植物多糖的抗肿瘤活性研究进展

边 亮，陈华国，周 欣*

（贵州师范大学 贵州省山地环境信息系统与生态环境保护重点实验室，贵州省药物质量控制及评价技术工程实验室，天然药物质量控制中心，贵州 贵阳 550001）

近年来，以细胞异常增殖为显著特征的癌症发病率急剧上升[1]。2018年全球新增1 810万例癌症病例，造成了全球性的癌症负担；据世界卫生组织统计：全球范围内1/5的男性和1/6的女性均会患癌，其中全球几乎一半的新发癌症病例及超过一半的癌症死亡病例都发生在亚洲，尤其是中国，而5 年生存率，即患病5 年后仍存活的人数将达到4 380万[2]。

目前，医学界尚未发现癌症的成因以及治疗的有效手段，而主要依靠手术及放射性疗法，对人体有严重损害，因此找出并利用具有抗肿瘤活性且低毒副作用的天然活性物质成为治疗肿瘤的热点课题。多糖又称多聚糖，是由超过10 个以上的单糖通过糖苷链连接而成的大分子天然活性物质，广泛存在于植物、动物、真菌、细菌的细胞壁中[3]。其中植物多糖具备生物相容性、生物降解性、可化学修饰、毒副作用小、来源丰富的特点。目前已有大量研究表明植物多糖具有抗肿瘤、抗氧化、降血糖、免疫调节等多种生物活性，其中植物多糖抗肿瘤作用的研究已取得重大进展，本文主要概括了近10 年来国内外近40 种抗肿瘤植物多糖的种类，总结了植物多糖在直接抗肿瘤、调控肿瘤微环境、红细胞免疫、铁代谢4 个方面的作用机制，讨论了植物多糖抗肿瘤的构效关系，为抗肿瘤食品的研发提供理论参考。

1 不同科属门类的抗肿瘤植物多糖

目前，具有抗肿瘤活性的植物多糖已经被广泛发现并应用于临床实验中，如人参、牛膝、黄芪等等，按植物所属门类可将抗肿瘤植物多糖分为：被子植物门、裸子植物门、红藻门、金藻门及褐藻门等；其中包括十字花科菘蓝属、杜鹃花科杜香属、豆科黄芪属等不同科属类的植物。不同科属门类植物多糖及其抗肿瘤机制、实验模型、剂量等信息详见表1。

表1 具有抗肿瘤活性的植物多糖Table 1 Plant polysaccharides with antitumor activity

2 植物多糖抗肿瘤机制

正常情况下，人体细胞进行自主有序的分裂、分化、衰老、凋亡。当细胞基因突变或染色体受损伤时，细胞可能癌变成为肿瘤细胞，并异常增殖，侵袭及转移，而植物多糖则可以抑制或延缓这个进程。研究表明：不同种类科属植物的抗肿瘤机制具有多面性，不同种属之间无显著差别，其机制包括：直接抗肿瘤、改善肿瘤微环境、增强红细胞免疫、影响铁代谢等。

2.1 多糖的直接抗肿瘤作用

2.1.1 影响细胞周期

细胞分裂是单一母细胞分裂成2 个子细胞的过程，是生物体产生、发育以及繁殖的必要生命活动之一。研究表明：植物多糖可以通过影响细胞周期，抑制癌细胞的分裂，阻碍肿瘤的异常增生[8]。

绿茶中的茶多糖可以降低结肠癌细胞周期蛋白cyclin D1的表达，终止癌细胞由G1期到S期的过渡，阻滞肿瘤细胞的基因转录过程，干扰癌细胞的分裂及增殖，进而抑制肿瘤的侵袭及转移[41]。

2.1.2 诱导细胞凋亡

细胞凋亡是由多基因主动调控的，为更好地适应环境而清除体内多余、病变、坏死、被微生物污染细胞的有序过程。多基因中包含了Bax、Bcl-2等基因，其中Bax基因是生物细胞内主要的凋亡促进基因，而Bcl-2则是重要的凋亡抑制基因。研究发现植物多糖可以通过调控凋亡促进或抑制基因，诱导肿瘤死亡。

