巖藻多糖的抗氧化功能研究進展

徐元慶，王哲奇，張 靜，范依霖

內蒙古農業大學動物科學學院，呼和浩特010018

巖藻多糖，也稱褐藻多糖、褐藻多糖硫酸酯、褐藻糖膠等。巖藻多糖是一種獨特的水溶性硫酸化多糖，主要存在于多種褐藻的細胞外基質和幾種海洋無脊椎動物中，是褐藻細胞外基質中的主要成分，具有多種生物活性。在過去的數十年中，從不同褐藻和幾種海洋無脊椎動物中分離出的巖藻多糖因其多種生物活性而受到廣泛關注和研究，包括抗凝血、抗病毒、抗腫瘤、抗炎、降血脂、抗氧化等活性[1]。由于高可用性和功能特性，特別是其所具有的抗氧化特性，巖藻多糖被廣泛用作化妝品、功能食品、膳食補充劑以及水產養殖和牲畜飼料補充劑中的活性成分。本文總結了巖藻多糖的結構和抗氧化活性及其抗氧化活性調控機制的研究進展。

1 來源和分子結構

巖藻多糖是一種天然的硫酸化多糖，廣泛分布在褐色海藻的細胞壁基質中[2]，主要功能是充當細胞壁中半纖維素和纖維素之間的交聯劑，以保持細胞的完整性[3]。包括Adenocystisutricularis[4]、Chordafilum[5]、Cladosiphonokamuranus[6]、Dictyotamenstrualis[7]、Fucusevanescens[8]、Fucusvesiculosus[9]、FucusdistichusL.[10]、FucusserratusL.[11]、Hizikiafusiforme[12]、Laminariajaponica[13]、Laminariacichorioides[14]、Lobophoravariegata[15]、Padinagymnospora[16]、Stoechospermummarginatum[17]、Sargassumstenophyllum[18]和Undariapinnatifida[19]等。此外，這種生物聚合物也存在于一些海洋無脊椎動物中，如海參Ludwigothureagrisea[20]或海膽Lytechinusvariegatus[21]、Echinometralucunter[21]、Arbacialixula[21]、Strongylocentrotuspallidus[22]和Strongylocentrotusdroebachiensis[22]等。

巖藻多糖是異源的且是結構相關多糖的混合物，其具有碳水化合物單元和非碳水化合物取代基含量的某些變化[1]。通常，巖藻多糖的化學結構復雜，主要由L-巖藻糖和硫酸鹽殘基組成。此外，它們還含有其他單糖如葡萄糖、半乳糖、甘露糖、木糖、鼠李糖或糖醛酸等成分，甚至還含有乙酰基和蛋白質[6,11]，但所有這些都占巖藻糖苷總結構的10%以下。對于含有大量糖醛酸和己糖的巖藻多糖，結構核心可以由交替的糖醛酸-己糖構建，因為這種結構非常穩定，其他單糖主要存在于核心的分支中[16]。巖藻多糖是一種聚陰離子硫酸化多糖，根據Cumashi等[1]的說法，巖藻多糖中的多糖主鏈被稱為I型鏈或II型鏈(圖1)，I型鏈含有重復的(1→3)連接的α-L-吡喃巖藻糖殘基，而II型鏈含有交替的(1→3)和(1→4)連接的α-L-吡喃巖藻糖殘基。Chordafilum和Eckloniakurome中的巖藻多糖呈現(1→3)連接的吡喃葡萄糖的結構特征[5,23]。從Hizikiafusiforme中分離出的巖藻多糖主要是巖藻糖，半乳糖，甘露糖，木糖和糖醛酸組成，硫酸鹽含量為21.8%，而一些巖藻糖具有兩個硫酸根[12]。根據主鏈的結構，巖藻多糖可以在巖藻糖殘基的C-2位、C-4位或兩個位置處被硫酸化，偶爾也位于C-3位。

圖1 巖藻多糖的I型鏈和II型鏈Fig.1 Type I and type II chains of fucoidan注：R是碳水化合物(α-L-巖藻糖基、α-D-葡萄糖醛酸)和非碳水化合物(硫酸鹽和乙酰基)取代基的潛在附著物。Note:R is potential attachment of carbohydrate (α-L-fucopyranose,α-D-glucuronic acid) and non-carbohydrate (sulfate and acetyl groups) substituents.

