劉平平,虞旦,王昌濤,2,趙丹,張佳嬋,李萌,*
(1.北京工商大學理學院植物資源研究與開發重點實驗室,北京100048;2.北京工商大學食品營養與人類健康高精尖創新中心,北京100048)
三七是五加科植物Panax notoginseng(Burk.)F.H.Chen 的根,《本草綱目拾遺》中記載:“人參補氣第一,三七補血第一,味同而功亦等,故稱人參三七,為中藥中之最珍貴者”[1]。據書中記載,三七功用補血,能夠活血達到去瘀生新的效果,外用能夠消腫鎮痛;其抗炎癥的作用以及免疫調節的作用非常顯著,不僅能抑制疤痕增生,還能起到抗衰老、抗氧化作用[2-4]。此外,現代藥理研究也證明三七中的主要有效成分之一皂苷對中樞神經系統有明顯的抑制作用和鎮痛作用[5],尤其是人參皂苷Rg1 和人參皂苷Rb1 還具有增強血清超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)活性,減緩衰老的功效,并具有顯著抗纖維化作用,外用可保養皮膚[6-8];此外,大量關于三七多糖生理活性的研究表明,三七多糖具有促進加強網狀內皮系統的功能[9],還可以抵抗微波轄射[10]、提高免疫力[11],有骨缺損修復和促進恢復創傷等作用[12]。
現有研究中對多糖的提取常用的方法包含水提、堿提、酸提、苯酚提取、微波輔助提取、超聲輔助提取和酶提等方法[13]。其中微生物發酵法可利用代謝途徑分泌出的各種生物酶,分解植物細胞的致密結構,使植物活性成分順利提取出來。且在發酵過程中,微生物自身代謝將許多人體不能直接吸收利用的有效活性物質大分子降解成小分子,從而使發酵產物在人體中可以更快地被吸收,有提高有效成分利用率、產生新化合物、減少毒副作用、提高提取率的功效[14]。
皮膚角質細胞能夠合成多種促炎因子和半抗原,在皮膚受到刺激時,在免疫自穩及免疫應答過程中,發揮重要作用。本試驗采用食用級黃酒酵母發酵的方法提取三七多糖,并對提取工藝進行優化,利用反轉錄實時熒光定量聚合酶鏈式反應(polymerase chain reaction,PCR)技術,檢測三七多糖對人類永生化表皮細胞HacaT 培養體系中這些細胞因子表達量的影響,從而對三七多糖的抗炎功效進行評價。
三七粉:云南白藥集團股份有限公司;黃酒酵母:植物資源研究與開發重點實驗室保存;酵母浸粉(生物試劑)、瓊脂(生物試劑):北京奧博星生物技術;葡萄糖(分析純):國藥集團;濃硫酸、苯酚、無水乙醇(分析純):北京化工廠;人參皂苷Re 標準品:成都曼思特生物科技有限公司;0.05%(含乙二胺四乙酸)胰蛋白酶、DMEM 高糖培養基、胎牛血清:美國GIBCO 生命技術公司;噻唑藍溴化四唑(thiazolyl blue tetrazolium bromide,MTT):美國 Sigma 公司;人表皮永生化細胞(HacaT):中國科學院細胞庫;培養細胞/細菌總RNA 提取試劑盒(DP430)、FastKingRTKit(WithgDNase)(KR116)、SuperReal 熒光定量預混試劑彩色版(FP215):天根生化科技(北京)有限公司。
BXM-30R 立式壓力蒸汽滅菌器:上海博迅實業有限公司;全溫度震蕩培養箱DQHZ-2001A:太倉華美生化儀器廠;UVmini-1240 紫外分光光度計:日本島津;T6 新世紀紫外可見分光光度計:北京普析通用儀器有限公司;Sunrise 酶標儀:帝肯貿易有限公司;倒置顯微鏡:株式會社尼康;Bss160 帶自動轉盤的孵化箱Grumbach;ZEISS 體式顯微鏡:ZEISS;DJW-5KVA 智能型交流凈化穩壓電源:北京力能恒電電子科技有限公司;ABI7300 型熒光定量PCR 儀:美國應用生物系統公司。
1.3.1 總糖含量的測定
采用苯酚硫酸法測定總糖含量[15],首先是標準曲線的繪制。總糖質量濃度(ρ)在0~0.12 g/L 范圍內與A490呈良好的線性關系,標準方程為:A490=10.213ρ-0.048(R2=0.999 3)。
