茶叶多糖的药理活性研究进展

杨军国,王丽丽,陈 林

(福建省农业科学院茶叶研究所,福建福安 355015)

植物多糖,又称植物多聚糖,是一类由大量单糖通过糖苷键连接而成的天然大分子活性物质,因其来源广泛、生物学功能多样和无毒副作用,成为当今食品、医药和功能保健品发展的新方向。茶叶(Camelliasinensis)为山茶目双子叶植物,药用价值历史悠久,富含茶多酚、茶多糖、茶色素、茶氨酸等多种药理活性成分。茶叶多糖具有多种保健功效,如降血糖、抗氧化、免疫调节、抗肿瘤、抗凝血、抗疲劳、抑菌杀毒、减肥等,尤以降血糖和防治糖尿病成为众多学者关注的焦点[12]。本文结合近年来茶叶多糖研究的相关文献报道,主要对其药理活性的研究进展进行综述。

1 降血糖作用

糖尿病本质是血糖来源与去路间动态平衡被打破,从而引起血糖浓度过高乃至糖尿。我国及日本民间常用粗老茶防治糖尿病,备受学者关注。自清水岑夫研究揭示茶多糖为主要的降血糖活性成分以来,许多学者以动物实验为基础,先后报道了茶叶多糖具有降血糖,防治及延缓糖尿病进展的功效[36]。茶叶多糖与茶多酚的协同防治糖尿病及化学修饰后降血糖活性的表达方面,也有深入的研究。李星亚等[7]研究表明,茶多糖与茶多酚,尤其是表没食子儿茶素没食子酸酯(EGCG),能更好的协同保护胰岛细胞的DNA和线粒体功能,起到防治糖尿病的作用。Wang等[8]用茶多糖和硫酸酯化茶多糖同时灌胃糖尿病小鼠,发现硫酸酯化茶多糖降血糖效果更明显,且药效持续时间更长久,这与茶多糖改性后引入了硫酸基、水溶性提高有关。目前,有关茶多糖的降血糖机制,已从不同水平、不同方面进行了探讨。分析总结认为,茶多糖主要通过三条路径实现降血糖活性的表达(见图1)。

图1 糖尿病的发生发展及茶叶多糖介导Fig.1 Initiation and promotion of diabetes mellitus and regulation by tea polysaccharides

1.1 胰岛β细胞功能保护

胰岛β细胞属胰岛细胞的一种,可通过分泌胰岛素调节机体的血糖含量,在T淋巴细胞介导的1型糖尿病发病机制中扮演着重要的角色。王莉英等[9]研究表明,给予4周龄雌性非肥胖糖尿病小鼠(nonobese diabetic,NOD)口服灌胃茶叶多糖,可明显延缓发病时间,且90%的小鼠不会发展为糖尿病。通过茶叶多糖预免疫组与生理盐水组比较发现,茶叶多糖预免疫组血清C肽水平显著增高,胰岛炎症程度减轻,CD8T细胞亚群显著增高及CD4/CD8比例显著下降,从而改善了机体免疫失调时细胞的免疫功能,修复了胰岛β细胞的损伤。陈建国等[10]研究发现,茶多糖可明显促进四氧嘧啶糖尿病小鼠胰岛β细胞内质网、线粒体等结构损伤的修复,使酶原颗粒明显增多,细胞分泌胰岛素功能明显改善和恢复。机体免疫失调时,胰岛β细胞易受到自由基的特殊破坏,从而中止分泌胰岛素引发糖尿病。茶叶多糖能增强机体免疫力和清除多种自由基[12,11],揭示茶叶多糖可减弱自由基对胰岛β细胞的损伤或改善受损伤β细胞的功能,从而促成了降血糖的功效。Chen等[4]研究也表明了水提和碱提茶叶多糖能有效的预防NOD小鼠1型糖尿病的发生。综上所述,茶多糖能够通过增强机体免疫力和清除自由基活性,防治胰岛β细胞受损,从而起到预防或延缓1型糖尿病发生发展的功效。

