海參皂苷生物活性及其分子機(jī)制研究進(jìn)展

鐘靜詩(shī) 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(xué)食品學(xué)院，上海 201306；2. 山東省海洋資源與環(huán)境研究院，山東 煙臺(tái) 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(shū)中就有“海參性溫補(bǔ)，足敵人參，故名海參”的記載。其藥用價(jià)值和生物活性主要來(lái)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(jù)報(bào)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(duì)于海參多肽和多糖，海參皂苷于1952年才被發(fā)現(xiàn)[11]，研究起步較晚，有關(guān)的研究報(bào)道也較少。

海參皂苷是海參抵御天敵的次生代謝產(chǎn)物，廣泛存在于海參體壁、居維氏管和內(nèi)臟中[12-13]，已發(fā)現(xiàn)的海參皂苷超過(guò)700種[14]。根據(jù)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(nèi)酯環(huán)而非海參烷型皂苷不含內(nèi)酯環(huán)或含有18(16)-內(nèi)酯環(huán)[15]。海參皂苷的活性與其所含基團(tuán)、糖鏈等的不同具有密切關(guān)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(dòng)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(zhì)疏松[22]等方面，生物活性的應(yīng)用研究較少。有學(xué)者[17,22]也對(duì)海參皂苷部分活性如抗腫瘤、改善骨質(zhì)疏松等的分子機(jī)制進(jìn)行研究，但仍存在大量未探明分子機(jī)制的生物活性，如抗生物污損等仍需要進(jìn)一步研究與發(fā)掘。

文章擬對(duì)海參皂苷生物活性及其部分分子機(jī)制進(jìn)行綜述，以期對(duì)海參皂苷生物活性應(yīng)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(yuǎn)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(dòng)物體內(nèi)，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(jié)構(gòu)(如糖苷糖單位的數(shù)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(wèn)題，在發(fā)達(dá)國(guó)家中，癌癥是僅次于心血管疾病的第二死因；在發(fā)展中國(guó)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(xì)胞活性。Dai等[17]發(fā)現(xiàn)Apostichopusjaponicus具有抗MCF-7人乳腺癌細(xì)胞，Hep3B人肝癌細(xì)胞，B16F10小家鼠皮膚黑色素瘤，HL-60人白血病和Vero猴腎上皮細(xì)胞系的活性，并且這種活性隨皂苷含量的增加而增強(qiáng)?？拱┘?xì)胞活性與海參種類及單體皂苷密切相關(guān)，有研究[26]表明holothurin A2等7種皂苷分別對(duì)肝癌細(xì)胞、黑色素瘤、乳腺癌、前列腺癌和表皮樣癌的細(xì)胞毒性表現(xiàn)出不同的抗腫瘤活性。Zhang等[27]也發(fā)現(xiàn)海參烷型皂苷Apostichoposide D和Apostichoposide E對(duì)胃癌細(xì)胞和前列腺癌細(xì)胞都有抑制作用，對(duì)乳腺癌細(xì)胞無(wú)抑制。

相關(guān)研究表明，海參皂苷對(duì)多種腫瘤細(xì)胞如乳腺癌細(xì)胞[28]、肝癌細(xì)胞[29]、白血病細(xì)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(shí)，不同種類海參含有的單體皂苷不同，導(dǎo)致海參皂苷其抗腫瘤活性有差異。研究[31-36]發(fā)現(xiàn)，單體皂苷的抗腫瘤活性與其功能基團(tuán)有關(guān)，例如硫酸化皂苷表現(xiàn)出較好的抗腫瘤活性，推測(cè)其抗腫瘤活性與皂苷中的硫酸基團(tuán)有關(guān)。

1.2 抗生物污損

海洋生物污損是由生長(zhǎng)在海洋的一些藻類和貝類等生物體對(duì)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(duì)海洋硅藻有抑制作用[44-45]，且海參粗提物對(duì)藻類的生長(zhǎng)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(xiàn)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(shí)其對(duì)鹵蟲(chóng)的毒性也較低(LC50>0.1 mg/mL)。除此之外，相關(guān)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(chóng)的生長(zhǎng)且有效期為12個(gè)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(qiáng)。不同來(lái)源的海參皂苷對(duì)生物污損的抗性有差異。深入研究海參皂苷來(lái)源、濃度與活性之間的關(guān)系有助于海參皂苷在抗生物污損方面應(yīng)用的提升。

