硫酸多糖抗病毒活性構(gòu)效關(guān)系

茍清碧

（西南科技大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，四川綿陽(yáng)621010）

多糖是構(gòu)成生命的四大基本物質(zhì)之一，廣泛存在于各種生物中，為醛糖和（或）酮糖通過(guò)糖苷鍵連接的聚合物。硫酸多糖是指多糖大分子鏈中單糖分子上的羥基被硫酸基取代而形成的天然及半合成的酸性多糖，包括從動(dòng)植物中提取的各種硫酸多糖、肝素、天然中性多糖的硫酸衍生物及人工合成的各種硫酸多糖。自1981年硫酸化木聚糖被批準(zhǔn)用于治療艾滋病以來(lái)，硫酸多糖的抗病毒活性備受人們關(guān)注。大量實(shí)驗(yàn)研究表明，硫酸多糖對(duì)多種病毒有抑制作用，如人類(lèi)免疫缺陷病毒、單純皰疹病毒、流感病毒、肝炎病毒、人鼻病毒、革登熱病毒、傳染性法氏囊病病毒、新城疫病毒、柯薩奇病毒等［1-9］。硫酸多糖與目前使用的其他抗病毒藥物相比，其細(xì)胞毒作用較小，是一類(lèi)潛在的新型抗病毒藥物，成為目前研究最多的一類(lèi)天然或化學(xué)修飾多糖之一。硫酸多糖的抗病毒活性與其結(jié)構(gòu)密切有關(guān)，多糖引入硫酸基后，打破了原有的多糖之間的聚合鏈，使多糖卷曲構(gòu)象呈伸展和剛性狀態(tài)，降低了多糖的柔性，這可能是多糖產(chǎn)生抗病毒活性的重要原因。本文就硫酸多糖抗病毒機(jī)制及其抗病毒活性構(gòu)效關(guān)系研究進(jìn)展做一綜述。

1 硫酸多糖抗病毒活性機(jī)制

硫酸多糖主要通過(guò)直接殺傷病毒、抑制病毒增殖過(guò)程及提高宿主免疫力等途徑發(fā)揮抗病毒作用。硫酸多糖可通過(guò)攜帶的負(fù)電荷與病毒表面直接作用從而抑制病毒的感染能力。研究發(fā)現(xiàn)卡拉膠對(duì)多種含有囊膜的病毒具有直接殺傷作用，使其失去感染能力從而有效地降低病毒的增殖。王君敏等［10］把多糖和新城疫病毒感染后加入時(shí)，硫酸化多糖1～5個(gè)濃度組的OD570nm值顯著大于病毒對(duì)照組，結(jié)果表明硫酸多糖有直接殺滅新城疫病毒感染的作用。硫酸化的多糖也可以通過(guò)硫酸基團(tuán)的負(fù)電荷來(lái)屏蔽細(xì)胞表面的正電荷，干擾病毒對(duì)于細(xì)胞的吸附過(guò)程、抑制病毒抗原的表達(dá)、抑制合胞體的形成，并抑制逆轉(zhuǎn)錄酶的活性和抗氧化作用。人們發(fā)現(xiàn)硫酸酯化葡聚糖能干擾人類(lèi)免疫缺陷病毒1（HIV-1）對(duì)宿主細(xì)胞的黏附作用，抑制逆轉(zhuǎn)錄酶的活性而有效抑制HIV-1。王春花等［11］采用體外雞胚成纖維細(xì)胞培養(yǎng)法研究多糖抗新城疫病毒的活性發(fā)現(xiàn)，多糖經(jīng)硫酸化修飾后，抗病毒活性增強(qiáng)，主要通過(guò)抑制病毒吸附與侵入起到保護(hù)細(xì)胞作用。硫酸多糖通過(guò)提高機(jī)體的免疫功能，增強(qiáng)機(jī)體自身抗病毒能力。當(dāng)多糖硫酸酯化后，所帶硫酸基團(tuán)的空間位阻和靜電排斥效應(yīng)改變了多糖原來(lái)的空間結(jié)構(gòu)，增加了糖鏈的屈伸度，提高了水溶性，從而引起生物活性的改變。張婷婷等［12］從杜氏藻總多糖PD中分離得到的天然硫酸多糖PDS2，采用細(xì)胞病變效應(yīng)（CPE）測(cè)定其體外抗流感病毒活性及從碳粒廓清速率、血清溶血素、脾淋巴細(xì)胞增殖三個(gè)方面研究硫酸基團(tuán)與PDS2免疫活性的關(guān)系，結(jié)果顯示PDS2具有抗病毒作用，明顯改善免疫低下小鼠的免疫功能。周革非等［13］研究發(fā)現(xiàn)，κ-卡拉膠經(jīng)硫酸化修飾后，對(duì)代表細(xì)胞免疫的淋巴T細(xì)胞和作為機(jī)體免疫系統(tǒng)中重要的免疫細(xì)胞的巨噬細(xì)胞的增殖作用比κ-卡拉膠原糖得到了增強(qiáng)，說(shuō)明κ-卡拉膠硫酸多糖具有潛在的免疫調(diào)節(jié)作用。

