多糖金屬配合物的制備及其生物活性研究進(jìn)展

羅付禹，王宣，劉佳維

牡丹江醫(yī)學(xué)院 藥學(xué)院（牡丹江 157000）

多糖是由多種單糖聚合而成的一種天然聚合物，部分多糖分子量甚至可達(dá)到數(shù)百萬(wàn)[1]。根據(jù)來(lái)源不同，多糖可分為植物多糖、動(dòng)物多糖和微生物多糖[2]?，F(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)多糖具有不同的生理活性，如抗腫瘤、抗輻射、抗氧化、降血糖、抗病毒、抗菌、抗肝肺纖維化和免疫調(diào)節(jié)[3-4]。憑借其優(yōu)異的生理活性，多糖在醫(yī)藥、食品生產(chǎn)、化妝品等各種領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

雖然多糖具有許多生理活性，但其表現(xiàn)出的活性強(qiáng)度一直難以令人滿(mǎn)意。因此，迫切需要新的方法增強(qiáng)多糖的生物活性。近年來(lái)，有關(guān)多糖金屬配合物及其相關(guān)活性的報(bào)道越來(lái)越多。與傳統(tǒng)的小分子金屬配合物相比，大分子多糖金屬配合物具有更高的安全性和水溶性。值得注意的是，多糖和金屬離子之間的協(xié)同相互作用可以增強(qiáng)多糖的生物活性[5-6]。文章主要對(duì)多糖金屬配合物的制備及其生物活性進(jìn)行了綜述，希望能為多糖金屬配合物的相關(guān)研究和開(kāi)發(fā)提供參考。

1 多糖-金屬配合物的制備

由于構(gòu)成多糖的相當(dāng)數(shù)量的單糖含有供電子基團(tuán)（例如羥基、羧基和氨基），多糖能夠容易地與金屬離子形成絡(luò)合物。多糖-金屬絡(luò)合物主要使用簡(jiǎn)單的化學(xué)合成方法獲得：在連續(xù)攪拌下將金屬鹽溶液滴加到多糖的水溶液中，并將混合溶液的pH調(diào)節(jié)到微堿性。加熱后，將混合溶液離心，取上清液進(jìn)行透析，以除去未絡(luò)合的金屬離子。隨后，通過(guò)乙醇沉淀、洗滌和冷凍干燥制備多糖金屬絡(luò)合物的粉末。此外，Gao等[7]報(bào)道了合成大豆多糖-鐵（Ⅲ）絡(luò)合物[SSPSFe(Ⅲ)]的新方法，即離子交換柱法。他們認(rèn)為，離子交換柱法顯示出操作步驟簡(jiǎn)化的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。不需要調(diào)節(jié)pH，而所產(chǎn)生的絡(luò)合物可以在絡(luò)合后立即分離，從而使得多糖和金屬離子能夠連續(xù)反應(yīng)。根據(jù)最近的出版物，表1列出了目前合成多糖金屬配合物的相關(guān)反應(yīng)條件。

表1 多糖金屬配合物的絡(luò)合條件

一些多糖通常以鈉鹽形式存在（如硫酸軟骨素和透明質(zhì)酸），在與相應(yīng)的金屬離子絡(luò)合之前應(yīng)除去鈉離子。Ma等[8]使用離子交換樹(shù)脂（732鈉陽(yáng)離子樹(shù)脂）吸收硫酸軟骨素（CS，從動(dòng)物軟骨中提?。┲械拟c離子，并獲得主要含有CS的輸出液。隨后，將氯化鍶溶液添加到輸出液體中，并且基于上述方法充分獲得硫酸軟骨素-鍶絡(luò)合物（SrCS）。Li等[9]使用相同的方法合成硫酸軟骨素-鎂復(fù)合物（MgCS）。此外，多糖可以被化學(xué)修飾，然后與金屬離子復(fù)合以產(chǎn)生復(fù)合物，特別是對(duì)于非水溶性多糖，化學(xué)改性能夠提高它們的水溶性和它們與金屬離子絡(luò)合的穩(wěn)定性[10-11]。常見(jiàn)的化學(xué)反應(yīng)包括羧甲基化、季銨化和席夫堿縮合。

2 與金屬絡(luò)合對(duì)多糖生物活性的影響

如表2所示，多糖金屬絡(luò)合物表現(xiàn)出許多優(yōu)異的生物活性（例如，抗腫瘤、抗氧化、抗菌、降血糖和降血脂作用等），具有提高自由基清除率、抑制腫瘤細(xì)胞增殖、改善血清生化指標(biāo)和調(diào)節(jié)基因表達(dá)等作用。

