海參皂苷生物活性及其分子機制研究進展

鐘靜詩 張 健 劉 芳 趙云蘋 劉 奎 王藝欣 劉海超 王共明

(1. 上海海洋大學食品學院，上海 201306；2. 山東省海洋資源與環境研究院，山東 煙臺 264006)

海參因具有多種生物活性而被人們熟知，早在《本草綱目拾遺》[1]一書中就有“海參性溫補，足敵人參，故名海參”的記載。其藥用價值和生物活性主要來源于海參中富含的功能成分，如多肽、多糖、磷脂、皂苷，其中研究最廣泛的為海參多肽和多糖[2-3]。據報道，海參多肽具有抗氧化[4-5]、抗病毒[6]和抗衰老[7]等生物活性；海參多糖具有抗腫瘤[8]、抗氧化[9]和抗高脂血癥[10]等生物活性。相對于海參多肽和多糖，海參皂苷于1952年才被發現[11]，研究起步較晚，有關的研究報道也較少。

海參皂苷是海參抵御天敵的次生代謝產物，廣泛存在于海參體壁、居維氏管和內臟中[12-13]，已發現的海參皂苷超過700種[14]。根據海參皂苷苷元部分的不同，可將其分為海參烷型皂苷和非海參烷型皂苷。海參烷型皂苷含有18(20)-內酯環而非海參烷型皂苷不含內酯環或含有18(16)-內酯環[15]。海參皂苷的活性與其所含基團、糖鏈等的不同具有密切關系[16]。目前，海參皂苷的活性研究主要集中于抗腫瘤[17]、抗生物污損[18]、改善動脈粥樣硬化[19]、改善肥胖和肥胖引起的胰島素抵抗[20]、改善帕金森病[21]、改善骨質疏松[22]等方面，生物活性的應用研究較少。有學者[17,22]也對海參皂苷部分活性如抗腫瘤、改善骨質疏松等的分子機制進行研究，但仍存在大量未探明分子機制的生物活性，如抗生物污損等仍需要進一步研究與發掘。

文章擬對海參皂苷生物活性及其部分分子機制進行綜述，以期對海參皂苷生物活性應用提供參考。

1 海參皂苷的生物活性

陸生植物和海洋生物中都含有皂苷，其中陸生植物皂苷主要存在于高等植物人參、桔梗、遠志、甘草、柴胡等；海洋生物皂苷主要存在于海參、海星等海洋動物體內，其中海參皂苷的含量較為豐富[23]。海參皂苷具有多種生物活性，其活性受到海參皂苷結構(如糖苷糖單位的數量和/或類型)的影響[16,24]。

1.1 抗腫瘤

癌癥已成為世界性的安全問題，在發達國家中，癌癥是僅次于心血管疾病的第二死因；在發展中國家，癌癥是次于傳染和心血管疾病的第三大死因[25]。

海參皂苷具有抗癌細胞活性。Dai等[17]發現Apostichopusjaponicus具有抗MCF-7人乳腺癌細胞，Hep3B人肝癌細胞，B16F10小家鼠皮膚黑色素瘤，HL-60人白血病和Vero猴腎上皮細胞系的活性，并且這種活性隨皂苷含量的增加而增強。抗癌細胞活性與海參種類及單體皂苷密切相關，有研究[26]表明holothurin A2等7種皂苷分別對肝癌細胞、黑色素瘤、乳腺癌、前列腺癌和表皮樣癌的細胞毒性表現出不同的抗腫瘤活性。Zhang等[27]也發現海參烷型皂苷Apostichoposide D和Apostichoposide E對胃癌細胞和前列腺癌細胞都有抑制作用，對乳腺癌細胞無抑制。

相關研究表明，海參皂苷對多種腫瘤細胞如乳腺癌細胞[28]、肝癌細胞[29]、白血病細胞[30]等都具有抗性，并且與海參皂苷含量呈劑量依賴性。同時，不同種類海參含有的單體皂苷不同，導致海參皂苷其抗腫瘤活性有差異。研究[31-36]發現，單體皂苷的抗腫瘤活性與其功能基團有關，例如硫酸化皂苷表現出較好的抗腫瘤活性，推測其抗腫瘤活性與皂苷中的硫酸基團有關。

1.2 抗生物污損

海洋生物污損是由生長在海洋的一些藻類和貝類等生物體對船體等的附著作用造成的。研究表明，許多海洋生物，如海綿[37-40]、柳珊瑚[41]、海星[42]、海膽[43]中的甾體和三萜皂苷都在防止生物污損中起重要作用。