2 硫酸多糖抗病毒活性構(gòu)效關(guān)系

2.1 硫酸基團(tuán)含量對(duì)硫酸多糖抗病毒活性的影響

從大量的研究來(lái)看，影響硫酸多糖抗病毒活性的是硫酸基含量。硫酸化結(jié)構(gòu)是多糖抗病毒的重要活性部分，一般硫酸化程度越高，抗病毒活性越強(qiáng)。欒暉等［14］試驗(yàn)結(jié)果表明，κ-卡拉膠寡糖硫酸基含量與其抗皰疹病毒活性二者呈正相關(guān)。但是也并不是硫酸基越多越好，過(guò)多會(huì)產(chǎn)生抗凝血等不良反應(yīng)。一般認(rèn)為，在平均每單位糖殘基含1.5～2.0個(gè)硫酸基為最佳［15-16］。

Yoshida T等［17］研究了不同硫含量和分子質(zhì)量的硫酸凝膠多糖（curdlan sulfate）的活性，結(jié)果表明硫含量小于5.6%的磺化產(chǎn)物無(wú)抑制HIV活性，而硫含量為12.1%～14.7%的產(chǎn)物在濃度為3.3 μg／mL時(shí)即可抑制HIV活性。但是也有一些反例，從海洋假單胞菌（Pseudomonas sp.）HA318分離到的多糖，在低硫酸化狀態(tài)下能完全抑制HIV對(duì)MT4細(xì)胞的侵染［18］。有些硫酸多糖去硫酸化后仍然具有活性。研究還發(fā)現(xiàn)K5莢膜多糖硫酸酯化衍生物K5-N，OS（L）的活性是商業(yè)肝素抗人乳頭瘤病毒（HPV）活性的10倍，盡管兩者的硫酸基-羧基比相似。這一結(jié)果表明結(jié)合病毒粒子主要依賴多糖骨架上的葡萄糖醛酸基團(tuán)而不是艾杜糖醛酸。另外還發(fā)現(xiàn)O-位高度硫酸化后，N-位硫酸化不是必需的，但當(dāng)K5-N，OS（L）O-位硫酸化低時(shí)，N-位硫酸化則是必需的，所以硫酸基一定的取代度是必需的。如果要達(dá)到最大活性，幾乎所有的羧基都要硫酸化。