巖藻多糖結構和單糖組成根據不同因素而變化，例如巖藻多糖的來源，收獲時間和收獲地點以及提取方法，都影響巖藻多糖的結構和生物活性。

不同來源的巖藻多糖具有不同的結構和單糖組成。Feng等[24]采用超聲輔助水提法，從Laminariajaponica和UndariapinnatifidaSuringar提取多糖，L.japonica主要由甘露糖、葡萄糖、半乳糖、木糖和核糖組成，且主成分為甘露糖；U.pinnatifida主要由甘露糖、半乳糖、木糖和核糖組成，且主成分為半乳糖。從Chordafilum分離的巖藻多糖含有高度支化的(1→3)-吡喃葡萄糖殘基骨架。從Eckloniakurome中分離出的巖藻多糖部分具有高度支化的結構，其主鏈也是(1→3)-L-吡喃葡萄糖殘基，硫酸基主要附著于C-4位[23]。然而，在一些褐色海藻中也可以發現(1→2)或(1→4)連接的吡喃葡萄糖殘基骨架。Himanthalialorea和Bifurcariabifurcata的巖藻多糖具有(1→2)-和(1→3)-連接的吡喃葡萄糖殘基，在C-4處具有硫酸化作用。來自Stoechospermummarginatum的巖藻多糖具有(1→3)-(和1→4)-連接的α-L-吡喃葡萄糖殘基骨架，并且主要在C-2和(或)C-4處被硫酸化[17]。從Ascophyllumnodosum中純化的巖藻多糖部分由高度支化的核心區組成，主要含有α-(1→3)-吡喃葡萄糖殘基和少量α-(1→4)-吡喃葡萄糖殘基，硫酸鹽基團位于C-2位和(或)C-4位[25]。

相同的特定褐色海藻可能產生不同結構的巖藻多糖。Duarte等[18]報道，Sargassumstenophyllum生物合成了兩組不同的巖藻多糖。其中之一的特征是較高百分比的糖醛酸和較少的硫酸基團，其位于不同的巖藻糖殘基上，巖藻糖是主要成分，但其他單糖如半乳糖，甘露糖，糖醛酸，葡萄糖和木糖含量也較大。另一種巖藻多糖含有少量的糖醛酸和高百分比的硫酸鹽基團，它們集中在巖藻糖殘基上，只有巖藻糖和半乳糖作為主要成分。

相同的特定褐色海藻不同的采集時間可能具有不同結構的巖藻多糖。采用氯化鈣萃取法，對Undariapinnatifida進行了巖藻成分和含量的研究。從2011年7月至10月從U.pinnatifida中每月提取粗巖藻多糖。從7月到9月，提取的巖藻多糖中硫酸基含量增加了2倍以上，而巖藻糖含量保持不變[19]。U.pinnatifida孢子體來源的巖藻多糖中硫酸鹽的含量從7月至9月增加，然后在10月下降。葉片衍生的巖藻多糖的硫酸鹽含量在7月至9月之間也顯著增加，然后在10月顯著下降。從7月到9月，孢子囊巖藻多糖的硫酸鹽含量顯著增加了2倍以上。這些結果表明，Undariapinnatifida的成熟可能直接影響巖藻多糖中硫酸鹽基團的數量，尤其是孢子囊中的硫酸鹽基團的數量[19]。這些結果與Honya等[13]報道的結果一致，顯示了Laminariajaponica中巖藻多糖硫酸鹽含量變化的相似趨勢，其中硫酸鹽的摩爾比隨著藻類的成熟(4～9月)而增加，9月份葉片中糖醛酸含量的陡增很可能是由于如孢子囊形成和葉片輕微腐爛等新陳代謝發生變化所致。

