魔芋葡甘聚糖在医学中的研究进展



综述·讲座

魔芋葡甘聚糖在医学中的研究进展

作者单位:650032 昆明,成都军区昆明总院骨科、全军创伤骨科研究所(黄合飞,徐永清,李福兵)；昆明医科大学成都军区昆明总医院临床学院(黄合飞)

黄合飞,徐永清,李福兵

[关键词]魔芋葡甘聚糖；药理作用；生物材料；研究进展

魔芋葡甘聚糖(konjac glucomanan,KGM)是从魔芋(amorphophallus konjac)块茎中提取的多糖,是一种低热量、难消化的膳食纤维,具有降血糖、降血脂、减肥、抗肿瘤、增强免疫和润肠通便等特殊作用。魔芋葡甘聚糖具有良好的膨胀性、乳化性、生物降解性、凝胶特性及pH敏感性,在食品工业及生物医学材料方面有着广泛的应用,本文就魔芋葡甘聚糖的药理作用及生物医学材料方面的应用作一综述。

1KGM的结构

KGM是由D-葡萄糖和D-甘露糖通过β-1,4糖苷键以1∶1.4~1∶1.6摩尔比连接组成的复合多糖(图1),其分子结构中,在甘露糖C3的位置上存在一些支链结构,主链上存在着5%~10%以酯键结合的乙酰基[1-2]乙酰基团与魔芋胶有着密切联系,在碱性条件下KGM会发生脱乙酰反应,利于分子间氢键的形成,使KGM部分结晶,形成具有三维结构的凝胶。因此,通过改变pH可调控KGM凝胶促发时间和凝胶程度,利用这种性能可以改变KGM的生物降解性、机械强度[1-3]。KGM不同的结构使其具有不同的生物功能和活性,广泛应用于生物医学材料的研发制备。

图1　魔芋葡甘聚糖分子结构

2KGM在生物医学材料方面的应用

2.1药物缓释用魔芋葡甘聚糖/海藻酸钠/氧化石墨烯(KGM/SA/GO)制备的一种pH敏感的水凝胶,利用氧化石墨烯作为抗癌药物负载和释放的药物结合效应器,抗癌药物5-氟尿嘧啶(5-FU)复合KGM/SA/GO-3水凝胶后,药物释放量为38.02%(pH=1.2,>6 h)、84.19%(pH=6.8,>12 h),该水凝胶能够较好地控制5-FU的释放[4]。另外κ-卡拉胶与魔芋胶混合作为骨科支架材料,并且能够缓释药物,对水溶性药物盐酸青藤碱具有良好的体外缓释特性。在不同的溶液介质中,药物的释放速度不同(0.1 mmol/L盐酸溶液>纯水>pH=6.8PBS),缓释是以扩散和溶蚀释药相结合的方式进行[5]。刘艳华等[6]研究发现,苦参碱与魔芋葡甘聚糖多孔杂化水凝胶制备的缓释胶囊,能够持续释药12 h,具有良好的缓释特性,释药机制以扩散为主,在胃肠道滞留给药系统载体材料方面具有广泛的前景。羧甲基魔芋胶作为药物缓释的骨架材料,释药机制为药物扩散和骨架溶蚀相协同,较低剂量即可很好延缓药物释放,可用于制备主药含量高的缓释制剂[7]。壳聚糖/氧化魔芋葡甘聚糖/双氯芬酸钠以1∶2∶1制备聚合物膜控制双氯芬酸钠的释放,在模拟胃液(pH=1.2)中超过2 h,双氯芬酸钠释放量<1%；置于模拟肠液(pH=7.4)中8~24 h,药物释放量为6%~19%,减小了药物的副作用,可考虑作为长期(至少3 d)肠控制释放药物模型[8]。糜志远等[9]研究发现,以魔芋葡甘聚糖和黄胶原为基质,制备阿昔洛韦口腔缓释膜,药物含量为(13.87±0.34)mg/片,0.5 h、4.5 h体外累积释放度分别为21.56%、92.25%,具有良好的缓释效果,可用于口腔黏膜溃疡的局部给药。Ma等[10]用阳离子脂质体包封万古霉素负载于纳米羟基磷灰石/壳基糖/魔芋葡甘聚糖复合骨支架上,体外释药以万古霉素阳离子脂质体形式释放,该载药系统可持久释放抗生素,并能够抑制细菌生物膜形成,为治疗生物膜感染引起的骨髓炎提供了一种新型的抗生素药物缓释系统。应用魔芋葡甘聚糖的的特性制备的各种药物缓释系统,提高了药物的疗效,为临床上药物的研发及给药提供了新的思路。