樣品含量測定:將水溶性多糖樣品稀釋至合適濃度后,加1 mL 置于試管中,取兩只帶塞試管,分別吸取1 mL 待測液和1 mL 去離子水,再分別依次添加0.5 mL 5%苯酚,搖勻后加入2.5 mL 濃硫酸,蓋上試管蓋,充分搖勻,靜置5 min;沸水浴1h,測定吸光值A490。
1.3.2 還原糖含量測定
采用DNS 法測定還原糖糖含量[16],首先是標準曲線的繪制標準曲線。還原糖標準品質量濃度(ρ)在0~0.12 g/L 范圍內與A540呈良好的線性關系,標準方程為,標曲:A540=0.006 3ρ-0.002 8,R2=0.999。
樣品含量測定:樣品液適當稀釋,盡量使糖濃度為 0.1 g/L~1.0 g/L,取 1.0 mL 到試管中,加入 DNS 試劑2 mL,沸水浴加熱2 min 后用流水冷卻,再加蒸餾水補足到15 mL 刻度,在540 nm 波長下測定樣品的吸光度。
1.3.3 多糖含量測定
多糖含量=總糖含量-還原糖含量。
1.3.4 高效食用級黃酒酵母的培養
挑取高效食用級黃酒酵母單菌落接菌于固體培養基中,在28 ℃培養箱中培養48 h。挑取酵母浸出粉胨葡萄糖(yeast extract peptone dextrose medium,YPD)固體培養基上單菌落接菌于YPD 液體培養基,在28 ℃搖床中培養48 h,轉速180 r/min,培養之后即可作為菌種備用。
1.3.5 微生物發酵法提取三七多糖單因素試驗
1.3.5.1 液料比單因素試驗
選取 20∶1、30∶1、40∶1、50∶1、60∶1、70∶1(mL/g)6 個梯度作為液料比的單因素試驗條件[17],經125 ℃滅菌30 min 后,接種食用級黃酒酵母,在30 ℃搖床中培養48 h,轉速4 800 r/min 離心發酵液20 min 后取上清液,在100 ℃水浴滅菌20 min,混合均勻后得三七發酵液。設置3 組平行。
1.3.5.2 時間單因素試驗
選取 36、42、48、54、60 h 這 5 個梯度作時間的單因素試驗條件,固定液料比為 40∶1(mL/g),經 125 ℃滅菌30 min 后,接種食用級黃酒酵母,在30 ℃搖床中培養不同時間后,轉速4 800 r/min 離心發酵液20 min后取上清液,在100 ℃水浴滅菌20 min,混合均勻后得三七發酵液。設置3 組平行。
1.3.5.3 溫度單因素試驗
選取 26、28、30、32、34 ℃這 5 個梯度作溫度的單因素試驗條件[18],固定液料比為 40∶1(mL/g),經 125 ℃滅菌30 min 后,接種食用級黃酒酵母,在不同溫度搖床中培養48 h 后,轉速4 800 r/min 離心發酵液20 min后取上清液,在100 ℃水浴滅菌20 min,混合均勻后得三七發酵液。設置3 組平行。
1.3.5.4 接菌量單因素試驗
選取不同接菌量3%、4%、5%、6%、7%這5 個梯度作為單因素試驗條件,固定液料比為40∶1(mL/g),經125 ℃滅菌30 min 后,接種不同量食用級黃酒酵母,在30 ℃搖床中培養48 h 后,轉速4 800 r/min 離心發酵液20 min 后取上清液,在100 ℃水浴滅菌20 min,混合均勻后得三七發酵液。設置3 組平行。
1.3.6 三七多糖提取得率
三七多糖提取得率/(g/g)=多糖含量×發酵液體積/三七質量
1.3.7 微生物發酵法提取三七多糖正交試驗
在單因素試驗的基礎上,選取對試驗結果影響較大的3 個因素進行正交設計,選取液料比、溫度、接菌量,每個因素各取3 個水平,以發酵液中三七多糖的提取得率為考察指標。
其他試驗條件確定為:pH 值為7,發酵時間36 h,按照正交設計表進行試驗,發酵后將溶液在轉速4 800 r/min 離心發酵液20 min 后取上清液,在100 ℃水浴滅菌20 min,混合均勻后得三七發酵液測多糖含量。設置3 組平行,見表1。