1.2 抑制外源碳水化合物的吸收

α葡萄糖苷酶和α淀粉酶是食物中碳水化合物水解消化的关键酶类,其受抑制能够延缓碳水化合物的消化吸收,进而拮抗餐后血糖过高。离体实验及动物实验表明,茶叶多糖可通过抑制α葡萄糖苷酶和α淀粉酶的活性,使进入机体的碳水化合物减少,从而起到降低餐后血糖的作用[1216]。然而,茶叶多糖对该类酶活性的抑制作用受诸多因素影响,如提取原料、加工工艺。Xiao等[17]以市场购得惠州绿茶、茶闻天下、安溪铁观音和西湖龙井为原料提取茶叶多糖,研究发现西湖龙井茶叶多糖具有更强抑制α葡萄糖苷酶和α淀粉酶的活性,抑制率分别达64.35%和82.24%。Xu等[18]分别比较了1年陈普洱、3年陈普洱和5年陈普洱茶多糖的制得率和活性,表明随着普洱茶陈放年份的延长,茶叶多糖制得率提高,且抑制α葡萄糖苷酶活性更强,可超出抗糖尿病药阿卡波糖3倍以上。其他文献来看,分析比较热水浸提法、微波辅助浸提法和超声波辅助浸提法等不同提取方式的影响发现,热水浸提制得的茶叶多糖具有更高的抑制活性[19];与冷冻干燥、喷雾干燥、微波真空干燥方式相比,真空干燥可使制备的茶叶多糖抑制α葡萄糖苷酶和α淀粉酶活性显著增强[20]。综上所述,不同茶叶产地、种类及制备工艺得到的茶叶多糖对α葡萄糖苷酶和α淀粉酶的抑制活性调控不一,这揭示了不同学者对茶叶多糖抑制α葡萄糖苷酶和α淀粉酶存有异议[2122]。

1.3 内源因素的调控

糖尿病的发生发展过程中常伴随有糖代谢酶类、胰岛素等内源因素的异常表达,这被视为防治糖尿病的作用靶标。葡萄糖激酶(Glucokinase,GK)是己糖激酶的一种异构酶,主要存在于肝细胞和胰岛β细胞,是肝细胞内糖酵解和糖原合成第1步反应的限速酶。研究表明,茶叶多糖能显著增加糖尿病小鼠的肝糖原累积[2324]。进一步研究发现,茶多糖可显著活化GK,催化葡萄糖磷酸化生成6磷酸葡萄糖和6磷酸果糖，参加后续糖酵解反应,生成乳酸或进入三羧酸循环或转化为1磷酸葡萄糖而促进肝糖原合成及贮存,从而降低糖尿病小鼠的血糖水平[21,2526]。

2型糖尿病常伴随有氧化应激的发生,导致胰岛素进一步受损和抵抗的发生。KKAy小鼠是一种毛色基因突变型糖尿病小鼠,与人类2型糖尿病表现极为相似,为胰岛素抵抗的典型模型。芮莉莉等[27]以茶叶多糖连续灌胃KKAy小鼠8周,研究发现4周末时高剂量组小鼠的葡萄糖耐量得到显著改善,至第8周时,中、高剂量组血糖、血清胰岛素均较对照组显著降低。Ren等[28]研究也发现,富硒茶叶多糖可显著改善小鼠高血糖水平诱导的胰岛素抵抗的发生,可归因于使糖尿病小鼠肝肾超氧化物歧化酶(SOD)和谷胱甘肽过氧化物酶(GSHPx)活性显著提高,脂质过氧化产物丙二醛(MDA)明显下降,从而减轻糖尿病小鼠的氧化应激对胰岛组织的损伤[5,29]。研究还发现,茶叶多糖可进一步通过介导胰岛素表达的信号路径过氧化物增殖体激活型受体γ(PPARγ)[30]、cAMPPKA信号通路[31]和PI3K/Akt信号通路[32],从而改善了糖尿病小鼠的胰岛素敏感性。