2.2骨科方面应用朱维波等[11]研究发现,以魔芋葡甘聚糖、透明质酸钠为主要原料,制作透明质酸钠/魔芋葡甘聚糖复合多孔膜,具有较好的通孔率、力学性能及降解性能,在软骨修复材料方面具有较大的应用潜质。Kondo等[12]研究发现,兔软骨细胞与魔芋葡甘聚糖/透明质酸钠支架复合培养,Ⅰ和Ⅱ型胶原蛋白基因表达量高于单纯软骨细胞培养,细胞活力显著高于琼脂糖培养软骨细胞,对软骨再生提供了新思路。另外,魔芋葡甘聚糖水凝胶能够促进成纤维细胞(非角质细胞)增殖,减少皮肤挛缩程度,并且不影响上皮再生(reepithelisation),形成表皮与真皮交界的皮肤。魔芋葡甘聚糖形成的水凝胶是可降解的,一方面减少敷料更换的频率,另一方面避免破坏新形成的皮肤,在促进伤口愈合敷料方面具有巨大的开发价值[13]。魔芋葡甘聚糖/壳聚糖/GNPs[gentamicinloaded poly(dex-GMA/AAc)nanoparticles]制备的新型生物膜具有良好的止血效果和抗菌能力,一方面膜的微孔结构能够有效吸收血液和陷进细胞中的水分,另一方面负载抗生素的纳米颗粒良好的吸收功能进一步促进了血液凝固,同时表现出优异的抗菌能力,在外伤性出血治疗方面是一种有前途的新型材料[14]。黄金亮等[15]研究发现,纳米羟基磷灰石/壳基糖/魔芋葡甘聚糖支架复合万古霉素阳离子脂质体,能够持续释放万古霉素,抑制金黄色葡萄球菌形成的生物膜,并且魔芋葡甘聚糖能够减缓万古霉素阳离子脂质体的释放,可通过调整魔芋葡甘聚糖的含量获得不同释放速率和释放量的复合支架,以满足各种临床需要。纳米羟基磷灰石/壳基糖/魔芋葡甘聚糖支架复合万古霉素阳离子脂质体在兔感染性骨缺损模型体内有较好的抗感染性和骨修复活性,为治疗慢性感染性骨缺损提供新的策略,以魔芋葡甘聚糖为原料制备的复合材料及复合膜在骨科方面的应用,还有待进一步开发。

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,膳食纤维延缓碳水化合物的吸收,降低餐后血糖的高峰值,从而减少因血糖波动引起的靶器官损伤,达到预防糖尿病并发症的作用[16]。魔芋含有的丰富微量元素铬是一种激素——胰岛素的辅助因子,具有维持胰岛正常活动、活化胰岛素调节糖代谢的重要作用。魔芋精粉中含有微量元素硒,具有提高血中胰岛素、增加胰岛素储备,对胰岛细胞有保护功能[17]。KGM治疗通过调节小肠营养物质的吸收速率、增强胰岛素的敏感性降低血糖[18]。李春美等[19]以四氧化嘧啶诱导糖尿病小鼠为动物模型,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,灌胃剂量为1.5 g/kg时,小鼠血糖下降率依次为80.6%、33.4%、40.9%。

3.2降血脂作用魔芋精粉能够降低高脂大鼠血清总胆固醇、甘油三酯及血清脂质过氧化物,并增加高密度脂蛋白胆固醇及高密度脂蛋白胆固醇/总胆固醇比值,降低血液黏度[20]。魔芋葡甘聚糖有效降低血浆胆固醇、低密度脂蛋白胆固醇、载脂蛋白含量,通过增强中性固醇和胆汁酸的粪便排泄改善血脂水平[21]。Chen等[22]研究发现,高血脂的糖尿病患者食用魔芋葡甘聚糖28 d(3.6 g/d),血浆胆固醇、低密度脂蛋白胆固醇、总胆固醇/高密度脂蛋白胆固醇比值、载脂蛋白B、空腹血糖下降率分别为11.1%、20.7%、15.6%、12.9%、23.2%,粪便中胆固醇和胆汁酸的浓度分别增加了18.0%、75.4%。

