胡茜, 王藝凝, 申鵬飛, 李雅倩, 楊陽(yáng), 王艷成,姬文秀*, 董微巍*
(1.延邊大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 吉林 延吉 133000; 2.吉林省和龍市工商聯(lián), 吉林 和龍 133400)
人參(Panax ginsengC. A. mey)為五加科人參屬多年生草本植物[1]。在2012 年,人參(人工種植)被國(guó)家衛(wèi)生部批準(zhǔn)為新資源食品,同時(shí)其在保持人體健康和平衡機(jī)體狀態(tài)方面的保健作用日漸引起人們的關(guān)注[2-3]。人參皂苷是人參中主要的活性成分,具有抗腫瘤、抗衰老、降血糖、降血脂、促進(jìn)細(xì)胞再生等多種功效[4-9]。研究表明,人參皂苷口服后在人體腸道菌作用下轉(zhuǎn)化為人參皂苷的去糖基代謝產(chǎn)物更具藥理活性[10],如Rh1、Rg3 和compound K 等都可以直接作用于癌癥組織,具有較強(qiáng)的抗腫瘤活性[11-14]。但是,由于人體腸道菌群的個(gè)體差異及人參皂苷在體內(nèi)的停留時(shí)間等原因,使有些皂苷未在轉(zhuǎn)化前就被排出體外,因此口服人參皂苷的作用效果較低,在生物體內(nèi)的利用率不高。因此,體外人參皂苷去糖基化修飾對(duì)于提高人參的藥用價(jià)值具有十分重要的意義。
內(nèi)生菌資源在天然產(chǎn)物的生物轉(zhuǎn)化中作為一類新型生物催化劑備受關(guān)注[15-16]。藥用昆蟲(chóng)洋蟲(chóng)內(nèi)生菌資源豐富,體內(nèi)生存環(huán)境獨(dú)特[17],因其喜食中藥人參所以推測(cè)其體內(nèi)具有產(chǎn)β-葡萄糖苷酶水解人參皂苷功能的內(nèi)生菌。因此,本研究對(duì)洋蟲(chóng)體內(nèi)高效產(chǎn)β-葡萄糖苷酶內(nèi)生菌進(jìn)行篩選、鑒定,制備復(fù)合工程菌劑,液態(tài)發(fā)酵轉(zhuǎn)化人參皂苷,提高Rh1、Rg3、compound K 等去糖基化人參皂苷的轉(zhuǎn)化率,對(duì)動(dòng)態(tài)發(fā)酵反應(yīng)過(guò)程中人參皂苷及其代謝產(chǎn)物化學(xué)組成進(jìn)行研究,采用體外模擬人參皂苷在洋蟲(chóng)體內(nèi)的代謝過(guò)程,明確其生物轉(zhuǎn)化機(jī)制,利用四甲基噻唑藍(lán)(methylthiazoletrazolium,MTT)染色法闡明低、中、高劑量發(fā)酵產(chǎn)物對(duì)肺癌A549細(xì)胞抗腫瘤活性,為人參皂苷系列產(chǎn)品及功能產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)奠定基礎(chǔ),為中藥資源的綜合利用提供新思路。
試驗(yàn)材料:人肺腺癌耐順鉑株(A549/DDP)購(gòu)自武漢普諾賽生命科技有限公司(Procell Life Science & Technology Co., Ltd.);洋蟲(chóng)來(lái)自延邊大學(xué)植物保護(hù)實(shí)驗(yàn)室;正丁醇、無(wú)水乙醇、次氯酸鈉等均為分析純,購(gòu)于南京化學(xué)試劑股份有限公司;新鮮人參根(4 年生植物)來(lái)自于吉林集安人參培育基地;人參皂苷標(biāo)準(zhǔn)品Rg1、Re、Rf、Rb1、Rb2、Rc、Rd、Rh1、Rg2、Rg3、F1、PPD 和compound K 購(gòu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)網(wǎng)。
儀器包括離心機(jī)(TD-4C 型,金壇區(qū)金城海瀾儀器制造廠)、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(RE-2010 型,鄭州予達(dá)儀器科技有限公司)、培養(yǎng)箱(德國(guó)Heraus 公司)、倒置熒光相差顯微鏡(CR15-860HD 型,蘇州倍特嘉光電科技有限公司)。
