多糖的生物活性及在医药领域的研究进展

刘红萍，许琪林，秦叶颖，张 涛*

(1.遵义医科大学附属医院 医学检验科, 贵州 遵义 563006; 2.遂宁市中心医院 医学检验科, 四川 遂宁 629000)

多糖是一种天然高分子聚合物，由10个以上的单糖通过糖苷键以线性直链或支链的形式存在，相对分子质量从数万到数百万，它广泛存在于植物、微生物和动物中.多糖与蛋白质、核苷酸一样，是生命活动中必不可少的大分子，在细胞的通讯、粘附和分子识别中发挥重要作用[1].近年来，从植物、动物、微生物等自然资源中分离得到的多糖因其具有抗肿瘤、免疫调节、抗氧化、抗炎等多种药理活性而受到越来越多的关注[2-4].生物活性多糖一直是相关领域的研究热点，其应用可分为两大类：一类是利用多糖易形成凝胶，且具有高渗透压、高黏度和吸水等独特的物理化学性质来制备药物材料、药物释放剂和血浆代用品；二是利用多糖的生物学活性，包括其抗原性、抗肿瘤等用于制备疫苗或新药.本文综述了多糖的生物学活性及其在生物医药领域的应用进展.

1 多糖的生物学活性

1.1 抗肿瘤活性

癌症是发病率和死亡率最高的疾病之一，已经成为世界范围内人类死亡的主要原因[5-6].近年来越来越多的研究表明，从天然产物中提取的多糖具有抗肿瘤活性[7-9].多糖主要通过以下三个方面发挥抗肿瘤作用：①诱导肿瘤细胞凋亡或者抑制癌基因的表达.在细胞实验中，800 mg/L的枸杞多糖可通过诱导细胞凋亡和阻滞细胞周期来发挥抗肿瘤活性，可以抑制人膀胱癌细胞系BIU87的生长，诱导BIU87细胞凋亡[10]；BALB/c移植瘤模型小鼠在50 mg/kg和100 mg/kg的给药剂量下，口服白花蛇舌草多糖可通过提高Bax/Bcl-2蛋白表达，使细胞色素C从线粒体释放到胞浆中，诱导A549肺癌细胞凋亡，可作为一种有效的抗肺癌药物[11].黑色素瘤移植模型小鼠在200 mg/kg的给药剂量下，腹腔注射海洋细菌多糖EPS11通过阻断细胞粘附和减弱丝状结构形式来抑制肝癌细胞的生长，它作为一种靶向抑制肿瘤细胞转移的抗癌药物，在未来的发展中具有广阔的应用前景[12].②提高机体的免疫功能间接发挥抗肿瘤功能.在细胞实验中，用100 mg/L野生蘑菇水溶性杂多糖处理PBMC和RAW264.7细胞后，干扰素γ(IFN-γ)、白细胞介素6(IL-6)、白细胞介素12(IL-12)和肿瘤坏死因子α(TNF-α)等含量均明显增加，提示其可增强T细胞、巨噬细胞、自然杀伤细胞等免疫细胞的免疫功能，增强免疫细胞的吞噬作用，发挥抗肿瘤作用[13].③抑制肿瘤细胞增殖、生长.在细胞实验中，马齿苋和灰树花多糖在250 mg/L浓度下，能抑制人结肠癌细胞增殖、细胞迁移和侵袭，诱导细胞毒性，从而抑制结肠癌细胞的致癌潜能[14]；长叶蜈蚣藻多糖(GLP)对人微血管内皮细胞(HMEC-1)和人脐静脉内皮细胞(HUVEC)增殖的IC50值分别为0.86 g/L和0.64 g/L，在肉瘤S-180小鼠移植瘤实验中，通过静脉注射200 mg/kg的GLP，可使肿瘤重量下降52%[15].此外，多糖的抗肿瘤活性还受分子大小、形态、分支程度和在水中溶解度的影响[16].

