乳鐵蛋白的研究現(xiàn)狀與進展

陳立平，趙 平，任廣旭，王 靖，覃 瑞，劉 虹

（1.中南民族大學生命科學學院，湖北武漢 430074；2.農(nóng)業(yè)部食品與營養(yǎng)發(fā)展研究所，北京 100081）

乳鐵蛋白是一種鐵糖結(jié)合蛋白，主要存在于動物的初乳中，在分類上屬于轉(zhuǎn)鐵蛋白家族[1]。乳鐵蛋白在動物非特異性免疫系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用，因此乳鐵蛋白的研究和開發(fā)利用已成為科學研究的熱點。乳鐵蛋白不但在自然免疫中發(fā)揮著重要作用，而且具有促進骨骼生長、抗微生物活性、抗炎癥、抗癌癥等功能，根據(jù)乳鐵蛋白的功能可以看出其應用前景廣闊。對乳鐵蛋白的應用進行了充分論述，以期為實際應用乳鐵蛋白提供一些理論基礎。

1 乳鐵蛋白的生物學特征

1.1 乳鐵蛋白的結(jié)構(gòu)

乳鐵蛋白是一種具有多種生理功能的鐵糖結(jié)合蛋白，結(jié)構(gòu)和性質(zhì)非常復雜，其分子體是約700個氨基酸的多肽鏈，它可折疊成2個球形葉片，其中一端是氨基末端葉片，另一端是羧基末端葉片。每個葉片結(jié)構(gòu)都含有鐵離子和碳酸氫根結(jié)構(gòu)，并可以高度親和且可逆地與鐵結(jié)合[2]。乳鐵蛋白中的鐵元素存在于由氨基酸組成的結(jié)構(gòu)域中，并且裂縫可以通過葉子的結(jié)構(gòu)變化而處于打開或關(guān)閉的狀態(tài)，并且當鐵離子與多肽鏈結(jié)合時，裂縫會閉合。

1.2 乳鐵蛋白的來源

哺乳動物的乳汁含有很多乳鐵蛋白，還有少量存在于體液分泌物中，如唾液、眼淚和鼻腔分泌物、膽汁或者血漿[3]。骨髓、子宮內(nèi)膜及胎盤、血液中的中性白細胞也含有少量乳鐵蛋白[4]。目前的研究中主要是從乳汁中提取乳鐵蛋白，工藝流程為牛乳→脫脂牛乳→乳清→粗蛋白→乳鐵蛋白，或者用重組表達系統(tǒng)獲得乳鐵蛋白。據(jù)報道，乳鐵蛋白的重組表達系統(tǒng)有細菌表達系統(tǒng)、真菌表達系統(tǒng)，以及轉(zhuǎn)基因動物、轉(zhuǎn)基因植物和動物細胞系的表達系統(tǒng)[5]。例如，大腸桿菌表達系統(tǒng)、巴斯德畢赤酵母表達系統(tǒng)、CHO細胞系表達系統(tǒng)，轉(zhuǎn)基因羊都可以獲取不同濃度的乳鐵蛋白，但總體來說乳鐵蛋白的表達量較少[6]。因此，更高效重組表達系統(tǒng)的開發(fā)具有重要意義，以滿足乳鐵蛋白的潛在市場需求。

2 乳鐵蛋白的生物學功能

乳鐵蛋白的生物學功能可歸納為以下幾個方面。

2.1 參與鐵代謝，促進鐵吸收

乳鐵蛋白可以穩(wěn)定還原態(tài)的鐵離子，提高腸道細胞對鐵的利用率，減少鐵離子對腸道的刺激[7]。乳鐵蛋白可調(diào)節(jié)腸黏膜細胞對鐵元素的吸收，平衡人體內(nèi)鐵的穩(wěn)定態(tài)。

（1）乳鐵蛋白可以減緩鐵離子對腸道的刺激作用。一方面乳鐵蛋白對鐵離子進行螯合，另一方面食用乳鐵蛋白后可以減少機體對鐵離子的進食量，從而減少鐵離子對機體產(chǎn)生的不良反應[8]。

（2）運輸及促進鐵離子吸收。在中性條件下的鐵離子不溶于水，幾乎不被生物體吸收利用，乳鐵蛋白可以結(jié)合鐵離子，改變鐵離子的化學結(jié)構(gòu)，促進機體細胞對鐵離子的吸收，補充機體內(nèi)的鐵元素。因此，乳鐵蛋白是一種非常好的補鐵劑。

2.2 抗微生物功能

抗菌活性是乳鐵蛋白最重要的作用，乳鐵蛋白對許多細菌都具有不同程度的抑制和殺傷作用[6]。它的作用機制有以下幾點：

（1）乳鐵蛋白是一種廣譜抑菌劑，因為其具有很高的鐵結(jié)合能力，通過搶奪細菌生長過程中的重要的營養(yǎng)物質(zhì)鐵元素，使細菌停止生長或死亡，從而降低細菌的濃度[9]。