人參粗皂苷制備:取100 g 洗凈的人參,干燥后粉碎成粉末,利用80%乙醇在82 ℃條件下索氏回流提取3 h,反復(fù)提取2 次后將萃取液合并,真空旋干,再置于烘箱50 ℃干燥脫水,制備人參粗皂苷粉末,備用。
定性分析:使用甲醇溶解人參皂苷粉末后用0.22 μm 濾膜過(guò)濾,利用液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法(liquid chromatography-tandem mass spectrometry,LC-MS/MS)分析人參粗皂苷中的單體皂苷組成。
以紅棗和人參飼料按4∶1 的混合比例對(duì)洋蟲(chóng)進(jìn)行飼養(yǎng),培養(yǎng)箱體積40 cm×60 cm×20 cm,培養(yǎng)箱恒溫24 ℃、濕度75%的飼養(yǎng)條件下飼養(yǎng)1 年。取洋蟲(chóng)成蟲(chóng)、幼蟲(chóng)各45 只,同齡期洋蟲(chóng)15 只為1 組,每組生物學(xué)重復(fù)3 次;將洋蟲(chóng)用無(wú)菌水清洗干凈后,在厭氧培養(yǎng)箱內(nèi)將其頭部、翅部去除,放置于75%乙醇中90 s,后經(jīng)次氯酸鈉溶液浸泡15 s,去除洋蟲(chóng)體表微生物后用滅過(guò)菌的蒸餾反復(fù)沖洗,研缽研磨,加入蒸餾水移至離心管;500 r·min-1離心5 min,將上清液取出,再10 000 r·min-1離心5 min,收集沉淀;最后向沉淀中加入PBS 緩沖液,制備成洋蟲(chóng)內(nèi)共生菌液。
1.4.1 七葉苷培養(yǎng)基篩選高效產(chǎn)β-葡萄糖苷酶功能菌株 取100 μL 稀釋好的洋蟲(chóng)菌液加到MRS 篩選培養(yǎng)基(添加秦皮甲素和檸檬酸鐵),將洋蟲(chóng)菌液均勻地涂布在培養(yǎng)基上,于恒溫培養(yǎng)箱中顛倒放置,在厭氧條件下培養(yǎng)72 h,觀察菌落生長(zhǎng)。將邊緣整齊且呈黑褐色的單一菌落挑選出來(lái),將其接種到新的純化培養(yǎng)基上,進(jìn)行多次重復(fù)純化直至得到單一菌株。從菌株中挑選出4 株菌落顏色較深且生長(zhǎng)狀態(tài)良好的菌株,即為高效功能菌株。
1.4.2 產(chǎn)β-葡萄糖苷酶功能菌株的分子生物學(xué)鑒定 采用土壤基因組DNA提取試劑盒(DP336)提取基因組DNA,采用通用引物(上游引物ITS1:5'-TCCGTAGGTGAACCTGCGG-3'和下游引物ITS4:5'-TCCTCCGCTTATTGATATGC-3')進(jìn)行PCR。PCR體系25 μL,包括:1×PCR buffer、1.5 mmol·L-1MgCl2、200 μmol·L-1dNTPs 0.5 μmol·L-1上下游引物、50 ng模板DNA 以及0.5 UTaqDNA 聚合酶。以ICycler 熱循環(huán)儀進(jìn)行擴(kuò)增,PCR 程序:94 ℃ 3 min;94 ℃ 30 s,56 ℃ 30 s,72 ℃ 50 s,32 個(gè)循環(huán);72 ℃7 min。PCR 產(chǎn)物檢測(cè)合格后送北京百邁客生物科技有限公司進(jìn)行測(cè)序。
1.4.3 高產(chǎn)β-葡萄糖苷酶復(fù)合菌液的制備 按照相同比將4 株功能菌株進(jìn)行5 d 的規(guī)模化培養(yǎng)馴化,制備成復(fù)合工程菌種子液,備用。
取人參皂苷粗提物4 mg,加入種子液500 μL至2 mL 離心管中,混合均勻,在厭氧條件下(N285%,H210%,CO25%)將篩選出的菌株及篩選菌株的混合菌株富集培養(yǎng)24 h 后,將菌液與人參主皂苷反應(yīng)20 d,分別在生物反應(yīng)時(shí)間為0、1、2、3、7、12 和20 d 時(shí)采集發(fā)酵產(chǎn)物,利用LC-MS/MS 測(cè)定分析。