海參皂苷具有防止生物污損的能力。Holothurialeucospilota的甲醇提取物對海洋硅藻有抑制作用[44-45]，且海參粗提物對藻類的生長和附著的抗性具有濃度依賴性[46]。有研究[46]表明，白尼參屬、輻肛參屬和海參屬海參皂苷提取物中只有Bohadschiaargus和Actinopygaechinites兩種海參在低濃度(1.5 μg/mL)下表現出抗藻性。另外，Darya等[18]研究表明海參乙酸乙酯提取物中含有萜類且具有良好的抗藻性(MIC為0.062 mg/mL)，同時其對鹵蟲的毒性也較低(LC50>0.1 mg/mL)。除此之外，相關研究表明Holothuriaglaberrima甲醇—二氯甲烷提取物能夠抑制海洋污損物藤壺幼蟲的生長且有效期為12個月[47]、Holothuriascabra的甲醇提取物和Holothuriapolii甲醇—二氯甲烷提取的海參皂苷具有抑制歐洲帽貝的作用[48-49]。

海參皂苷具有抗藻類、紋藤壺和貝類等生物附著的作用，且生物毒性較低。通常隨海參皂苷含量的增高，抗生物污損能力越強。不同來源的海參皂苷對生物污損的抗性有差異。深入研究海參皂苷來源、濃度與活性之間的關系有助于海參皂苷在抗生物污損方面應用的提升。

1.3 改善動脈粥樣硬化

動脈粥樣硬化與腦卒中密切相關[50]，隨著人民生活水平的不斷提高，其發病率也呈升高趨勢。

研究[19]表明，海參皂苷能抑制動脈粥樣硬化斑塊的形成、降低甘油三酯含量、抑制LDH從細胞中滲漏，且血清總膽固醇，LDL-C和HDL-C水平與辛伐他丁相比無顯著差異。有學者對起到抗動脈粥樣硬化的單體皂苷進行研究，如Han等[51]的研究表明海參皂苷holothurin A具有降低膽固醇的作用；Ding等[52]研究的格皮氏海參也表現出了抗動脈粥樣硬化的作用，其含有的主要活性皂苷為echinoside A和holothurin A。

海參皂苷對動脈粥樣硬化具有改善作用，研究[52]發現單體皂苷與調節動脈粥樣硬化之間有直接關系，推測其活性皂苷為echinoside A和holothurin A。目前關于植物皂苷對動脈粥樣硬化的調節作用研究較多，如番茄皂苷[53]、人參皂苷[54]、霸王屬植被皂苷[55]、絞股藍皂苷[56]和薯蕷皂苷[57]，從海洋生物中提取皂苷進行研究較少，海參皂苷對動脈粥樣硬化的改善作用的研究有待進一步深入。

1.4 改善肥胖和肥胖引起的胰島素抵抗

肥胖將導致高血壓、心血管等疾病的發生，近年來兒童肥胖也成為全球公共衛生問題[58]。多種活性成分都具有改善肥胖的作用[59]，如多糖、游離脂肪酸、磷脂、蛋白質、多肽和皂苷。

海參皂苷具有改善肥胖的作用，Meng等[60]研究發現海參皂苷能抑制脂肪生成和增強脂肪酸β-氧化、顯著降低血清和肝臟中脂肪含量、體重和脂肪水平從而起到改善肥胖的作用，且作用效果優于人參。聯合使用EPA和海參皂苷的作用方式與單獨使用海參皂苷一致，且改善作用優于單獨使用海參皂苷[61]。Wang等[20]研究發現硫酸化皂苷echinoside A和holothurin A能抑制胰腺脂肪酶的活性、促進脂肪酸排出體外，并降低小鼠脂肪組織的積累。

導致2型糖尿病的原因之一是靶細胞對胰島素的敏感性下降，而肥胖是導致胰島素抵抗的重要因素之一[62]。Hu等[63]發現海參皂苷能降低肝甘油三酯和總膽固醇的水平、降低小鼠血清葡萄糖和胰島素水平、降低胰島素抵抗指數和血糖曲線下面積。

相較于人參皂苷，海參皂苷表現出更高的抗肥胖作用且聯合用藥能增強海參皂苷的活性。另外，海參皂苷能通過增強胰島素的敏感性，減少2型糖尿病的發生。

1.5 改善帕金森病

帕金森病是在老年人中較常出現的一種神經退行性疾病[64]。目前關于帕金森病的治療主要通過左旋多巴抑制，但長期使用會導致運動障礙[65]。因此，急需尋找一種有效的天然產物改善帕金森病。

近年來，有部分學者研究三萜皂苷對帕金森病的改善作用。Chalorak等[21]研究發現海參乙醇提取物、正丁醇提取的三萜皂苷具有緩解多巴胺能神經元退化、減少α-突觸核蛋白的積累的作用，并能恢復由多巴胺能神經元控制的食物感應反應、恢復由帕金森病抑制的脂肪含量從而起到改善秀麗隱桿線蟲的帕金森病。相關研究[66]表明，海參皂苷改善帕金森病的活性與其抗氧化作用有關。