表1 正交試驗設計Table 1 Orthogonal experiment design
1.3.8 三七發酵液多糖制備
于三七懸浮液中接種3%食用級黃酒酵母,30 ℃搖床中培養48 h,轉速4 800 r/min 離心發酵液20 min后取上清液,100 ℃水浴滅菌20 min,混合均勻后得三七發酵液,醇沉三七發酵液,凍干得到多糖粉末,多糖溶解后以酶解與Sveag 法結合的方法多次去蛋白,懸蒸去除有機試劑,再次凍干得到三七發酵液多糖(三七多糖)。
1.3.9 細胞培養
1.3.9.1 細胞復蘇
從-80 ℃冰箱中取出待用凍存的HacaT 細胞,迅速37 ℃水浴,在1 min~2 min 內輕微振動將其融化。1 000 r/min 離心10 min,去上清。加入1 mL DMEM完全培養液,轉移至10 cm2培養瓶中,37 ℃5%CO2培養。
1.3.9.2 細胞傳代
當細胞生長至90%融合時,用2 mL 磷酸緩沖鹽溶液洗兩次(動作輕柔)。加入200 μL 0.25%的胰酶放入CO2培養箱中消化5 min,放到顯微鏡下觀察,當確認細胞從培養瓶壁上脫落后,加入2 mL 完全培養液終止消化,800 r/min 離心10 min,去上清,加入4 mL培養液,計數后,以5×105密度接種于10 cm2培養瓶。
1.3.9.3 MTT 法測定HacaT 細胞毒性試驗
選取對數生長期狀態良好的HacaT 細胞。用0.25%胰蛋白酶將HacaT 細胞消化,離心后重懸于含有10%胎牛血清的DMEM 培養基中,計數;用96 孔培養板接種細胞,并設置空白對照,邊緣孔用無菌磷酸鹽緩沖液填充,在5%CO2,37 ℃環境中培養過夜;按照各自終濃度分別加入三七多糖,細胞對照組是未做處理的組,每組設3 個復孔,培養48 h 后加入5 g/L 的MTT溶液,繼續在37 ℃,5%CO2環境中培養4 h 后終止培養;吸除孔內液體,用磷酸鹽緩沖液洗滌1 次,加入二甲基亞砜(dimethyl sulfoxide,DMSO)溶解結晶;M3 讀板儀測定各孔吸光度值 A570。分別用 0.5、1、2、2.5、5 g/L三七多糖和100 μmol/L 阿司匹林各5 μL 添加到5 mL細胞培養液中,處理HacaT 細胞24 h。提取細胞總RNA,熒光定量分析炎癥細胞因子轉錄水平表達量,以ERK1 作為內參基因。
1.3.9.4 三七多糖溶液對細胞進行不同時間培養
將消化后的細胞,以2×106/孔的密度接種6 孔板內,以 0.5 g/L 濃度三七多糖處理細胞 0、0.5、1.0、1.5、2.0 h[19]。提取細胞總RNA,熒光定量分析處理對炎癥細胞因子在轉錄水平表達的影響,以ERK1 作為內參基因。
1.3.10 細胞總RNA 提取與轉錄
按照RNA 提取試劑盒和反轉錄試劑盒說明書進行操作。
1.3.11 引物及探針的設計和合成
根據NCBI 中發布的基因序列,通過Primer Express 軟件設計出13 個基因(包含管家基因ERK1)的特異性引物,引物序列見表2。