1.6.1 色譜條件 采用安捷倫1260 系列液相色譜系統(tǒng)與安捷倫Poroshell ZORBAX SB-C18柱(4.6 mm×250 mm,5 μm)和C18保護(hù)柱進(jìn)行檢測(cè)分析。該系統(tǒng)使用Mass Hunter 采集軟件B.07.00 進(jìn)行操作。流動(dòng)相A 為0.1%甲酸-水溶液、B 為0.1%甲酸-乙腈溶液。采用梯度洗脫程序:B體積分?jǐn)?shù)由0%于0—20 min 內(nèi)線性升至23%;在13—33 min 由23%提升至46%;在33—38 min 由46%提升至68%;在38—45 min以68% 維持7 min;在45—55 min 由68% 提 升 至100%;在55—63 min 由100%降至23%。進(jìn)樣量2 μL,流速0.5 mL·min-1,檢測(cè)波長(zhǎng)203 nm。
1.6.2 質(zhì)譜條件 采用安捷倫1260HPLC 系統(tǒng)聯(lián)用安捷倫6420 三重四級(jí)桿串聯(lián)質(zhì)譜(ESI-QQQMSMS, Agilent Technologies, Santa Clara, USA)進(jìn)行質(zhì)譜分析。離子化條件如下:ESI 電離源,正離子掃描,噴霧電壓4 kV。采用二級(jí)全掃描模式,掃描質(zhì)荷比范圍500~1 500。采用多離子檢測(cè)模式作為篩選及評(píng)價(jià)方法,對(duì)各天然物樣品中皂苷類物質(zhì)進(jìn)行初步篩選檢測(cè),數(shù)據(jù)處理軟件為Mass Hunter工作站B.06.06軟件[18]。
取處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的A549細(xì)胞,將細(xì)胞懸液的含量調(diào)至5×104cell·mL-1。96 孔培養(yǎng)板中每個(gè)孔加入100 μL 細(xì)胞懸液,將其放入5% CO2、37 ℃培養(yǎng)箱培養(yǎng)24 h,至細(xì)胞長(zhǎng)至單層;然后將孔中上部澄清的液體吸出舍棄,利用PBS 緩沖液洗1~2遍后,加入培養(yǎng)基(不含血清)稀釋分別得到0、0.5、2.0、5.0 mg·L-1的篩選組分。每個(gè)水平6 次重復(fù)。每個(gè)孔抽取100 μL 篩選出來(lái)的組分。將細(xì)胞板放在培養(yǎng)箱中孵育48 h,繼續(xù)將孔中上部澄清的液體吸出舍棄,用PBS 溶液淋洗2 遍。在MTT法中,向每孔加入20 μL MTT溶液(5 mg·L-1,即0.5% MTT)和80 μL 培養(yǎng)基(不含血清),4 h后培養(yǎng)終止,小心吸去孔內(nèi)培養(yǎng)液。每孔加入150 μL DMSO,搖床低速振蕩10 min,使結(jié)晶物充分溶解。利用ELISA reader 在波長(zhǎng)490 nm 測(cè)得OD值,同時(shí)觀察細(xì)胞活性。試驗(yàn)中設(shè)立空白對(duì)照(無(wú)細(xì)胞,加培養(yǎng)基、MTT 和DMSO)。3 次重復(fù)試驗(yàn),取平均值用來(lái)計(jì)算細(xì)胞抑制率。
進(jìn)樣液體為10 種人參皂苷標(biāo)準(zhǔn)品的混合溶液。以混合標(biāo)準(zhǔn)系列溶液的濃度為橫坐標(biāo),以定量離子色譜的峰面積為縱坐標(biāo),進(jìn)行線性回歸,繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。稀釋混合標(biāo)準(zhǔn)溶液,用信噪比S∶N =3∶1 時(shí)的含量計(jì)算各人參皂苷標(biāo)準(zhǔn)品的最低檢出含量(limit of detection,LOD),用信噪比S∶N =10∶1 時(shí)的含量計(jì)算定量限(limit of quantitation,LOQ)。向空白菌液發(fā)酵產(chǎn)物樣品中分別添加高(5 mg·L-1)、中(2 mg·L-1)、低(0.5 mg·L-1)3種不同水平的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液,每個(gè)水平平行制備3份,進(jìn)行加標(biāo)回收率試驗(yàn)。
