硫酸化葡聚糖的研究进展

刘博，陈融，陈凯，王米

(中国农业科学院上海兽医研究所，上海 200241)

葡聚糖是一类非淀粉多糖, 在自然界中含量丰富, 普遍存在于细菌、真菌、酵母和植物的细胞壁中，根据葡聚糖链内的联系，将它们分为α-连接葡聚糖或β-连接葡聚糖。β-葡聚糖具有增强机体免疫、降低血糖、降低胆固醇、抗菌抗病毒、抗肿瘤和调节肠道健康等多种生物活性功能。啤酒酵母细胞壁的主要成分中80%～90% 是β-葡聚糖和甘露寡糖，又因啤酒酵母价格便宜，来源途径多，功效较好，所以从啤酒酵母中得到的酵母β-1,3-葡聚糖最为常用，科学界对酿酒酵母葡聚糖的研究也非常广泛。酵母β-D-葡聚糖不具有水溶性, 呈中性, 不带电荷，但葡聚糖经硫酸化修饰后，其水溶性、抗氧化性、抗炎功能、抗肿瘤功能及免疫调节功能会发生很大的变化。葡聚糖是高分子质量的葡萄糖聚合物, 这类多聚物人工合成非常困难, 需从自然界生物中提取得到，通过对葡聚糖进行硫酸化修饰，可增强其生物活性功能或得到具有新功能的硫酸化葡聚糖。本文综述了国内外近几年硫酸化葡聚糖的研究进展，并探讨了其作为饲料添加剂的应用前景，期望为国内相关的学术研究提供建议与帮助。

1 常见的葡聚糖及其生物活性功能

1.1 免疫调节及抗肿瘤作用

β-葡聚糖是酵母细胞壁的主要结构聚合物,β-葡聚糖因其在保健和美容领域的广泛应用而备受关注。β-(1，3)-葡聚糖具有免疫调节作用，它是细菌和真菌细胞壁的抗原成分之一，β-(1，3)-葡聚糖和特殊的微囊(用二酰氯和二乙烯三胺进行界面缩聚得到)结合，能够被人单核细胞源巨噬细胞吞噬，并刺激细胞因子分泌，参与微生物多糖吞噬机制和免疫调节作用，并且细胞中有多个受体参与识别和吸收这些与微囊结合的β-(1，3)-葡聚糖[1]。酵母β-葡聚糖有潜力作为佐剂用于减轻化疗诱导患者的免疫抑制，有体内试验表明，口服酵母葡聚糖可有效缓解吉西他滨诱导的全血细胞减少症相关的骨髓抑制，此外，口服β-葡聚糖可显著诱导吉西他滨治疗小鼠脾细胞中干扰素-γ和白细胞介素-2(IL-2)的表达[2]。食用菌耳木耳中的β(1，3)-葡聚糖对吞噬细胞和感染新型隐球菌的小鼠具有免疫刺激活性,木耳中β(1，3)-葡聚糖含有外多糖(EPS),EPS与模式识别受体树突状细胞相关性C型植物血凝素(dectin-1)结合后使巨噬细胞和树突状细胞活化，M2样表型巨噬细胞(支持新生隐球菌在细胞内存活和复制)重新极化为M1型巨噬细胞，从而有效地杀死新生球菌，并且该葡聚糖可以作为疫苗或抗真菌药物的佐剂[3]。瘤胃粘膜上皮可分泌防御素，防御素在先天免疫和适应性免疫中起关键作用，被认为是抗生素的潜在替代物。其中，绵羊β-防御素-1(SBD-1)是绵羊瘤胃上皮细胞(OREC)产生的最有效分子之一,β-葡聚糖能够诱导OREC释放SBD-1，是一种安全有效的免疫激活剂，能刺激先天性和适应性免疫反应[4]。研究表明，以1 mg/d的重复剂量口服葡聚糖，可显著增加小鼠多形核白细胞和外周单核细胞数量，增加肺泡巨噬细胞数量和体外念珠菌活性，能显著提高念珠菌脾脏细胞的活性[5]。在分子水平上，酿酒酵母源β-D-葡聚糖能降低活性氧水平，减轻小鼠DNA损伤以及细胞凋亡，可提高辐射小鼠血浆放射性保护细胞因子水平，调控照射后骨髓基质细胞的基因表达，参与机体的免疫调节活动[6]。