茶叶多糖的降血糖及防治糖尿病活性尤为突出,这成为了众多学者的关注焦点。如图1所示,茶叶多糖可通过保护胰岛β细胞、抑制外源碳水化合物的吸收和调控内源因素(糖代谢酶类和胰岛素)等三条路径来实现降血糖活性的表达。综合来看,内源因素的调控被认为茶叶多糖降血糖及防治糖尿病机制中最具说服力的一种。氧化应激与糖尿病发展相互促进,形成互助效应。茶叶多糖防治糖尿病的内源因素调控,由抑制氧化应激开始,防治机体胰岛组织的受损,然后进一步启动糖代谢酶类和胰岛素表达信号,改善胰岛素的敏感性,降低糖尿病患者机体的血糖水平。现如今,随着人们生活方式和饮食结构的不断变更,我国糖尿病人群一直处于高发态势,茶叶多糖的降血糖及防治糖尿病功效由此在功能食品、医药保健品等领域具有广阔的应用前景。

2 抗氧化活性

氧化应激是指机体在遭受内外环境有害刺激时,组织或细胞内蓄积活性氧簇和活性氮簇而引起的生理、病理反应,与肿瘤、肾炎、动脉粥样硬化、糖尿病等多种疾病的发生发展密切相关。茶叶多糖具有抗氧化活性,众多学者已从动物实验、人体实验和体外实验方面开展了广泛的研究。与高脂模型和CCl4诱导肝损伤小鼠模型对照组相比,茶叶多糖处理组血清中总胆固醇(TC)、低密度脂蛋白(LDLC)、甘油三酯、天冬氨酸转氨酶、丙氨酸转氨酶等毒性评价指标均实现不同程度的降低,同时心脏、肝脏、血清等组织中SOD、GSHPx和过氧化氢酶(CAT)的活力则明显上升,肝脏脂质过氧化产物15F2t特异前列腺素和MDA显著下降,从而改善了机体的抗氧化活性,抑制脂质过氧化对肝脏的损害[3336]。茶叶多糖亦可通过增强抗氧化能力,对中国式摔跤女运动员赛前训练自由基代谢和无氧运动能力展现出积极的效果。孙红梅选取20名优秀中国摔跤女运动员为研究对象,4周赛前训练后,茶多糖组血浆中SOD、GSHPx、CAT、谷胱甘肽(GSH)和谷胱甘肽还原酶(GR)均显著提高,MDA极显著降低,进一步研究发现茶叶多糖干预可促进赛前训练期红细胞和血红蛋白合成,从而减轻氧化应激导致的骨骼肌、心肌和肝脏损伤[3738]。

茶叶多糖体外抗氧化实验多以活性氧簇、活性氮簇、1,1二苯基2三硝基苯肼(DPPH)和还原力变化为评价指标,研究表明能清除超氧阴离子、羟基、NO2-、2,2联氮二(3乙基苯并噻唑6磺酸)二铵盐(ABTS)、DPPH等在内的多种自由基[12,3940]。然而,针对茶叶多糖的清除自由基活性,结果不一。Wang等[41]分析比较了粗茶叶多糖和纯化茶多糖片段(NTPS、ATPS1、ATPS2和ATPS3)的清除自由基能力,发现25～400 μg/mL的浓度范围内粗茶叶多糖的DPPH自由基清除率为36.58%～86.88%,且呈浓度依赖效应,而同样浓度范围内的纯化茶叶多糖片段对DPPH和羟基自由基清除率极低,且基本无变化。王黎明等[21]通过测定不同纯度的茶叶多糖对羟基自由基和超氧阴离子自由基的清除效果,发现纯度越高的茶叶多糖片段清除能力越弱。由此,本课题组前期研究评价了乙醇法沉淀分级制备粗茶叶多糖的清除自由基能力变化,结果表明粗茶叶多糖中的茶多酚/儿茶素类、茶多糖、总黄酮皆与其DPPH清除活性表达呈正相关,茶叶多糖的清除自由基活性弱于茶多酚/儿茶素类,分析认为粗茶叶多糖的清除自由基活性表达更多源于多酚类化合物[4243]。