采用SPSS11. 5軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析。
配制100、200、500、1 000、2 000、5 000、8 000和10 000 ng·mL-1人參皂苷標(biāo)準(zhǔn)液,以人參皂苷標(biāo)準(zhǔn)品質(zhì)量濃度為x軸,其對(duì)應(yīng)峰面積為y軸繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。結(jié)果(表1)表明,在100~10 000 ng·mL-1范圍內(nèi),10 種皂苷標(biāo)準(zhǔn)品的線性關(guān)系較好,R2均在0.99以上。以3倍信噪比計(jì)算10種標(biāo)準(zhǔn)品的檢測(cè)限,不同標(biāo)準(zhǔn)品的檢測(cè)限在8.5~12.9 ng·mL-1之間;以10 倍信噪比定量限,不同標(biāo)準(zhǔn)品的定量限在28.8~34.9 ng·mL-1之間,平均回收率為83.9%~119.3%,表明該方法可以滿足檢測(cè)要求。
表1 人參皂苷樣品的回歸方程、相關(guān)系數(shù)、線性范圍、檢測(cè)限、定量限及回收率Table 1 Regression equation, correlation coefficient, linear range, detection limit, quantification limit and recovery rate of ginsenoside samples
通過(guò)篩選培養(yǎng)基培養(yǎng),從洋蟲(chóng)成蟲(chóng)、幼蟲(chóng)菌液中篩選出4株具有明顯顯色反應(yīng)的產(chǎn)β-葡萄糖苷酶功能菌株,經(jīng)18S rRNA 基因擴(kuò)增進(jìn)行分子生物學(xué)鑒定和Blast 數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì),4 個(gè)菌株分別為煙曲霉(Aspergillus fumigatus) 、鴿 色 藍(lán) 狀 菌(Talaromyces columbinus)、長(zhǎng)枝木霉(Trichoderma longibrachiatum)及粉色面包霉菌(Neurospora crassa)(表2)。
表2 4株菌的18S rRNA基因相似性對(duì)比及鑒定結(jié)果Table 2 Comparison of 18S rRNA gene similarity of 4 strains and identification results
2.3.1 復(fù)合菌液與人參皂苷發(fā)酵產(chǎn)物定性分析由圖1和圖2可知,在人參皂苷提取物中共檢測(cè)出Rg1、Re、Rf、Rb1、Rc、Rb2 和Rd 7 種人參皂苷;在復(fù)合菌液中功能菌的協(xié)同作用下,轉(zhuǎn)化產(chǎn)物中檢測(cè)出Rg1、Re、Rf、Rb1、Rc、Rb2 和Rd 7 種人參皂苷和Rg3、compound K和Rh1 3種人參皂苷去糖基化產(chǎn)物,且隨著時(shí)間的延長(zhǎng)其代謝產(chǎn)物含量呈明顯升高趨勢(shì)。由此表明,利用洋蟲(chóng)內(nèi)生菌復(fù)合菌液直接發(fā)酵人參皂苷粗提物可同時(shí)制備多種高活性次級(jí)人參皂苷產(chǎn)物。