1.2 免疫调节活性

免疫应答被认为是机体预防和对抗感染及炎症的重要手段.近年来，多糖的免疫调节活性一直是研究的热点，多糖保护细胞的主要机制一般认为是通过激活宿主免疫应答[17-18].活性多糖是一种有效的免疫调节物质.一方面，天然多糖可以直接激活巨噬细胞、T或B淋巴细胞、自然杀伤细胞、补体等发挥免疫功能.另一方面，它可以促进细胞因子的产生，从而实现对免疫系统的多通道、多层次的调节.据报道，500 mg/L的沙参多糖通过抑制细胞内NO生成而促进RAW264.7巨噬细胞的增殖，同时还对小鼠脾淋巴细胞的增殖有促进作用[19].刺毛棱菇多糖在850.0 mg/L的浓度下，可促进巨噬细胞增殖，增强巨噬细胞的吞噬能力，促进白细胞介素1(IL-1)、IL-6、白细胞介素10(IL-10)和TNF-α分泌发挥免疫调节活性[20].剂量为200 mg/kg的地黄多糖能诱导人和小鼠树突状细胞(DC)的活化，有望作为黏膜佐剂[21].在小鼠实验中，200 mg/kg黄芪多糖(APS)以滴鼻的给药方式可以通过激活AMPK/SIRT-1信号通路减轻赭曲霉毒素A(OTA)诱导的免疫应激[22].腹腔注射剂量为200 mg/kg的党参多糖(CPP)能恢复环磷酰胺诱导免疫力低下小鼠的脾指数、干扰素γ(IFN-γ)、白细胞介素2(IL-2)、IL-10水平及血清IgG水平，此外，它还能促进回肠分泌免疫球蛋白A(SIgA)，提高盲肠中乳酸菌的数量和乙酸的含量，表明CPP在免疫抑制中起着重要的保护作用，尤其在粘膜免疫中起着重要的保护作用[23].

1.3 降血糖活性

糖尿病已成为继心血管疾病和癌症之后严重威胁人类健康、发病率和死亡率较高的慢性疾病之一，是一种以代谢紊乱为表现的慢性内分泌系统疾病.多糖作为多种抗糖尿病中草药的主要活性成分，引起了众多研究者的关注.研究表明，黄芪多糖对胰岛细胞具有保护作用，通过增加胰岛素分泌，改善2型糖尿病大鼠的糖脂代谢[24].每日口服剂量为80 mg/kg的地黄多糖可以有效改善链脲佐菌素(STZ)诱导的糖尿病小鼠的高血糖、高脂血症、血管炎症和氧化应激，是治疗1型糖尿病的潜在药物[25].灵芝多糖通过增加小鼠血浆胰岛素水平和降低小鼠血糖水平而挥发降血糖作用[26].口服剂量为300 mg/kg三角土参多糖能降低STZ诱导的2型糖尿病雄性昆明小鼠的血糖[27].

1.4 抗凝活性

抗凝活性是硫酸酯多糖的重要生物活性之一，许多多糖经硫酸修饰后的抗凝活性与肝素相似，且无抗血小板活性，可避免肝素诱导的副作用[28].TANG等[29]从蜈蚣藻中分离的两种水溶性硫酸化多糖组分GLP-1和GLP-2，二者在40 mg/L浓度条件下能有效延长正常人血浆的活化部分凝血活酶时间(APTT)、凝血酶时间(TT)，在体外发挥抗凝活性.龙胆草根粗多糖GSP及其各子级分多糖通过延长活化部分促凝血酶原激酶时间、凝血酶时间，表现出抗凝血活性，有望在临床上应用[30].由此可见，多糖可作为一种潜在的抗凝药物用于临床，避免肝素的副作用.

1.5 抗病毒活性

多糖具有抗病毒活性，且具有来源广泛、毒性低、副作用小等优点，已成为研究的热点.如黄芪多糖能减轻流感病毒感染性肺炎的病理损伤，通过TLR4/7-MyD88-NF-κB信号转导降低炎症反应，从而发挥抗流感病毒的作用，还能抑制Epstein-Barr病毒转录翻译过程中的蛋白质表达而使 Epstein-Barr病毒裂解，可用作抗Epstein-Barr病毒药物，此外，黄芪多糖还表现出抗新城疫病毒的活性，可以降低传染性法氏囊病毒感染的雏鸡的发病率和死亡率[31-34].党参多糖和磷酸化的党参多糖能有效减少鸭甲型肝炎病毒(DHAV)的数量，可进一步研究开发为新的抗DHAV药物[35].WANG等[36]研究发现，绿藻多糖可通过EGFR/PI3K/Akt通路，抑制肠道病毒EV 71感染，明显增加EV 71感染小鼠的存活率，降低病毒滴度.用金针菇提取的多糖组分FVP1(1 000 mg/L)处理HepG2.2.15细胞6 d后，发现其可降低乙肝表面抗原、乙肝e抗原的表达，抑制乙型肝炎病毒(HBV)DNA复制，显示出显著的抗HBV活性[37].此外，乳酸菌多糖、紫菜多糖、云芝多糖具有体外抗轮状病毒、禽白血病病毒J亚群(ALV-J)、人免疫缺陷病毒(HIV)的抗病毒活性[38-40].