综上所述,动物实验体系明确证实,茶叶多糖可显著提高SOD、GSHPx、CAT等抗氧化指标,降低MDA、TC、LDLC等过氧化指标,机体水平上体现出较强的抗氧化活性。然而,针对体外清除自由基实验,结果不一,尚存有争议,粗的茶叶多糖清除自由基活性强于纯茶叶多糖。等同茶叶粗多糖水平,不同提取方法、原料、自由基种类等因素作用下茶叶多糖清除自由基活性表达也不相同[4445]。茶叶多糖加工制备的进程中,已导致其结构与生物学活性发生改变。因此,以生物学活性来评价茶叶多糖的提取纯化,也应纳入进一步的研究评价。

3 免疫调节与抗肿瘤

免疫系统是机体执行免疫应答及免疫功能的重要系统,主要由免疫器官、免疫细胞和免疫分子组成。研究表明,茶叶多糖能够激活T/B淋巴细胞、巨噬细胞和自然杀伤细胞(NK),进而对免疫系统发挥调节性的作用[11,4649]。多糖的免疫调节活性与其作用的受体是密不可分的,其首先与细胞表面的受体结合,从而激活细胞内的信号通路,活化免疫细胞,促进细胞因子的分泌表达。Toll样受体(TLR)是近年来发现的一类信号传导跨膜受体,可以识别、结合病原体相关分子模式(PAMP),在固有免疫和适应性免疫中发挥着举足轻重的作用。TLR7是茶叶多糖作用于巨噬细胞的靶点,进而激活T/B淋巴细胞、巨噬细胞和NK细胞,提高淋巴细胞CD4+/CD8+的比值,促进免疫球蛋白IgG、肿瘤坏死因子TNFα、白介素IL6、Nrf2(NFE2related factor 2)等细胞因子的分泌表达,对免疫系统发挥调节性的作用[11,4649]。然而,茶叶多糖对机体的免疫调控活性表达不一,茶树嫩叶多糖[4647]、酶法修饰多糖[48]及与火棘多糖协同作用[49],可使机体的免疫活性显著增强。

机体的免疫功能与肿瘤的发生、发展密切相关,茶叶多糖通过促进免疫细胞因子的分泌表达,进而起到抗肿瘤的疗效。研究发现,茶叶多糖能显著抑制BABL/c小鼠U2 OS接种瘤、S180小鼠实体瘤和小鼠H22肝癌移植瘤的生长,且使免疫细胞吞噬能力显著提高[5052]。进一步以胃癌小鼠模型为研究对象,结果表明茶叶多糖促进血清中白介素IL2、IL4、IL10及免疫球蛋白IgM、IgG和IgA的分泌,降低白介素IL6、肿瘤坏死因子TNFα和MDA,从而起到抗肿瘤作用[53]。同时,也有学者从细胞水平上就茶叶多糖的抗肿瘤作用给与了证实。体外MTT法测定茶籽多糖对人白血病细胞株K562的抑制活性,结果表明茶叶多糖可显著抑制细胞株K562增殖,剂量为50 μg/mL时抑制率达38.44%[54]。He等[55]研究也表明,富硒茶叶多糖可显著抑制人乳腺癌细胞株MCF7增殖,IC50值为140.1 μg/mL。进一步研究发现,富硒茶叶多糖造成癌细胞分裂从G2期向M期受阻,并伴随有肿瘤抑制基因p53的高表达,从而引起癌细胞凋亡的发生;此外,茶叶多糖可提高Bax/Bcl2比例,进而激活半胱氨酸蛋白酶Caspase3和Caspase9,介导了线粒体凋亡路径的发生。