表2 多糖金屬配合物的生理活性

2.1 抗腫瘤作用

眾所周知，鉑（Ⅱ）基藥物已被廣泛用于治療癌癥。同樣，基于鉑（Ⅱ）的多糖絡(luò)合物具有積極的抗癌活性。邱軍強(qiáng)等[37]合成了黑木耳多糖-順鉑復(fù)合物（AAP-CDDP），研究發(fā)現(xiàn)其對(duì)Hela和LoVo細(xì)胞具有顯著的抗腫瘤活性。釕基復(fù)合物也已被證明具有有效的抗腫瘤活性。與Pt基配合物相比，Ru基配合物對(duì)正常組織具有較低的常規(guī)毒性，并且有望成為Pt基抗癌劑的替代品。結(jié)果表明，多巴胺修飾的果膠連接釕化合物（PECDO-Ru）對(duì)人腎細(xì)胞腺癌786-O細(xì)胞的毒性高于游離釕配合物，添加果膠-多巴胺可能降低Ru復(fù)合物對(duì)正常細(xì)胞系的毒性作用[38]。

此外，其他金屬離子與多糖形成復(fù)合物也具有一定的抗腫瘤作用（例如Zn2+、Cu2+、Fe3+和Sc）。Yan等[10]用響應(yīng)面法合成了羧甲基茯苓多糖鋅（CMPZ）、羧甲基茯苓多糖鐵（CMPF）和羧甲基茯苓多糖硒（CMPS），研究發(fā)現(xiàn)其對(duì)人卵巢癌細(xì)胞系A(chǔ)2780細(xì)胞的增殖有明顯的抑制作用，并能促進(jìn)活性氧的產(chǎn)生和誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡；Mu?oz-Garcia等[39]研究發(fā)現(xiàn)，胞外多糖-鈧復(fù)合物（EPS-DRS：Sc）和肝素-鈧復(fù)合物（Hep：Sc）對(duì)MNNG/HOS骨肉瘤、A375黑色素瘤、A549肺腺癌、U251膠質(zhì)瘤、MDA231乳腺癌和Caco2結(jié)腸癌細(xì)胞均有顯著抗增殖作用。

2.2 抗氧化作用

研究發(fā)現(xiàn)，多糖能清除自由基并提高部分抗氧化酶的活性[5]，可用作新型抗氧化劑。多糖金屬絡(luò)合物也表現(xiàn)出相似的抗氧化活性，且由于多糖和金屬離子間的協(xié)同效應(yīng)，其金屬絡(luò)合物通常表現(xiàn)出更強(qiáng)的抗氧化活性。北沙參多糖經(jīng)鐵修飾后，對(duì)羥自由基清除作用明顯增強(qiáng)[12]；螺旋藻多糖（SP）經(jīng)鐵修飾后得到的SP-Fe對(duì)ABTS+自由基的清除能力增強(qiáng)[16]。顧冰飛等[31]的研究結(jié)果顯示，在1 mg/mL濃度下，杏鮑菇多糖（PEP）對(duì)羥自由基和超氧陰離子自由基的清除率分別為33.8%和14.1%，而杏鮑菇多糖鋅螯合物（PEPZn）為42.2%和27%。

2.3 補(bǔ)充微量元素

廣泛研究表明，多糖和痕量金屬離子（例如，鐵離子）可以用作非常有前途的微量元素補(bǔ)充劑，其中絡(luò)合物可以快速補(bǔ)充微量營(yíng)養(yǎng)素并且具有良好的安全性。例如，多糖鐵復(fù)合物目前已被臨床應(yīng)用于治療缺鐵性貧血和腎性貧血[40-41]，治療對(duì)象包括但不限于新生兒、小兒、育齡婦女和孕婦，具有生物利用度高、不良反應(yīng)小等特點(diǎn)[5]。毛冉等[40]采用多糖鐵復(fù)合物對(duì)妊娠期缺血性貧血孕婦進(jìn)行治理，結(jié)果與治療前相比，患者紅細(xì)胞、血紅蛋白、紅細(xì)胞平均體積、平均血紅蛋白量、平均血紅蛋白濃度及血清鐵蛋白水平均有明顯升高；劉衛(wèi)星等[42]探究多糖鐵復(fù)合物聯(lián)合左卡尼汀治療維持性血液透析腎性貧血患者的臨床效果，結(jié)果表明二者聯(lián)用能有效改善患者相關(guān)貧血指標(biāo)、氧化應(yīng)激指標(biāo)及腎功能指標(biāo)，安全性良好。