其他活性皂苷如三七皂苷[67]、人參皂苷[68]在改善帕金森病活性方面的報道近年來正逐步豐富，但關于海參皂苷對帕金森病的研究相對薄弱，其分子機制及與結構之間的關系有待進一步探明。

1.6 改善骨質疏松

骨質疏松多發于老年人，近年來，隨著中國人口老齡化的進程不斷加快[69]，骨質疏松患者數量也位居世界第一[70]。骨質疏松的表現包括鈣、磷等骨礦物質的降解和流失，骨礦物質的流失又會導致骨密度降低、骨礦化沉積率下降等。

王曉紅等[22]探究了海參皂苷對骨質疏松小鼠的改善作用。研究發現，與假手術小鼠相比，骨質疏松小鼠中鈣、磷濃度增加，骨礦物質流失嚴重；骨密度下降16.95%；骨礦化沉積下降；與骨質疏松小鼠相比，低、高劑量(7.5 mg/kg·體重和15.0 mg/kg·體重)海參皂苷處理后小鼠鈣、磷濃度顯著降低；骨密度分別增加了18.03%和15.99%；骨礦化沉積率分別增加了91.41%和94.59%。

海參皂苷能通過改善與骨質疏松有關的關鍵因素起到改善小鼠骨質疏松的作用，但有關海參皂苷改善骨質疏松的研究尚少，有待進一步加強。

1.7 其他活性

除了上述幾種近年來研究較多的生物活性外，海參皂苷還具有延長壽命[71]、免疫調節[72]、抗菌[18]等活性。

海參皂苷能通過增強抗氧化、熱抵抗和抗輻射的能力改善秀麗隱桿線蟲的壽命。Jattujan等[71]發現正丁醇海參提取物在DPPH試驗中表現最高抗氧化活性[EC50=(3.12±0.09) mg/mL]；正己烷海參提取物在ABTS試驗中表現出最高活性[EC50=(0.31±0.10) mg/mL]。正丁醇提取物和乙酸乙酯海參提取物表現出抗衰老特性(分別延長壽命8.12%和4.77%)和一定的熱抵抗與百草枯氧化應激抵抗的能力。含海參皂苷混合物處理60Co輻射小鼠能增加白細胞、中性粒細胞、淋巴器官的重量和細胞數量從而起到延長小鼠壽命的作用[73]。

除此之外，海參皂苷對金黃色葡萄球菌、大腸桿菌等表現出一定的抗性[18]。另外，通過調節脾細胞[72]和巨噬細胞[74]，海參皂苷還表現出了免疫調節的能力。

2 海參皂苷生物活性的分子機制

2.1 抗腫瘤活性分子機制

海參皂苷的抗癌活性與Bcl蛋白家族有關。Bcl-2蛋白家族包括Bax蛋白(促細胞凋亡蛋白)和Bcl-xL蛋白(抗細胞凋亡蛋白)，抗癌活性表現為Bax/Bcl-xL比率升高。Dai等[17]研究發現海參皂苷能提高Bax蛋白，進而促進細胞色素c的釋放，從而持續刺激胱天蛋白酶。通過調節細胞線粒體中的Bcl-2蛋白家族和胱天蛋白酶的凋亡因子，海參皂苷能起到抗癌作用。

2.2 抗生物污損分子機制

目前，海參皂苷抗生物污損能力的分子機制尚不明確，推測其作用機制與附著生物細胞膜性質的改變密切相關。有研究[75]表明，三萜皂苷能通過與細胞膜表面的膽固醇結合從而起到抗生物污損的作用。由于皂苷糖鏈部分具有親水性，皂苷能嵌入細胞膜雙分子層，導致細胞膜形成彎曲和氣孔進而影響細胞膜的通透性[24]。

2.3 改善動脈粥樣硬化分子機制

皂苷改善動脈粥樣硬化的作用可能與皂苷對炎癥細胞因子的調節和改變關鍵蛋白的含量有關。Han等[19]發現皂苷能調節動脈粥樣硬化小鼠血清中促炎因子IL-1β和IL-6的濃度，增加NPC1、ABCA1、SRBI和COX2的表達，從而抑制動脈粥樣硬化。另外，皂苷還能起到調節腸道菌群的作用，但尚不清楚這些腸道菌群的改變對動脈粥樣硬化是否有介導作用。