茶叶多糖与其他成分对抗肿瘤的协同作用,也有相关研究。魏楠等[56]研究表明,阿霉素可诱导肺癌细胞A549凋亡,茶多糖与阿霉素联用可减少阿霉素的使用剂量,并增强阿霉素对肺癌A549细胞的抑制效果。Wang等[57]进一步探讨了乌龙茶叶多糖与多酚对肝癌细胞的协同效应,结果表明乌龙茶叶多糖与多酚对SMMC7721细胞具有极强的协同作用,协同指数CI(combination index)<0.2,抑制肝癌肿瘤增殖和生长的CI指数分别为0.34和0.39,揭示茶叶多糖与茶多酚对肝癌肿瘤具有极强的协同作用。

4 抗凝血作用

血栓栓塞型疾病严重威胁人类健康,开发具有抗凝血作用的药物及保健食品显得尤为重要。梁进等[58]研究发现,茶叶多糖能显著改变人体血浆的活化部分凝血活酶时间(APTT),而对凝血酶原时间(TT)、凝血酶时间(PT)值均无明显影响,从而表明茶叶多糖主要通过内源性凝血系统起到抗凝血的作用,且经硫酸化、乙酰化和羧甲基化修饰后,抗凝血活性进一步增强。谢亮亮等[59]纯化制得TPS1、TPS2、TPS3和TPS4均可延长APTT时间，而对PT基本无影响,其中TPS4可以显著增加APTT和TT时间,揭示其通过内源性途径以及将纤维蛋白原转化为纤维蛋白来影响凝血过程。目前,临床应用的抗凝血药物多为肝素类,有诱发血小板减少症等副作用。因此,茶叶多糖作为非肝素类药物及保健食品,抗凝血活性的表达有着十分重要的意义。

5 抑菌杀毒

近年来,人们更加注重绿色安全,新型植物源天然抑菌杀毒剂的研究也愈加重视。Lee等[60]研究表明茶叶多糖可显著抑制金黄色葡萄球菌、痤疮丙酸杆菌、幽门螺杆菌等病原菌引起的血液凝集,其最小抑菌浓度(MIC)值为0.01～0.1 mg/L。同时研究发现,茶叶多糖可选择性的阻断金黄色葡萄球菌和痤疮丙酸杆菌对成纤维细胞株NIH 3T3的黏附作用,或幽门螺杆菌对腺胃上皮细胞AGS的黏附作用,而对益生菌和普通菌类如表皮葡萄球菌、大肠杆菌、嗜酸乳杆菌则没有影响,表明茶叶多糖作为抑菌药剂具有广阔的应用前景。Scoparo等[61]研究发现,与对照组相比,绿茶多糖与红茶多糖处理后可分别降低脓毒症小鼠致死率为40%和25%,并显著减少肺部和组织损伤中嗜中性粒细胞的回流,究其作用机制可能与其糖醛酸含量多少相关。这为开展茶多糖的进一步应用提供了新的思路。茶多糖具有抑菌杀毒效果,而对益生菌和普通菌类无毒副作用,作为食品及化妆品添加剂抗菌杀毒的同时更加确保产品的安全性。

6 抗疲劳作用

运动性疲劳是运动引起的肌肉最大收缩或最大输出功率暂时性下降的生理现象,力竭时间、血乳酸(BLA)、血清尿素氮(BUN)是反映机体有氧代谢能力和疲劳程度的重要指标。研究表明,茶叶多糖可显著减少小鼠力竭即刻BLA的堆积和BUN的含量,延长其力竭游泳时间。同时,小鼠力竭训练过程中,茶叶多糖可显著提高机体组织的SOD、GSHPx和CAT活性,并降低组织中的MDA水平,从而抑制了运动型疲劳导致的氧化应激损伤[6265]。

