乳酸菌胞外多糖抗腫瘤活性研究進展

秦孟春，張玲芳，胡順安，馬琳，李丹，段翠翠

（長春大學 農(nóng)產(chǎn)品加工吉林省普通高等學校重點實驗室，長春 130022）

0 引 言

微生物胞外多糖是由一些特殊的微生物包括藻類、酵母、細菌、真菌等在生長代謝過程中以緊密結(jié)合的莢膜或松散附著的黏液層形式分泌的胞外大分子[1]。微生物胞外多糖與動物和植物胞外多糖相比具有以下幾個優(yōu)點：（1）微生物胞外多糖的來源容易獲得，生產(chǎn)周期短；（2）微生物胞外多糖的生產(chǎn)條件可確定、可重復，利于避免對環(huán)境的影響；（3）微生物胞外多糖的理化性質(zhì)更穩(wěn)定[2]。自20 世紀中期以來，隨著葡聚糖溶液作為血漿膨脹劑的第一次臨床試驗，微生物胞外多糖可以應(yīng)用于醫(yī)學被發(fā)現(xiàn)[3]。其中乳酸菌胞外多糖的應(yīng)用最為廣泛[4]。

乳酸菌胞外多糖是乳酸菌的重要次級代謝產(chǎn)物。近年來，學者們對乳酸菌胞外多糖的研究逐漸從其所具有的物理化學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、抗腫瘤等[5-8]生物學功能不斷被發(fā)現(xiàn)，并得到了廣泛的認可和應(yīng)用[9]。查閱文獻發(fā)現(xiàn)關(guān)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，而對抗腫瘤、降血糖方面的研究較少。因此本文闡述了乳酸菌胞外多糖抗腫瘤活性的相關(guān)研究，并總結(jié)了影響乳酸菌胞外多糖抗腫瘤活性的因素，為乳酸菌胞外多糖的利用和開發(fā)提供一定的理論基礎(chǔ)，并希望能夠為腫瘤患者的治療提供一定的幫助。

1 具有抗腫瘤活性的乳酸菌

癌癥也稱為惡性腫瘤，是由于機體細胞失去正常調(diào)控，過度增殖而引起的疾病。并且癌細胞具有過度生長、侵入鄰近組織和轉(zhuǎn)移到其他器官的潛力[10]。根據(jù)全球癌癥觀察站的數(shù)據(jù)顯示，癌癥已成為全球?qū)е氯祟愃劳龅牡诙笠蛩豙11]。癌癥主要是通過手術(shù)、化療、放射線治療等方法來治療，但這些方法在治療的同時還具有細胞毒性或免疫毒性，會給機體的正常組織帶來危害[12]。降低治療對機體的毒副作用、保護機體的正常免疫功能和殺滅腫瘤細胞在腫瘤疾病治療過程中具有同等重要的意義[13]。因此尋找具有可獲得性、低副作用的替代藥物受到人們的廣泛關(guān)注。乳酸菌是一類公認的綠色安全的微生物，具有較好的益生特性，可通過改變機體內(nèi)部微生物環(huán)境來調(diào)節(jié)機體健康，并具有免疫調(diào)節(jié)、抗氧化、治療腹瀉、抗腫瘤等生物活性[14]。迄今為止，研究人員們已對多種乳酸菌進行了抗腫瘤活性試驗，結(jié)果表明，真正具有抗腫瘤活性的乳酸菌還是十分有限的[15-16]，如表1 所示。

表1 具有抗腫瘤活性的乳酸菌種類

Ladda 等[17]從健康嬰兒糞便中分離出的干酪乳桿菌屬具有顯著降低THP-1 細胞產(chǎn)生的TNF-a 作用。Srikham 等[18]從母乳中分離出的唾液鏈球菌BP8、唾液鏈球菌BP156、唾液鏈球菌BP160 對肝癌細胞和乳腺癌細胞增殖的一致率分別為44.83%～59.65%和29.85%～37.16%，表明其可作為新的替代性物質(zhì)用于治療肝癌和乳腺癌。Sharma 等[19]研究結(jié)果表明鼠李糖乳桿菌MD14 具有抗結(jié)腸癌和細胞毒作用。

2 乳酸菌胞外多糖的抗腫瘤活性

Liu 等[31]研究發(fā)現(xiàn)乳酸菌中起抗腫瘤作用的精確成分是其所分泌的胞外多糖。乳酸菌胞外多糖通常具有低細胞毒性和很少的副作用，因此這些聚合物可以作為合成抗癌劑的良好替代品和輔助藥品[32]。目前，研究者們已對某些具有抗腫瘤活性的乳酸菌胞外多糖展開了研究。

