石莼属绿藻多糖的生物活性研究进展

高 鑫,山 珊,曾德永,熊 毅,刘梦瑶,卢卫红

(哈尔滨工业大学化工与化学学院,哈尔滨工业大学极端环境营养与防护研究所, 哈尔滨工业大学极端环境营养分子合成转化与分离技术国家地方联合实验室，黑龙江哈尔滨 150001)

石莼属绿藻(Ulva)是一类可食用的海藻,主要分布在温带和亚热带海洋中,含有丰富的生物活性成分。不同的发展史和早期的传统文化[1]对石莼属(Ulva)和浒苔属(Enteromorpha)这两个属的分类及定义并不明确,因此,目前两者也没有清晰的区分标准,所以在本文中将浒苔属归于石莼属进行统一讨论。石莼属绿藻中最主要的生物活性物质为多糖,多糖是广泛存在于植物、动物和细菌中的天然大分子活性成分,又称多聚糖。因其具有生物相容性,毒副作用小和来源丰富的特点,被广泛研究。石莼属绿藻多糖是一类含有硫酸根的酸性多糖。它属于绿藻细胞壁多糖,一般占绿藻干重的9%～36%,主要由硫酸化的鼠李糖、糖醛酸(包括葡萄糖醛酸和艾杜糖醛酸)和木糖组成。石莼属绿藻中同时含有鼠李糖和糖醛酸的多糖称为ulvan[2]。研究发现石莼属绿藻多糖具有抗氧化、免疫调节、抗肿瘤、抗凝血和降血脂等多种生物学功能[3-5]。石莼属绿藻多糖在生物材料科学中也有广泛应用,如膜、水凝胶和纳米纤维[6-7]。因此,本文介绍近些年来国内外对石莼属绿藻多糖的化学结构和生物活性的研究进展,以期为石莼属绿藻资源的深入开发和石莼属绿藻多糖的进一步利用提供参考依据。

1 石莼属绿藻多糖的理化性质及结构特征

植物多糖的分子性质及生物活性与其一级分子结构存在密切联系,如平均分子量、单糖组成、糖苷键类型、连接方式及官能团等;这些结构特征对石莼属绿藻多糖的理化性质和生理功能都有重要的影响。

1.1 理化性质

石莼属绿藻多糖为酸性多糖,易溶于水,不易溶于有机试剂。紫外吸收光谱在260和280 nm处均无吸收峰说明不含有蛋白质和核酸,红外光谱可检测到3420和2950 cm-1处出现吸收峰,分别为O-H和C-H的伸缩振动,这两个峰为多糖的特征吸收峰。石莼属绿藻多糖中均含有硫酸根,De等[8]测得裂片石莼多糖中含有20.6%的硫酸根。Tian等[9]从中国南海的石莼中提取到两种含硫酸根的多糖,硫酸根含量分别为12.0%和26.8%。综合文献报道,石莼属绿藻多糖中硫酸根的含量的大致范围为8%～27%[10-11]。

1.2 平均分子

植物多糖的平均分子量与其自身的理化性质存在密切的关系。石莼属绿藻多糖的分子量主要是通过高效凝胶渗透色谱法进行测定的。Chattopadhyay等[12]从印度扁浒苔中分离纯化得到主要的多糖组分WE的分子量为55 kDa。Tian等[9]在石莼中分离纯化出两种主要多糖ULP1和ULP2,其分子量分别为189和230 kDa。石莼属多糖的种类和提取工艺均能影响其分子量,石莼属绿藻多糖的平均分子量大致范围在10～103kDa[13]。