2.4 抗菌作用

多糖金屬配合物由于抗菌金屬離子的加入而表現(xiàn)出抗菌活性。一些多糖本身具有抗菌特性，當(dāng)其與金屬離子絡(luò)合后產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)能表現(xiàn)出更強(qiáng)的抗菌活性。例如，Gao等[43]合成的大豆多糖鐵復(fù)合物SSPSFe(Ⅲ)被發(fā)現(xiàn)在一定濃度范圍內(nèi)對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的生長(zhǎng)具有顯著的抑制作用，補(bǔ)充了其抗氧化和補(bǔ)充鐵以外的活性作用。一些多糖在與金屬離子或金屬化合物結(jié)合產(chǎn)生多糖金屬絡(luò)合物以增強(qiáng)抗菌活性之前需要結(jié)構(gòu)修飾。Yehuda等[11]提出，多糖可以作為一個(gè)平臺(tái)，以產(chǎn)生新的材料與協(xié)同金屬多糖抗菌活性的金屬摻入。他們發(fā)現(xiàn)由銅離子與微藻多糖產(chǎn)生的復(fù)合物可以通過(guò)調(diào)節(jié)細(xì)菌粘附而充當(dāng)抗生素涂層，并發(fā)現(xiàn)涂層脫水后在其表面上具有針狀結(jié)構(gòu)（高度高達(dá)100 nm），這可能有利于防止細(xì)菌粘附。此外，有研究發(fā)現(xiàn)多糖與金屬銀合成銀納米顆粒具有良好的抗菌效果[44-45]，在抗菌領(lǐng)域極具應(yīng)用潛力。

2.5 降糖降血脂作用

近年來(lái)，有關(guān)多糖-鉻絡(luò)合物具有顯著的降血糖和降血脂作用的報(bào)道較多。例如，鼠李多糖型硫酸化多糖-鉻（Ⅲ）復(fù)合物（RSPC）抑制脂肪細(xì)胞的過(guò)度生長(zhǎng)，減少高脂血癥誘導(dǎo)的炎癥浸潤(rùn)。RSPC促進(jìn)白色脂肪組織分化為米色脂肪細(xì)胞，并增加解偶聯(lián)蛋白1（UCP1）的表達(dá)，從而消除脂肪堆積。此外，RSPC能促進(jìn)脂聯(lián)素的分泌，抑制抵抗素、瘦素和腫瘤壞死因子α，具有顯著降血脂活性[46]。Guo等[47]對(duì)灰葉多糖鉻（Ⅲ）螯合物GFP-Cr(Ⅲ)降血糖血脂和腸道菌群調(diào)節(jié)作用進(jìn)行研究，結(jié)果表明，GFP-Cr(Ⅲ)干預(yù)改善了異常的血清生化指標(biāo)，抑制了肝臟脂質(zhì)積累和脂肪變性。宏基因組分析顯示，GFP-Cr(Ⅲ)處理對(duì)T2DM小鼠腸道菌群產(chǎn)生明顯變化。相關(guān)性網(wǎng)絡(luò)分析進(jìn)一步揭示，血清和肝脂譜與鏈球菌和腸球菌呈正相關(guān)。同時(shí)，口服GFP-Cr(Ⅲ)調(diào)節(jié)與葡萄糖和脂質(zhì)代謝相關(guān)的mRNA表達(dá)。靈芝多糖鉻絡(luò)合物對(duì)于代謝綜合征和腸道菌群失調(diào)也具有明顯的治療效果[48-49]。與多糖類(lèi)似，多糖-鉻絡(luò)合物是生物相容且安全的?？喙隙嗵?鉻（Ⅲ）復(fù)合物被證實(shí)具有抗高血糖活性，且在1 500 mg/kg的劑量下是安全的[50]?；谝陨希嗵?鉻絡(luò)合物作為針對(duì)糖尿病患者的保健食品原料具有很大前景。