黄芪多糖APS4能够促进Bax/Bcl-2比值的增加，显著提高caspase-9/-3蛋白酶的表达，增强细胞内活性氧的积累，诱导线粒体膜电位下降，导致线粒体破裂，使癌细胞受细胞色素c及凋亡诱导因子的影响而凋亡[42]。

2.1.3 干扰能量代谢

能量代谢是细胞维持正常生物活性的必要途径，肿瘤细胞有着与正常细胞不同的代谢方式，糖酵解酶催化的糖酵解反应是肿瘤细胞能量供给的主要途径，因此肿瘤细胞的增殖很大程度上取决于糖酵解酶的活性以及表达水平，所以破坏糖酵解的途径可能成为植物多糖抗肿瘤的有效方法。

蔓越莓中的甘露糖是葡萄糖的同分异构体，两者都由同一种葡萄糖转运蛋白转运[43]，Gonzalez等[44]证实，当肿瘤细胞摄入大量的甘露糖时，肿瘤细胞产生了大量的甘露糖-6-磷酸，而甘露糖-6-磷酸可以抑制参与葡萄糖代谢的3 种酶：己糖激酶、磷酸葡萄糖异构酶和葡萄糖-6-磷酸脱氢酶，进而影响了三羧酸循环、磷酸戊糖途径及聚糖合成，从而降低了肿瘤细胞的能量代谢。银杏多糖与2-脱氧-D-葡萄糖联合使用能调节葡萄糖转运蛋白-1 mRNA的表达，降低葡萄糖转运蛋白-1的表达,竞争性的减弱乳腺癌4T1细胞对于葡萄糖的摄入，干预肿瘤细胞的能量代谢，并显著降低肿瘤细胞活力，抑制肿瘤细胞的增殖分化[34]。

2.1.4 调控信号通路

2.1.4.1 IP3/Ca2+通路

三磷酸肌醇（inositol 1,4,5-triphosphate，IP3）受体是一种由4 个糖蛋白组成的内质网四聚体通道蛋白，当IP3受体通道被打开时，内质网上的Ca2+被释放，造成线粒体钙超载，导致线粒体通透性改变，细胞凋亡。研究证实植物多糖可以通过IP3/Ca2+通路诱导肿瘤细胞凋亡，抑制肿瘤增殖。

枸杞多糖可以诱导人肝癌SMMC-7721细胞激活IP3/Ca2+通路，促使内质网向细胞质中释放Ca2+，Ca2+被线粒体吸收后，导致线粒体中钙离子浓度过高，使线粒体损伤，刺激细胞色素c释放，活化caspases蛋白酶，最终诱导细胞凋亡[27]。

2.1.4.2 PI3K/AKT信号通路

PI3K是由一个调节亚基（P85）和一个催化亚基（P110）组成的异源二聚体，在接收到来自酪氨酸激酶和G蛋白偶联受体的信号后，通过一系列蛋白激酶的生化作用磷酸化AKT蛋白，激活原癌基因AKT。

PI3K/AKT通路，促使AKT调节生长下游的抗凋亡效应分子，对靶蛋白磷酸化处理，发挥抗细胞凋亡的作用，因此医学上经常采用PI3K抑制剂抑制AKT激活的方式，抑制肿瘤生长，而甘草多糖可以抑制PI3K/AKT通路的表达，降低正常细胞癌变的比例，促进肝癌细胞的凋亡，可能成为一种潜在的PI3K抑制剂[45]。

2.1.4.3 NF-κB信号通路

NF-κB是哺乳动物的转录因子家族。NF-κB信号通路通过调控肿瘤细胞的基因表达、转录，细胞因子的分泌水平，周期蛋白及细胞周期依赖性激酶的表达导致细胞恶性转化。医学上常使用抑制NF-κB信号通路的手段辅助治疗肿瘤。研究证实植物多糖可以调控NF-κB信号通路，防止细胞癌变。

青蒿多糖能通过抑制NF-κB组成性活化，阻塞信号通路的下游表达，延缓正常细胞的癌变过程[46]。

2.1.4.4 MAPK信号通路

丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）信号通路由3 种激酶组成。三级激酶的依次激活（MAPK级联激活）共同调控细胞的生长、分化、炎症、应激。目前，植物多糖如丹参多糖可以抑制这种MAPK通路的JNK、ERK途径，促使IKKα和IKKβ的蛋白表达增加，IkBα蛋白表达降低，提高T淋巴细胞的细胞毒性，有效杀灭癌细胞[47]。