1.2 抗菌抗病毒作用

β-葡聚糖如香菇多糖、酵母葡聚糖等能有效抵抗细菌感染。香菇多糖增加大鼠巨噬细胞对结核分枝杆菌的杀伤能力，减少大鼠结核分枝杆菌感染[7-8]。酵母葡聚糖能有效治疗小鼠炭疽杆菌感染[9]，增加相关细胞因子IL-2和IL-10水平。酵母葡聚糖能有效治疗金黄色葡萄球菌感染，该菌株是β-内酰胺类抗生素包括青霉素的耐药菌株，可提高80%的患者的生存率[10]。

β-葡聚糖通过调控细胞免疫和体液免疫反应可以控制慢性乙型肝炎病毒感染[11]。小鼠注射乙肝病毒MHV-A59株，酵母葡聚糖可通过抑制细胞坏死和激活吞噬细胞增加感染细胞的存活[12]。酵母多糖靠刺激补体系统和γ-干扰素激活的Th细胞调控的免疫，提高接种HIV疫苗的人的免疫反应[13]。β-葡聚糖可降低感染流感病毒的猪细胞中病毒的核酸水平，增加其γ-干扰素和一氧化氮水平[14]。

1.3 调节肠道菌群作用

我们检索了近些年的研究，发现多种葡聚糖均能调节菌群结构，促进肠道内益生菌的增值：几丁质-葡聚糖(CG)是一种有价值的新型益生元化合物，可添加到人类饮食中，能重新建立或加强哺乳动物肠道中的双歧杆菌定居和增值[15]；酿酒酵母(SGSC)的硫酸化酵母β-葡聚糖在按体重4 mg/kg时，SGSC能显著提高法氏囊指数、IFN-γ和IL-6浓度，降低TGF-β1浓度，促进淋巴细胞增殖，能有效降低法氏囊组织病理学改变，改善鸡盲肠内容物中双歧杆菌和乳酸杆菌的数量，有效减轻免疫抑制，调节肠道有益微生物群[16]；酵母β-葡聚糖+牛酪蛋白水解物的补充抑制了炎症性NFkappab途径，酵母β-葡聚糖+牛酪蛋白水解物的膳食补充剂可以恢复断奶仔猪肠道的稳态，类似于广泛使用的氧化锌，并有可能取代氧化锌,但是单独补充酵母β-葡聚糖或牛酪蛋白水解物并不能改善肠道健康[17]。有证据表明，燕麦β-葡聚糖和其水解产物均能促进粪便乳酸杆菌计数的增长[18]。

1.4 抗肥胖和降低胆固醇作用

一些葡聚糖具有抗肥胖的作用，如食用菌云芝中的一种蛋白结合β-葡聚糖(PBG)是一种有效的抗肥胖成分，PBG可能通过微生物量依赖(特异性微生物群丰富)和非依赖(调节宿主代谢)的方式发挥其抗肥胖作用，减轻高脂饮食(HFD)小鼠的肥胖和代谢性炎症[19]。

β-葡聚糖具有降胆固醇作用，如大麦β-葡聚糖通过使肠道发酵、抑制肠道胆固醇吸收、增加胆汁酸排泄及其合成，能使体内短链脂肪酸(SCFAs)浓度增加，表明β-葡聚糖分子量的增加促进了后肠发酵，这也可能在降低胆固醇水平中起到作用[20]。燕麦混合连接β-葡聚糖已被证明能够使近端肠道消化黏度的增加，降低空腹血胆固醇浓度[21]。

