蝦青素的免疫調(diào)節(jié)機(jī)制及在抗疫中的潛在應(yīng)用

鄭鑫鑫，黃 青

（1.中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院，合肥230031；2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)科學(xué)島分院，合肥230026）

蝦青素又名蝦黃質(zhì)，化學(xué)名稱為3，3'-二羥基-4，4'-二酮基-β，β'-胡蘿卜素，分子式為C40H52O4，相對(duì)分子質(zhì)量為596.86［1-2］，它存在于多種水生生物中，尤其是微藻、酵母、蝦、蟹及鮭魚等［3］。在所有積累蝦青素的微生物中，雨生紅球藻被認(rèn)為是自然界中用來生產(chǎn)天然蝦青素最好的微生物，這主要是由于雨生紅球藻具有兩個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)：（1）具有最高的蝦青素含量，其含量約為每克干重的1.5%～5%［4］，是天然蝦青素濃縮品；（2）其蝦青素結(jié)構(gòu)（圖1、2）主要是以3S，3'S 型（全反式）為主，與鮭魚等水產(chǎn)生物的蝦青素結(jié)構(gòu)基本一致，這種反式蝦青素具有更高生物活性或免疫調(diào)節(jié)活性［5］，而酵母中蝦青素則主要是以3R，3'R為主［6］。

作為一種脂溶性的類胡蘿卜素，蝦青素含有多個(gè)共軛雙鍵及2 個(gè)含氧的α-羥基酮六元環(huán)，能吸引自由基未配對(duì)電子或向自由基提供電子，從而可以清除自由基起抗氧化作用［7］。此外，它可跨膜排列于細(xì)胞膜的脂質(zhì)雙層中，使活性氧（Reactive oxygen species，ROS）可沿其碳骨架上的雙鍵穿梭，并能促進(jìn)電子發(fā)生跨膜轉(zhuǎn)移［8］。所以，蝦青素抗氧化能力極強(qiáng)，其抗氧化活性是玉米黃質(zhì)、葉黃素和β-胡蘿卜素的10倍，是α-生育酚的100 倍［4］。基于這種特殊的分子結(jié)構(gòu)及其突出的抗氧化作用，蝦青素在營(yíng)養(yǎng)和醫(yī)藥應(yīng)用方面潛力巨大。已有研究表明，蝦青素在防治癌癥、增強(qiáng)免疫、光保護(hù)、預(yù)防心腦血管疾病、抗炎、延緩衰老、保護(hù)細(xì)胞等顯示出多種功效［7，9］。在免疫調(diào)節(jié)作用方面，蝦青素的特殊效能也越來越受關(guān)注，已被證明它能夠通過多種機(jī)制增強(qiáng)免疫力，提高機(jī)體的抗菌、抗病毒能力。本文結(jié)合當(dāng)前全球?qū)剐滦凸跔畈《痉窝椎男蝿?shì)與需求，就蝦青素的免疫調(diào)節(jié)作用及抗炎功效進(jìn)行介紹，或能為新型冠狀病毒肺炎的預(yù)防治療以及相關(guān)藥物的研發(fā)提供新的思路。

圖1 蝦青素的幾何異構(gòu)體結(jié)構(gòu)［10］Figure 1 Structures of geometric isomers of astaxanthin［10］

