【科研前线】壳寡糖和南极磷虾肽的生物活性研究进展

资料来源：王荣.壳寡糖与南极磷虾肽对急性痛风炎症反应及高尿酸血症作用的研究[D].青岛大学.

壳寡糖和南极磷虾肽的生物活性研究进展

壳寡糖（chitosan oligosaccharide，COS）是由2～20个氨基葡萄糖通过β酰-1，4糖苷键连接而成的寡聚氨基葡萄糖，主要通过化学水解或酶降解，包括脱乙酰和解聚过程，是天然多糖中唯一带正电荷的碱性氨基多糖。

在过去的几十年里，壳寡糖因为其具有水溶性好、容易被机体吸收和利用、抑制炎症反应、神经保护、抗氧化、抗肿瘤、降血压、调节血糖、抗衰老和提高免疫力等特性在生物医学、制药和农业领域中扮演重要角色。

南极磷虾是主要分布于南极海洋的重要海洋生物资源[1]。其总产量高达650～10万吨，被认为是海洋中最大的未开发资源[2]。南极磷虾是富含高蛋白（16.31%）、低脂肪（1.3%）、矿物质丰富（2.76%）的海洋动物，如富含天然硒元素，硒有“长寿之王”的美誉，可以防癌抗癌，是一种抗氧化剂和免疫调节剂。

南极磷虾肽是通过酶解、化学水解和生物发酵等不同的水解方法从南极磷虾蛋白中释放出来的，主要由2-20个氨基酸残基组成，富含18种人体所需的氨基酸[3]。

最近研究表明，南极磷虾肽除具有公认的营养价值外，还具有多种生物学功能，包括降血脂、降血压、抗凝血、抗癌和抗菌活性。作为最丰富的海洋生物资源，南极磷虾肽的利用研究不断深入，因其在药物、保健品以及食品质量控制等领域的巨大应用潜力而受到全世界的关注[4]。

壳寡糖和南极磷虾肽的生物活性的研究进展，为壳寡糖和南极磷虾肽的进一步研究开发提供理论基础和科学依据。

壳寡糖的生物活性研究进展

1.1壳寡糖的抗炎作用

炎症是宿主对不同时间的重要反应，通常是由外来物质和组织损伤产物触发的，如物理损伤、微生物入侵、紫外线照射和免疫反应等，导致促炎性细胞因子、免疫细胞的产生、招募和激活，以及自由基产生[5]。过度和持续的炎症可能会可引起急性或慢性炎症反应以及相关的组织或器官损伤造成严重影响。

革兰氏阴性菌的细胞壁由脂多糖（LPS）组成，脂多糖对引起炎症的疾病的发病机制至关重要，如感染性休克、血管炎症/动脉粥样硬化、神经退行性疾病、代谢综合征等[6]。

大量研究已经证明壳寡糖能够抑制脂多糖（LSP）或其他刺激物在各种细胞和动物模型中诱导的炎症反应。在给予角叉菜胶建立小鼠足肿胀模型中，给予10~100 mg/kg剂量的壳寡糖，可显著降低小鼠足肿胀体积，小鼠足肿胀可明显的得到抑制[8]。在用卵清蛋白诱导的支气管哮喘小鼠肺炎模型中，每天给予最大剂量16 mg/kg的壳寡糖，肺组织中IL-4、IL-5、IL-13、TNF-α的mRNA表达和蛋白水平显著降低。在木糖醇诱导的耳水肿和酵母多糖诱导的空气囊的体内模型中分析壳寡糖抗炎活性,以及评估其在体内的伤口修复作用。结构表征过程指出了六聚体的存在,壳寡糖刺激成纤维细胞迁移。在体内炎症试验中，壳寡糖显示出抗水肿反应，并显著减少白细胞迁移、细胞因子释放和蛋白渗出。壳寡糖在体内的愈合效果通过实验7天后伤口的显著减少得到了证实[9]。在葡聚糖硫酸钠诱导的结肠炎和直肠乙酸诱导的结肠炎模型中，给予10~20 mg/kg的壳寡糖能够显著降低死亡率、减轻肠道炎症以及相关黏膜的损伤[10]。

1.2壳寡糖的抗氧化作用

壳寡糖单体维持一个氨基和两个羟基，它们可以与自由基反应，因此它们具有清除能力及抗氧化活性[11]。已经有研究证明壳寡糖在胰腺细胞、内皮细胞、上皮细胞和红细胞等几种细胞模型中具有抗氧化的作用。在胰岛β细胞模型中，相对分子量在1000~5000范围内的COS表现出最强的抗氧化活性。相关研究表明，壳寡糖减轻肝细胞氧化应激相关的细胞损伤和凋亡是通过要NF-E2相关因子2介导的抗氧化酶上调的机制实现的[12]。