1.5 抗炎抗氧化作用

研究表明，香菇-β葡聚糖能够显著改善硫酸葡聚糖钠(DSS)诱导的小鼠症状,缓解结肠炎症，减轻结肠组织病理损伤,降低结肠组织中髓过氧化物酶(MPO)、丙二醛(MDA)和一氧化氮(NO)含量;抑制结肠组织中的炎症因子[22]。灰树花β-葡聚糖能明显抵抗小鼠的急性、慢性炎症;另外也对化学刺激引起的小鼠疼痛反应有明显镇痛作用。另有研究表明，燕麦麸β-葡聚糖能提高糖尿病小鼠的抗氧化能力,但对正常小鼠没有影响，燕麦β-葡聚糖对大鼠脂质过氧化有一定的抑制作用[23]。

2 常见葡聚糖的毒性研究进展

适当剂量的葡聚糖基本无毒，不具有任何遗传毒性。β-葡聚糖是一种水溶性细胞壁多糖，有研究表明，即使在大剂量、长时间(28 d)食用浓缩大麦β-葡聚糖后，也不会对大鼠产生任何明显的毒性迹象[24]。β-(1，6)-D-葡聚糖型真菌外多糖28 d亚慢性处理小鼠，研究对小鼠的毒性，发现不会引起导致健康小鼠出现毒性症状的血液学和组织病理学的改变[25]。真菌β-D-葡聚糖是一种生物反应调节剂(BRM)，但其在水介质中的相对不溶性是临床应用的主要障碍，用硫酸化法从不溶性β-葡聚糖(IGL)中提取可溶性硫酸化β-葡聚糖(SGL)，在7 d的单剂量毒性研究中，在剂量率低于按体重2 000 mg/kg硫酸化β-葡聚糖的情况下，对大鼠体重和食物消耗没有明显的负面影响，未检测到表明毒性的临床病理、功能/行为或大体观察结果，大鼠按体重2 000 mg/kg硫酸化β-葡聚糖处理后，发现经化学修饰的硫酸化β-葡聚糖比不溶性β-葡聚糖毒性低[26]。并且，有研究通过Ames 试验、小鼠骨髓嗜多染红细胞微核试验和小鼠精子畸形试验已经证明β-1,3-D-葡聚糖不具有遗传毒性[27]。一种新的β-葡聚糖BR(包含β-(1，3)主链和β-(1，6)支链葡萄糖残基)对大鼠每日灌胃，连续28 d，结果显示，大鼠血液学和生化分析均在正常范围内，无任何毒性，并且BR和两种商用β-葡聚糖(酵母聚糖(zy)和大麦β-葡聚糖(gb))处理原始264.7巨噬细胞(raw)细胞，能调节巨噬细胞的功能，是有效的免疫调节剂[28]。从蘑菇中制备β-葡聚糖连续90 d以不同的剂量处理斯普拉格-道利大鼠，结果发现，在用药量为按体重2 000 mg/kg时，β-葡聚糖对大鼠无任何遗传毒性。其他的一些急性、亚慢性毒性研究也证实，酵母源β-葡聚糖在适当剂量下对大鼠无任何毒性作用[29]。因此，葡聚糖和硫酸化修饰葡聚糖对大鼠均无毒性，对小鼠及其他动物的毒性作用还需要进一步探索。

3 硫酸化修饰对酵母葡聚糖功能的影响

对多糖进行硫酸化修饰，使多糖内增加了新的活性基团，可以改变多糖的结构，改变其理化性质，增强或者产生新的活性，硫酸化修饰多糖功能的改变取决于硫酸基团取代位点，同时，硫酸化修饰多糖有降低多糖分子质量，促进多糖溶解的作用，如灵芝β-葡聚糖硫酸化衍生物与硫酸化前相比溶解度提高约50倍[30]。

3.1 硫酸化修饰对葡聚糖抗氧化功能的影响

多糖本身具有抗氧化性，硫酸化修饰后,可以提高多糖的抗氧化活性，经硫酸化修饰后通过改变多糖的极性而增加了其抗氧化能力，研究表明，硫酸化修饰多糖能够提高其对氧化损伤细胞的保护能力，硫酸化酵母葡聚糖(sGSC)具有水溶性，对DPPH、超氧化物阴离子、羟自由基具有较高的清除率，具有较好的抗氧化活性[31-32]。