1 蝦青素免疫調(diào)節(jié)機(jī)制

為了抵抗病原微生物的入侵，動(dòng)物在長(zhǎng)期的進(jìn)化過程中形成了特有的免疫系統(tǒng)，包括天然免疫系統(tǒng)和適應(yīng)性免疫系統(tǒng)。天然免疫系統(tǒng)又稱固有免疫系統(tǒng)，包括組織屏障、固有免疫細(xì)胞和固有免疫分子。參與固有免疫的細(xì)胞是單核-巨噬細(xì)胞、粒細(xì)胞、自然殺傷（Natural killer，NK）細(xì)胞等；而參與適應(yīng)性免疫應(yīng)答的細(xì)胞主要是T 淋巴細(xì)胞和B 淋巴細(xì)胞。免疫分子主要包括抗原和抗體、補(bǔ)體、細(xì)胞因子等，而細(xì)胞因子（Cy?tokine，CK）包括白細(xì)胞介素（Interleukin，IL）、干擾素（Interferon，IFN）、腫瘤壞死因子（Tumour necrosis fac?tor，TNF）超家族、集落刺激因子（Colony-stimulating factor，CSF）、趨化因子、生長(zhǎng)因子（Growth factor，GF）等，它們可通過結(jié)合受體調(diào)節(jié)細(xì)胞生長(zhǎng)、分化，并用于調(diào)控免疫應(yīng)答。當(dāng)機(jī)體受抗原刺激后，產(chǎn)生免疫物質(zhì)發(fā)生特異性免疫效應(yīng)。固有免疫系統(tǒng)可通過一類模式識(shí)別受體去識(shí)別病原微生物的表達(dá)，抵御病原體入侵；或通過溶菌酶等發(fā)揮抑菌作用。在適應(yīng)性免疫應(yīng)答過程中，T 淋巴細(xì)胞、B 淋巴細(xì)胞識(shí)別抗原，然后在協(xié)同刺激分子的參與下，發(fā)生細(xì)胞的活化、增殖、分化，從而產(chǎn)生殺傷性T 細(xì)胞等效應(yīng)細(xì)胞、抗體、細(xì)胞因子等效應(yīng)分子以及記憶細(xì)胞，最終由效應(yīng)細(xì)胞和效應(yīng)分子清除抗原。免疫應(yīng)答的正常進(jìn)行依賴于機(jī)體的免疫調(diào)節(jié)機(jī)制。免疫調(diào)節(jié)是正負(fù)雙向的，體內(nèi)各種因素對(duì)免疫應(yīng)答有“雙刃劍”的作用，合適的免疫調(diào)節(jié)既能避免對(duì)病原微生物的免疫應(yīng)答過低，造成嚴(yán)重感染，又能防止免疫應(yīng)答過度，即對(duì)異己抗原產(chǎn)生過敏性免疫應(yīng)答，從而造成機(jī)體組織免疫損傷［11］。

圖2 蝦青素的光學(xué)異構(gòu)體結(jié)構(gòu)［10］Figure 2 Structures of optical isomers of astaxanthin［10］