表2 實時定量熒光PCR 引物序列Table 2 Primer sequences for real-time PCR
1.3.12 實時熒光PCR
根據SuperReal 熒光定量試劑盒說明書操作,總反應體系為 20 μL,包括 cDNA 模板 1 μL,10×Super-Real PreMix Plus 緩沖液 10 μL,正、反義引物各 0.3 μL,熱啟動酶 0.25 μL,雙蒸水補足至 20 μL。
循環參數:95 ℃預變性 2 min,然后按 95 ℃ 15 s,57 ℃ 20 s,72 ℃ 30 s,共 40 個循環,72 ℃收集熒光數據。反應在ABI7300 熒光定量PCR 儀上進行。
2.1.1 液料比對三七多糖提取的影響
不同液料比對三七多糖提取的影響結果見圖1。

圖1 提取液料比對三七多糖提取率的影響Fig.1 Effect of liquid-to-material ratio on the polysaccharides content
如圖1 所示,三七多糖提取得率隨著液料比的增加而增加,在液料比為50∶1 (mL/g)時達到了峰值0.476 g/g,隨后提取得率隨著液料比的升高而降低。說明溶劑液料比在一定范圍內對提取得率有顯著的影響。因此,選擇 40∶1、50∶1、60∶1(mL/g)作為正交試驗水平。
2.1.2 時間對三七多糖提取的影響
不同發酵時間對三七多糖提取的影響結果見圖2。

圖2 提取時間對三七多糖提取得率的影響Fig.2 Effect of time on the polysaccharides content
如圖2 所示,提取得率隨著時間的增加變化并不明顯,說明較短時間內酵母菌已經完成了周期性的增長,消耗大糖轉化為小分子糖類,總糖含量并無明顯改變。本著工藝低成本和高提取得率的原則,不將時間當作一個正交試驗因素,在后續試驗中將發酵時間定為正常的48 h。
2.1.3 溫度對三七多糖提取的影響
不同發酵溫度對三七多糖提取的影響結果見圖3。

圖3 提取溫度對三七多糖提取得率的影響Fig.3 Effect of temperature on the polysaccharides content
如圖3 所示,提取得率隨著溫度的增加變化率顯著,在溫度為32 ℃時達到了峰值0.491 g/g,隨后提取得率隨著溫度的升高而降低,在36 ℃后變化開始趨于平緩。可能是一定溫度下會促進三七多糖的溶出,過高溫度會影響黃酒酵母的生長繁殖從而導致提取得率降低,因此,選擇28、32、36 ℃作為正交試驗因素。
2.1.4 接菌量對三七多糖提取的影響
不同接菌量對三七多糖提取的影響結果見圖4。
如圖4 所示,提取得率隨著接菌量的增加變化率顯著,當接菌量5%時達到了峰值0.410 g/g,隨后提取得率隨著接菌量的增大而降低,可能是由于菌量達到飽和狀態,從而影響生長4%、5%、6%作為正交試驗因素。

圖4 接菌量對三七多糖提取得率的影響Fig.4 Effect of temperature on the polysaccharides content
不同因素組合對三七多糖提取的影響結果見表3。

表3 正交試驗結果Table 3 The results of orthogonal experiment
由表3 極差分析可知,各因素對三七多糖提取效果的影響主次分別為:溫度>液料比>接菌量,發酵法提取三七多糖的最佳工藝條件為:液料比為50∶1(mL/g),發酵溫度為32 ℃,接菌量為5%。通過觀察極差R 值可看結果表現出顯著性差異。最后,根據優化結果進項優方案試驗,提取的三七多糖提取得率為0.501 g(多糖)/g(原料),符合預期值。
三七多糖濃度對HacaT 細胞存活率的影響見圖5。

圖5 三七多糖濃度對HacaT 細胞存活率的影響Fig.5 Cell viability with different polysaccharide of Panax notoginseng
如圖5 所示,以未加任何三七多糖的細胞作空白對照,當三七多糖濃度高達2 g/L 時,細胞增殖活力依然超過90%,說明三七多糖對細胞幾乎無毒性。且當三七多糖濃度減小,細胞增殖活力反而增加,三七多糖濃度為0.5 g/L 和1 g/L 時,細胞存活率高達141.32%和139.25%,說明低濃度三七多糖對HacaT 有增殖作用,在后面試驗中以低濃度三七多糖作為作用于HacaT 細胞的濃度。
以100 μmol/L 阿司匹林作為參照,觀察同一時間段內不同濃度三七多糖處理條件下HacaT 細胞中的CSF-1 表達量的差異,以及同一濃度三七多糖不同時間段處理條件下CSF-1 表達量的差異。
不同濃度三七多糖對CSF-1 基因表達量的影響見圖6。