1.3壳寡糖的抗菌作用

已有大量实验证明壳寡糖对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌以及真菌都有很强的抗菌活性[13-15]。壳寡糖被认为具有广泛的抗菌作用，壳寡糖对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌具有很强的抗菌活性[16, 17]。此外，壳寡糖对皮肤的真菌也有明显的抑制作用，在豚鼠真菌感染模型中，高纯度的壳寡糖可强烈的抑制皮肤真菌的生长，效果优于目前临床广泛使用的抗真菌药物氟康唑的效果[18]。

1.4壳寡糖的降血压以及调节血糖的作用

高血压和糖尿病为常见的代谢性疾病，同时也是心脑血管病的主要危险因素。有研究报道，对壳寡糖进行化学修饰后可提高期作为血管紧张素转化酶（ACE）抑制剂的功效，中等分子量（3-5 kDa）的壳寡糖具有更高的ACE抑制活性。同时有研究发现壳寡糖可以抑制肾素活性，且生物学活性在（1-5 kDa）和DD为90%的壳寡糖作为肾素抑制剂的活性最高[19]。

研究表明，壳寡糖调节血糖的机制可能为促进胰岛β增殖、增加胰岛素分泌和敏感性、降低餐后血糖和提高葡萄糖摄取、上调葡萄糖转运蛋白2（GLUT2）表达和抑制消化酶和葡萄糖转运蛋白、减少糖异生和促进葡萄糖转化、减少炎症介质和酶、抑制NF-κB通路等[20]。在利用大鼠单层胰岛细胞进行COS诱导的胰岛素分泌实验表明，与正常对照组相比，COS浓度(100 mg/L)促进了胰岛细胞的分化和受损的胰岛β细胞的恢复，使胰岛素释放增加至14 d。壳寡糖还促进胰岛β细胞增殖（INS-1）和上调GLUT2 mRNA基因表达，从而刺激胰岛素释放。壳寡糖还可以保护大鼠胰岛细胞瘤细胞免受细胞凋亡[21]。在链脲佐菌素诱导的小鼠糖尿病(DM)体内实验中，与糖尿病组比较，壳寡糖在500 mg/kg剂量下可以将60天内的2小时血糖降低至16.14 mmol/L。本研究还证明了500mg/kg 壳寡糖通过提高胰岛素的敏感性，在口服葡萄糖耐量试验（OGTT）中也显示出最佳的发生率。糖尿病组曲线下面积（Area under the curve, AUC）为100%，正常对照组AUC仅为糖尿病组AUC的17.69%，故给予500 mg/kg壳寡糖处理后，其AUC下降至糖尿病组的68.69%[22]。链脲佐菌素介导的2型糖尿病导致胰岛素抵抗和β细胞紊乱[23]。在Ju等[21]设计的研究中，糖尿病大鼠表现出高血糖、高血脂、胰岛素抵抗和胰岛破裂等代谢紊乱。壳寡糖在1000 mg/kg剂量下具有体内降糖作用，其作用机制是降低空腹血糖和胰岛素水平，增加胰岛素敏感性指数，保护胰岛，减轻胰岛素抵抗。壳寡糖还引起肝脏糖原水平的明显升高，这可能是通过增加葡萄糖激酶，增加血糖向肝糖原的转移。

除此之外，壳寡糖还具有免疫调节、神经保护等活性。

南极磷虾肽的生物活性研究进展

2.1南极磷虾肽的抗菌作用

赵玲[24]等人选择了一种复合酶对南极磷虾进行酶消化，并测定了酶消化肽的含量和相对分子质量分布。采用滤纸法筛选了南极磷虾肽和分级组分对金黄色葡萄球菌、枯草芽孢杆菌、金黄色微球菌、大肠杆菌、布鲁尔氏酵母和副溶血性弧菌的抑菌活性。结果表明，南极磷虾肽含量达81.44%，相对分子质量为254 ~ 10000;南极磷虾肽对金黄色葡萄球菌具有显著的抑菌活性，且分级III级（1.0×103）的抑菌效果显著优于其他级别。