1.3 单糖组成

多糖的单糖组成是研究其生物功能的前提基础。石莼属绿藻多糖属于阴离子杂多糖,一般由鼠李糖、葡萄糖醛酸、艾杜糖醛酸和木糖组成[14]。近期研究发现,部分单糖如葡萄糖、半乳糖、阿拉伯糖和甘露糖等也可在石莼属绿藻多糖中检出。Shao等[15]对中国浙江海岸的裂片石莼提取多糖,并对其进行单糖组成分析,确定裂片石莼多糖是由鼠李糖、木糖、葡萄糖和甘露糖组成的,其摩尔百分比分别为42.37%、36.25%、11.74%、9.64%。Gao等[16]对孔石莼多糖进行纯化并采用气相分析其单糖组成,发现孔石莼多糖是主要是由鼠李糖和木糖组成,含有少量阿拉伯糖、葡萄糖和半乳糖。研究结果表明石莼属绿藻多糖单糖组成的不同可能是与绿藻属性、生长环境、提取纯化方法等多种因素相关。

1.4 化学结构

石莼属绿藻多糖一般具有较为复杂的分支结构,并没有明确的主链或者简单的重复单元。石莼属绿藻多糖的化学特异性导致了其具有无序构象,且显著依赖于绿藻的种类和生长环境等因素。大量研究表明,不同来源的石莼属绿藻多糖的主链主要由α-(1→4)和β-(1→4)糖苷键组成,分别为α-1,4-和α-1,2,4-L-鼠李糖、β-1,4-D-葡萄糖醛酸和β-1,4-L-木糖[17];硫酸化位点主要发生在鼠李糖的C-3或者是C-2和C-3上。此外,研究也发现部分硫酸化基团也会出现在C-4位置上[18]。多糖的分支点主要在鼠李糖或糖醛酸的O-2位置[19]。也就是说,葡萄糖醛酸或艾杜糖醛酸和鼠李糖在石莼属绿藻多糖中主要是以醛二糖酸的形式存在,形成典型的重复二糖单元。该二糖单元主要有两种不同类型,分别为A类硫酸三丁酸酯(A3s)和B类硫酸三丁酸酯(B3s)。其中,A3s主要由葡萄糖醛酸和硫酸化鼠李糖组成,而B3s则主要由艾杜糖酸和硫酸鼠李糖组成,主要是通过(1→4)糖苷键连接。然而,在某些情况下,糖醛酸也可被木糖或硫酸化的木糖残基代替,二糖重复单元被命名为U3s和U2’s,3s[20]。

2 石莼属绿藻多糖的生理活性研究进展

近年来,研究已发现石莼属绿藻多糖具有多种体内外生理活性,如抗氧化、抗肿瘤、抗凝血、抗病毒、降血脂和免疫调节等。石莼属绿藻多糖因其来源和生长环境的差异而具有不同的结构特征,因而具有不同的生物活性。

2.1 抗氧化活性

机体处于氧化应激状态时,体内产生的大量自由基会攻击脂质、DNA、蛋白质和糖类,破坏细胞膜稳定性,进而引起细胞和组织的氧化损伤。氧化应激会引发多种相关疾病,如炎症反应、心血管疾病和肿瘤等。多种食源性多糖都具有抗氧化功效,可作为体内外抗氧化剂。石莼属绿藻多糖的体外抗氧化活性主要体现在自由基清除能力和提高还原力。研究证实,裂片石莼(Ulvafasciata)和石莼多糖具有体外抗氧化活性,能清除体外超氧化物自由基、羟自由基和ABTS自由基,并能提高还原力[21-22]。多糖的体内抗氧化能力主要是通过测定血液或组织中的抗氧化酶如超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)等以及氧化产物丙二醛(MDA)等确定。Li等[23]发现孔石莼(Ulvapertusa)多糖能显著增强抗氧化能力,提高小鼠肝脏组织中SOD、CAT、GSH-Px的含量,降低MDA含量。石莼(Ulvalactuca)中提取的多糖可提高SAMP8小鼠的抗氧化能力,并能降低炎症因子干扰素-γ(IFN-γ),肿瘤坏死因子-α(TNF-α)和白介素6(IL-6)的含量[24]。研究表明石莼属绿藻多糖体内外均具有抗氧化活性,但对于其影响抗氧化分子信号通路的具体作用机制却鲜有报道,这一方面有待进一步的研究。