1.3 改善動(dòng)脈粥樣硬化

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

研究[19]表明，海參皂苷能抑制動(dòng)脈粥樣硬化斑塊的形成、降低甘油三酯含量、抑制LDH從細(xì)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(wú)顯著差異。有學(xué)者對(duì)起到抗動(dòng)脈粥樣硬化的單體皂苷進(jìn)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(xiàn)出了抗動(dòng)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(duì)動(dòng)脈粥樣硬化具有改善作用，研究[52]發(fā)現(xiàn)單體皂苷與調(diào)節(jié)動(dòng)脈粥樣硬化之間有直接關(guān)系，推測(cè)其活性皂苷為echinoside A和holothurin A。目前關(guān)于植物皂苷對(duì)動(dòng)脈粥樣硬化的調(diào)節(jié)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(lán)皂苷[56]和薯蕷皂苷[57]，從海洋生物中提取皂苷進(jìn)行研究較少，海參皂苷對(duì)動(dòng)脈粥樣硬化的改善作用的研究有待進(jìn)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(dǎo)致高血壓、心血管等疾病的發(fā)生，近年來(lái)兒童肥胖也成為全球公共衛(wèi)生問(wèn)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(zhì)、多肽和皂苷。

海參皂苷具有改善肥胖的作用，Meng等[60]研究發(fā)現(xiàn)海參皂苷能抑制脂肪生成和增強(qiáng)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(yōu)于人參。聯(lián)合使用EPA和海參皂苷的作用方式與單獨(dú)使用海參皂苷一致，且改善作用優(yōu)于單獨(dú)使用海參皂苷[61]。Wang等[20]研究發(fā)現(xiàn)硫酸化皂苷echinoside A和holothurin A能抑制胰腺脂肪酶的活性、促進(jìn)脂肪酸排出體外，并降低小鼠脂肪組織的積累。

導(dǎo)致2型糖尿病的原因之一是靶細(xì)胞對(duì)胰島素的敏感性下降，而肥胖是導(dǎo)致胰島素抵抗的重要因素之一[62]。Hu等[63]發(fā)現(xiàn)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(shù)和血糖曲線下面積。

相較于人參皂苷，海參皂苷表現(xiàn)出更高的抗肥胖作用且聯(lián)合用藥能增強(qiáng)海參皂苷的活性。另外，海參皂苷能通過(guò)增強(qiáng)胰島素的敏感性，減少2型糖尿病的發(fā)生。

1.5 改善帕金森病

帕金森病是在老年人中較常出現(xiàn)的一種神經(jīng)退行性疾病[64]。目前關(guān)于帕金森病的治療主要通過(guò)左旋多巴抑制，但長(zhǎng)期使用會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)障礙[65]。因此，急需尋找一種有效的天然產(chǎn)物改善帕金森病。

近年來(lái)，有部分學(xué)者研究三萜皂苷對(duì)帕金森病的改善作用。Chalorak等[21]研究發(fā)現(xiàn)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(jīng)元退化、減少α-突觸核蛋白的積累的作用，并能恢復(fù)由多巴胺能神經(jīng)元控制的食物感應(yīng)反應(yīng)、恢復(fù)由帕金森病抑制的脂肪含量從而起到改善秀麗隱桿線蟲(chóng)的帕金森病。相關(guān)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(guān)。

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(bào)道近年來(lái)正逐步豐富，但關(guān)于海參皂苷對(duì)帕金森病的研究相對(duì)薄弱，其分子機(jī)制及與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系有待進(jìn)一步探明。

1.6 改善骨質(zhì)疏松

骨質(zhì)疏松多發(fā)于老年人，近年來(lái)，隨著中國(guó)人口老齡化的進(jìn)程不斷加快[69]，骨質(zhì)疏松患者數(shù)量也位居世界第一[70]。骨質(zhì)疏松的表現(xiàn)包括鈣、磷等骨礦物質(zhì)的降解和流失，骨礦物質(zhì)的流失又會(huì)導(dǎo)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(duì)骨質(zhì)疏松小鼠的改善作用。研究發(fā)現(xiàn)，與假手術(shù)小鼠相比，骨質(zhì)疏松小鼠中鈣、磷濃度增加，骨礦物質(zhì)流失嚴(yán)重；骨密度下降16.95%；骨礦化沉積下降；與骨質(zhì)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(guò)改善與骨質(zhì)疏松有關(guān)的關(guān)鍵因素起到改善小鼠骨質(zhì)疏松的作用，但有關(guān)海參皂苷改善骨質(zhì)疏松的研究尚少，有待進(jìn)一步加強(qiáng)。