3.3减肥作用魔芋葡甘聚糖通过抑制小肠黏膜Na+-K+-ATP酶活性,减少肠道对营养物质的吸收,从而降低高脂饲喂小鼠餐后血糖及体重[23]。魔芋葡甘聚糖可使肥胖大鼠空肠绒毛膜的形态恢复正常,从而抑制其亢进的吸收功能,减轻大鼠体重[24]。魔芋的主要成分为魔芋葡甘聚糖,热量较低,吸水后膨胀性好,食少量即有饱胀感,不易消化,同时能减缓胆固醇、糖分物质的吸收,有润肠通便功效,故有极好的减肥健美功效。

3.4润肠通便作用食用魔芋葡甘聚糖可以促进结肠发酵,降低粪便pH,增加粪便短链脂肪酸浓度,增加排便的频率,进而可作为成年人一种天然的泻药[25]。魔芋葡甘聚糖可提高小鼠胃肠组织胃动素水平,降低生长抑素水平,从而增强胃肠道蠕动,加快胃肠道内容物的清除,减少胃肠道对粪便营养物质和水分的吸收,软化粪便,增加小鼠排便量[26]。魔芋葡甘聚糖可以降低运动应激大鼠肠黏膜的损伤,可降低肠黏膜通透性、血浆内毒素和细菌移位率,改变肠黏膜及肠绒毛形态,提高肠液IgA浆细胞个数和SIgA含量[27]。另外其能够促进肠道有益菌的生长繁殖,抑制有害细菌在肠道的黏附和定植,维持消化道正常微生态环境[28]。

3.5抗肿瘤作用魔芋通过增强机体免疫功能抑制移植性肿瘤生长,同时对小鼠白细胞无明显影响,提高了T淋巴细胞转化率,增强免疫功能,起到抗肿瘤作用[29]。罗德元等[30]研究发现,魔芋能够预防MNNG诱发的肺癌,降低小鼠肿瘤发生数目及发癌率,腺瘤恶变率降低,良性肿瘤相对增加,延长动物寿命。另外魔芋葡甘聚糖降低了粪便中β-葡甘聚糖酶活性和二级胆汁酸水平,增加了粪便中双歧杆菌和乳酸杆菌水平,进食魔芋葡甘聚糖有助于降低结肠癌癌前病变的危险因素[31]。

3.6止血作用对家兔股动脉出血及肝、脾出血,小鼠断尾出血,魔芋止血灵均有明显止血作用；对大鼠、家兔完整及破损皮肤无不良反应,不影响伤口愈合。魔芋止血灵对实验动物有良好的止血效果,皮肤局部用药安全性良好[32]。按1∶1制备魔芋葡甘聚糖/壳聚糖复合膜,用于肝、脾脏外伤性出血,出血时间、出血量与云南白药相比无统计学差异(P>0.05),但与普通医用纱布相比,有显著效果(P<0.05)[33]。

3.7其他魔芋葡甘聚糖水解产物可作为一种抗真菌剂治疗阴道感染[34]。特发性皮炎的小鼠动物模型喂食魔芋葡甘聚糖粉,可以减少小鼠的搔抓行为,显著抑制湿疹样皮损和皮肤炎症免疫反应,给有过敏性鼻炎小鼠喂食魔芋葡甘聚糖粉剂,小鼠打喷嚏的频率显著低于对照组[35]。益生菌和魔芋葡甘聚糖的水解产物能够抑制皮肤痤疮丙酸杆菌的生长[36]。

4展望

我国魔芋资源丰富,魔芋的主要成分魔芋葡甘聚糖在医疗、食品、化工等方面有着广泛的应用,魔芋葡甘聚糖在降血糖、降血脂、减肥、抗肿瘤、增强免疫方面有着特殊的功效。应用魔芋葡甘聚糖制备的药物缓释系统,为新药的研发及给药途径提供了新思路。目前临床上大量骨缺损、骨感染的患者急需骨替代材料及局部释放抗生素的载药系统,因此,基于魔芋葡甘聚糖的医用生物材料具有极大的开发价值。

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(收稿日期:2014-10-09)

文章编号1004-0188(2015)02-0212-04

doi:10.3969/j.issn.1004-0188.2015.02.042

中图分类号R 95/Q 946.3

文献标识码A

通讯作者:徐永清,E-mail：xuyongqingkm@163.net

基金项目:国家自然科学基金面上资助项目(81171734)；云南省应用基础研究项目(2011FZ312)