2.2 取代位置對(duì)硫酸多糖抗病毒活性的影響

除了硫酸化程度對(duì)多糖抗病毒起重要作用外，硫酸基取代位置對(duì)多糖抗病毒也起重要作用，硫酸軟骨素（CS）活性的差異能說(shuō)明這一點(diǎn)。研究表明硫酸軟骨素A、B、C、D只有微弱或無(wú)抗單純皰疹病毒（HSV）活性，而從烏賊軟骨得到的CS-E表現(xiàn)出有效的抗病毒活性。CS-E在4和6位的硫酸酯鍵可以解釋其抗單純皰疹病毒1（HSV-1）活性，其GlcA3-位上也有額外的硫酸基團(tuán)。與形成二硫酸二糖單位不同的是，10%以上的GlcA可形成3-O-硫酸化，因此CS-E可形成三硫酸二糖單位。在硫酸基團(tuán)特殊位置的基礎(chǔ)上，不排除CS-E額外的硫酸基團(tuán)對(duì)其抗病毒活性起作用的可能性。Shaunak S等［19］研究了2-O-硫酸基對(duì)硫酸多糖抗HIV活性的影響。2-O-硫酸基含量達(dá)到33.2%，D2S（硫酸糊精）對(duì)C8166細(xì)胞顯示出抗 HIV感染活性，IC90為31 μg／mL，當(dāng)2位硫酸基含量達(dá)到39.4%后，IC90為4 μg／mL，活性不再隨著2位硫酸基含量的增加而增加。最近的研究表明，3-O-硫酸化八糖分子比3-OH八糖分子具有更強(qiáng)的阻止HSV-1感染的活性。因此，阻止HSV-1感染需要特殊的硫酸化模式。Lembo D等［20］合成了K5莢膜多糖硫酸酯化衍生物：K5-OS（H）、K5-N，OS（H）、K5-N，OS（L）可阻止HPV-16類(lèi)病毒粒子與固定的肝素相互作用，而未修飾K5多糖、K5-NS、K5-OS卻不能。這些結(jié)果表明K5莢膜多糖硫酸酯化衍生物的抗病毒活性與硫酸基含量、硫酸基位置有關(guān)。研究者們還發(fā)現(xiàn)幾丁質(zhì)硫酸化產(chǎn)物均依靠與gp120帶正電荷片段的靜電作用來(lái)抵御HIV，它們的作用依賴于硫酸化的位點(diǎn)，并非糖殘基的硫酸化程度。

2.3 分子量對(duì)硫酸多糖抗病毒活性的影響

硫酸多糖的抗病毒活性與分子質(zhì)量的大小有很大的關(guān)系。通常情況下，平均分子質(zhì)量越大，抗病毒活性越高。硫酸葡聚糖抗HIV活性隨著相對(duì)分子質(zhì)量的增加而增加，分子質(zhì)量在10ku～500ku之間保持最大活性。當(dāng)用半合成的硫酸葡聚糖分子質(zhì)量從1ku～500ku的組分進(jìn)行測(cè)試時(shí)，高分子質(zhì)量組分比低分子質(zhì)量組分的活性更高。在約100ku以上時(shí)，活性沒(méi)有顯著增加。在一些情況下，低分子量的硫酸多糖也具有較強(qiáng)的抗病毒活性，特別是硫酸基含量高的時(shí)候。如線性β-（1-4）-polymannuronate衍生的硫酸寡聚糖（SPMG）每二糖單位擁有3個(gè)硫酸基團(tuán)，SPMG與HIV-1的gp120結(jié)合呈分子量相關(guān)性。但要表現(xiàn)抗病毒活性，最小的糖鏈長(zhǎng)度是必需的，如2個(gè)～5個(gè)糖殘基表現(xiàn)出低的結(jié)合活性，而6個(gè)～8個(gè)糖殘基活性有3倍～4倍的增加。這也表明小分子多糖的抗病毒活性也與分子質(zhì)量大小相關(guān)。在多糖鏈大于15個(gè)糖殘基時(shí)糖鏈分子可與多個(gè)gp120分子共價(jià)作用，而更短的分子只能與2個(gè)～3個(gè)gp120分子作用。另外PI-88（HS模擬物）雖然DS高，但由于其分子質(zhì)量低，所以抗病毒活性很弱。這表明長(zhǎng)的糖鏈能識(shí)別和作用更多的病毒結(jié)合蛋白（viral attachment protein）從而抑制病毒粒子的感染。小分子多糖抗病毒活性可能是其形成的高級(jí)結(jié)構(gòu)如螺線參與了與病毒蛋白的相互作用［21］。

2.4 多糖分子結(jié)構(gòu)對(duì)硫酸多糖抗病毒活性的影響

多糖主鏈和支鏈的性質(zhì)以及高級(jí)結(jié)構(gòu)影響多糖的生物學(xué)活性。主鏈的糖單元組成、糖苷鍵類(lèi)型直接決定多糖的活性，支鏈的類(lèi)型、聚合度、在多糖鏈上的分布及其取代度決定多糖活性的強(qiáng)弱。葡聚糖是自然界許多動(dòng)植物和微生物多糖的基本結(jié)構(gòu)單元，據(jù)推測(cè)，它可能是生物產(chǎn)生宿主防御機(jī)制的基本組成要素。多糖的抗病毒功能主要是利用其相似結(jié)構(gòu)，通過(guò)免疫調(diào)節(jié)機(jī)制產(chǎn)生宿主免疫功能。

