乳酸菌胞外多糖抗肿瘤活性研究进展

秦孟春，张玲芳，胡顺安，马琳，李丹，段翠翠

（长春大学 农产品加工吉林省普通高等学校重点实验室，长春 130022）

0 引 言

微生物胞外多糖是由一些特殊的微生物包括藻类、酵母、细菌、真菌等在生长代谢过程中以紧密结合的荚膜或松散附着的黏液层形式分泌的胞外大分子[1]。微生物胞外多糖与动物和植物胞外多糖相比具有以下几个优点：（1）微生物胞外多糖的来源容易获得，生产周期短；（2）微生物胞外多糖的生产条件可确定、可重复，利于避免对环境的影响；（3）微生物胞外多糖的理化性质更稳定[2]。自20 世纪中期以来，随着葡聚糖溶液作为血浆膨胀剂的第一次临床试验，微生物胞外多糖可以应用于医学被发现[3]。其中乳酸菌胞外多糖的应用最为广泛[4]。

乳酸菌胞外多糖是乳酸菌的重要次级代谢产物。近年来，学者们对乳酸菌胞外多糖的研究逐渐从其所具有的物理化学特性的研究深入到生物活性的研究，其抗氧化、抗衰老、抗病毒、抗肿瘤等[5-8]生物学功能不断被发现，并得到了广泛的认可和应用[9]。查阅文献发现关于乳酸菌胞外多糖生物活性功能的研究大多集中于抗氧化、抗衰等老方面，而对抗肿瘤、降血糖方面的研究较少。因此本文阐述了乳酸菌胞外多糖抗肿瘤活性的相关研究，并总结了影响乳酸菌胞外多糖抗肿瘤活性的因素，为乳酸菌胞外多糖的利用和开发提供一定的理论基础，并希望能够为肿瘤患者的治疗提供一定的帮助。

1 具有抗肿瘤活性的乳酸菌

癌症也称为恶性肿瘤，是由于机体细胞失去正常调控，过度增殖而引起的疾病。并且癌细胞具有过度生长、侵入邻近组织和转移到其他器官的潜力[10]。根据全球癌症观察站的数据显示，癌症已成为全球导致人类死亡的第二大因素[11]。癌症主要是通过手术、化疗、放射线治疗等方法来治疗，但这些方法在治疗的同时还具有细胞毒性或免疫毒性，会给机体的正常组织带来危害[12]。降低治疗对机体的毒副作用、保护机体的正常免疫功能和杀灭肿瘤细胞在肿瘤疾病治疗过程中具有同等重要的意义[13]。因此寻找具有可获得性、低副作用的替代药物受到人们的广泛关注。乳酸菌是一类公认的绿色安全的微生物，具有较好的益生特性，可通过改变机体内部微生物环境来调节机体健康，并具有免疫调节、抗氧化、治疗腹泻、抗肿瘤等生物活性[14]。迄今为止，研究人员们已对多种乳酸菌进行了抗肿瘤活性试验，结果表明，真正具有抗肿瘤活性的乳酸菌还是十分有限的[15-16]，如表1 所示。

表1 具有抗肿瘤活性的乳酸菌种类

Ladda 等[17]从健康婴儿粪便中分离出的干酪乳杆菌属具有显著降低THP-1 细胞产生的TNF-a 作用。Srikham 等[18]从母乳中分离出的唾液链球菌BP8、唾液链球菌BP156、唾液链球菌BP160 对肝癌细胞和乳腺癌细胞增殖的一致率分别为44.83%～59.65%和29.85%～37.16%，表明其可作为新的替代性物质用于治疗肝癌和乳腺癌。Sharma 等[19]研究结果表明鼠李糖乳杆菌MD14 具有抗结肠癌和细胞毒作用。

2 乳酸菌胞外多糖的抗肿瘤活性

Liu 等[31]研究发现乳酸菌中起抗肿瘤作用的精确成分是其所分泌的胞外多糖。乳酸菌胞外多糖通常具有低细胞毒性和很少的副作用，因此这些聚合物可以作为合成抗癌剂的良好替代品和辅助药品[32]。目前，研究者们已对某些具有抗肿瘤活性的乳酸菌胞外多糖展开了研究。