相同的特定褐色海藻不同的部位可能具有不同結構的巖藻多糖。U.pinnatifida葉狀體和孢子葉部分的產量各不相同，其中孢子葉的含量最高。對巖藻多糖的巖藻糖含量進行測定后發現，U.pinnatifida葉片衍生巖藻多糖在7月至10月之間顯著下降，孢子囊來源的巖藻多糖中的巖藻糖含量則保持不變[19]。類似的，Skriptsova等[26]報道，U.pinnatifida在孢子發生過程中，孢子囊來源的巖藻多糖的巖藻糖含量也沒有顯著變化，葉片的降解可能是源自葉片的巖藻多糖中巖藻糖含量下降的原因。從7月到9月，孢子囊巖藻多糖的硫酸鹽含量顯著增加了2倍以上，葉片衍生的巖藻多糖的硫酸鹽含量則保持不變[19]。但是，U.pinnatifida葉狀體成熟形成孢子囊時，中性糖的組成會發生變化，甘露糖含量隨孢子囊的生長而下降4.7倍，半乳糖含量從27.0 mol%上升至42.8 mol%，巖藻糖和半乳糖的摩爾比從1∶0.51變為1∶0.80[26]。Lee等[27]和Mak等[19]從U.pinnatifida的孢子葉中提取的巖藻多糖分子量分別約為9 kDa和171 kDa，而從U.pinnatifida全葉中提取的巖藻多糖的分子量則為710 kDa[28]。此外，從Lessonianigrescence的根部和莖部提取粗巖藻多糖，2種多糖均是以巖藻糖為主要單糖，木糖和半乳糖含量較高的硫酸化巖藻多糖，但根部中甘露糖醛酸含量高達73%，明顯高于莖部的61%，且其硫酸鹽基團分別主要在C4和C2/C3位上[29]。這就表明，褐色海藻不同部位的巖藻多糖的含量和結構有所不同。

通過不同方法提取和純化的巖藻多糖也可能具有不同的結構。巖藻多糖是水溶性多糖，故巖藻多糖的提取多用傳統的水提取法和酸提取法，提取溫度和所用溶劑都會影響巖藻多糖的組成和結構。在不同溫度條件(90～150 ℃)下提取Ascophyllumnodosum中的巖藻多糖，在90 ℃提取的巖藻多糖的主要單糖是巖藻糖，而在150 ℃時提取的巖藻多糖的主要單糖是葡萄糖醛酸，且隨著萃取溫度的降低，巖藻多糖的分子量和硫酸鹽含量均增加[30]。Ponce等[4]也報道，在室溫下提取的Adenocytisutricularis的巖藻多糖主要由巖藻糖，半乳糖和硫酸酯組成。在70 ℃提取的巖藻多糖主要由巖藻糖組成，伴有其他單糖(主要是甘露糖、葡萄糖、木糖、鼠李糖和半乳糖)，大量的糖醛酸和低比例的硫酸酯。在較高的溫度下較長的提取時間會導致較高的多糖提取率，而巖藻糖含量和硫酸鹽含量隨時間延長而下降，而葡萄糖醛酸的比例較高[4,18]。同樣在70 ℃的提取溫度下，以蒸餾水、2%氯化鈣溶液和稀鹽酸(pH=2)溶液作為溶劑，同樣獲得不同組分和結構的巖藻多糖，與氯化鈣溶劑相比，利用稀鹽酸進行萃取，多糖提取率較高，且具有較高的蛋白質、糖醛酸、甘露糖和葡萄糖含量，但具有較低的硫酸鹽含量和較大的分子量[4]。Shan等[31]分別采用稀鹽酸法和氯化鈣法提取巖藻多糖并進行理化性質分析和比較，也發現稀鹽酸法提取巖藻多糖提取率顯著高于氯化鈣法，但所得巖藻多糖的硫酸基含量和絕對分子量都明顯降低。因為鹽酸可能引起細胞壁基質的松散，從而使酸局部滲入巖藻多糖，造成多糖主鏈斷裂及硫酸基脫落，破壞巖藻多糖的結構。此外，超聲波提取法、酶輔助提取法、微波輻照提取法等新型方法利用超聲波、酶和微波破壞細胞壁的骨架結構，促使細胞內的活性成分巖藻多糖流出，縮短提取時間且反應條件溫和而廣受關注。與熱水提取法比較，超聲輔助提取海帶巖藻多糖，能夠增加多糖提取率，巖藻糖和硫酸基含量也更高，這是由于較高的溫度會在一定程度上破壞多糖分子結構，降低其硫酸基含量。Guo等[32]利用超聲波對海參中巖藻多糖進行處理后，巖藻多糖的分子量明顯降低，線性四糖重復單元保持為原始多糖，中間的非硫酸化巖藻糖單元被輕微破壞。Choi等[33,34]利用γ射線對巖藻多糖進行輻射處理，能夠顯著提高巖藻多糖分子中羥基和不飽和鍵的含量，硫酸鹽含量保持不變，但巖藻多糖的分子量隨著γ輻照劑量的增加而下降，因為具有較高分子量的巖藻多糖由于輻射產生的自由基發生分裂的可能性更高而被更嚴重地降解。