2.2 免疫调节作用

免疫是生物体对外来细菌、病毒及其它有害物质的一种保护作用[25],大量藻类多糖都具有免疫调节活性,也可调节先天免疫功能。目前,石莼属绿藻多糖的体外免疫调节作用主要是通过RAW264.7巨噬细胞、小鼠腹膜细胞、肠上皮细胞等进行研究。Tabarsa等[26]研究表明,肠浒苔(Ulvaintestinalis)中提取的ulvan可显著促进巨噬细胞RAW264.7增殖,分泌一氧化氮(NO)、瘤坏死因子-α(TNF-α),白介素6(IL-6),白介素1β(IL-1β)等细胞因子。Ulvarigida多糖也可以提高巨噬细胞RAW264.7的活性,显著提高NO和前列腺素E2(PGE2)的分泌,并能增加iNOS和COX-2基因的表达[27]。Peasura等[28]研究表明肠浒苔(Ulvaintestinalis)多糖也可增强巨噬细胞J774A.1的免疫调节能力,刺激NO分泌,TNF-α和IL-1β等细胞因子的产生。研究发现,石莼属绿藻多糖是通过调节免疫细胞来发挥作用。主要是影响细胞因子的分泌及相关RNA的表达[29]。体内免疫调节作用是通过Wistar大鼠模型和小鼠模型等加以探究。Bussy等[30]研究发现,Ulvaarmoricana多糖可调节妊娠结束母猪的免疫能力,提高免疫球蛋白IgA和IgG的含量。此外,孔石莼多糖UPP也可显著提高了环磷酰胺免疫缺陷鼠的免疫能力,增加脾淋巴细胞的增殖能力和腹腔巨噬细胞分泌NO和细胞因子的分泌,继而显著提高了血清溶血素和细胞因子的含量[31]。研究发现,石莼属绿藻多糖即可增强非特异性免疫,也可增强特异性免疫。此外,石莼属绿藻多糖还可以通过增强巨噬细胞的吞噬活性而激活NK细胞,延缓中性粒细胞的凋亡而提高机体免疫机能[32]。

2.3 抗肿瘤活性

癌症作为一种严重疾病,是全球高发病率和高死亡率的主要原因之一。近年来研究发现,从植物中分离出的多种多糖都具有抗肿瘤活性[33]。不同来源的石莼属绿藻多糖的抗肿瘤活性也存在显著差异。Thanh等[34]研究发现,石莼多糖可以显著抑制肝癌细胞HepG2、人乳腺癌细胞MCF7和宫颈癌细胞Hela细胞的增殖,作用浓度为100 μg/mL条件下,三种癌细胞的存活率几乎为0%。浒苔多糖仅对人胃癌细胞AGS和人结肠癌细胞DLD-1具有抗癌活性,在多糖浓度为200～1000 μg/mL时,浒苔多糖可显著抑制AGS细胞增殖,且呈现剂量依赖性,细胞增殖率仅为10%～26%[11]。Shao等[35]指出,裂片石莼多糖也能抑制肠癌细胞DLD的增殖。总结文献可以看出,石莼属绿藻多糖主要是通过两个方面来抗肿瘤的,一方面可抑制肿瘤细胞增殖,另一方面也可促进癌细胞的凋亡。并且有文献报道石莼属绿藻多糖处理后癌症小鼠的重要免疫器官指数均有明显提高,表明石莼属绿藻多糖的抗肿瘤活性可能与其免疫调节作用存在密切联系。总之,石莼属绿藻多糖的抗肿瘤作用并非是单一途径起作用的,而是多种途径共同作用的结果,可能包括肿瘤细胞凋亡、抑制肿瘤细胞增殖、刺激免疫应答和调节肠道菌群等。