Sun 等[33]研究发现与对照组相比，经植物乳杆菌12 产生的粗胞外多糖处理的HT-29 细胞中促凋亡蛋白Bax、Cyt C、caspase-3、caspase-8 和caspase-9 的表达升高，而抗凋亡蛋白Bcl-2 的表达降低。抗凋亡蛋白Bcl-2 可以通过防止线粒体通透孔的形成，抑制Cyt C 的释放来抑制凋亡，而促凋亡蛋白Bax 通过诱导内在凋亡来破坏线粒体的完整性，表明植物乳杆菌12产生的胞外多糖可通过线粒体途径抑制人结肠癌细胞株HT-29 的增殖。Di 等[34]研究发现胞外多糖可显著诱导HT-29 细胞G0/G1 细胞周期阻滞和凋亡，从而达到抗癌活性的作用。Deepak 等[35]研究了嗜酸乳杆菌胞外多糖对结肠癌细胞株的作用。结果表明，胞外多糖可下调血管内皮生长因子（VEGF）和缺氧诱导因子-1α（HIF-α）的表达，上调金属蛋白酶组织抑制剂-3（TIMP-3）和血红素氧合酶-1（HO-1）的表达来抑制肿瘤血管生成和生存相关基因的表达。Sheng 等[36]研究报道了乳杆菌TCP102 的胞外多糖显著诱导Ana-1 细胞和腹腔巨噬细胞分泌NO 和肿瘤坏死因子TNF-α、IL-6，来增强免疫活性并抑制肿瘤的发生。同时，胞外多糖还显著抑制HCT-116、BCG-803，尤其是A-2780 细胞的增殖。Li 等[37]研究表明瑞士乳杆菌MB2-1 产生的胞外多糖对羟基、DPPH 自由基、ABTS 自由基和超氧化物自由基具有较强的清除活性，并且还对HepG-2、BGC-823 细胞表现出抑制作用，对HT-29 细胞具有显著的抑制作用。

乳酸菌胞外多糖的抗肿瘤机制可能有以下几种：（1）细胞凋亡机制。胞外多糖通过外源性途径即上调起始胱天蛋白酶（Caspase-8、caspase-9）、执行胱天蛋白酶（Caspase-3）的表达以及肿瘤坏死因子TNF 的含量；内源性途径即上调促凋亡蛋白Bax、Bad、Bak 等的基因表达，下调抗凋亡蛋白Bcl-2、Bcl-2L1、Bcl-2L2等的基因表达来实现抗肿瘤作用并使肿瘤细胞表现出典型的凋亡形态学变化。（2）细胞周期阻滞。细胞周期由G1 期、S 期、G2 期和M 期组成，G0 期是静止期，不包括在细胞周期内。细胞周期含有G1 期、S 期和G2 期3 个DNA 损伤检控点。正常情况下，若DNA发生损伤，细胞周期会停在相应的检控点，出现细胞周期阻滞。细胞周期阻滞为受损细胞提供额外的时间用于修复损伤，从而减少突变的产生。胞外多糖的处理可使大量与细胞周期相关的基因出现差异表达，诱导细胞发生细胞阻滞进而避免肿瘤的发生。（3）抗肿瘤血管生成。肿瘤的生长与发展需要血管为其提供氧气和营养。此外，血管也是肿瘤细胞转移和免疫效应细胞浸润的通道，会将固有的免疫抑制肿瘤微环境转化为免疫支持性肿瘤微环境[38]。胞外多糖可促进TIMP3（组织抑制剂金属蛋白酶3）的表达，进而阻断VEGF（血管内皮生长因子）与其受体的结合来抑制肿瘤血管生成，最终起到抑制肿瘤生成的作用。（4）抗炎。胞外多糖通过抑制JAK/STAT3、NF-b 和HIF 通路肿瘤细胞以及免疫细胞中的NF-b 和p38/MAPK，平衡一氧化氮、IL-10、肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、IL-12、IL-6 等细胞因子，刺激机体炎症免疫反应达到抗肿瘤的作用。（5）抗氧化作用。活性氧是正常细胞在氧化过程中产生的副产物。由于代谢活性的增加以及其他致瘤因素，肿瘤细胞中内在活性氧的生成增加，促进了肿瘤细胞的增殖、转化和侵袭[39]。乳酸菌胞外多糖可作为抗氧化剂阻断机体内活性氧的积累来延缓甚至阻止肿瘤的发展。