7 减肥作用

肥胖已成为全球成年人发生率最高的慢性疾病,且发生率逐年提高,使减肥成为市场热点。Xu等[66]研究表明绿茶提取物具有减肥作用,其主要的作用成分为茶多酚和茶叶多糖,二者可有效抑制血清中瘦素(LP)表达减少脂肪酸的吸收,并降低白介素IL6和肿瘤坏死因子TNFα水平,协同增强绿茶提取物的减肥行为。Wu等[67]研究发现,雄性SD肥胖大鼠灌胃红茶多糖处理后,大鼠体重、肥胖Lee’s指数、内脏脂肪重量及脂肪细胞体积均显著降低,血生化得到显著改善,粪便脂肪酸含量增加,其主要的作用机理为脂肪代谢路径的介导,包括甘油酯及甘油磷脂代谢、脂肪酸降解、糖酵解和糖异生、胰岛素信号路径和类固醇激素分泌,从而抑制体内脂肪的形成及堆积,促进脂肪降解,起到减肥的效果。

8 其他作用

茶叶多糖也展现了一些其他的生物学活性。Zhao等[68]探讨茶叶多糖对草甘膦诱导的小鼠睾丸支持细胞(Sertoli细胞)损伤的影响发现,草甘膦可抑制小鼠睾丸Sertoli细胞增殖,增加MDA、LDH的释放并降低SOD活性,小鼠睾丸Sertoli细胞出现凋亡和坏死;草甘膦染毒组小鼠经茶叶多糖处理后,小鼠睾丸Sertoli细胞存活率明显提高,MDA、LDH水平下降且SOD活性提高,Sertoli细胞凋亡率下降,表明茶叶多糖能保护由草甘膦诱导的小鼠睾丸Sertoli细胞损伤。Lu等[69]以紫阳富硒绿茶为原料制得多糖Se-ZGTPⅠ,研究发现SeZGTPⅠ能提高瘢痕疙瘩(良性肿块)成纤维细胞的Bax/Bcl2比例,激活半胱氨酸蛋白酶Caspase3,通过线粒体路径诱导细胞凋亡的发生,并且抑制转化生长因子TGFβ1诱导的成纤维细胞生长,从而起到干预及防治瘢痕疙瘩的发生发展。

9 小结

茶叶多糖以粗老茶叶居多,其生物学活性研究及应用对茶产业化的发展,尤其是中低档茶叶的利用,具有十分重要的意义。茶叶多糖具有多种药理功效使其在新药、功能性食品、保健品等领域具有广阔的应用前景。然而,仍有诸多问题需要进一步研究:

茶叶多糖生物学活性表达不一。目前来看,茶叶多糖为对α葡萄糖苷酶、α淀粉酶等酶类的表达调控及体外自由基的清除活性,尚存有争议。研究表明,原料、提取方式、干燥方式等因素,皆可影响茶叶多糖对消化酶类及自由基的作用,因此,以茶叶多糖生物学活性为评价指标,对其提取工艺参数的优选应作为今后研究的方向。

茶叶多糖的生物学活性优化。茶叶多糖经酶法、硫酸化、乙酰化和羧甲基化处理后,生物学活性表达进一步增强,表明对其化学修饰可拓展应用空间。与其他活性成分的协同作用也可增强茶叶多糖的生物学活性表达,这为其相关产品的开发提供了思路。

茶叶多糖的制构效关系。茶叶多糖糖链庞大,因其分子量、连接位置、糖苷键构型和糖环类型的不同,以及聚糖体与配体蛋白之间的N糖肽键或O糖肽键链接,导致茶叶多糖构象繁杂,但茶叶多糖的高级结构对其生物学活性的影响最大。茶叶多糖生物学活性的改变,必然导致结构的变化。因此,茶叶多糖的制备结构活性必将是今后的研究热点与难点。以制备为基础,探讨结构进而生物学活性表达,确立茶叶多糖的生物学活性中心,高活性或专一活性茶叶多糖结构及其相应的制备方式,必将为茶叶多糖的应用开展奠定重要的理论基础。

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