2.1.4.5 P53信号通路

由p53基因介导的P53信号途径可以激活p53基因修复损伤DNA，或杀死可能因DNA损伤而产生的癌变细胞。研究表明植物多糖可以通过激活P53信号通路，直接杀死肿瘤细胞。

马尾藻多糖可以上调S180荷瘤小鼠中p53基因的转录水平，提高细胞中P53蛋白的含量，降低细胞癌变的可能性[48]。

2.1.4.6 Wnt信号通路

Wnt信号传导途径由配体蛋白质Wnt和膜蛋白受体结合所激发，Wnt信号通路的持续性异常激活，例如“遗传调控门控基因”缺失，可以促进肿瘤的发展，因此通过抑制Wnt信号传导途径可能成为植物多糖抗肿瘤的重要机制。

褐藻中的岩藻多糖能通过降低Wnt/β-连环蛋白表达，下调下游靶基因c-myc、survivin的表达，调控cyclin D1蛋白的表达，发挥抗癌活性，显著抑制乳腺癌细胞的生长[49]。人参多糖使TCF4在细胞核中的表达下降，促使β-连环蛋白表达区从细胞核转移到细胞膜，进而阻塞Wnt信号通路，诱导人鼻咽癌细胞CNE-2凋亡[50]。

2.1.5 改变细胞膜生长特性

肿瘤细胞膜生长特性会影响肿瘤膜蛋白与肿瘤细胞的黏附，其中磷脂是组成细胞膜的重要成分，肌醇磷脂代谢及磷脂酰肌醇转换与信号传导密切相关。研究表明植物多糖能够通过改变细胞膜的生物构成，进而阻断肿瘤细胞的物质传递，抑制肿瘤细胞几何式生长[51]。

刺五加多糖诱导S180与K562细胞膜磷脂脂肪酸组成发生变化，膜磷脂含量降低，干扰膜的肌醇磷脂代谢，明显抑制磷脂酰肌醇转换，推测刺五加多糖的抗瘤机理与膜生长特性改变有关[52]。

2.1.6 抗氧化

过量自由基过氧化脂质致使细胞破坏，DNA被过量活性氧氧化损伤，使染色体畸变，基因表达紊乱，细胞发生癌变，因此利用植物多糖的抗氧化作用，可以达到抗肿瘤的目的。研究发现龙须菜多糖可以有效抑制这种氧化应激作用，显著降低超氧化物歧化酶和脂质过氧化物的含量，阻碍小鼠体内S180实体瘤的生长[53]。油茶果壳中的多糖在1.0 mg/mL质量浓度下，可以有效清除S180肉瘤小鼠体内的羟自由基和超氧自由基，减弱自由基的氧化攻击，防止细胞癌变[54]。

2.1.7 破坏肿瘤细胞的超微结构

红毛五加茎皮多糖能破坏癌细胞外层微绒毛、核膜、胞膜，使癌细胞内的线粒体、溶酶体、细胞核等受到严重破坏，粗面内质网脱落严重，胞核也受到不同程度的损伤，严重影响肿瘤细胞的DNA复制、转录、新陈代谢[55]。

2.2 调节肿瘤微环境，影响肿瘤生长、侵袭及转移

不同于直接抗肿瘤作用，植物多糖对于肿瘤微环境的调控，大多是通过间接增强免疫调节、阻碍肿瘤生长侵袭转移的方式达到抗肿瘤的作用，这也是多糖抗肿瘤最常见的治愈机制。肿瘤微环境由肿瘤细胞、炎症细胞、免疫细胞、内皮细胞等细胞成分，细胞因子、趋化因子、血管、淋巴管等非细胞成分，以及pH值、乏氧、间质液体压力等物理因素共同构成，是肿瘤生长、分裂、侵袭及转移的生存环境。目前，植物多糖可以通过调控肿瘤微环境，影响淋巴细胞、细胞因子、树突细胞的合成，增强免疫应答，发挥抗肿瘤作用。