2.4 抗凝血活性

凝血功能是血浆中的可溶性纤维蛋白原转变不溶性的纤维蛋白的一种功能[36]。研究发现,石莼属绿藻多糖具有抗凝血作用,其抗凝作用主要是通过测定凝血活酶时间,凝血酶时间和凝血酶原时间等而评价。分别代表内在和共同途径,共同途径和外在途径[37]。研究发现,裂片石莼多糖具有抗凝血活性,在凝血级联的过程中可延长凝血活酶时间和凝血酶时间,避免了样品血液的凝固。且其对细胞没有毒性,可作为未来抗凝血剂的生物来源[38-39]。Mao等[40]研究表明,从Ulvaconglobata中提取的多糖可增加凝血活酶时间(APTT),且与肝素相比,多糖的抗凝血活性更好,其抗凝血机制是直接抑制凝血酶和增强肝素辅因子II。Guerra-Rivas等[41]也指出,Ulvaneumatoidea多糖具有抗凝血活性,且与其他藻类相比,表现出最高的APTT指数。总结可以看出石莼属绿藻多糖的抗凝血作用主要是增加凝血活酶时间(APTT),这表明石莼属绿藻多糖主要是通过内在和共同途径来提高抗凝血活性。且其没有细胞毒性,并不会像肝素纳等抗凝剂,会引起血小板减少和血栓综合征的副作用[42]。因此,石莼属绿藻多糖可作为一种新型抗凝剂。

2.5 抗病毒活性

大量研究表明,石莼属绿藻多糖具有抗病毒活性[43]。Kevin等[44]研究报道,从Ulvaarmoricana中提取的多糖对单纯疱疹1型病毒的活性具有较强的抑制作用。José等[45]通过体外实验发现条浒苔多糖对鸡新城疫病毒NDV有抗病毒作用,比先前的岩藻聚糖具有更好的抗细胞扩散作用,并可以直接抑制细胞的融合,但没有杀病毒的作用。此外,石莼多糖可以抑制Vero细胞中日本脑炎病毒(JEV)的感染,石莼多糖可阻止病毒吸附,从而使病毒无法进入细胞,还可以有效减少JEV感染的原代神经胶质细胞中促炎因子的产生,且用多糖预处理的JEV感染小鼠可以延迟后肢麻痹的发作,从而延缓小鼠死亡[46]。综上，石莼属绿藻多糖的抗病毒作用是抑制病毒活性和抑制病毒与细胞融合,而不是直接杀灭病毒。石莼属绿藻多糖的抗病毒作用机制研究较少,有待进一步研究。

2.6 降血脂活性

高血脂症是一种常见的内分泌疾病,其可诱发脑血管,心血管和动脉粥样硬化等多种疾病[47]。尽管降血脂药如他汀类药物可预防和治疗高血脂症,但在临床上仍具有很强的副作用。大量研究已经证明,石莼属绿藻多糖具有体内外降脂活性,且不具有副作用。孔石莼多糖就可以显著降低高脂小鼠的血清总胆固醇(TC)、血浆三酰甘油(TG)和低密度脂蛋白胆固醇(LDL-C),并且显著增加高密度脂蛋白胆固醇(HDL-C)水平[48-49]。此外,大量研究也证实石莼多糖可以显著降低肝炎大鼠血清TC、TG和LDL-C,提高HDL-C的含量,具有降血脂的作用[50-51]。浒苔多糖同样具有降血脂活性[52]，且部分研究指出,多糖的抗氧化活性可能有助于其降血脂效果[53]。因而,石莼属绿藻多糖的降血脂活性可能是由多种机制共同作用而得以实现。但相关抗血脂机制研究较少,有待进一步研究。