圖1 4株產(chǎn)β-葡萄糖苷酶真菌聯(lián)合發(fā)酵人參皂苷提取液產(chǎn)物分析Fig. 1 Analysis of the product of 5 strains of β-glucosidase-producing fungi combined fermentation of ginsenoside extract
圖2 發(fā)酵產(chǎn)物EIC色譜圖Fig. 2 EIC chromatogram of fermentation products of ginseng extract
2.3.2 復(fù)合菌液與人參皂苷發(fā)酵產(chǎn)物定量分析由圖3 可知,大部分人參皂苷隨著發(fā)酵反應(yīng)的進(jìn)行含量逐漸減少;而人參皂苷Rd的含量為先降低后升高;發(fā)酵產(chǎn)物人參皂苷Rg3 的含量先增加后降低,8 d 時(shí)含量最高,為425 mg·mL-1,20 d 時(shí)降至221 mg·mL-1;去 糖 基 化 人 參 皂 苷Rh1 和compound K 含量呈上升趨勢(shì)。這可能是隨著發(fā)酵反應(yīng)進(jìn)行人參皂苷被水解,大部分人參皂苷含量降低,其中人參皂苷Rd作為代謝中間產(chǎn)物在代謝初期被水解轉(zhuǎn)化,同時(shí)二醇類皂苷Rb1、Rc、Rb2在發(fā)酵反應(yīng)過(guò)程中C-20位外部糖基被水解掉又轉(zhuǎn)化生成Rd,因此,0~3 d 人參皂苷Rd 含量呈下降趨勢(shì),在3~20 d又呈升高趨勢(shì)。Rd在β-葡萄糖苷酶等水解酶的作用下(水解掉C-20 位糖基)轉(zhuǎn)化為分子量更小的人參皂苷Rg3,同時(shí)C-3位糖基被復(fù)合功能菌水解產(chǎn)生人參皂苷compound K,因此,Rg3 和compound K 含量隨發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸增加。三醇類人參皂苷Rg1、Re、Rf的主要發(fā)酵產(chǎn)物為稀有人參皂苷Rh1,其中,Re 在β-葡萄糖苷酶等水解酶的作用下C-6 位外部糖基被水解掉,轉(zhuǎn)化生成人參皂苷Rg1,Rg1 再水解掉C-6 位外部糖基轉(zhuǎn)化生成人參皂苷Rh1;Rf 直接被水解掉C-6 位外部糖基轉(zhuǎn)化生成Rh1,因此,Rh1 含量呈上升趨勢(shì)。綜上所述,人參皂苷二醇類皂苷以Rd為中間代謝產(chǎn)物,生物轉(zhuǎn)化途徑為Rb1/Rb2/Rc→Rd→Rg3/compound K;三醇類人參皂苷的轉(zhuǎn)化途徑為Re→Rg1→Rh1和Rf→Rh1,且人參皂苷二醇類皂苷更容易被發(fā)酵菌劑水解。
圖3 4株產(chǎn)β-葡萄糖苷酶真菌聯(lián)合發(fā)酵產(chǎn)物人參皂苷定量分析Fig. 3 Quantitative analysis of ginsenosides from the combined fermentation of 4 β-glucosidase-producing
由圖4 可知,復(fù)合菌液與人參皂苷發(fā)酵產(chǎn)物具有較好的抗腫瘤活性,抗腫瘤效果優(yōu)于發(fā)酵菌液及人參皂苷粗提物。對(duì)比復(fù)合菌液與人參皂苷發(fā)酵20 d 產(chǎn)物在不同劑量(0.5、2.0 和5.0 mg·L-1)和不同處理時(shí)間下對(duì)肺癌A549細(xì)胞抑制效果,結(jié)果(圖5)表明,發(fā)酵產(chǎn)物在5.0 mg·L-1、反應(yīng)72 h時(shí)對(duì)腫瘤細(xì)胞的抑制率達(dá)85%,且在一定的范圍內(nèi)隨著發(fā)酵產(chǎn)物質(zhì)量濃度的升高對(duì)腫瘤細(xì)胞的抑制率明顯升高。
圖4 洋蟲(chóng)內(nèi)生真菌/人參皂苷20 d發(fā)酵產(chǎn)物對(duì)肺癌細(xì)胞A549的細(xì)胞抑制率Fig. 4 Inhibition rate of 20-day fermentation product of endophytic fungi/ginsenosides of worms on lung cancer cell A549 fermentation