關(guān)于蝦青素免疫調(diào)節(jié)作用，目前認(rèn)識(shí)包括以下幾個(gè)方面：（1）蝦青素能夠通過抗氧化作用而保護(hù)免疫細(xì)胞的完整性，防止受到損傷，確保機(jī)體正常免疫應(yīng)答過程的進(jìn)行。蝦青素可以通過淬滅自由基，阻止人淋巴細(xì)胞的氧化應(yīng)激反應(yīng)，保護(hù)淋巴細(xì)胞［12］。通過減少活性氧ROS 的產(chǎn)生，蝦青素可以減輕由高糖和游離脂肪酸導(dǎo)致的氧化應(yīng)激，恢復(fù)部分中性粒細(xì)胞的功能，也可以大幅提高中性粒細(xì)胞吞噬能力［13-14］。體外實(shí)驗(yàn)表明，蝦青素由此還具有保護(hù)巨噬細(xì)胞的作用，并修復(fù)被ROS 損傷的巨噬細(xì)胞［15］。（2）蝦青素還能誘導(dǎo)生物體通過增加免疫細(xì)胞的數(shù)量，從而增強(qiáng)自身的免疫力（表1）。研究發(fā)現(xiàn)，在對(duì)犬的飼喂試驗(yàn)中，蝦青素明顯提高了絲裂原刀豆蛋白A（Concanavalin A，Con A）誘導(dǎo)的淋巴細(xì)胞的增殖活動(dòng)和NK 細(xì)胞的細(xì)胞毒活性，并且增加了B 細(xì)胞的數(shù)量［16］。Park 等［17］利用雨生紅球藻來源的蝦青素飼喂家貓的實(shí)驗(yàn)也觀察到相似的現(xiàn)象，并且發(fā)現(xiàn)蝦青素喂養(yǎng)的貓的外周血單個(gè)核細(xì)胞（PBMC）的數(shù)量及CD3+總的T 細(xì)胞數(shù)量和CD4+輔助性T 細(xì)胞的數(shù)量也較高。此外，在小鼠實(shí)驗(yàn)中，也發(fā)現(xiàn)蝦青素可使脾B 淋巴細(xì)胞和T 淋巴細(xì)胞分化增殖能力提高，增強(qiáng)機(jī)體的免疫力［18-20］。在人的實(shí)驗(yàn)中，也觀察到日糧蝦青素能刺激有絲分裂原誘導(dǎo)的淋巴細(xì)胞的增殖［21］。Sun 等［22］研究了多種天然蝦青素在調(diào)節(jié)小鼠淋巴細(xì)胞和腹膜滲出細(xì)胞（PECs）系統(tǒng)介導(dǎo)的細(xì)胞免疫應(yīng)答中的生物活性，用3 種蝦青素立體異構(gòu)體（20 μmol/L）處理后，比較其淋巴細(xì)胞增殖能力、中性紅細(xì)胞吞噬能力和自然殺傷（NK）細(xì)胞毒活性，結(jié)果表明，蝦青素的3 種立體異構(gòu)體均能顯著促進(jìn)淋巴細(xì)胞增殖、PECs 的吞噬能力和NK 細(xì)胞的殺傷活性，說明蝦青素對(duì)機(jī)體的固有免疫應(yīng)答和適應(yīng)性免疫應(yīng)答具有一定的促進(jìn)作用，有利于免疫細(xì)胞的活化和增殖，從而產(chǎn)生有效的免疫效應(yīng)。（3）蝦青素還可以通過促進(jìn)細(xì)胞因子的分泌或免疫球蛋白的產(chǎn)生，增強(qiáng)生物體的免疫力。細(xì)胞因子和免疫球蛋白（尤其是抗體）是免疫應(yīng)答的效應(yīng)分子，它們與效應(yīng)細(xì)胞協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)抗原的破壞或清除。Lin 等［31］檢測(cè)了蝦青素對(duì)體外原代培養(yǎng)小鼠淋巴細(xì)胞產(chǎn)生細(xì)胞因子的免疫調(diào)節(jié)作用，發(fā)現(xiàn)蝦青素通過促進(jìn)IFN-γ 和IL-2 的分泌刺激免疫應(yīng)答。Okai 等［27］發(fā)現(xiàn)蝦青素具有增強(qiáng)小鼠免疫活性細(xì)胞增殖和功能的免疫調(diào)節(jié)活性，對(duì)于來自BALB/c 小鼠的脾細(xì)胞和胸腺細(xì)胞而言，蝦青素在2×10-8～10-7mol/L 的濃度下，能顯著刺激小鼠的細(xì)胞增殖反應(yīng)，并大大提高了抗體IgM 和IgG 的產(chǎn)生，同時(shí)顯著促進(jìn)小鼠腹腔貼壁細(xì)胞釋放IL-1α 和TNF-α 的能力。對(duì)成年志愿者與足月新生兒的血液樣本進(jìn)行體外實(shí)驗(yàn)表明：蝦青素可提高受T 細(xì)胞依賴性刺激的外周血單核細(xì)胞產(chǎn)生免疫球蛋白（IgA、IgM、IgG）的能力［32］。研究人員對(duì)運(yùn)動(dòng)員的實(shí)驗(yàn)同樣顯示適量的蝦青素補(bǔ)充有利于增加運(yùn)動(dòng)員體內(nèi)的IgA 含量，從而提高免疫力［33-34］。（4）蝦青素免疫調(diào)節(jié)功能表現(xiàn)在它既可以抗感染（細(xì)菌、病毒），也可以抑制免疫應(yīng)答過度而引起的炎癥反應(yīng)。例如，在虹鱒魚的蝦青素飼喂試驗(yàn)中，研究發(fā)現(xiàn)蝦青素可以通過抑制病毒和ROS 導(dǎo)致的氧化應(yīng)激而影響虹鱒對(duì)病毒病原體的抗性，顯著降低造血器官壞死病毒感染導(dǎo)致的死亡率［35］。同樣，在小鼠的蝦青素喂養(yǎng)試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)可以抑制結(jié)腸炎相關(guān)的炎癥細(xì)胞因子的表達(dá)，包括核因子（Nuclear factor，NF）-κB、TNF-α 和IL-1β 等［36］。

表1 蝦青素對(duì)免疫細(xì)胞數(shù)量的影響Table 1 Effects of astaxanthin on the number of immune cells