3.2 硫酸化修饰对多糖抗肿瘤功能的影响

多糖本身具有免疫调节及抗肿瘤作用，利用硫酸化修饰方法, 使得多糖分子中的羟基被硫酸基取代，增强了其生物活性，能增强多糖的抗肿瘤活性和使原本不具抗肿瘤功能的多糖产生抗肿瘤功能。通过硫酸化修饰，可以通过改变天然多糖原有的硫酸根取代度，或者通过促进细胞因子的表达，或者通过利用硫酸酯诱导肿瘤细胞死亡等途径提高抗肿瘤的能力[33-34]。

3.3 硫酸化修饰对葡聚糖抗炎功能的影响

某些葡聚糖具有抗炎的功能，研究表明，灵芝β-葡聚糖硫酸化衍生物具有体外抗炎作用，且在一定程度下，浓度越高，抗炎效果越好。硫酸化多糖的体外抗炎活性与其硫酸化衍生物的取代度和重均分子量相关[35]。

3.4 硫酸化修饰对葡聚糖其他功能的影响

葡聚糖本身不具有抗凝血功能，经过硫酸化修饰后，可以表现出抗凝血活性，另外，研究表明有些葡聚糖具有抗菌、抗病毒的活性，经过硫酸化修饰，其抗菌、抗病毒能力能够显著提高[36-39]。

4 硫酸化葡聚糖的临床应用

4.1 作为疫苗佐剂

硫酸化葡聚糖能提高疫苗的免疫效果。酿酒酵母硫酸化葡聚糖(SGSC)能显著刺激鸡脾淋巴细胞增殖，能明显促进淋巴细胞的增殖，增强血清蛋白滴度，提高血清IL-2和IFN-γ浓度，提高机体的免疫功能，能显著提高新城疫疫苗的免疫效果[40]，另外，SGSC在小鼠模型中对H5N1疫苗有很好的辅助作用[41]，因此将SGSC作为新型免疫佐剂来研究开发具有很大的潜力。

4.2 作为饲料添加剂

目前，由于抗生素暴露出众多问题，人们正在寻找合适的物质替代抗生素作为饲料添加剂。有研究报道，β-葡聚糖可用以改善鱼类营养健康，使肠道群落多样化，并助于防止病原微生物的入侵和建立，所以可以作为饲料添加剂喂养鱼类[42]。酵母源β-葡聚糖可促进免疫器官的发育，能使仔鸡平均日增重得到提高, 死亡率降低,在肉鸡生长发育后阶段表现生长促进作用[43]。有研究表明，每隔1周进行1次喂养尼罗河罗非鱼β-葡聚糖，能节约经济成本，提高经济效益，增强尼罗河罗非鱼的先天免疫能力，增强对病原菌感染的抵抗力[44]。用含有β-1，3-葡聚糖的饲料喂养大巴赖氏泥鳅能提高其生长性能、肠道消化酶活性、红细胞吞噬率和溶菌酶活性，并可作为大巴赖氏泥鳅的抗性物质，因此β-1，3-葡聚糖可用来作为水生动物饮食补充物质[45]。由于葡聚糖具有众多的生物活性功能，受到科研工作者的喜爱，葡聚糖经过硫酸化修饰后，活性功能得到提高，更加有利于促进动物的生长，且能降低成本，提高经济效益，是作为饲料添加剂不错的选择。

5 展望

随着人们对天然药物开发的不断重视，天然多糖的研究开发取得了巨大的进步。通过各种化学修饰方法，对葡聚糖进行修饰，得到生物活性更好的葡聚糖，是开发新药物的一种重要手段。葡聚糖源于自然界，分子质量高，不易合成，来源广泛，具有多种生物活性，通过硫酸化修饰，改变其化学结构和分子量，能增强其生物活性功能。目前，人们对硫酸化修饰葡聚糖少有研究，还存在着许多未知等待着人们去探索。相信在不远的将来，对硫酸化葡聚糖的研究会取得新的突破，进一步拓宽人们对多糖的研究范围，为新型药物开发和中兽医药行业带来进步。