2.6 治療骨科疾病

骨科常見(jiàn)病有骨關(guān)節(jié)炎、骨質(zhì)疏松、骨缺損等。Ma等[8]通過(guò)細(xì)胞實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，硫酸軟骨素鍶（SrCS）對(duì)軟骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞均具有良好的生物相容性和抗炎活性。鎂已被發(fā)現(xiàn)是人體不可缺少的另一種微量元素。作為疼痛和炎癥的介質(zhì)，它可以幫助改變?nèi)祟?lèi)和動(dòng)物模型中炎癥細(xì)胞因子的水平[51]。硫酸軟骨素鎂復(fù)合物（MgCS）還能增強(qiáng)OA軟骨細(xì)胞COLII mRNA的表達(dá)，下調(diào)炎癥相關(guān)基因IL-1β和iNOS的表達(dá)，表明MgCS還具有較強(qiáng)的抗炎作用，并能有效抑制OA軟骨細(xì)胞的凋亡。與SrCS一樣，該復(fù)合物對(duì)OA軟骨細(xì)胞沒(méi)有毒性作用，并且可以改善細(xì)胞相容性[9]。李海鷹等[34]制備了羧甲基普魯蘭多糖螯合鈣CMP-Ca(Ⅱ)，并探究其對(duì)骨質(zhì)疏松小鼠的補(bǔ)鈣效果。結(jié)果表明，骨質(zhì)疏松小鼠經(jīng)CMP-Ca(Ⅱ)干預(yù)后，骨質(zhì)量、骨密度和骨硬度提高，血清堿性磷酸酶活力降低，表明CMPCa(Ⅱ)能夠調(diào)節(jié)骨質(zhì)疏松小鼠的鈣吸收能力，緩解骨質(zhì)疏松，改善小鼠骨骼狀況。

2.7 其他作用

除上述活性外，一些多糖金屬配合物還具有抗輻射、促進(jìn)淋巴細(xì)胞增殖、用作光譜探針、吸附尿素、去除農(nóng)作物蜱殘留等活性。例如：低分子量石莼多糖與Fe(Ⅲ)離子形成的配合物（LPIC）能有效地保護(hù)小鼠免受輻射損傷[52]；當(dāng)質(zhì)量濃度為31.25×10-3g/L時(shí)，與螺旋藻多糖相比，螺旋藻多糖鐵（Ⅲ）配合物對(duì)淋巴細(xì)胞的增殖提高了44.35%，說(shuō)明螺旋藻多糖鐵（Ⅲ）配合物具有較高的免疫保護(hù)活性[16]；利用改性香菇多糖和鐵的配位作用，可以分析礦渣和灰樣中的鐵含量[53]；玉米須多糖鐵、多糖鋅、多糖銅對(duì)尿素具有吸附作用，可作為口服尿素吸附劑的潛在原料[29]；在蔬菜表面噴灑多糖鈰配合物或多糖稀土配合物能有效去除其表面的毒死蜱殘留[54]。

3 結(jié)語(yǔ)與展望

與多糖相似，多糖金屬絡(luò)合物具有很多生物活性（例如，抗腫瘤、抗氧化、抗菌、降血糖、降血脂和補(bǔ)充人體微量元素）。多糖金屬配合物的生物活性與金屬離子的種類(lèi)顯著相關(guān)。

雖然多糖金屬配合物的研究取得了一定的進(jìn)展，但仍存在許多亟待解決的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。首先，多糖金屬配合物的結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，給產(chǎn)物表征帶來(lái)難度。多糖的化學(xué)結(jié)構(gòu)是其生物活性的物質(zhì)基礎(chǔ)。因此，未來(lái)需要更先進(jìn)的分析工具來(lái)進(jìn)一步闡明其空間結(jié)構(gòu)。其次，多糖金屬配合物生物活性的分子機(jī)制有待進(jìn)一步研究，以指導(dǎo)臨床合理用藥。第三，作為金屬基化合物，毒性研究也十分值得關(guān)注。雖然大多數(shù)研究發(fā)現(xiàn)多糖金屬配合物對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的正常細(xì)胞或組織沒(méi)有明顯的毒性作用，但其代謝產(chǎn)物對(duì)人體健康的影響以及是否存在長(zhǎng)期毒性尚不清楚。

總的來(lái)說(shuō)，多糖金屬配合物因其各種優(yōu)異的生物活性而引起了人們的極大興趣。毫無(wú)疑問(wèn)，多糖和金屬離子可以通過(guò)絡(luò)合作用產(chǎn)生協(xié)同作用。金屬離子的引入可以改變多糖的部分結(jié)構(gòu)，通過(guò)絡(luò)合作用將金屬離子的活性接枝到配合物中，從而改善多糖的物理性質(zhì)和生物活性。此外，大多數(shù)多糖金屬配合物具有一定程度的生物相容性，對(duì)人體的副作用可能較小。未來(lái)的研究可以進(jìn)一步探索更多不同來(lái)源的多糖與不同金屬離子絡(luò)合生成新的絡(luò)合物，從而充分發(fā)揮多糖與金屬離子的協(xié)同作用，為開(kāi)發(fā)新型膳食補(bǔ)充劑、藥物和生物活性材料提供潛在的途徑。