Sun 等[33]研究發(fā)現(xiàn)與對照組相比，經(jīng)植物乳桿菌12 產(chǎn)生的粗胞外多糖處理的HT-29 細胞中促凋亡蛋白Bax、Cyt C、caspase-3、caspase-8 和caspase-9 的表達升高，而抗凋亡蛋白Bcl-2 的表達降低。抗凋亡蛋白Bcl-2 可以通過防止線粒體通透孔的形成，抑制Cyt C 的釋放來抑制凋亡，而促凋亡蛋白Bax 通過誘導內(nèi)在凋亡來破壞線粒體的完整性，表明植物乳桿菌12產(chǎn)生的胞外多糖可通過線粒體途徑抑制人結(jié)腸癌細胞株HT-29 的增殖。Di 等[34]研究發(fā)現(xiàn)胞外多糖可顯著誘導HT-29 細胞G0/G1 細胞周期阻滯和凋亡，從而達到抗癌活性的作用。Deepak 等[35]研究了嗜酸乳桿菌胞外多糖對結(jié)腸癌細胞株的作用。結(jié)果表明，胞外多糖可下調(diào)血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）和缺氧誘導因子-1α（HIF-α）的表達，上調(diào)金屬蛋白酶組織抑制劑-3（TIMP-3）和血紅素氧合酶-1（HO-1）的表達來抑制腫瘤血管生成和生存相關(guān)基因的表達。Sheng 等[36]研究報道了乳桿菌TCP102 的胞外多糖顯著誘導Ana-1 細胞和腹腔巨噬細胞分泌NO 和腫瘤壞死因子TNF-α、IL-6，來增強免疫活性并抑制腫瘤的發(fā)生。同時，胞外多糖還顯著抑制HCT-116、BCG-803，尤其是A-2780 細胞的增殖。Li 等[37]研究表明瑞士乳桿菌MB2-1 產(chǎn)生的胞外多糖對羥基、DPPH 自由基、ABTS 自由基和超氧化物自由基具有較強的清除活性，并且還對HepG-2、BGC-823 細胞表現(xiàn)出抑制作用，對HT-29 細胞具有顯著的抑制作用。

乳酸菌胞外多糖的抗腫瘤機制可能有以下幾種：（1）細胞凋亡機制。胞外多糖通過外源性途徑即上調(diào)起始胱天蛋白酶（Caspase-8、caspase-9）、執(zhí)行胱天蛋白酶（Caspase-3）的表達以及腫瘤壞死因子TNF 的含量；內(nèi)源性途徑即上調(diào)促凋亡蛋白Bax、Bad、Bak 等的基因表達，下調(diào)抗凋亡蛋白Bcl-2、Bcl-2L1、Bcl-2L2等的基因表達來實現(xiàn)抗腫瘤作用并使腫瘤細胞表現(xiàn)出典型的凋亡形態(tài)學變化。（2）細胞周期阻滯。細胞周期由G1 期、S 期、G2 期和M 期組成，G0 期是靜止期，不包括在細胞周期內(nèi)。細胞周期含有G1 期、S 期和G2 期3 個DNA 損傷檢控點。正常情況下，若DNA發(fā)生損傷，細胞周期會停在相應(yīng)的檢控點，出現(xiàn)細胞周期阻滯。細胞周期阻滯為受損細胞提供額外的時間用于修復損傷，從而減少突變的產(chǎn)生。胞外多糖的處理可使大量與細胞周期相關(guān)的基因出現(xiàn)差異表達，誘導細胞發(fā)生細胞阻滯進而避免腫瘤的發(fā)生。（3）抗腫瘤血管生成。腫瘤的生長與發(fā)展需要血管為其提供氧氣和營養(yǎng)。此外，血管也是腫瘤細胞轉(zhuǎn)移和免疫效應(yīng)細胞浸潤的通道，會將固有的免疫抑制腫瘤微環(huán)境轉(zhuǎn)化為免疫支持性腫瘤微環(huán)境[38]。胞外多糖可促進TIMP3（組織抑制劑金屬蛋白酶3）的表達，進而阻斷VEGF（血管內(nèi)皮生長因子）與其受體的結(jié)合來抑制腫瘤血管生成，最終起到抑制腫瘤生成的作用。（4）抗炎。胞外多糖通過抑制JAK/STAT3、NF-b 和HIF 通路腫瘤細胞以及免疫細胞中的NF-b 和p38/MAPK，平衡一氧化氮、IL-10、腫瘤壞死因子-α（TNF-α）、IL-12、IL-6 等細胞因子，刺激機體炎癥免疫反應(yīng)達到抗腫瘤的作用。（5）抗氧化作用。活性氧是正常細胞在氧化過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物。由于代謝活性的增加以及其他致瘤因素，腫瘤細胞中內(nèi)在活性氧的生成增加，促進了腫瘤細胞的增殖、轉(zhuǎn)化和侵襲[39]。乳酸菌胞外多糖可作為抗氧化劑阻斷機體內(nèi)活性氧的積累來延緩甚至阻止腫瘤的發(fā)展。