2.2.1 促进脾脏或胸腺的淋巴细胞（T、B细胞）的增殖

淋巴细胞属于白细胞的一种，是免疫系统重要的组成部分。淋巴T、B细胞在体内以不同方式参与细胞免疫以及体液免疫，保护机体免受肿瘤损害，所以通过促进淋巴细胞增殖可能成为植物多糖抗肿瘤研究的重点方向。

通光藤多糖能够增加肝癌荷瘤小鼠的胸腺指数以及脾腺指数，促进T、B淋巴细胞的增殖分化，提高效应T细胞及特异性抗体含量，有助于机体识别靶细胞，协同免疫系统的其他组成杀灭肿瘤细胞[56]。

2.2.2 激活巨噬细胞

巨噬细胞可以通过吞噬消化细胞残片以及病原体的方式参与免疫系统的特异性防卫以及非特异性防卫，因此植物多糖能够通过促进巨噬细胞的合成，进行免疫防御及细胞免疫等抑制肿瘤[57]。

五味子多糖在体外对肿瘤细胞有细胞毒性作用，在体内可提高宿主的免疫功能，显著增加RAW264.7巨噬细胞系的含量，可以作为潜在的抗肿瘤佐剂治疗癌症[58]。肠浒苔中水溶性多糖可以诱导一氧化氮酶的分泌，上调NO含量，提高巨噬细胞细胞毒作用，杀伤肿瘤细胞[59]。

2.2.3 提高NK细胞的杀伤力

NK细胞属于T淋巴细胞的一种，依赖细胞毒性效应非特异性杀伤靶细胞，是机体抗肿瘤，抗病毒的重要免疫因素之一。而人参多糖则可以激活NK细胞的抗肿瘤功能，解除免疫抑制，充分发挥NK细胞抗肿瘤功能，提高NK细胞杀伤力，上调穿孔素和颗粒酶含量，清除肿瘤细胞，大大提高治疗肿瘤的可能性[60]。

2.2.4 刺激淋巴因子的分泌

淋巴因子是调控特异性免疫的一类激素样多肽物质，其中IL-2、TNF-α、IFN-γ是植物多糖抗肿瘤的关键物质，研究表明植物多糖通过刺激淋巴因子的分泌，表现出了良好的抗肿瘤功效[31]。

Cai Zibin等[61]发现地榆根多糖可以刺激S180移植腹水瘤小鼠血清中IL-2、TNF-α和IFN-γ的分泌，增强细胞免疫调节，有效抑制实体瘤的增殖。

2.2.5 促进树突状细胞的合成

树突状细胞（dendritic cell，DC）是目前已知的最强的专职抗原提呈细胞，能有效激活初始T细胞，刺激巨噬细胞分泌细胞因子，启动、调控、维持免疫应答进而抑制肿瘤。因此筛选具有促DC合成活性的植物多糖，具有十分重要的意义。

马齿笕多糖可能通过TLR-4信号通路诱导树突状细胞成熟，经过马齿笕多糖处理的肿瘤细胞中TLR-4、CD80、CD83、CD86蛋白表达水平提高，血清中IL-2、TNF-α、IFN-γ含量增加[62]。牛膝多糖可以通过DC的抗原提呈作用，上调MHC的含量，进一步激活T、B淋巴细胞的免疫应答，直接杀死瘤体细胞[63]。

2.2.6 抑制肿瘤血管的生成

肿瘤血管是由遗传不稳累积获得的不成熟血管，其生成受到多种促血管因子及抗血管生成因子共同调控，其中血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）是已知最重要的促肿瘤血管因子。研究证实植物多糖可以通过下调促血管因子表达，抑制肿瘤血管生成，干扰肿瘤生长。

中剂量的白术多糖可减少H22肝癌小鼠血清中VEGF的含量，调控VEGF介导的有丝分裂表达水平，阻滞内皮细胞的增殖，抑制肿瘤血管的生成[18]。黄芪多糖与姜黄素连用可以降低血小板-内皮细胞黏附分子（CD31）的表达，通过周细胞途径抑制肿瘤血管生成，促进肝癌小鼠肿瘤血管壁以及内皮细胞正常化，有效改善肿瘤血管形态结构，诱导肿瘤血管成熟[64]。