（2）乳鐵蛋白破壞了細菌細胞膜的結(jié)構(gòu)，引起微生物死亡。其作用機理是乳鐵蛋白N端可以與細菌細胞膜上的特異性區(qū)域結(jié)合，使細胞膜的脂多糖流出，增加細胞膜的通透性。

（3）乳鐵蛋白在非特異性免疫中發(fā)揮重要作用。通過激活巨噬細胞和單核細胞的吞噬功能，抑制巨噬細胞的表達，發(fā)揮抗微生物活性的作用。

（4）抗真菌作用。乳鐵蛋白直接與真菌細胞結(jié)合，以特殊的方式殺死真菌，許多文獻報道對腸道耐甲氧苯毒霉素金黃色葡萄球菌，以及引起消化道疾患的幽門螺旋桿菌等都有抗菌作用[5]，但這種殺菌的作用機制還有待研究。

（5） 乳鐵蛋白調(diào)節(jié)腸道菌群，保護機體健康。腸道菌群是機體健康的主要防御系統(tǒng)，乳鐵蛋白一方面抑制有害細菌的生長，另一方面刺激嗜酸乳桿菌和雙歧桿菌的生長，從而提高腸道有益菌的濃度[10]。乳鐵蛋白具有篩選或調(diào)節(jié)新生兒腸道菌群、保護新生兒腸道的作用。

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2.3 抗病毒作用

乳鐵蛋白不僅具有抗微生物功能，也有抗病毒作用。研究表明，乳鐵蛋白是一種廣譜抗病毒劑，抗病毒活性主要作用于病毒感染的早期階段，并通過不同方法干擾靶細胞的吸附和侵襲。乳鐵蛋白抗病毒作用的主要包括以下幾個方面：

（1）乳鐵蛋白直接結(jié)合病毒顆粒，抑制其對靶細胞的入侵。

（2） 乳鐵蛋白結(jié)合靶細胞表面的病毒受體結(jié)構(gòu)，從而切斷病毒與靶細胞的結(jié)合途徑。

（3）乳鐵蛋白通過抑制病毒進入靶細胞后的病毒自我復制過程，發(fā)揮抗病毒作用。

（4） 乳鐵蛋白屬于非特異性免疫分子的激活劑，可以增強免疫細胞的殺傷作用，提高機體的抗病毒作用，抵抗病毒對人體引起的不良反應[11]。

乳鐵蛋白抗病毒活性的主要作用特點有：①乳鐵蛋白結(jié)合鐵離子的特性與抗病毒作用沒有關(guān)系；②乳鐵蛋白抗病毒活性主要作用于病毒感染的早期階段；③乳鐵蛋白的濃度越強，抑制病毒活性的作用也就越強；④乳鐵蛋白是一種廣譜抗病毒劑，對各種病毒都有不同程度的抑制作用。

3 乳鐵蛋白的多重應用

乳鐵蛋白的廣泛生物學功能決定了其在化妝品、食品、動物生產(chǎn)、醫(yī)療等領(lǐng)域中的應用，可作為抗氧化劑、免疫促進劑、補鐵劑、藥物載體等。

3.1 乳鐵蛋白在化妝品中的應用

乳鐵蛋白是人體內(nèi)一種天然物質(zhì)，具有廣泛的抗菌、抗炎、抑制黑色素和促進膠原蛋白形成等作用，因此可作為有效成分用于化妝品制劑的開發(fā)利用[12]。美白化妝品的開發(fā)利用中，原料在加工過程中具有一定穩(wěn)定性，而乳鐵蛋白具有極高的穩(wěn)定性，可用作原料進行加工制成美白劑。有研究表明，用乳鐵蛋白在動物皮膚模型上做美白功能的鑒定，乳鐵蛋白可以減少黑色素的形成，并且抑制黑色素的能力和乳鐵蛋白的含量成正比例關(guān)系，這表明乳鐵蛋白可以被皮膚吸收，從而起到美白的作用。乳鐵蛋白可以促進人體內(nèi)成骨細胞的膠原蛋白合成，彌補機體由于年齡因素、環(huán)境因素而造成的膠原蛋白的流失，對人體皮膚起到美白的效果[13]。乳鐵蛋白的美白效果顯著，應用化妝品前景廣闊，但是其分子作用機制還有待進一步研究。