3 影響乳酸菌胞外多糖抗腫瘤活性的因素

3.1 菌株來源

不同菌株所產(chǎn)胞外多糖的空間結(jié)構(gòu)、多糖含量和理化性質(zhì)均不同，這些差異可直接或間接使胞外多糖的抗腫瘤活性不同。已有研究表明，即使是同一種屬的乳酸菌，其所產(chǎn)胞外多糖的抗腫瘤活性也因菌株而異[40]。利用植物乳桿菌WLPL04 菌株生產(chǎn)的胞外多糖對HT-29 細胞的增殖具有良好的抑制作用，而植物乳桿菌KX041 所產(chǎn)胞外多糖對HT-29 細胞增殖沒有抑制作用[41-42]。張將等[43]比較了不同乳桿菌菌株所產(chǎn)胞外多糖對結(jié)腸癌細胞HT-29 增殖的影響，結(jié)果表明在植物乳桿菌12、植物乳桿菌14、植物乳桿菌32和植物乳桿菌37 這4 株菌株中，植物乳桿菌12 所產(chǎn)胞外多糖對HT-29 細胞增殖的抑制效果高于其余3種菌株所產(chǎn)胞外多糖的抑制效果，且在250 μg/mL 時達到了最高抑制率27.58%。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是由于遺傳差異使乳酸菌具有菌株特異性，進而在其生長代謝途徑中出現(xiàn)差異，使得所產(chǎn)胞外多糖的單糖組成、化學結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)及活性均不同，故而對腫瘤細胞增殖抑制性的影響不同。

3.2 胞外多糖存在形式

乳酸菌胞外多糖根據(jù)其所在位置不同可分為結(jié)合在細胞壁表面的莢膜多糖和分散在周圍環(huán)境的黏液多糖。Kim 等[44]研究了從鼠李糖乳桿菌ATCC9595中分離出的結(jié)合胞外多糖（c-EPS）和分散胞外多糖（r-EPS）的抗腫瘤活性，結(jié)果顯示出r-EPS 比c-EPS對PANC-1 和HT-29 細胞的抑制更有效，這可能是由于r-EPS 具有更好的水溶性，水溶性影響天然多糖的生物活性。Wang 等[45-46]對植物乳桿菌70810 所產(chǎn)的c-EPS 和r-EPS 抗腫瘤活性進行了探討，發(fā)現(xiàn)c-EPS和r-EPS 對BGC-823 和HT-29 細胞的抑制率相似。但根據(jù)Li 等[37]的研究，從瑞士乳桿菌MB2-1 中分離出的細胞結(jié)合胞外多糖（c-EPS）的體外實驗表明c-EPS 對HepG-2、BGC-823，尤其是對HT-29 癌細胞的增殖有明顯的抑制作用。從上述文獻報道可以看出，分散胞外多糖由于其水溶性較好、易提取的特性具有較好的抗腫瘤活性，然而也有研究表明結(jié)合胞外多糖具有較好的抗腫瘤活性。因此，分散胞外多糖是否比結(jié)合胞外多糖具有更好的抗腫瘤活性還不確定，需要進一步的研究證實。

3.3 胞外多糖的結(jié)構(gòu)特征

乳酸菌胞外多糖是其在生長代謝過程中分泌出的一種長鏈聚合物，通常由多種不同比例的單糖如葡萄糖、半乳糖、鼠李糖或甘露糖等以α-1,4-糖苷鍵、α-1,6-糖苷鍵、β-1,3-糖苷鍵、β-1,4-糖苷鍵等不同糖苷鍵連接組成。單糖組成在一定程度上會影響著胞外多糖的連接方式和鍵型等，進一步影響著胞外多糖的抗腫瘤活性[47]。近年來的研究結(jié)果表明，構(gòu)成胞外多糖的主鏈結(jié)構(gòu)中含有1,4-葡萄糖或1,4-半乳糖的乳酸菌胞外多糖的抗腫瘤活性更強[48]。Wang 等[49]研究了由植物乳桿菌YW23 分泌的胞外多糖的抗腫瘤活性，結(jié)果表明該胞外多糖對HT-29 結(jié)腸癌細胞的抑制率為39.24%，且該胞外多糖主要由甘露糖、葡聚糖和葡萄糖以8.2∶4.2∶4.1 的比例構(gòu)成。而另一株植物乳桿菌所產(chǎn)胞外多糖在相同條件下對HT-29 細胞的抑制率高達(88.34±1.97)%，該胞外多糖主要由半乳糖組成，其主要連接方式包括51.4%的1,4-半乳糖主鏈以及10.7%的1-半乳糖糖苷鍵連接的末端[50]。