2.2.7 调控TH1/TH2平衡

辅助性T细胞（helper T cell，TH），可以分泌多种细胞因子，其中TH1细胞介导细胞免疫，TH2细胞介导体液免疫。当TH1/TH2在体内呈动态平衡时，人体免疫系统处于平衡状态，当有外来病原体入侵时，平衡发生相对偏移，进而发生免疫漂移，而植物多糖能通过调节这种平衡，有效控制肿瘤增殖。

当归多糖可以调控TH1/TH2相关因子的表达，促使免疫漂移，使TH1介导的细胞免疫占据优势，刺激IL-2、IFN-γ的分泌，抑制IL-4基因的表达，同时提高脾脏细胞中CD4+T细胞的比例，增强免疫表达[65]。

2.2.8 下调基质金属蛋白酶表达水平

由于没有正常细胞的接触抑制，导致肿瘤细胞不断侵袭和排挤正常组织并突破底部基膜。当肿瘤细胞增殖到一定体积后，通过基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMP）如IV型胶原酶降解细胞外基质，打开转移通路，形成继发肿瘤，因此通过植物多糖调控基质金属蛋白酶途径可能是治愈恶性肿瘤的潜在途径。

Zheng Zaoqian等[66]发现红豆杉多糖能通过降低MMP-2和MMP-9的表达，有效抑制黑色素瘤细胞株的迁移和侵袭能力。Mishima等[67]发现蓝藻多糖能够抑制黑色素瘤细胞、结肠癌细胞等通过层黏连蛋白途径黏附基膜，延缓肿瘤细胞向基膜释放IV型胶原酶的过程，肿瘤细胞难以突破基膜，进而抑制肿瘤的恶性增殖。

2.3 其他抗肿瘤机制

2.3.1 增强红细胞免疫

红细胞免疫是机体重要的防御机制，通过细胞表面的补体受体蛋白质黏附免疫复合物携带运输至肝脾，然后被吞噬细胞吞噬。研究发现植物多糖通过调节红细胞免疫，表现出了良好的抗肿瘤活性。

枸杞多糖可以改善免疫抑制小鼠的红细胞免疫功能，调控红细胞吸附肿瘤细胞的能力，恢复NK细胞的活性，恢复红细胞Band-3、NKEF-A和NKEF-B蛋白的表达水平，抑制肿瘤生长[68]。

2.3.2 铁代谢

铁代谢与肿瘤的生长、侵袭以及转移密切相关，并且直接关系DNA的合成复制、基质金属蛋白酶涉及的转移过程。由于肿瘤细胞内的基因癌变，导致其铁代谢紊乱，大量消耗铁元素，因此推测以铁代谢为靶点可能为多糖抗肿瘤药物研发提供新思路。

从当归根中提取的粗多糖具有明显的抑肿瘤活性，H22肝癌小鼠血清中铁调素、IL-6、铁蛋白、转铁蛋白、转铁蛋白受体1和转铁蛋白受体2的平均水平明显升高，血清铁浓度显著降低[69]。结果表明当归粗多糖的抗肿瘤活性可能与铁代谢有关。

3 植物多糖抗肿瘤构效关系

虽然抗肿瘤植物多糖已被广泛发现，但仍有大部分植物多糖被证实本身不具有抗肿瘤活性或只有很弱的抗肿瘤活性。植物多糖的结构与其生物活性紧密相关，通过改变原有结构，能够使部分多糖呈现出显著的抗肿瘤活性，因此探究抗肿瘤植物多糖的构效关系，揭示多糖抗肿瘤机制与其结构间的关系，通过化学修饰进一步增强植物多糖的抗肿瘤活性成为当下多糖抗肿瘤领域的热点课题。