關(guān)于蝦青素免疫調(diào)節(jié)及抗炎的分子機(jī)制或信號(hào)通路方面的研究，雖然起步較晚，目前也有一些文獻(xiàn)報(bào)道。脂多糖（Lipopolysaccharide，LPS）是革蘭氏陰性菌外膜的特征性內(nèi)毒素，通過絲裂原活化蛋白激酶（Mi?togen-activated protein kinase，MAPK）和NF-κB 誘導(dǎo)天然免疫系統(tǒng)，增加炎癥介質(zhì)的產(chǎn)生。LPS 通過LPS結(jié)合蛋白（LBP）和分化簇14（CD14）等輔助蛋白與天然免疫細(xì)胞中由髓樣分化2（MD2）和Toll 樣受體4（TLR4）組成的表面受體復(fù)合物結(jié)合。LPS-TLR4／MD2 復(fù)合物激活下游的促炎信號(hào)通路，包括NF-κB 和MAPK，觸發(fā)多種炎性細(xì)胞因子的產(chǎn)生。TNF-α、IL-6、IL-1β、IL-12 和IL-8 等多種促炎細(xì)胞因子的過度釋放，導(dǎo)致急性細(xì)胞或器質(zhì)性損傷，形成膿毒癥或急性肺損傷［37］。Cai 等［37］利用LPS 攻擊小鼠原代巨噬細(xì)胞（MPM）并測(cè)定MPM 的炎性因子（TNF-α 和IL-6）水平，進(jìn)行體外藥理活性和機(jī)制研究；采用LPS誘導(dǎo)的膿毒癥和急性肺損傷小鼠模型進(jìn)行體內(nèi)研究，探討蝦青素對(duì)LPS 所致膿毒癥和急性肺損傷的影響和作用機(jī)制。體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)均表明，蝦青素處理可通過降低IκB的降解和ERK/p38／JNK磷酸化水平，阻止LPS刺激的MPM 和膿毒癥小鼠的MAPK 和NF-κB 活化，從而抑制MAPK/NF-κB 信號(hào)通路，減輕LPS 增加的炎癥因子，并顯著提高LPS 所攻擊小鼠的存活率，證明蝦青素對(duì)LPS 誘導(dǎo)的小鼠離體和體內(nèi)損傷具有明顯的保護(hù)作用。在評(píng)價(jià)蝦青素對(duì)LPS 誘導(dǎo)的烏鱧體內(nèi)外炎癥反應(yīng)的保護(hù)作用的實(shí)驗(yàn)中，Li等［38］也發(fā)現(xiàn)蝦青素通過調(diào)節(jié)烏鱧TLR4、NF-κB 和MAPK 信號(hào)通路發(fā)揮抗炎作用。在體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)中，蝦青素處理可抑制LPS 誘導(dǎo)的TNFα、IL-6 和IL-1β 的mRNA 表達(dá)的上調(diào)，可阻斷Toll 樣受體4（TLR4）的表達(dá)，抑制NF-κBp65 和IκBα 的磷酸化。進(jìn)一步研究表明，蝦青素可以抑制MAPK 信號(hào)通路中p38、ERK（Extracellular regulated protein kinases，細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶）和JNK（c-Jun N-terminal ki?nase，c-Jun 氨基末端激酶）的磷酸化［38］。蝦青素對(duì)活化小膠質(zhì)細(xì)胞中IL-6影響的實(shí)驗(yàn)顯示，蝦青素通過p-ERK1／2-MSK-1 和p-NF-κB p65 依賴性途徑下調(diào)激活的小膠質(zhì)細(xì)胞促炎性細(xì)胞因子IL-6 的表達(dá)，不但抑制了LPS 刺激的BV-2 小膠質(zhì)細(xì)胞IL-6mRNA 和蛋白的表達(dá)，而且降低了LPS 誘導(dǎo)諸多核因子抑制蛋白的磷酸化（如p-IκBα、p-NF-κbp65等）水平［39］。