3.4 胞外多糖的分子量

胞外多糖是乳酸菌發(fā)酵產(chǎn)生的一種重要代謝產(chǎn)物，分子量在4.0×104～6.0×106u 之間。有研究表明，胞外多糖分子量的不同可直接影響其抗腫瘤活性。Wang等[46]研究了從植物乳桿菌70810 中分離出的rEPS-1 和rEPS-2 的抗腫瘤活性，結(jié)果表明rEPS-1 和rEPS-2對HT-29 細胞的最高抑制率分別為（34.84±1.19）%和（45.04±0.98）%。顯然，rEPS-2 比rEPS-1 對所研究的腫瘤細胞具有更高的生長抑制作用，且rEPS-2比rEPS-1 的分子量小。此外，Jiang 等[51]從植物乳桿菌WLPL09 中分離出的兩種胞外多糖NPS 和APS 中，分子量較低的APS（33.22 ku）可顯著上調(diào)癌細胞凋亡相關(guān)基因的mRNA 水平，并顯著提高HepG2 細胞中caspase-3、-8 和-9 的活性，以及HTC-8 細胞中的caspase-3 和-8 的活性。而分子量較大的NPS（72.60 ku）對HepG2 和1HCT-8 細胞沒有表現(xiàn)出較顯著的抑制作用。這可能是由于分子量較小的胞外多糖組分更容易進入腫瘤細胞內(nèi)部，誘導其發(fā)生細胞凋亡，發(fā)揮抗腫瘤作用。且與高分子量胞外多糖相比，低分子量胞外多糖與細胞受體間具有更好的結(jié)合能力，可使生長因子與受體更好的結(jié)合，從而促進細胞因子的分泌和表達[52]。

4 總結(jié)與展望

本文綜述了具有抗腫瘤活性的乳酸菌菌株主要有干酪乳桿菌、唾液鏈球菌、雙歧桿菌、鼠李糖乳桿菌、植物乳桿菌、德氏乳桿菌等20 多種。根據(jù)相關(guān)文獻報道發(fā)現(xiàn)乳酸菌胞外多糖可能通過以下5 種機制發(fā)揮其抗腫瘤活性①細胞凋亡機制；②細胞周期阻滯；③抗腫瘤血管生成；④抗炎；⑤抗氧化作用。在這5種機制中，大多數(shù)乳酸菌胞外多糖都是通過誘導細胞凋亡機制發(fā)揮抗腫瘤作用。根據(jù)相關(guān)文獻報道發(fā)現(xiàn)胞外多糖的菌株來源、存在形式、結(jié)構(gòu)特征、分子質(zhì)量可能是乳酸菌胞外多糖抗腫瘤活性的影響因素。

隨著研究人員對乳酸菌胞外多糖的理化性質(zhì)和生物活性研究的深入，乳酸菌胞外多糖的應(yīng)用范圍也逐漸從食品工業(yè)領(lǐng)域擴大到制藥和醫(yī)療等方面。由于近年來腫瘤的高發(fā)病率，研究者們開始對乳酸菌胞外多糖的抗腫瘤活性展開研究。而乳酸菌胞外多糖在其抗腫瘤活性及構(gòu)效關(guān)系研究方面存在乳酸菌胞外多糖結(jié)構(gòu)復雜以及作用機理研究尚不全面等問題。針對以上問題，在以后的研究中，可通過分子生物技術(shù)定向改造乳酸菌產(chǎn)胞外多糖相關(guān)基因，使其高產(chǎn)空間結(jié)構(gòu)簡單的胞外多糖。另外，也可根據(jù)影響乳酸菌胞外多糖的抗腫瘤活性的因素，挑選適宜且高效的胞外多糖，在分離純化較為簡單的同時提高乳酸菌胞外多糖的抗腫瘤活性，為乳酸菌胞外多糖的開發(fā)利用提供一定的理論基礎(chǔ)。