2.4 改善肥胖和肥胖引起的胰島素抵抗分子機制

海參皂苷與EPA聯用在緩解肥胖和肥胖引起的胰島素抵抗的分子機制與肝臟脂肪積累、炎癥反應和肝糖原合成有關。在改善肥胖方面，海參皂苷和EPA聯用可通過下調SREBP-1c和上調PPAR-α抑制肝臟脂肪的積累；在改善肥胖引起的胰島素抵抗方面，主要通過減少炎癥反應中產生的細胞因子和促進肝糖原的合成兩方面進行調節。一方面，海參皂苷和EPA聯用能有效減少由白色脂肪組織游離脂肪酸(FFA)和PGE2引起的巨噬細胞的募集，從而下調MCP-1、IL-6、TNF-α等細胞因子。IL-6、TNF-α等細胞因子下調后能恢復骨骼肌細胞和白色脂肪組織細胞相關的P-AKT2和GLUT4水平，從而起到促進細胞對葡萄糖攝取的作用，減少胰島素抵抗。另一方面，通過上調肝臟細胞P-GSK3水平能促進肝糖原的合成，降低胰島素抵抗[76]。這或許能為海參皂苷單獨起作用的分子機制提供一些參考思路。

2.5 改善帕金森病分子機制

海參皂苷改善帕金森病的分子機制與多巴胺能合成基因、抗氧化基因和細胞凋亡基因密切相關。有研究[66]表明，富含海參皂苷的化合物具有上調多巴胺能合成基因(cat-2)、抗氧化基因(sod-3)和下調細胞凋亡基因(egl-1)的作用。

2.6 改善骨質疏松分子機制

骨質疏松主要通過誘導成骨分化和抑制骨生長代償性增高起作用，而抑制骨生長代償是通過Wnt信號通路調節的。Li等[77]研究表明海參皂苷能在誘導成骨細胞的成骨分化的同時通過Wnt信號通路抑制過高骨生長，從而起到改善骨質疏松的作用。王曉紅等[22]闡明了皂苷對Wnt通路中相關基因的調節，包括減少Wnt10b與膜受體LRP5的結合、調節GSK-3β基因表達并減少β-catenin積累從而降低Runx2和OSX的基因表達。

2.7 延長壽命分子機制

在延長壽命方面，海參皂苷是通過DAF-16起作用的。海參皂苷延長壽命的分子機制與其他皂苷，如銀杏葉EGb761[78]、人參皂苷[79]和紫錐花苷[80]一致，都是通過IIS/DAF-16途徑延長秀麗隱桿線蟲的壽命。Kitisin等[81]研究了玉足海參正丁醇提取物對秀麗隱桿線蟲壽命延長的作用并探究了延長壽命的分子機制，發現正丁醇提取物使DAF-16核易位增加，增強秀麗線蟲熱抵抗性并部分通過IIS途徑，調節DAF-16及其下游目標基因(sod-3、hsp-12.3)來促進秀麗隱桿線蟲的壽命延長。

海參皂苷抗腫瘤、抗生物污損、改善動脈粥樣硬化、改善肥胖和肥胖引起的胰島素抵抗、改善帕金森病、改善骨質疏松和延長壽命的分子機制如圖1所示。

3 展望

海參皂苷生物活性豐富，包括抗腫瘤、抗生物污損、改善骨質疏松、改善動脈粥樣硬化、改善肥胖、改善帕金森病等。基于上述活性，海參皂苷具有應用于保健品、藥品和其他工業用途的潛力，如：結合改善骨質疏松、改善肥胖等作用，海參皂苷是營養保健品的重要功能材料來源；海參皂苷表現出改善動脈粥樣硬化、抗腫瘤和改善帕金森病等活性，使其成為抗腫瘤等藥物開發的備選藥物來源；結合其抗生物污損作用，海參皂苷在船舶和建筑制造等工業領域也具有較好的應用前景。

作為海參皂苷應用研究的基礎，單體皂苷的基本性質和結構與活性之間的構效關系研究是亟需解決的問題。進一步獲得不同海參來源及海參不同組織部位的新皂苷，并對單體皂苷進行分離純化及結構解析等研究有助于加深對其構效關系的理解。闡明單體皂苷結構與活性之間的關系及活性分子機制對海參皂苷在藥物和保健品領域的開發具有重要意義。

目前，海參皂苷生物活性的應用研究主要圍繞功能保健品展開，加強海參皂苷其他生物活性的研究有助于拓展海參皂苷在化妝品、藥品、船舶工業等各領域的應用。另外，海參皂苷活性效能的增強和保留、與納米材料技術等新材料新技術的結合等是海參皂苷活性研究的新方向。應用基因工程、生物工程等獲得高產量、高純度的活性皂苷將進一步助力海參皂苷在藥物及功能保健品方面的應用。綜上，海參皂苷的生物活性具有應用于保健品、藥品、化妝品及其他工業領域的巨大商業前景。加強海參皂苷的基礎研究對提高人類生活品質、增強海洋生物的開發利用具有良好的人文和經濟價值。

圖1 海參皂苷部分生物活性分子機制Figure 1 Molecular mechanism of partial biological activity of sea cucumber saponins