2.2南极磷虾肽改善骨关节炎的作用

在碘乙酸钠诱导的骨关节炎大鼠模型实验中发现在关节炎大鼠模型中补充南极磷虾肽可减少组织损伤，软骨退变，并减少碘乙酸钠引起的关节软骨表面不规则。碘乙酸钠组的血清PGE2、IL-1β、IL-6和TNF-α水平较高，但补充南极磷虾肽后这些水平降低。当给予150 mg/kg体重的南极磷虾肽时，碘乙酸钠组大鼠的合成代谢因子mRNA表达显著增加。给予100 mg/kg和150 mg/kg体重的南极磷虾肽后，分解代谢因子的mRNA表达显著降低。此外，补充南极磷虾肽后，炎症介质的mRNA表达显著降低。这些结果表明，补充改南极磷虾肽可改善关节软骨表面的不规则性，并改善骨关节炎的炎症反应。因此，南极磷虾肽可作为一种潜在的治疗骨关节炎的药物[25]。在利用内侧半月板（DMM）小鼠模型的失稳来研究南极磷虾肽（AKP）对软骨的保护作用发现，南极磷虾肽可明显改善软骨退变，南极磷虾肽可下调HIF-2α及其下游基因MMP-13、Adamts-5、IL-1β、iNOS、CXCL-1、NOS2的表达，提示南极磷虾肽对骨关节具有保护作用[26]。

2.3南极磷虾肽的降压作用

血管紧张素I转换酶(ACE)能够将无活性的惰性前肽血管紧张素Ⅰ（ATI）转化为具有强烈加压作用的血管紧张素II（ATII），并促进血管舒缓激肽降解，从而导致血压升高。因此，可以通过抑制血管紧张素转换酶的活性来起到降血压作用。刘小芳[27]等人采用冷冻南极磷虾为原料，采用紫外-可见光谱、红外光谱、凝胶色谱和氨基酸分析对南极磷虾肽的组成和结构进行了分析，并对肽的抗氧化活性和血管紧张素- I转换酶（ACE）抑制活性进行了评价。测定了多肽的抗氧化活性和血管紧张素- I转换酶（ACE）抑制活性。结果表明，南极磷虾肽对DPPH-、ABTS+自由基具有显著的还原能力和良好的清除能力，IC50值分别为5.65、0.17和4.46 mg/mL。

2.4南极磷虾肽降尿酸作用

高尿酸血症是与尿酸排泄减少或者尿酸生成过多密切相关的一种疾病，主要是由嘌呤代谢紊乱引起，可以通过促进尿酸的排泄或者抑制肝脏尿酸的生成来改善高尿酸血症。傅安妮[28]等人通过给予高嘌呤饲料喂养同时联合氧嗪酸钾腹腔注射建立高尿酸血症小鼠模型,造模21天后进行南极磷虾肽干预，干预30天后检测血清尿酸含量、肝脏尿酸合成关键酶酶活、肾脏及肠道尿酸转运蛋白mRNA的转录水平及形态学改变。结果提示南极磷虾肽体外尿酸氧化酶抑制率可达24.4%， 南极磷虾肽可通过抑制肝脏尿酸合成关键酶尿酸氧化酶及腺苷脱氨酶活性,从而抑制肝脏尿酸生成;上调肾脏及肠道尿酸分泌转运体三磷酸腺苷结合盒转运蛋白、有机阴离子转运体转录水平,并抑制尿酸重吸收转运体葡萄糖转运体9、尿酸转运体1转录水平,从而促进肾脏及肠道尿酸排泄，从而显著降低高尿酸模型小鼠的血尿酸水平。南极磷虾肽可通过抑制肝脏尿酸生成,促进肾脏及肠道尿酸排泄,维护肾脏及肠道形态及功能，从而改善高尿酸血症。

参考资料：

[1] SUN R, LIU X, YU Y, et al. Preparation process optimization, structural characterization and in vitro digestion stability analysis of Antarctic krill (Euphausia superba) peptides-zinc chelate [J]. Food Chem, 2021, 340:128056.

[2] LAN C, ZHAO Y Q, LI X R, et al. High Fischer ratio oligopeptides determination from Antartic krill: Preparation, peptides profiles, and in vitro antioxidant activity [J]. J Food Biochem, 2019, 43(5): e12827.

[3] CHAI T T, LAW Y C, WONG F C, et al. Enzyme-Assisted Discovery of Antioxidant Peptides from Edible Marine Invertebrates: A Review [J]. Mar Drugs, 2017, 15(2).

[4] VENKATESAN J, ANIL S, KIM S K, et al. Marine Fish Proteins and Peptides for Cosmeceuticals: A Review [J]. Mar Drugs, 2017, 15(5).

[5] KARIN M, CLEVERS H. Reparative inflammation takes charge of tissue regeneration [J]. Nature, 2016, 529(7586): 307-15.

[6] PAUL-CLARK M J, GEORGE P M, GATHERAL T, et al. Pharmacology and therapeutic potential of pattern recognition receptors [J]. Pharmacol Ther, 2012, 135(2): 200-15.

[7] MOLTENI M, GEMMA S, ROSSETTI C. The Role of Toll-Like Receptor 4 in Infectious and Noninfectious Inflammation [J]. Mediators Inflamm,2016, 2016: 6978936.

[8] FERNANDES J C, SPINDOLA H, DE SOUSA V, et al. Anti-inflammatory activity of chitooligosaccharides in vivo [J]. Mar Drugs, 2010, 8(6): 1763-8.

