僅可以增強(qiáng)其原有的生物活性，還可產(chǎn)生新的生物活性。硫酸多糖在醫(yī)藥、營養(yǎng)食品、藥用化妝品和功能性食物等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景（圖1）。目前使用的多糖硫酸化修飾方法包括氯磺酸-吡啶法、三氧化硫-吡啶法、濃硫酸法等，使用的都是強(qiáng)酸、強(qiáng)氧化、強(qiáng)腐蝕性溶劑，如果反應(yīng)時間過長，易引起多糖降解，導(dǎo)致原有活性丟失。需要對反應(yīng)體系進(jìn)一步優(yōu)化（如加入催化劑），提高反應(yīng)速率，降低多糖降解率。多糖硫酸化修飾后的活性與其水溶性、相對分子質(zhì)量、硫酸基團(tuán)取代度、硫酸基團(tuán)的位置及多糖結(jié)構(gòu)變化等具有相關(guān)性。因此，需要對多糖硫酸化的工藝進(jìn)行優(yōu)化，包括反應(yīng)時間、硫酸化試劑、溶劑與多糖溶解度、調(diào)節(jié)劑等，明確不同工藝修飾后硫酸多糖的結(jié)構(gòu)變化，檢測硫酸多糖結(jié)構(gòu)與功效之間的關(guān)系，建立質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)；同時需要加強(qiáng)硫酸多糖的毒副作用相關(guān)研究，為其臨床應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

圖1 硫酸多糖的生物學(xué)特性和潛在的工業(yè)用途Fig.1 Biological properties and potential industrial uses of Sulfate polysaccharide