多糖分子的高級(jí)結(jié)構(gòu)如鏈的柔韌性和空間構(gòu)像比一級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)多糖活性的影響重要的多。但高級(jí)結(jié)構(gòu)與活性的關(guān)系由于受到多糖空間結(jié)構(gòu)測(cè)試手段的限制，目前研究較少。多糖的高級(jí)結(jié)構(gòu)主要是通過(guò)多糖鏈間的氫鍵維持的，而多糖官能團(tuán)的改造如引入硫酸基等，可以改變分子間相互的作用力，多糖的高級(jí)結(jié)構(gòu)也隨之改變。如香菇多糖具有抗腫瘤作用，硫酸酯化后則具有顯著的抗HIV活性，但失去了原有的抗腫瘤活性。由此推測(cè)硫酸酯化多糖和非硫酸多糖的作用機(jī)制是不同的。通過(guò)13C-NMR、苯胺藍(lán)熒光法及粘度法測(cè)定證明，硫酸基團(tuán)的引入造成多糖理化性質(zhì)及其空間立體構(gòu)象的變化，而這正是多糖活性的決定因素。硫酸基的分布和在特定環(huán)境中適應(yīng)特定形狀的骨架也是影響多糖-病毒復(fù)合體形成的因素。結(jié)合區(qū)構(gòu)象的柔性在硫酸多糖的抗病毒活性方面也起重要作用［22］。

3 展望

硫酸多糖具有廣泛的、高效的抗病毒活性，與其初級(jí)結(jié)構(gòu)，尤其是高級(jí)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。然而，目前對(duì)硫酸多糖的結(jié)構(gòu)研究多集中于初級(jí)結(jié)構(gòu)和取代基位置信息的分析，對(duì)其高級(jí)結(jié)構(gòu)尤其是空間構(gòu)象與抗病毒活性關(guān)系的研究報(bào)道很少。硫酸多糖化合結(jié)構(gòu)構(gòu)效關(guān)系沒(méi)有固定的規(guī)律，抗病毒作用是多方位、多環(huán)節(jié)的，因此需要科研工作者進(jìn)一步開(kāi)展不同硫酸多糖的抗病毒構(gòu)效關(guān)系及其作用機(jī)制的研究。通過(guò)從分子水平研究其抗病毒活性機(jī)制，闡明硫酸多糖的構(gòu)效關(guān)系，用分子修飾等方法改善其抗病毒活性，不斷加強(qiáng)臨床試驗(yàn)，研制、開(kāi)發(fā)新的人工合成或半合成多糖類(lèi)抗病毒新藥，使硫酸多糖在抗病毒感染、提高機(jī)體免疫［23-25］方面發(fā)揮重要作用，為人類(lèi)和動(dòng)物的健康和安全提供更為有力的保障。

［1］ Huang X，Wang D，Hu Y，et al.Effect of sulfated astragalus polysaccharide on cellular infectivity of infectious bursal disease virus［J］.Int J Biol Macromol，2008，42（2）：166-171.

［2］ Bouhlal R，Haslin C，Chermann J C，et al.Antiviral activities of sulfated polysaccharides isolated from Sphaerococcus coronopifolius （Rhodophytha，Gigartinales）and Boergeseniella thuyoides（Rhodophyta，Ceramiales）［J］.Mar Drugs，2011，9（7）：1187-209.

［3］ Mandal P，Pujol C A，Carlucci M J，et al.Anti-herpetic activity of a sulfated xylomannan from Scinaia hatei［J］.Phytochemistry，2008，69（11）：2193-2199.

［4］ 馬悅欣，董雙林，牟海津，等.κ-卡拉膠寡糖的酶解制備及其體外抗病毒活性［J］.中山大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，8（6）：105-108.

［5］ Kim M，Yim J H，Kim S Y，et al.In vitroinhibition of influenza A virus infection by marine microalga-derived sulfated polysaccharide p-KG03［J］.Antiviral Res，2012，93（2）：253-259.

［6］ Grassauer A，Weinmuellner R，Meier C，et al.Iota-Carrageenan is a potent inhibitor of rhinovirus infection［J］.Virol J，2008，5：107.