基于巖藻多糖來源和結構的復雜性及多種生物學活性，近些年已對其進行了廣泛的生物學研究以探究其所具有的生物學特性，例如抗氧化活性。

2 抗氧化活性

正常生理過程中，機體會產生一定量的活性氧(reactive oxygen species，ROS)，適量的ROS參與機體的信號傳導、細胞分裂、免疫應答和細胞自噬等正常生理過程。然而，當機體受到不利刺激時，ROS就會過量產生，或其清除能力受阻，導致機體抗氧化系統失衡，從而導致氧化應激[2]。這會導致許多健康問題，如癌癥，糖尿病，嚴重組織損傷的神經退行性疾病和炎癥性疾病等。近年來，從多種海藻和一些海洋無脊椎動物中分離出的巖藻多糖已被證明是潛在的ROS清除劑。

2.1 體外抗氧化活性

體外細胞試驗也表明巖藻多糖具有良好的抗氧化活性。Chale-Dzul等[39]發現巖藻多糖表現出良好的對HepG2細胞中ROS的清除活性，而且它們還增加了谷胱甘肽(GSH)水平并恢復了H2O2對過氧化氫酶(CAT)活性的抑制。巖藻多糖能夠逆轉H2O2對大鼠PC12細胞中的超氧化物歧化酶(SOD)和谷胱甘肽過氧化物酶(GPx)活性的抑制，從而清除H2O2誘導的PC12細胞中ROS的形成并降低丙二醛(MDA)的含量[40]。此外，巖藻多糖增強了人HaCaT細胞中抗氧化劑血紅素加氧酶-1(HO-1)和SOD1的基因表達和蛋白表達，從而發揮抗氧化活性[41]。在H2O2處理的豬腸上皮細胞系(IPEC-1)中，巖藻多糖使GPx活性和GSH含量以及醌氧化還原酶1(NQO1)和SOD1的基因表達正常化，同時防止產生過量的MDA，從而抑制H2O2誘導IPEC-1的壞死增加[42]。

提取方法也會影響褐藻巖藻多糖的抗氧化活性。Imbs等[47]使用熱酸法和無水CaCl2法2種方法從Fucusevanescens中提取巖藻多糖，熱酸法提取的巖藻多糖和無水CaCl2法提取的巖藻多糖，硫酸根的質量分數分別為9.0%和40.3%，巖藻糖的質量分數分別為59.4%和90.0%。在濃度為1.0 mg/mL時，熱酸法提取的巖藻多糖和無水CaCl2法提取的巖藻多糖的DPPH自由基清除率分別為57.6%和19.4%。因此，提取方法不同，導致巖藻多糖化學組成不同，從而會對其抗氧化活性產生影響。

此外，巖藻多糖的組成影響其抗氧化活性。L-巖藻糖難以被ROS降解，不具有清除ROS的能力。然而，ROS容易與半乳糖、甘露糖和糖醛酸反應，裂解糖苷鍵并氧化糖醛酸，然后巖藻多糖通過還原反應清除ROS，據此得出，半乳糖、甘露和糖糖醛酸含量(比例)對ROS具有明顯的清除作用[55]。