3 影响乳酸菌胞外多糖抗肿瘤活性的因素

3.1 菌株来源

不同菌株所产胞外多糖的空间结构、多糖含量和理化性质均不同，这些差异可直接或间接使胞外多糖的抗肿瘤活性不同。已有研究表明，即使是同一种属的乳酸菌，其所产胞外多糖的抗肿瘤活性也因菌株而异[40]。利用植物乳杆菌WLPL04 菌株生产的胞外多糖对HT-29 细胞的增殖具有良好的抑制作用，而植物乳杆菌KX041 所产胞外多糖对HT-29 细胞增殖没有抑制作用[41-42]。张将等[43]比较了不同乳杆菌菌株所产胞外多糖对结肠癌细胞HT-29 增殖的影响，结果表明在植物乳杆菌12、植物乳杆菌14、植物乳杆菌32和植物乳杆菌37 这4 株菌株中，植物乳杆菌12 所产胞外多糖对HT-29 细胞增殖的抑制效果高于其余3种菌株所产胞外多糖的抑制效果，且在250 μg/mL 时达到了最高抑制率27.58%。出现这种现象的原因可能是由于遗传差异使乳酸菌具有菌株特异性，进而在其生长代谢途径中出现差异，使得所产胞外多糖的单糖组成、化学结构、理化性质及活性均不同，故而对肿瘤细胞增殖抑制性的影响不同。

3.2 胞外多糖存在形式

乳酸菌胞外多糖根据其所在位置不同可分为结合在细胞壁表面的荚膜多糖和分散在周围环境的黏液多糖。Kim 等[44]研究了从鼠李糖乳杆菌ATCC9595中分离出的结合胞外多糖（c-EPS）和分散胞外多糖（r-EPS）的抗肿瘤活性，结果显示出r-EPS 比c-EPS对PANC-1 和HT-29 细胞的抑制更有效，这可能是由于r-EPS 具有更好的水溶性，水溶性影响天然多糖的生物活性。Wang 等[45-46]对植物乳杆菌70810 所产的c-EPS 和r-EPS 抗肿瘤活性进行了探讨，发现c-EPS和r-EPS 对BGC-823 和HT-29 细胞的抑制率相似。但根据Li 等[37]的研究，从瑞士乳杆菌MB2-1 中分离出的细胞结合胞外多糖（c-EPS）的体外实验表明c-EPS 对HepG-2、BGC-823，尤其是对HT-29 癌细胞的增殖有明显的抑制作用。从上述文献报道可以看出，分散胞外多糖由于其水溶性较好、易提取的特性具有较好的抗肿瘤活性，然而也有研究表明结合胞外多糖具有较好的抗肿瘤活性。因此，分散胞外多糖是否比结合胞外多糖具有更好的抗肿瘤活性还不确定，需要进一步的研究证实。