圖6 不同濃度三七多糖對CSF-1 基因表達量的影響Fig.6 Influence of different polysaccharide of Panax notoginseng to CSF-1 expression
從圖6 中可以看出,通過SPSS 軟件進行LSD 法和Duncan 法分析其顯著性,相同濃度的三七多糖在不同時間段的處理下差異顯著(P<0.05),不同濃度的三七多糖的處理后水平差異不顯著(P>0.05)。因此,選擇0.5 g/L 的三七多糖為最終濃度,考察其處理不同時間對炎癥細胞因子表達量的影響。
考察時間效應,三七多糖處理HacaT 細胞,2 h內,炎癥相關基因表達量變化。
2.5.1 炎癥因子類基因(IL-6、IL-8)
促炎癥因子IL-6 在炎癥和免疫反應中具有多種功能,是由活化的單核細胞、內皮細胞、T 淋巴細胞、巨噬細胞和成纖維細胞等分泌的,在促炎因子IL-1 和TNF 的刺激下,IL-6 的表達量會增加,從而增加炎癥反應中花生四烯酸的釋放,刺激T 細胞活化和增殖,促進B 細胞分泌免疫球蛋白,血清中IL-6 的水平增高幾乎與炎癥程度成正比[20-21]。在炎癥反應中,IL-8 是直接作用于表皮細胞,主要是促進慢性炎癥的發展,聚集并激活T 淋巴細胞、白細胞和血管內皮細胞[22]。
三七多糖對IL-6/IL-8 表達量的影響見圖7。

圖7 三七多糖處理不同時間對IL-6/IL-8 表達量影響Fig.7 Influence of training time by polysaccharide of Panax notoginseng to IL-6/IL-8 expression
如圖7 所示,相比于對照組100 μmol/L 阿司匹林,IL-6 的表達量更高,到60 min 時上升到最高,然后緩慢降低,在120 min 的時間降到初始值附近。整體來看,三七多糖對IL-6 基因表達量的影響主要在2 h 內的促進作用。三七多糖對IL-6 基因表達量的影響驗證了三七多糖可能是通過影響的花生四烯酸的代謝而起到抗炎作用的。
在30 min 短時間內,IL-8 表達量迅速上升至最高值,并在接下來時間內保持下降趨勢,之后的一個小時內降到初始值以下,再緊接著從90 min 到120 min的時間內,仍然保持下降趨勢。整體來看,三七多糖對IL-8 基因的影響主要體現在30 min 到120 min 內迅速抑制其表達。IL-8 表達的增高使得大量中性粒細胞向炎癥區域聚集,通過釋放炎癥介質加重炎癥反應。三七多糖先激發后抑制了IL-8 的表達,間接地抑制了炎癥的發生和發展,對炎癥起到緩解功效。
2.5.2 造血生長因子(CSF1、CSF2)
CSF1 為造血生長因子,參與單核細胞、巨噬細胞的增殖分化以及存活[23-24],CSF2 為具有多效性的造血生長因子,體內研究表明CSF2 的產量與效應可以由TNF、MIP-1a 等調控[25-26]。
三七多糖處理不同時間對CSF-1/CSF-2 表達量影響見圖8。

圖8 三七多糖處理不同時間對CSF-1/CSF-2 表達量影響Fig.8 Influence of training time by polysaccharide of Panax notoginseng to CSF-1/CSF-2 expression
根據圖8 發現,三七多糖對CSF-1、CSF-2 的作用主要表現為抑制作用,30 min 短時間內,三七多糖作用于CSF-1 使其表達量迅速下降,此時阿司匹林對照組的表達量表現為上升且表現為促進表達的作用,之后的一個小時內,即從30 min 到90 min 的時間內,CSF-1 基因有緩慢的上升趨勢,增幅不大且表達量數值一直小于初始值,在90 min 到120 min 的時間內,又有下降趨勢。整體來看,三七多糖對CSF-1 基因的影響主要體現在0 min 到30 min 內迅速抑制其表達,并在120 min 的時間內保持抑制其表達的作用,間接地抑制了炎癥的發生和發展。三七多糖作用于CSF-2 的作用趨勢類似,先降低再升高再降低,但是幅度小于CSF-1,而且對照組阿司匹林作用于CSF-2 的表達量在前60 min 是低于三七多糖對CSF-2 的表達量,在90 min時短暫反超后又在120 min 時再次低于,但整體跟三七多糖一樣,對于CSF-2 的表達量一直是抑制作用。
2.5.3 趨化因子相關基因CCL20、白細胞募集因子CXCL3
CCL20、CXCL3 則是具有能將白細胞募集到炎癥部位的因子,主要功能是白細胞募集,在炎癥初期發揮自體免疫功能,應對感染[27]。
三七多糖處理不同時間對CCL20/CXCL3 表達量影響見圖9。