圖5 復(fù)合菌液-人參皂苷發(fā)酵產(chǎn)物對(duì)肺癌A549細(xì)胞的活性抑制率Fig. 5 Inhibition rate of compound bacterial liquid-ginsenoside fermentation product on lung cancer A549 cells
稀有人參皂苷的各種生物活性越來(lái)越受到人們的重視,但是由于其天然含量低,使其在開(kāi)發(fā)利用時(shí)備受限制,利用生物轉(zhuǎn)化法對(duì)人參皂苷的糖鏈進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾,成為獲得稀有人參皂苷的有效途徑。目前,多數(shù)研究停留于單一菌株轉(zhuǎn)化單一皂苷,如程雅韻等[19]從發(fā)酵食品中分離篩選出1株產(chǎn)β-葡萄糖苷酶的植物乳桿菌菌株E9,可將Rb1轉(zhuǎn)化成Rg3;張麗娜等[20]從人參種植土中篩選到1 株可將Re 轉(zhuǎn)化為Rhl 的菌株S329,但是皂苷單體提純工藝復(fù)雜,產(chǎn)品生產(chǎn)成本價(jià)格高,因此難以推廣應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐。本研究利用喜食人參的洋蟲(chóng)源內(nèi)生菌復(fù)合劑直接發(fā)酵人參皂苷粗提物,同時(shí)制備多種高活性次級(jí)人參皂苷產(chǎn)物,使其更具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
不同人參皂苷單體具備不同的藥理活性。目前,人參皂苷發(fā)酵產(chǎn)物在抗腫瘤方面取得突破性進(jìn)展,庫(kù)受權(quán)[21]檢測(cè)紅曲霉和人參雙向固體發(fā)酵產(chǎn)物對(duì)宮頸癌Hela 細(xì)胞的抑制率,當(dāng)發(fā)酵產(chǎn)物質(zhì)量濃度為200、100、50 和25 μg·mL-1時(shí)抑制率分別為50.89%、36.19%、23.18%、20.68%,與本研究結(jié)果一致,即在一定范圍內(nèi),發(fā)酵產(chǎn)物對(duì)癌癥細(xì)胞的抑制率隨著其質(zhì)量濃度的增加逐漸升高。吳彤[22]用MTT 比色法與流式細(xì)胞儀分析Rg3對(duì)人大腸癌細(xì)胞株HCE8693 的生長(zhǎng)抑制作用,發(fā)現(xiàn)當(dāng)Rg3 含量為0.010%、0.017%、0.025%和0.050%時(shí)對(duì)HCE8693 細(xì)胞的生長(zhǎng)抑制率分別為8.6%、8.6%、18.7%和21.9%。對(duì)比前人研究結(jié)果,本研究的復(fù)合菌劑與人參皂苷發(fā)酵代謝產(chǎn)物更加豐富(10 種),乙醇萃取的發(fā)酵產(chǎn)物在5.0 mg·L-1、反應(yīng)72 h 時(shí)的腫瘤細(xì)胞抑制率可達(dá)85%,且隨著發(fā)酵產(chǎn)物質(zhì)量濃度的增加,對(duì)腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)抑制率明顯升高,即對(duì)腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)的抑制效果更加明顯。此后,在此基礎(chǔ)上本課題組將進(jìn)一步深入研究,探明復(fù)合菌劑與人參皂苷發(fā)酵產(chǎn)物抑制腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)的作用機(jī)制,為抗腫瘤先導(dǎo)藥物研發(fā)奠定理論基礎(chǔ)。