3.3 胞外多糖的结构特征

乳酸菌胞外多糖是其在生长代谢过程中分泌出的一种长链聚合物，通常由多种不同比例的单糖如葡萄糖、半乳糖、鼠李糖或甘露糖等以α-1,4-糖苷键、α-1,6-糖苷键、β-1,3-糖苷键、β-1,4-糖苷键等不同糖苷键连接组成。单糖组成在一定程度上会影响着胞外多糖的连接方式和键型等，进一步影响着胞外多糖的抗肿瘤活性[47]。近年来的研究结果表明，构成胞外多糖的主链结构中含有1,4-葡萄糖或1,4-半乳糖的乳酸菌胞外多糖的抗肿瘤活性更强[48]。Wang 等[49]研究了由植物乳杆菌YW23 分泌的胞外多糖的抗肿瘤活性，结果表明该胞外多糖对HT-29 结肠癌细胞的抑制率为39.24%，且该胞外多糖主要由甘露糖、葡聚糖和葡萄糖以8.2∶4.2∶4.1 的比例构成。而另一株植物乳杆菌所产胞外多糖在相同条件下对HT-29 细胞的抑制率高达(88.34±1.97)%，该胞外多糖主要由半乳糖组成，其主要连接方式包括51.4%的1,4-半乳糖主链以及10.7%的1-半乳糖糖苷键连接的末端[50]。

3.4 胞外多糖的分子量

胞外多糖是乳酸菌发酵产生的一种重要代谢产物，分子量在4.0×104～6.0×106u 之间。有研究表明，胞外多糖分子量的不同可直接影响其抗肿瘤活性。Wang等[46]研究了从植物乳杆菌70810 中分离出的rEPS-1 和rEPS-2 的抗肿瘤活性，结果表明rEPS-1 和rEPS-2对HT-29 细胞的最高抑制率分别为（34.84±1.19）%和（45.04±0.98）%。显然，rEPS-2 比rEPS-1 对所研究的肿瘤细胞具有更高的生长抑制作用，且rEPS-2比rEPS-1 的分子量小。此外，Jiang 等[51]从植物乳杆菌WLPL09 中分离出的两种胞外多糖NPS 和APS 中，分子量较低的APS（33.22 ku）可显著上调癌细胞凋亡相关基因的mRNA 水平，并显著提高HepG2 细胞中caspase-3、-8 和-9 的活性，以及HTC-8 细胞中的caspase-3 和-8 的活性。而分子量较大的NPS（72.60 ku）对HepG2 和1HCT-8 细胞没有表现出较显著的抑制作用。这可能是由于分子量较小的胞外多糖组分更容易进入肿瘤细胞内部，诱导其发生细胞凋亡，发挥抗肿瘤作用。且与高分子量胞外多糖相比，低分子量胞外多糖与细胞受体间具有更好的结合能力，可使生长因子与受体更好的结合，从而促进细胞因子的分泌和表达[52]。

4 总结与展望

本文综述了具有抗肿瘤活性的乳酸菌菌株主要有干酪乳杆菌、唾液链球菌、双歧杆菌、鼠李糖乳杆菌、植物乳杆菌、德氏乳杆菌等20 多种。根据相关文献报道发现乳酸菌胞外多糖可能通过以下5 种机制发挥其抗肿瘤活性①细胞凋亡机制；②细胞周期阻滞；③抗肿瘤血管生成；④抗炎；⑤抗氧化作用。在这5种机制中，大多数乳酸菌胞外多糖都是通过诱导细胞凋亡机制发挥抗肿瘤作用。根据相关文献报道发现胞外多糖的菌株来源、存在形式、结构特征、分子质量可能是乳酸菌胞外多糖抗肿瘤活性的影响因素。

随着研究人员对乳酸菌胞外多糖的理化性质和生物活性研究的深入，乳酸菌胞外多糖的应用范围也逐渐从食品工业领域扩大到制药和医疗等方面。由于近年来肿瘤的高发病率，研究者们开始对乳酸菌胞外多糖的抗肿瘤活性展开研究。而乳酸菌胞外多糖在其抗肿瘤活性及构效关系研究方面存在乳酸菌胞外多糖结构复杂以及作用机理研究尚不全面等问题。针对以上问题，在以后的研究中，可通过分子生物技术定向改造乳酸菌产胞外多糖相关基因，使其高产空间结构简单的胞外多糖。另外，也可根据影响乳酸菌胞外多糖的抗肿瘤活性的因素，挑选适宜且高效的胞外多糖，在分离纯化较为简单的同时提高乳酸菌胞外多糖的抗肿瘤活性，为乳酸菌胞外多糖的开发利用提供一定的理论基础。