1.6 抗氧化活性

氧化应激可引起蛋白质、DNA损伤，导致糖尿病、动脉粥样硬化、心血管疾病等的发生，而抗氧化剂可以延缓或减少氧化反应，从而保护机体免受有害的氧化反应的损伤.近年来，人们一直致力于研究无害的天然抗氧化剂.研究发现，某些多糖可以抑制脂质过氧化，增强机体清除自由基的能力，抑制心脑血管疾病[41-42].对长春花多糖的研究表明，长春花多糖不仅在体外对1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH)、2,2′-联氮-双-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸(ABTS)、羟自由基清除具有中等强度的清除能力，还能有效地保护RAW264.7细胞免受H2O2诱导的损伤，降低乳酸脱氢酶(LDH)、丙二醛(MDA)水平，而使超氧化物岐化酶(SOD)、谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-PX)和过氧化氢酶(CAT)活性增强[43].黄大茶多糖可显著提高高脂诱导肥胖小鼠回肠总抗氧化能力(T-AOC)，降低回肠、肝脏MDA含量，提高回肠和肝脏GSH-Px活力[44].细胞实验表明，浓度为50 mg/L的虫草多糖可以通过ERK/Akt途径抑制pdgf-bb诱导的炎症和活性氧(ROS)生成[45].此外，适当的修饰可以提高多糖的抗氧化活性，硒化率为47.5% 的枸杞多糖能显著提高GSH-Px和SOD在鸡体内的活性[46].硫酸化率为0.85的马尾藻多糖比天然马尾藻多糖表现出更强的DPPH和ABTS自由基清除活性，可作为天然抗氧化剂的替代衍生物[47]；动态高压修饰的中华绒螯蟹多糖与原多糖相比，DPPH、羟自由基、β-胡萝卜素-亚油酸的清除能力均有所提高，而结构没有明显变化[48].

1.7 其他活性

香椿叶多糖TSP-1和TSP-2可以改善四氯化碳诱导的小鼠肝损伤，降低谷炳转氨酶(ALT)、谷草转氨酶(AST)和MDA水平，增加SOD、GSH-Px和 CAT的活性，同时降低肝脏TNF-α和IL- 6的表达水平，表明TSP-1和TSP-2作为肝保护剂具有广阔的应用前景[49].枸杞多糖通过抑制NF-κB和AngII表达的单核细胞趋化蛋白-1(MCP-1) mRNA和细胞间粘附分子-1(ICAM-1)mRNA而降低糖尿病兔肾脏的炎症反应[50-51].此外，多糖还具有促发、促生长、抗呕吐、抗青光眼、神经保护等作用[52,53].

多糖的生物学活性概览见图1.

图1 多糖生物学活性的概览图Fig.1 Overview of the biological activities of polysaccharides

2 多糖产品在医药领域的应用

2.1 抗肿瘤药物

癌症一直是世界范围内的一个重大公共卫生问题，癌细胞多种多样、不受控制的生长，且人类对其了解有限，致使它难以治愈.化疗和放疗是众所周知的主要治疗方法，但随着肿瘤细胞耐药的增加及严重不良反应限制了它们的应用，因此，寻找低毒、高效的新型抗肿瘤药物至关重要.多糖通过免疫调节机制发挥抗癌作用也一直备受关注[54].茯苓多糖口服液已由中国食品药品监督管理局批准，用于治疗多种癌症、肝炎等疾病[55].酸碱修饰的橘皮果胶(GBC-590/GCS-100/MCP)用于治疗复发的慢性淋巴细胞白血病，已进入临床二期研究[56].

2.2 疫苗

随着与疾病的斗争，人们不断探索新的高效、低毒的药物，以期找到具有免疫调节功能的物质.近年来，制药工业更关心的是从天然产品中发现天然活性成分供临床使用，研究焦点集中在具有免疫刺激特性的各种天然多糖，以帮助人类降低患癌症和传染病的风险.荚膜多糖具有良好的免疫原性，广泛应用于多糖疫苗的开发，特别是细菌性荚膜多糖在临床上以疫苗的形式出现已有多年的历史，对预防肺炎和流行性脑膜炎具有十分重要的意义.目前在临床上应用的疫苗主要有：脑膜炎球菌AC型多糖疫苗、ACYW135疫苗、肺炎链球菌多糖疫苗和流感嗜血杆菌Hib多糖疫苗[57].