綜合而言，巖藻多糖的來源，提取方法，分子量、組分和硫酸基團的含量和位置等都可能影響巖藻多糖的抗氧化活性。

2.2 體內抗氧化活性

目前，關于巖藻多糖的抗氧化活性研究主要集中在大鼠和小鼠模型上，多種研究發現，通過口服或注射一定劑量的巖藻多糖對衰老、肥胖、胃腸損傷、肝損傷、創傷性腦損傷、缺血-再灌注損傷、腎病、高草酸尿癥、帕金森病、糖尿病和關節炎等損傷或疾病具有增強抗氧化功能(表1)。巖藻多糖的給藥方式以口服或灌胃為主，給藥劑量為10～500 mg/kg。部分研究通過腹腔注射給藥，給藥劑量為12.5～400 mg/kg。少量研究通過皮下注射給藥，給藥劑量為5 mg/kg。絕大多數研究都發現，在各種疾病或損傷動物模型中，不管以何種給藥方式，巖藻多糖都會通過增強抗氧化酶活性(包括CAT、SOD、GPx、GR)和非酶抗氧化劑的含量(特別是GSH)來增強機體的抗氧化功能。但需要特別指出的是，同樣在IRI的動物模型中，腹腔注射巖藻多糖降低了大鼠腦組織的SOD活性[56]，卻增加了小鼠腎臟組織的SOD活性[57]。另外，在完全弗氏佐劑誘導關節炎大鼠模型中，通過灌胃給藥巖藻多糖降低了血清中CAT、POD和SOD活性[2]，作者推測這可能是巖藻多糖進入機體內會直接清除體內產生的ROS，從而降低內源性抗氧化酶的表達，但這種推論需要進一步的分子研究以明確其確切的機制。

表1 巖藻多糖的體內抗氧化活性Table 1 Antioxidant activity of fucoidan in vivo

續表1 (Continued Tab.1)

2.3 體內抗氧化活性調控機理

2.3.1 Keap1-Nrf2-ARE調控途徑

Kelch樣環氧氯丙烷相關蛋白-1(kelch-like ECH-associated protein-1，Keap1)-核轉錄因子E2相關因子2(nuclear factor-erythroid 2 related factor 2，Nrf2)-抗氧化反應元件(antioxidant response element，ARE)信號通路是機體抵抗氧化應激關鍵的防御性轉導通路。通常，在不受應激的細胞中，抑制蛋白Keap1與Nrf2形成復合物，從而將Nrf2隔離在細胞質中，使其無法進入細胞核導致轉錄活性被抑制。

然而，當細胞暴露于輕度的氧化應激時，Nrf2在Nrf2的特定絲氨酸和(或)蘇氨酸殘基處被磷酸化，從Keap1上解離并轉移到細胞核中[88]，與ARE結合并啟動下游一系列保護基因如抗氧化蛋白和Ⅱ相解毒酶等轉錄基因的表達，包括HO-1、NQO1、谷胱甘肽S-轉移酶(GST)、GPx、SOD、CAT等大量保護性基因的轉錄，增加細胞對ROS的清除能力[89,90]。研究發現，巖藻多糖可通過上調Nrf2增強機體抗氧化功能(圖2)。巖藻多糖在二甲基亞硝胺(DMN)誘導的肝纖維化大鼠中顯著增加Nrf2及其下游通路介質(包括NQO1、HO-1、SOD和GST)的基因和蛋白質表達[74]。盡管H2O2處理上調了IPEC-1中Nrf2的表達，但巖藻多糖進一步增強了Nrf2的表達，并上調了氧化應激狀態下游靶基因NQO1、SOD1和GPx1的基因表達水平，降低了MDA水平[42]。另外，動物試驗上的研究也發現，盡管乙酰氨基酚(APAP)孵育后誘導了小鼠肝細胞核Nrf2表達，巖藻多糖進一步增強細胞核中的Nrf2和總的Nrf2表達，并降低肝臟組織中ROS和MDA的水平，同時增加SOD、CAT的活性及GSH含量[72]。研究還發現，巖藻多糖可通過激活人肺成纖維細胞中的Nrf2信號通路來防止氧化損傷[91]。另外，Nrf2一般僅存在于細胞的細胞質中，但是在巖藻多糖處理后的HaCaT細胞觀察到Nrf2在細胞核中積累，表明巖藻多糖促進了Nrf2從細胞質向細胞核內的轉運，并降低Keap1的細胞質穩定性[41]。同樣的結果也發現于IPEC-1細胞的試驗中，巖藻多糖促進了Nrf2在易受氧化應激的IPEC-1細胞中向核的轉運[42]。這就表明巖藻多糖不僅調控Nrf2的表達，同樣也調控其從細胞質向細胞核的轉移。綜合以上結果表明，巖藻多糖的抗氧化生物學功能機制與Nrf2信號的激活有關。