3.1 初级结构对抗肿瘤活性的影响

初级结构由主链和支链组成，不同的分子主链组成对于多糖的抗肿瘤活性影响很大。大量研究表明，具有抗肿瘤活性的多糖大部分是以(1→3)-β-D-葡聚糖为主链，某些半乳聚糖、杂多糖也不同程度地表现出抗肿瘤活性[70]，例如Olafsdottir等[71]从地茶树中得到的以鼠李糖苷和半乳糖基为单位的复合多糖，因其较强的免疫调节作用表现出一定的抗肿瘤活性。糖链的分支度以及分支的位置、长短的作用同样不可忽视。例如在分支度大于0.8时，随着分支度的提高，紫胶树胶中提取的漆多糖的生物活性增加。但是，并不是取代度越高，生物活性就越强，Bohn等[72]对几十种葡聚糖的分支度与其抗肿瘤活性进行了比较，认为分支度在0.20～0.33的(1→3)-β-D-葡聚糖的活性较强。

3.2 高级结构对抗肿瘤活性的影响

高级结构由主链间的构象及多糖间的非共价键作用组成。研究表明，规则的高级结构对多糖功能的影响甚至比初级结构还大：三股螺旋构象是多糖最具活性的空间构象，已经应用于临床研究的香菇多糖就是此种构象，但当加入二甲基亚砜或尿素时，香菇多糖构象发生改变，抗肿瘤活性就会随之降低或消失。由X射线衍射分析表明，无三股螺旋结构的低分子质量多糖无抗肿瘤活性，也恰恰证实了这一点。

3.3 化学修饰对抗肿瘤活性的影响

通过硫酸化、乙酰化、硒化、羧甲基化、烷基化等化学修饰方法改变多糖的取代基，能够促使部分多糖表现出较强的抑瘤活性。蔡艳妮等[73]以热水浸提法从重楼中提取出重楼多糖，并对其进行化学修饰，发现乙酰化及硫酸化能够显著提高重楼多糖的体外抗羟自由基能力，增强其抗氧化作用。Xiao Kaijun等[74]利用热水提取法从金樱子中分离出金樱子多糖，并对其进行硫酸化及羧甲基化修饰，结果发现，金樱子多糖对肝癌细胞、卵巢癌细胞、人结肠癌细胞并未表现出抑制作用，但修饰后的金樱子多糖却呈现出了一定的抑瘤活性，且呈浓度依赖性。

3.4 分子质量对抗肿瘤活性的影响

多糖的抗肿瘤活性与其分子质量具有一定的关系，这可能与多糖所形成的高级结构有关，多糖相对分子时量过低，无法形成能产生活性的聚合结构，而分子质量越高，体积越大，则不利于多糖跨越多重细胞膜障碍进入生物体内发挥生物学活性。Sun Liqin等[75]利用超声波辅助提取法从紫球藻中得到了6 种分子质量分别为6.53、256、606、802.6、903.3、1 002 kDa的多糖，研究发现，分子质量对多糖的抗肿瘤活性有显著影响，6.53 kDa的紫球藻多糖具有最强的免疫增强效应及抗肿瘤活性。

4 结 语

癌症已经愈发成为死亡的主要原因，而且发病率与死亡率逐年增高。目前，尚未发现可以根治肿瘤的有效手段，大多采用手术及化疗进行救治，具有高度毒副作用，因此具有良好生物相容性、低毒的植物多糖被广泛应用于食品抗肿瘤的临床研究中。研究发现，具有抗肿瘤活性的植物多糖种类多样，不同科属间植物多糖的作用机制无显著差别，具有多面性：它可通过调控铁代谢、能量代谢，增强免疫调节，影响基因及相关蛋白表达，阻碍肿瘤血管生成及肿瘤的侵袭转移等途径达到抗肿瘤的目的，并且其抗肿瘤活性与多糖的初、高级结构，取代基，分子质量等构效关系密切相关。

目前，植物多糖在抗肿瘤方面的研究主要集中在抗肿瘤活性及作用机制上，对多糖的构效关系及吸收代谢研究甚少，研究中尚存在以下问题亟待解决。首先，植物多糖直接抗肿瘤机制的研究多集中在信号通道及诱导凋亡层面，缺少细胞自噬方面的研究，进一步探索癌细胞的自噬机制，可能为癌症的治疗提供新的途径。其次，在抗肿瘤作用机制的研究中应注重多糖构效关系，尤其是高级结构对活性的影响。最后，缺乏多糖在人体内吸收代谢的研究，因此促进多糖通过网格蛋白（clathrin）等通路、动态跟踪多糖的中间代谢物可能对抗肿瘤食品的研发有重要意义。