2.3 抗糖尿病药物

糖尿病发病率的迅速增加是世界范围内一个严重的公共卫生问题.传统的降糖药物如胰岛素、磺脲类、双胍类等可以在短时间内降低血糖，但往往会产生低血糖、乳酸性酸中毒、腹泻等副作用，为了避免这些负面作用，研究人员致力于开发更安全、更经济的天然降糖药物，以有效控制血糖.近年来，从植物或动物体内分离出大量的多糖和多糖蛋白复合物，有望成为糖尿病治疗药物的重要来源[58].碱提苦瓜多糖通过抑制PI3K-Akt信号通路促进HepG2-IR细胞吸收葡萄糖，提高葡萄糖消耗，抑制糖异生，并通过激活PGC-1α通路降低甘油三酯的积累，从而改善胰岛素抵抗[59-60].目前临床上已有多种多糖替代药物用于糖尿病的治疗，其中包括黄芪多糖、魔芋葡甘聚糖、人参多糖和南瓜多糖等.

2.4 抗凝剂

抗凝剂在医学领域被广泛用于治疗中风、心肌梗死等重大致死性疾病[61].临床常用的抗凝药物有肝素、香豆素和抗血小板药物，其中肝素的使用最为普遍.然而，在应用肝素的抗凝治疗过程中会伴随许多副作用，如血小板减少、出血等.目前市场上已经出现了硫酸软骨素B、硫酸岩藻糖和半合成硫酸多糖等肝素替代品.从褐藻中分离得到的具有多种结构的硫酸藻多糖能提高抗凝血酶III的活性，抑制丝氨酸蛋白酶、凝血酶和Xa因子的活性.丙二醇海藻酸钠(PSS)是一种硫酸酯多糖，能降低血液黏度，具有显著的抗凝和抗血栓活性，作为类肝素类药物在我国预防和治疗高脂血症和缺血性心脑血管疾病有近30年的历史[62-63].

2.5 医用敷料材料

多糖能够和其他高分子材料共混后制成医用止血敷料，如将壳聚糖、海藻酸钠/钙和白及多糖共混制成医用敷料可促进伤口愈合[64].LANG等[65]制得一种复合材料敷料，其上层由壳聚糖-银纳米颗粒交联，能够抑制伤口细菌感染，下层由壳聚糖和白及多糖交联，能够显著促进细胞的增殖，具有较好的医药应用潜力.采用冷冻干燥技术将TiO2纳米水溶胶融入琼胶壳聚糖支架中，制得的多孔支架溶胀性好，能够阻止伤口渗出物积累，降低炎症发生的机率，有助于细胞的增殖、分化和迁移，并且对金黄色葡萄球菌具有明显的抑制作用，促进伤口处红细胞的聚集，提高止血率，此复合支架可扩展临床上用于伤口修复敷料材料的选择范围[66].

2.6 其他

多糖是大多天然提取物的重要组成部分，在多种疾病治疗中起着至关重要的作用.魔芋葡甘聚糖是一种具有降血糖、降脂作用的膳食纤维，作为一种保健食品常常出现在人们的餐桌上.普鲁兰淀粉是一种中性线状多糖，具有独特的水溶性、成膜性、成纤维性、粘附性和吸水性等特性.因此，在生物医学领域中可作为药物载体、组织工程、疫苗和分子伴侣等[67].

多糖在医药领域方面的应用见图2.

图2 多糖产品在医药领域应用的概览图Fig.2 Overview of the applications of polysaccharide products in the medicine fields

3 结论

综上所述，多糖具有多种生物活性，对人体健康有益且副作用较小，具有广阔的医药应用前景.到目前为止，多糖的研究虽然取得了很大进展，但仍存在一些问题：多糖的结构和功能之间的关系不是很清楚；多糖结构的测定方法没有达到自动化、高灵敏度的要求；多糖的制备和合成比较困难；多糖在体内的作用机制尚不清楚等.这些限制了天然多糖的开发利用，需要进一步的深入系统研究，使之更好地造福人类.