[9] DE ANDRADE R, DE ARAÚJO N K, TORRES-RÊGO M, et al. Production and Characterization of Chitooligosaccharides: Evaluation of Acute Toxicity, Healing, and Anti-Inflammatory Actions [J]. Int J Mol Sci,2021, 22(19).

[10] YOUSEF M, PICHYANGKURA R, SOODVILAI S, et al. Chitosan oligosaccharide as potential therapy of inflammatory bowel disease:therapeutic efficacy and possible mechanisms of action [J]. Pharmacol Res,2012, 66(1): 66-79.

[11] CASTRO MARÍN A, CULCASI M, CASSIEN M, et al. Chitosan as an antioxidant alternative to sulphites in oenology: EPR investigation of inhibitory mechanisms [J]. Food Chem, 2019, 285: 67-76.

[12] LUO Z, DONG X, KE Q, et al. Downregulation of CD147 by chitooligosaccharide inhibits MMP-2 expression and suppresses the metastatic potential of human gastric cancer [J]. Oncol Lett, 2014, 8(1):361-6.

[13] QIN Y, LI P. Antimicrobial Chitosan Conjugates: Current Synthetic Strategies and Potential Applications [J]. Int J Mol Sci, 2020, 21(2).

[14] MARTINS A F, FACCHI S P, FOLLMANN H D, et al. Antimicrobial activity of chitosan derivatives containing N-quaternized moieties in its backbone: a review [J]. Int J Mol Sci, 2014, 15(11): 20800-32.

[15] AMATO A, MIGNECO L M, MARTINELLI A, et al. Antimicrobial activity of catechol functionalized-chitosan versus Staphylococcus epidermidis [J]. Carbohydr Polym, 2018, 179: 273-81.

[16] YAN D, LI Y, LIU Y, et al. Antimicrobial Properties of Chitosan and Chitosan Derivatives in the Treatment of Enteric Infections [J]. Molecules,2021, 26(23).

[17] HOSSEINNEJAD M, JAFARI S M. Evaluation of different factors affecting antimicrobial properties of chitosan [J]. Int J Biol Macromol, 2016, 85: 467-75.

[18] MEI Y X, DAI X Y, YANG W, et al. Antifungal activity of chitooligosaccharides against the dermatophyte Trichophyton rubrum [J].Int J Biol Macromol, 2015, 77: 330-5.

[19] PARK J K, CHUNG M J, CHOI H N, et al. Effects of the molecular weight and the degree of deacetylation of chitosan oligosaccharides on antitumor activity [J]. Int J Mol Sci, 2011, 12(1): 266-77.

[20] MARMOUZI I, EZZAT S M, SALAMA M M, et al. Recent Updates in Pharmacological Properties of Chitooligosaccharides [J]. Biomed Res Int,2019, 2019: 4568039.

[21] JU C, YUE W, YANG Z, et al. Antidiabetic effect and mechanism of chitooligosaccharides [J]. Biol Pharm Bull, 2010, 33(9): 1511-6.

[22] LIU B, LIU W S, HAN B Q, et al. Antidiabetic effects of chitooligosaccharides on pancreatic islet cells in streptozotocin-induced diabetic rats [J]. World J Gastroenterol, 2007, 13(5): 725-31.

[23] SRINIVASAN K, VISWANAD B, ASRAT L, et al. Combination of high-fat diet-fed and low-dose streptozotocin-treated rat: a model for type 2 diabetes and pharmacological screening [J]. Pharmacol Res, 2005, 52(4):313-20.

[24] 赵玲,曹荣,刘淇, et al.南极磷虾酶解多肽的抑菌活性[J].渔业科学进展, 2011, 32(04): 112-6.

[25] LEE M, KIM D, PARK S J, et al. Antarctic Krill Oil Ameliorates Monosodium Iodoacetate-Induced Irregularities in Articular Cartilage and Inflammatory Response in the Rat Models of Osteoarthritis [J]. Nutrients,2020, 12(11).

[26] WANG K, LI Y, DAI Y, et al. Peptides from Antarctic Krill ( Euphausia superba) Improve Osteoarthritis via Inhibiting HIF-2α-Mediated Death Receptor Apoptosis and Metabolism Regulation in Osteoarthritic Mice [J]. J Agric Food Chem, 2019, 67(11): 3125-33.

[27] 刘小芳,颜征,冷凯良, et al.南极磷虾多肽的组成及其抗氧化与ACE抑制活性[J].食品研究与开发, 2020, 41(23): 7-13.

[28] 傅安妮,张雷,闫子怡, et al.南极磷虾肽改善高尿酸血症机制研究[J].中国海洋药物, 2021, 40(04): 9-17.