1.7 其他活性

除了上述幾種近年來(lái)研究較多的生物活性外，海參皂苷還具有延長(zhǎng)壽命[71]、免疫調(diào)節(jié)[72]、抗菌[18]等活性。

海參皂苷能通過(guò)增強(qiáng)抗氧化、熱抵抗和抗輻射的能力改善秀麗隱桿線蟲(chóng)的壽命。Jattujan等[71]發(fā)現(xiàn)正丁醇海參提取物在DPPH試驗(yàn)中表現(xiàn)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(yàn)中表現(xiàn)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(xiàn)出抗衰老特性(分別延長(zhǎng)壽命8.12%和4.77%)和一定的熱抵抗與百草枯氧化應(yīng)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(xì)胞、中性粒細(xì)胞、淋巴器官的重量和細(xì)胞數(shù)量從而起到延長(zhǎng)小鼠壽命的作用[73]。

除此之外，海參皂苷對(duì)金黃色葡萄球菌、大腸桿菌等表現(xiàn)出一定的抗性[18]。另外，通過(guò)調(diào)節(jié)脾細(xì)胞[72]和巨噬細(xì)胞[74]，海參皂苷還表現(xiàn)出了免疫調(diào)節(jié)的能力。

2 海參皂苷生物活性的分子機(jī)制

2.1 抗腫瘤活性分子機(jī)制

海參皂苷的抗癌活性與Bcl蛋白家族有關(guān)。Bcl-2蛋白家族包括Bax蛋白(促細(xì)胞凋亡蛋白)和Bcl-xL蛋白(抗細(xì)胞凋亡蛋白)，抗癌活性表現(xiàn)為Bax/Bcl-xL比率升高。Dai等[17]研究發(fā)現(xiàn)海參皂苷能提高Bax蛋白，進(jìn)而促進(jìn)細(xì)胞色素c的釋放，從而持續(xù)刺激胱天蛋白酶。通過(guò)調(diào)節(jié)細(xì)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(jī)制

目前，海參皂苷抗生物污損能力的分子機(jī)制尚不明確，推測(cè)其作用機(jī)制與附著生物細(xì)胞膜性質(zhì)的改變密切相關(guān)。有研究[75]表明，三萜皂苷能通過(guò)與細(xì)胞膜表面的膽固醇結(jié)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(xì)胞膜雙分子層，導(dǎo)致細(xì)胞膜形成彎曲和氣孔進(jìn)而影響細(xì)胞膜的通透性[24]。

2.3 改善動(dòng)脈粥樣硬化分子機(jī)制

皂苷改善動(dòng)脈粥樣硬化的作用可能與皂苷對(duì)炎癥細(xì)胞因子的調(diào)節(jié)和改變關(guān)鍵蛋白的含量有關(guān)。Han等[19]發(fā)現(xiàn)皂苷能調(diào)節(jié)動(dòng)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(dá)，從而抑制動(dòng)脈粥樣硬化。另外，皂苷還能起到調(diào)節(jié)腸道菌群的作用，但尚不清楚這些腸道菌群的改變對(duì)動(dòng)脈粥樣硬化是否有介導(dǎo)作用。

2.4 改善肥胖和肥胖引起的胰島素抵抗分子機(jī)制

海參皂苷與EPA聯(lián)用在緩解肥胖和肥胖引起的胰島素抵抗的分子機(jī)制與肝臟脂肪積累、炎癥反應(yīng)和肝糖原合成有關(guān)。在改善肥胖方面，海參皂苷和EPA聯(lián)用可通過(guò)下調(diào)SREBP-1c和上調(diào)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(guò)減少炎癥反應(yīng)中產(chǎn)生的細(xì)胞因子和促進(jìn)肝糖原的合成兩方面進(jìn)行調(diào)節(jié)。一方面，海參皂苷和EPA聯(lián)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(xì)胞的募集，從而下調(diào)MCP-1、IL-6、TNF-α等細(xì)胞因子。IL-6、TNF-α等細(xì)胞因子下調(diào)后能恢復(fù)骨骼肌細(xì)胞和白色脂肪組織細(xì)胞相關(guān)的P-AKT2和GLUT4水平，從而起到促進(jìn)細(xì)胞對(duì)葡萄糖攝取的作用，減少胰島素抵抗。另一方面，通過(guò)上調(diào)肝臟細(xì)胞P-GSK3水平能促進(jìn)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(dú)起作用的分子機(jī)制提供一些參考思路。

