劉 露,侯怡鈴,王 梅,趙大群,譚春梅,劉興麗,侯萬儒,丁 祥*
(1.西華師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,西南野生動植物資源保護教育部重點實驗室,四川 南充 637009;2.南充市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院 國家甘薯改良中心南充分中心,四川 南充637001)
紅薯是旋花科一年生的草本植物[1]。紅薯為我國主要的糧食,有食用、飼養(yǎng)等多種用途?!澳鲜?8”[2]是四川省南充市農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘薯研究所在1980年用晉專7號作母本,美國紅作父本進行有性雜交后培育選擇而成的品種。該品種在1988年3月通過四川省品種委員會審定,1991年通過國家審定,1992年獲得國家科技進步一等獎?!澳鲜?8”自育成以來,因其產(chǎn)量高、適應(yīng)性廣、熟食品質(zhì)優(yōu)而受到廣大農(nóng)戶的喜愛,并長期作為國家區(qū)試驗對照種,在長江中下游薯區(qū)覆蓋率一度超過70%。
多糖又稱多聚糖(polysaccharide),是由至少十個單糖通過糖苷鍵聚合組成的聚合物。多糖在藥理學(xué)和生理學(xué)等方面起著不同的作用,它們作為細胞壁與環(huán)境之間的屏障,具有介導(dǎo)宿主-病原物相互作用,形成生物膜結(jié)構(gòu)的功能。近年來,由于活性多糖具有免疫調(diào)節(jié)、抗腫瘤、抗病毒、抗氧化及降血糖[3]的功能而廣泛受到關(guān)注。同時活性多糖能夠多途徑、多環(huán)節(jié)、多靶點的調(diào)控免疫系統(tǒng),激活免疫細胞并活化補體,促進生成細胞因子。植物多糖分布范圍廣,原料來源簡便,在醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、食品等領(lǐng)域具有獨特的作用[4-5]。
本研究以南充市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院專利品種“南薯88”為對象,運用熱水浸提技術(shù)、柱層析技術(shù)分離純化“南薯 88”多糖(N88P-1),通過紅外光譜技術(shù)(IR),高效凝膠滲透色譜(HPGPC),高效液相色譜色譜(HPLC)和核磁共振譜(1H NMR和13C NMR)等對“南薯88”多糖(N88P-1)進行結(jié)構(gòu)鑒定;并對“南薯88”多糖(N88P-1)的抗氧化活性和免疫調(diào)控能力做了初步探究。為進一步研究“南薯88”多糖(N88P-1)的藥理作用、構(gòu)效關(guān)系和更為廣泛的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。
1.1.1 主要材料“南薯88”莖葉由四川省南充市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院提供;無水乙醇購買于安徽安特生物化學(xué)有限公司;氯化鈉購于成都市科龍化工試劑廠;DEAE纖維素購于生興生物技術(shù)(南京)有限公司;葡萄糖,果糖,阿拉伯糖,甘露糖,半乳糖,木糖;ABTS溶液(本實驗室提供);DPPH溶液(本實驗室提供);cell counting kit(CCK-8 細胞計數(shù)試劑盒)購買于上海碧云天生物技術(shù)研究所,PBS緩沖液(本實驗室提供);RPMI1640培養(yǎng)基,無酚紅,購于gibco公司;0.5%Trypsin-EDTA購于gibco公司;胎牛血清購于Clark Bioscience,實驗藥品均為分析純。
1.1.2 主要實驗儀器小鼠巨噬細胞RAW264.7、B淋巴細胞、T淋巴細胞購買于中國科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院生物化學(xué)與細胞生物學(xué)研究所;CO2恒溫培養(yǎng)箱;超凈工作臺;紫外分光光度計;電子天平;96孔微量培養(yǎng)板;徠卡倒置顯微鏡;臺式低溫高速離心機;Epoch酶標(biāo)儀;旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器;電熱恒溫水浴鍋;高效液相色譜儀;徠卡DMI 3000倒置熒光顯微鏡。
1.2.1 “南薯88”多糖(N88P-1)的提取稱取烘干后的南薯88莖葉300 g,剪成小段再放于粉碎機中粉碎;以料液比1∶3的比例在水浴鍋90℃蒸餾水中煮6 h,煮3次[6];收集上清液,旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮至200 mL,加入4倍體積無水乙醇[7],用玻璃棒攪拌有絮狀沉淀產(chǎn)生,離心收集沉淀,烘干后得到“南薯88”多糖(N88P-1)的粗多糖[8]。