［7］ Carlos A.Antiviral activity against dengue virus of diverse classes of algal sulfated polysaccharides［J］.Cell Immunol，2010，263（2），219-223.

［8］ Ma X，Guo Z H，Wang D Y，et al.Effects of sulfated polysaccharides and their prescriptions on immune response of ND vaccine in chicken［J］.Carbohydrate，2010，82（2）：9-13.

［9］ 門(mén)媛媛，徐文貴，朱 湘，等.杉葉厥藻多糖的提取、納米硒化及抗病毒活性研究［J］.中藥材，2009，32（12）：1891-1894.

［10］ 王君敏，胡元亮，張 帆，等.8種硫酸化多糖對(duì)新城疫病毒感染雞胚成纖維細(xì)胞能力的影響［J］.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，34（1）：118-122.

［11］ 王春花，金秧敏，張燕華，等.18種中藥多糖及其硫酸化衍生物對(duì)新城疫病毒的影響［J］.中國(guó)獸醫(yī)雜志，2012，48（8）：42-45.

［12］ 張婷婷，尹鴻萍，盛玉清，等.杜氏藻多糖抗病毒及免疫活性研究［J］.藥物生物技術(shù)，2009，16（4）：330-333.

［13］ 周革非，李樹(shù)福，王長(zhǎng)海.κ-卡拉膠硫酸多糖的免疫調(diào)節(jié)活性初步研究［J］.海洋科學(xué)，2010，34（8）：56-59.

［14］ 欒 暉，牟海津，羅 兵，等.κ-卡拉膠寡糖硫酸基含量與其抗皰疹病毒活性的關(guān)系［J］.漁業(yè)科學(xué)進(jìn)展2010，31（1）：110-116.

［15］ Yoshida O，Nakashima H，Yoshida T，et al.Sulfation of the immunomodulating polysaccharide lentinan：a novel strategy for antivirals to human immunodeficiency virus（HIV）［J］.Biochem Pharmacol，1988，37（15）：2887-2891.

［16］ Liu G G，Borjihan G，Baigude H，et al.Synthesis and anti-HIV activity of sulfated astragalus polysaccahride［J］.Polym Adv Technol，2003，14（7）：471-476.

［17］ Yoshida T ，Hatanaka K，Uryu T ，et al.Synthesis and structural analysis of curdlan sulfate wit h a potent inhibitory effect in vitro of AIDS virus infection［J］.Macromolecules，1990，23（16）：3717-3722.

［18］ Mummery R S，Mulloy B，Rider C C.The binding of human betacellulin to heparin，heparan sulfate and related polysaccharides［J］.Glycobiology，2007，17（10）：1094-1103.

［19］ Shaunak S，Thornton M，Teo I，et al.Optimization of the degree of sulfation of a polymer based construct to block the entry of HIV-1into cells［J］.Drug Target，2003，11（7）：443-448.

［20］ Lembo D，Donalisio M，Rusnati M，et al.Sulfated K5 Escherichia coli polysaccharide derivatives as wide-range inhibitors of genital types of human papillomavirus［J］.Antimicrob A-gents Chemother，2008，52（4）：1374-1381.

［21］ Ghosh T，Chattopadhyay K，Marschall M，et al.Focus on antivirally active sulfated polysaccharides：from structure-activity analysis to clinical evaluation［J］.Glycobiology，2009，19（1）：2-15.

［22］ 胡順珍，賈 樂(lè).食藥用真菌多糖構(gòu)效關(guān)系研究進(jìn)展［J］.生物技術(shù)通報(bào)，2007（4）：42-45.

［23］ Yang T，Jia M，Zhou S，et al.Antivirus and immune enhancement activities of sulfated polysaccharide fromAngelica sinensis［J］.Int J Biol Macromol，2012 ，50（3）：768-772.

［24］ Karnjanapratum S，Tabarsa M，Cho M，You S.Characteriza-tion and immunomodulatory activities of sulfated polysaccharides from Capsosiphon fulvescens［J］.Int J Biol Macromol，2012，51（5）：720-729.

［25］ Kim S K，Li Y X.Chapter 30-medicinal benefits of sulfated polysaccharides from sea vegetables［J］.Adv Food Nutri Res，2011，64：391-402.