2.5 改善帕金森病分子機(jī)制

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

2.6 改善骨質(zhì)疏松分子機(jī)制

骨質(zhì)疏松主要通過(guò)誘導(dǎo)成骨分化和抑制骨生長(zhǎng)代償性增高起作用，而抑制骨生長(zhǎng)代償是通過(guò)Wnt信號(hào)通路調(diào)節(jié)的。Li等[77]研究表明海參皂苷能在誘導(dǎo)成骨細(xì)胞的成骨分化的同時(shí)通過(guò)Wnt信號(hào)通路抑制過(guò)高骨生長(zhǎng)，從而起到改善骨質(zhì)疏松的作用。王曉紅等[22]闡明了皂苷對(duì)Wnt通路中相關(guān)基因的調(diào)節(jié)，包括減少Wnt10b與膜受體LRP5的結(jié)合、調(diào)節(jié)GSK-3β基因表達(dá)并減少β-catenin積累從而降低Runx2和OSX的基因表達(dá)。

2.7 延長(zhǎng)壽命分子機(jī)制

在延長(zhǎng)壽命方面，海參皂苷是通過(guò)DAF-16起作用的。海參皂苷延長(zhǎng)壽命的分子機(jī)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(guò)IIS/DAF-16途徑延長(zhǎng)秀麗隱桿線蟲(chóng)的壽命。Kitisin等[81]研究了玉足海參正丁醇提取物對(duì)秀麗隱桿線蟲(chóng)壽命延長(zhǎng)的作用并探究了延長(zhǎng)壽命的分子機(jī)制，發(fā)現(xiàn)正丁醇提取物使DAF-16核易位增加，增強(qiáng)秀麗線蟲(chóng)熱抵抗性并部分通過(guò)IIS途徑，調(diào)節(jié)DAF-16及其下游目標(biāo)基因(sod-3、hsp-12.3)來(lái)促進(jìn)秀麗隱桿線蟲(chóng)的壽命延長(zhǎng)。

海參皂苷抗腫瘤、抗生物污損、改善動(dòng)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(zhì)疏松和延長(zhǎng)壽命的分子機(jī)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(zhì)疏松、改善動(dòng)脈粥樣硬化、改善肥胖、改善帕金森病等?；谏鲜龌钚?，海參皂苷具有應(yīng)用于保健品、藥品和其他工業(yè)用途的潛力，如：結(jié)合改善骨質(zhì)疏松、改善肥胖等作用，海參皂苷是營(yíng)養(yǎng)保健品的重要功能材料來(lái)源；海參皂苷表現(xiàn)出改善動(dòng)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(kāi)發(fā)的備選藥物來(lái)源；結(jié)合其抗生物污損作用，海參皂苷在船舶和建筑制造等工業(yè)領(lǐng)域也具有較好的應(yīng)用前景。

作為海參皂苷應(yīng)用研究的基礎(chǔ)，單體皂苷的基本性質(zhì)和結(jié)構(gòu)與活性之間的構(gòu)效關(guān)系研究是亟需解決的問(wèn)題。進(jìn)一步獲得不同海參來(lái)源及海參不同組織部位的新皂苷，并對(duì)單體皂苷進(jìn)行分離純化及結(jié)構(gòu)解析等研究有助于加深對(duì)其構(gòu)效關(guān)系的理解。闡明單體皂苷結(jié)構(gòu)與活性之間的關(guān)系及活性分子機(jī)制對(duì)海參皂苷在藥物和保健品領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)具有重要意義。

目前，海參皂苷生物活性的應(yīng)用研究主要圍繞功能保健品展開(kāi)，加強(qiáng)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(yè)等各領(lǐng)域的應(yīng)用。另外，海參皂苷活性效能的增強(qiáng)和保留、與納米材料技術(shù)等新材料新技術(shù)的結(jié)合等是海參皂苷活性研究的新方向。應(yīng)用基因工程、生物工程等獲得高產(chǎn)量、高純度的活性皂苷將進(jìn)一步助力海參皂苷在藥物及功能保健品方面的應(yīng)用。綜上，海參皂苷的生物活性具有應(yīng)用于保健品、藥品、化妝品及其他工業(yè)領(lǐng)域的巨大商業(yè)前景。加強(qiáng)海參皂苷的基礎(chǔ)研究對(duì)提高人類生活品質(zhì)、增強(qiáng)海洋生物的開(kāi)發(fā)利用具有良好的人文和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

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