圖2 巖藻多糖的抗氧化作用機理Fig.2 Antioxidant mechanism of fucoidan

2.3.2 MAPK調控途徑

氧化應激會激活MAPK(p38、JNK和ERK)途徑，并引起p38、ERK和JNK的磷酸化水平的急劇增加，但巖藻多糖能夠通過調控MAPK途徑調控機體的抗氧化機能(圖2)。巖藻多糖處理成肌細胞(C2C12細胞)后，p38、ERK和JNK基因的表達降低，隨著巖藻多糖濃度(1、10和100 μg/ml)的增加導致C2C12細胞中的ERK磷酸化和JNK磷酸化水平進一步降低，并調控MnSOD、CAT、GPx和GR的基因表達，從而并調控ROS的產生[92]。另外，來自Undariapinnatifida巖藻多糖抑制LPS誘導的RAW264.7細胞中MAPK(p38、ERK和JNK)的磷酸化，從而阻斷ROS的產生[93]。此外，ERK的特異性抑制劑可通過抑制ERK磷酸化來減少磷酸化Nrf2的積累，表明Nrf2是ERK的直接下游靶標。所以，ERK信號傳導可誘導Nrf2活化并調節細胞對氧化應激的保護作用。最近的一項研究報道也表明，巖藻多糖通過ERK-Nrf2信號介導的HaCaT細胞中HO-1和SOD1的表達降低了氧化應激[41]。巖藻多糖還抑制了ARPE-19細胞中的Ca2+注入和ERK磷酸化表明其通過經由依賴Ca2+的ERK信號傳導途徑使ROS生成正常化而保護ARPE-19細胞免受高葡萄糖誘導的氧化損傷[94]。

2.3.3 TLR-NF-κB和PI3K-Akt調控途徑

雖然沒有直接的證據證明，但我們推測巖藻多糖可以通過TLR-NF-κB途徑發揮抗氧化功能(圖2)。TLR是進化上保守的模式識別受體(I型跨膜蛋白)，能夠識別細菌，病毒和一些其他病原體中的代謝物[95]。TLR被多種刺激激活并觸發細胞內信號轉導，例如NF-κB。激活的TLR通過其受體域與通用細胞質銜接分子-髓樣分化初級反應88(MyD88)相關聯。隨后，激活的MyD88激活了能夠誘導IκB抑制劑磷酸化的IKK復合物。IκB的磷酸化釋放出細胞質的NF-κB二聚體使它們能夠轉移到細胞核中，從而調節多種相關基因的表達，如SOD[96]。研究發現，巖藻多糖預孵育抑制了巨噬細胞MyD88的蛋白表達水平，減少IKK-α、IκB-α、NF-κB亞基p50和p65的磷酸化以及p50和p65的核易位[97]。Jang等[98]也證實巖藻多糖可以防止LPS刺激的RAW 264.7細胞中IκB-α降解，隨后抑制NF-κB易位至細胞核中。此外，磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)-蛋白激酶B(Akt)也通過差異調節NF-κB轉錄活性。在巨噬細胞中，PI3K-Akt通過誘導其磷酸化使糖原合酶激酶-β(GSK-β)失活，然后抑制NF-κB的反式激活活性。巖藻多糖顯著抑制了Akt的磷酸化和p65的活性。因此，巖藻多糖可抑制PI3K-Akt通路抑制NF-κB的活性。

3 總結

巖藻多糖是海藻中廣泛存在的重要硫酸化多糖之一，巖藻多糖結構和在多種海藻中的含量是復雜和不均勻的，然而，其生物活性非常具有吸引力。有充分證據表明，巖藻多糖對氧化應激表現出顯著的抑制作用，其抗氧化活性依賴于多種細胞和分子機制，包括Keap1-Nrf2-ARE途徑、MAPK途徑、TLR-NF-κB途徑和PI3K-Akt途徑等。然而，作為一種組分復雜的多糖混合物，巖藻多糖純化工藝復雜且難度較大，加之混合物的異質性使其各組分作用機理難以研究和多糖分子太大而不能用作藥物。然而，通過水解制備保留了抗氧化特性的低分子量巖藻多糖用作藥物治療慢性疾病是未來的研究方向。目前，基于巖藻多糖來源豐富和具有多種生物活性的特性，其可用作膳食補充劑或保健食品以延遲或預防多種慢性疾病，或在畜牧生產中用作促進畜禽生長和健康的飼料添加劑。