3.2 乳鐵蛋白在食品中的應用

目前，市場上含有乳鐵蛋白的產(chǎn)品豐富多樣，包括酸奶、脫脂乳、保健食品和發(fā)酵乳制品等眾多產(chǎn)品。在20世紀末期，日本的乳制品公司就開始生產(chǎn)并銷售含乳鐵蛋白的嬰幼兒配方奶粉，乳鐵蛋白添加到嬰幼兒奶粉中的益處很多，包括促進對鐵的吸收、改善腸道菌群等作用[14]。在臨床和動物試驗中已經(jīng)證實這些含有乳鐵蛋白的產(chǎn)品對健康十分有益。日本、韓國等國家和地區(qū)流行在發(fā)酵乳制品、嬰幼兒食品、大豆蛋白制品、肉品中添加乳鐵蛋白，補充乳鐵蛋白，增強機體的免疫力，預防機體患病毒性感冒、腸道感染等疾病。

3.3 乳鐵蛋白在動物生產(chǎn)中的應用

乳鐵蛋白添加到母豬的飼料中，母豬可以獲得大量的內(nèi)源性乳鐵蛋白，可減少仔豬發(fā)生缺鐵性貧血的概率，提高仔豬的免疫力，促進仔豬的生長。在仔豬的日糧中加入乳鐵蛋白，能夠改善仔豬腸道微生物菌群、防止腸道腹瀉、增強仔豬腸道對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收能力。添加乳鐵蛋白的飼料可以防止飼料被氧化分解，同時增強飼料的營養(yǎng)成分[15]。乳鐵蛋白還具有在飼料高溫加工過程中較好地保持其生理功能的作用，因此能夠用作綠色飼料添加劑應用于動物的飼養(yǎng)。

3.4 乳鐵蛋白與阿爾茨海默癥

乳鐵蛋白不僅調(diào)節(jié)機體鐵代謝，對機體的抗炎和抗氧化也具有重要作用。乳鐵蛋白受體存在于細胞膜表面，分子量在105 kDa左右，常見的靶細胞包括黏膜上皮細胞、肝細胞、單核細胞、巨噬細胞、淋巴細胞等，金黃色葡萄球菌和假單胞菌等細菌。乳鐵蛋白與細菌細胞表面受體結(jié)合，可激活胞內(nèi)相關(guān)信號通路或通過內(nèi)吞作用入核，參與機體免疫和抑菌等功能。有研究證實，乳鐵蛋白受體在帕金森病患者腦的神經(jīng)元和毛細血管內(nèi)皮細胞表達量大，乳鐵蛋白與其結(jié)合抑制朊蛋白的傳播；乳鐵蛋白這種作用提示其對神經(jīng)退行性疾病防治的潛在應用價值[16]。

4 乳鐵蛋白的安全性評價

基于乳鐵蛋白的多種生物學活性，開發(fā)乳鐵蛋白的多重應用最關(guān)鍵的是乳鐵蛋白的安全性，因此許多研究者對乳鐵蛋白的安全性評價進行了一系列研究。這些研究表明，對乳鐵蛋白的物理毒性進行鑒定，乳鐵蛋白對細胞沒有明顯的毒性作用；重組人乳鐵蛋白皮膚變態(tài)反應試驗和皮膚光變態(tài)反應試驗的研究成果表明，受試物未見引起皮膚紅斑、水腫等過敏癥狀反應；重組人乳蛋白對大鼠的致畸效應中，檢查其對胚胎發(fā)育和胎鼠外觀畸形的影響。結(jié)果表明，與對照組差異并無統(tǒng)計學意義，重組人乳蛋白無致畸形。綜上所述，乳鐵蛋白是一種功能多樣、安全性高、對人體有較大益處的鐵糖結(jié)合蛋白。

5 乳鐵蛋白應用前景展望

綜上所述，乳鐵蛋白的抗菌、抗病毒、與鐵結(jié)合能力強等諸多活性受到了社會的廣泛認可，其應用在食品、化妝品、動物生產(chǎn)、醫(yī)療等領(lǐng)域。隨著現(xiàn)代生活水平的提高，人們將目光更多地集中在保健食品，這使乳鐵蛋白的開發(fā)利用成為研究熱點。但目前乳鐵蛋白的提取量較少，需要開發(fā)更高效的工業(yè)生產(chǎn)方法，以獲取乳鐵蛋白。

乳鐵蛋白的氨基酸序列、空間結(jié)構(gòu)及其抗菌、抗病毒的分子機制已被許多研究者報道，其為基因重組系統(tǒng)表達乳鐵蛋白提供了基礎。對乳鐵蛋白安全性的進一步研究，是將乳鐵蛋白應用于其他領(lǐng)域的關(guān)鍵一步。利用基因工程技術(shù)改造乳鐵蛋白，提高乳鐵蛋白的抗氧化、抗菌、抗病毒能力，將其應用在生活中的各個方面，以滿足人們提高生活品質(zhì)的需求，這是應該深入研究的內(nèi)容。