2.7 其他生物学活性

除上述的生物活性外,石莼属绿藻多糖还具有多种其他生物活性,如抗菌、降血糖和抗辐射等活性。研究发现,裂片石莼多糖可对枯草芽孢杆菌和金黄色葡萄球菌表现出明显的抗菌活性[54]。林龙等[55]也发现,500 mg/kg的孔石莼多糖对四氧嘧啶高血糖小鼠有显著的降血糖作用,高剂量多糖降血糖效果最佳,且作用效果优于二甲双胍。Shi等[56]的研究表明,低于30 kDa的孔石莼多糖对辐射小鼠有防护作用,可显著改善辐射小鼠的骨髓细胞和免疫系统。

3 石莼属绿藻多糖结构对活性的影响

3.1 石莼属绿藻多糖分子量对活性的影响

多糖分子量的大小是影响多糖生物活性的重要因素,研究表明,石莼属绿藻多糖中分子量较大的多糖具有更好的免疫调节活性和抗病毒活性。Tabarsa等[13]从孔石莼中提取了三个多糖组分F1、F2和F3,其中分子量较高的F1和F2(1450和1690 kDa)对巨噬细胞的免疫调节能力显著高于F3(365 kDa)。Lopes等研究发现,扁浒苔中分子量较高的多糖(34 kDa)的抗病毒活性是分子量小于5 kDa多糖的2～5倍[57]。也有研究表明低分子量的石莼属绿藻多糖的抗氧化活性优于高分子量的多糖[58]。综上，石莼属绿藻多糖分子量的大小对不同活性的影响是不同的,这可能是因为石莼属绿藻多糖的生物活性不仅与分子量相关,也与单糖组成和硫酸根含量相关。

3.2 石莼属绿藻多糖硫酸根含量对活性的影响

石莼属绿藻多糖是一种含有硫酸根的酸性多糖,大量的文献证明石莼属绿藻多糖硫酸根含量的多少是影响其生物活性的主要因素。Qi等[59]的研究发现硫酸化修饰后的孔石莼多糖组分HU比未修饰的多糖组分U表现出更好的抗氧化活性,在250 mg/kg给药剂量的条件下,HU组高血脂大鼠体内SOD和GSH-Px的活性明显高于U组。Wang等[60]在缘管浒苔中提取的多糖组分中,高硫酸盐含量的SEP多糖组分表现出更好的抗凝血活性。综合所有的文献表明,硫酸根含量高的石莼属绿藻多糖可以提高其生物活性,如抗氧化、免疫调节、抗肿瘤、抗凝血和降血脂活性[61-62]。且有文献报道对石莼属绿藻多糖进行去硫酸化则可能会降低对巨噬细胞的免疫调节能力[27]。这表明石莼属绿藻多糖中硫酸根的含量是影响其生物活性的重要因素。

3.3 石莼属绿藻多糖单糖组成对活性的影响

石莼属绿藻多糖具有的生物活性可能与其单糖组成的差异性相关。石莼属绿藻多糖主要是有鼠李糖、葡萄糖醛酸、艾杜糖醛酸和木糖组成。研究表明具有更高糖醛酸含量的石莼属绿藻多糖具有更好的抗肿瘤活性,Shao等[35]的研究发现裂片石莼提取的多糖中,含有最高糖醛酸含量的多糖组分DS-UFP3具有最强的抗肿瘤活性。石莼属绿藻多糖对于单糖组成对生物活性的研究较少,有待进一步研究。

4 结论

综上所述,石莼属绿藻多糖具有许多生物学功能,如抗氧化、免疫调节、抗肿瘤、抗凝血等生物学功能,在食品和制药行业中可广泛应用,具有广阔的市场前景。但目前仍存在着很多需要解决的问题:其一,石莼属绿藻多糖生物活性具体的作用机制及与结构之间的构效关系研究较少,有待进一步研究;其二,石莼属绿藻多糖的结构研究还处于一级结构的基础研究,还需深入研究其空间构象等高级结构,为揭示多糖的构效关系提供理论依据和参考基础;其三,鉴于石莼属绿藻多糖的多种生物学功能和开发价值,其在现代医学和健康食品领域具有很大的发展潜力。