圖9 三七多糖處理不同時間對CCL20/CXCL3 表達量影響Fig.9 Influence of training time by polysaccharide of Panax notoginseng to CCL20/CXCL3 expression
三七多糖對CCL20/CXCL3 表達量的影響如圖9所示,相比于對照組100 μmol/L 阿司匹林,CCL20 的表達量偏高但是也很接近,從0 min 到60 min,一直緩慢上升到達最高值,緊接著緩慢降低,在120 min 的時間降到初始值附近。整體來看,三七多糖對CCL20 基因表達量的影響主要在2 h 內的促進作用。三七多糖對CCL20 基因表達量的影響驗證了三七多糖能夠在炎癥發生時調動白細胞發生免疫。
相比于對照組 100 μmol/L 阿司匹林,CXCL3 的表達量遠遠高于對照組,從0 min 到60 min 時中,快速上升到達最高值,緊接又急劇降低,在120 min 的時間降到初始值附近并低于初始值。對照組阿司匹林對CXCL3 表達量也是先增加再降低,但是表達量增幅不多且在90 min 時就降至初始表達量以下。從整體來看,三七多糖對CXCL3 基因表達量的抑制作用體現在90 min 之后,且慢于阿司匹林,三七多糖對CXCL3 基因表達量的影響驗證了三七多糖能夠在炎癥發生后期調動白細胞發生免疫。
2.5.4 蛋白抗體TNF-AIP3
TNF-AIP3 主要由TNF 誘導表達,是一個重要的負性免疫調節基因,其過表達可阻斷TNF 受體或T 細胞受體(TCR)引起的NF-kappa 轉導通路的激活[28]。
三七多糖處理不同時間對TNF-AIP3 表達量影響見圖10。

圖10 三七多糖處理不同時間對TNF-AIP3 表達量影響Fig.10 Influence of training time by polysaccharide of Panax notoginseng to TNF-AIP3 expression
根據圖10 發現,三七多糖對TNF-AIP3 的作用主要表現為抑制作用,在120 min 內變化幅度不大,但是一直處于抑制表達的狀態,說明三七多糖對TNFAIP3 基因的影響主要體現在120 min 的時間內保持抑制其表達的作用,間接地抑制了炎癥的發生和發展。相比于阿司匹林對照組,阿司匹林作用細胞后60 min,TNF-AIP3 的表達量開始上升,在接下來30 min 短時間內又迅速下降到抑制狀態。
本文通過微生物發酵法對三七中的多糖進行提取,并采取正交試驗對三七多糖提取條件進行優化。通過采用熒光定量PCR 方法檢測三七多糖對炎癥細胞因子在2 h 內的變化趨勢。研究結果表明:經試驗測定,選出對試驗結果影響較大的液料比、溫度、接菌量3 個因素,并選定3 個水平為考察指標,最終得到最優提取工藝為:液料比50∶1(mL/g)、接菌量為5 %、溫度為32 ℃、pH 值為7,發酵時間36 h,此時多糖提取得率最高,達到0.501 g/g。通過MTT 法檢測多糖對HacaT 細胞的增殖作用及安全濃度范圍為1 g/L,用0.5 g/L 的三七多糖考察不同時間處理對炎癥細胞因子表達量的影響:白細胞活化因子CSF2、CSF1 下調,胞內信號負調節因子 TNF-AIP3 表達下調、Cxcl3、TNFAIP3 基因的表達均有下調的作用;對IL6 是上調作用,對CCL20、IL8(CXCL8)是先上調再抑制。綜上,炎癥細胞因子網絡系統復雜多樣,三七多糖可干預炎癥反應不只是通過某個基因的方式進行的,而是以多基因靶點和多環節方式減弱促炎癥反應,增強抗炎癥反應,以達到抗炎功效。