2 蝦青素在抗疫中的潛在應(yīng)用

當(dāng)前，新型冠狀病毒肺炎（COVID-19）疫情在全球范圍流行，對(duì)人類生存形成巨大威脅。

對(duì)個(gè)人而言，提高自身免疫力，可增強(qiáng)抵御病毒侵染，避免病情加重。一方面，蝦青素可以通過增加免疫細(xì)胞數(shù)量、促進(jìn)細(xì)胞因子分泌、提高免疫球蛋白水平，由此增強(qiáng)免疫力。另一方面，它也有可能在對(duì)抗新型冠狀肺炎“細(xì)胞因子風(fēng)暴”或“炎癥風(fēng)暴”中發(fā)揮作用。據(jù)《柳葉刀》報(bào)道，COVID-19 的嚴(yán)重程度與“細(xì)胞因子風(fēng)暴”有關(guān)［40］。所謂“細(xì)胞因子風(fēng)暴”又稱“炎癥風(fēng)暴”，是一種細(xì)胞因子與免疫細(xì)胞間的正反饋循環(huán)而產(chǎn)生的免疫反應(yīng)，是機(jī)體的免疫系統(tǒng)從“自我保護(hù)”演變?yōu)檫^度保護(hù)的狀態(tài)［41］。IL-6 和粒細(xì)胞-巨噬細(xì)胞集落刺激因子（Granulocyte-macrophage colony stimulating factor，GM-CSF）是引發(fā)COVID-19 患者炎癥風(fēng)暴的兩個(gè)關(guān)鍵炎癥因子（圖3）［42］。新型冠狀病毒感染后，迅速激活病原性T 細(xì)胞，產(chǎn)生GM-CSF 和IL-6 等細(xì)胞因子。 GM-CSF 會(huì)進(jìn)一步激活CD14+CD16+炎癥性單核細(xì)胞，產(chǎn)生更多的IL-6 和其他炎癥因子，從而形成炎癥風(fēng)暴，導(dǎo)致嚴(yán)重肺部和其他器官免疫損傷［42］。許多COVID-19 重癥患者實(shí)際上是死于“細(xì)胞因子風(fēng)暴”。在患者體內(nèi)，被激活的免疫細(xì)胞可釋放IFN-γ、IL-1β、IL-6、IL-8、IL-10、IL-12、IL-18、IL-33、TNF-α 等大量促炎性細(xì)胞因子和CCL2、CCL3、CCL5 等趨化因子，引起不可控的全身炎癥反應(yīng)，導(dǎo)致急性呼吸窘迫綜合征和多臟器衰竭［40，43-44］。以往多項(xiàng)研究表明，蝦青素確實(shí)能夠通過多種機(jī)制降低炎性細(xì)胞因子IL-1β、IL-2、IL-6、IL-8、TNF-α 等的過度產(chǎn)生，減緩促炎細(xì)胞因子所致的急性細(xì)胞或器質(zhì)性損傷，降低膿毒癥的致死率，并能夠有效保護(hù)肺部組織［37，39］。這提示蝦青素或許可以作為預(yù)防和治療COVID-19 的候選或輔助藥物。

圖3 IL-6和GM-CSF 是引發(fā)COVID-19患者炎癥風(fēng)暴的關(guān)鍵炎癥因子［42］Figure 3 IL-6 and GM-CSF are key inflammatory factors that trigger inflammatory storms in COVID-19 patients［42］

此外，蝦青素具有強(qiáng)大抗氧化活性和細(xì)胞保護(hù)作用。比如，在對(duì)內(nèi)毒素誘導(dǎo)的葡萄膜炎（EIU）大鼠模型和體外培養(yǎng)的RAW264.7 巨噬細(xì)胞的實(shí)驗(yàn)中，Oh?gami等［45］證明了蝦青素對(duì)EIU具有劑量依賴性的抗炎作用，尤其是100 mg/kg 的蝦青素和10 mg/kg 的腎上腺皮質(zhì)激素潑尼松龍的抗炎作用相當(dāng)，其抗炎作用有可能是通過阻斷NOS 酶活性抑制NO、PGE2（前列腺素E2）和TNF-α。最近一項(xiàng)研究報(bào)道說明，蝦青素可以減輕LPS 所致急性肺損傷的炎癥反應(yīng)，其作用機(jī)制是依賴于對(duì)MAPK/NF-κB 信號(hào)通路的抑制［37］。當(dāng)然，對(duì)COVID-19 是否具有同樣的效果和機(jī)制，這還需要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)證明。

總之，在利用蝦青素提高免疫力和抗炎方面，已顯示了很好的應(yīng)用前景，并且有望成為COVID-19 預(yù)防和治療的輔助藥劑或特效保健品。目前對(duì)于蝦青素調(diào)節(jié)免疫具體分子機(jī)制方面，還有許多不清楚的問題，值得進(jìn)一步深入研究。