1.2.2 “南薯88”多糖(N88P-1)的分離純化使用DEAE cellulose-52 色譜柱[9](2 cm×60 cm),自然沉降柱填料。精密稱取“南薯88”多糖(N88P-1)的粗多糖5 g,溶解于5 mL蒸餾水中,離心后的上清液加入 DEAE cellulose-52 色譜柱 (2 cm×60 cm),配制 不 同 濃 度 的 NaCl 溶 液 (0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mol/L)作為流動洗脫相,流速2 mL/min,每管收集5 mL的洗脫液于試管中,采用硫酸苯酚法[10],在490 nm波長下測定吸光度值,橫坐標(biāo)為管數(shù),縱坐標(biāo)為吸光度值做洗脫曲線圖。并將收集的“南薯88”多糖命名為N88P-1。
1.2.3 N88P-1的分子量測定稱取5 mg N88P-1樣品用1 mL蒸餾水溶解,超聲5 min。用高效凝膠滲透色譜法(HPGPC)測定N88P-1的分子量。測得的數(shù)據(jù)用GPC軟件與葡聚糖制備標(biāo)準曲線對照得到分子量[11-12]。
1.2.4 N88P-1的紅外譜分析稱取N88P-1樣品5 mg,在研缽中與KBr粉末一起研細后壓片,在傅里葉紅外光譜儀4 000 cm-1~400 cm-1[13]的范圍內(nèi)掃描。
1.2.5 N88P-1的核磁共振分析稱取N88P-1樣品20 mg溶解于D2O中,常溫下在核磁共振儀上測定,400 MHz測1H NMR譜,150 MHz測13C NMR譜[14]。
1.2.6 N88P-1的水解稱取N88P-1 20 mg到安瓿瓶,加入2 mol/L的TFA溶液[15]5 mL,110℃完全密封水解6 h,離心除殘渣,烘干,用蒸餾水洗3次除去三氟乙酸,然后再加幾滴甲醇,烘干后用水溶解,得到完全酸水解產(chǎn)物,保存?zhèn)溆谩?/p>
1.2.7 N88P-1的單糖組成分析N88P-1經(jīng)過三氟乙酸水解后得到完全酸水解產(chǎn)物,通過高效液相色譜儀[16]對N88P-1進行單糖組成分析。 色譜條件為:4.6 mm×250 mm,5 μm 色譜柱; 柱溫:25 ℃;流動相:75% 乙腈;流速:1.4 mL/min;RID檢測器溫度:35 ℃;進樣量:5 μL。
1.2.8 N88P-1對ABTS+自由基清除能力的測定將N88P-1樣品用蒸餾水配制成濃度梯度(0.5、1、2、3、4、5、10 mg/mL), 取配制好的各濃度溶液 2 mL于試管,分別加入2 mL ABTS+自由基工作液,振蕩混合,室溫放置20 min,測定吸光度值A(chǔ)1;同時取配制好的各濃度溶液2 mL,分別加入2 mL蒸餾水,測得734 nm處的吸光度值A(chǔ)2;再測定734 nm處2 mL蒸餾水與2 mL ABTS+自由基工作液的吸光值,記為A0。重復(fù)測三次,陽性對照組為VC。ABTS+自由基清除能力 =[1-(A1-A2)/A0]×100%[17]。
1.2.9 N88P-1對DPPH-自由基清除能力的測定將N88P-1樣品用蒸餾水配制成濃度梯度(0.5、1、2、3、4、5、10 mg/mL),取配制好的各濃度溶液 2 mL,加入2.0 mL 0.2 mmol/L DPPH-溶液[18-19],測定517 nm處的吸光度值A(chǔ)1;同時測定2 mL樣品溶液與2 mL水在517 nm處的吸光度值A(chǔ)2;在517 nm處測定水和DPPH-溶液的吸光度值A(chǔ)0。重復(fù)測3次,陽性對照組為VC。
DPPH-清除能力 =[(A1-A2)/A0]×100%。
1.2.10 N88P-1對T、B細胞和RAW264.7細胞的增殖作用用細胞計數(shù)試劑盒 CCK-8[20](cell counting kit) 法測定 N88P-1對 T、B細胞和RAW264.7細胞的增殖實驗中的細胞數(shù)。用培養(yǎng)液溶解N88P-1多糖,用0.22 μm濾器除菌儲存?zhèn)溆?,用時用培養(yǎng)液逐級稀釋(2.5、5、10、20、40、80 μg/mL)。取對數(shù)生長期的T、B細胞和RAW264.7細胞,更換新鮮的培養(yǎng)液,并用培養(yǎng)液稀釋至2×105細胞/mL,將PBS緩沖液加入96孔板的四周,保持無菌的水環(huán)境,再在其余的孔加入100 μL細胞稀釋液。在37℃、5%CO2的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h后,依次加入100 μL細胞培養(yǎng)液 (空白對照)、LPS(終質(zhì)量濃度10 μg/mL,陽性對照)以及不同濃度的N88P-1溶液,在37℃、5%CO2的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h。每孔加入CCK-8溶液5 μL繼續(xù)培養(yǎng)3 h,測定450 nm下吸光值,記錄結(jié)果。繪制以濃度為橫坐標(biāo),吸光值為縱坐標(biāo)的曲線,并拍照。
1.2.11 統(tǒng)計與分析所有數(shù)據(jù)均用mean±SD表示,用t-test檢驗差異的顯著性,與對照組對比顯著用 * 表示,P<0.05,極顯著用 ** 表示,P<0.01。
DEAE cellulose-52纖維素柱填料為陰離子交換劑,是一種顆粒大小為50 μm的高度交聯(lián)纖維素。多用于分離提純多糖、核苷酸等生物大分子。多糖在硫酸的作用下先水解成單糖,并迅速脫水生成糖醛衍生物,然后與苯酚生成橙黃色化合物,再以比色法測定。本研究采用DEAE cellulose-52色譜柱,用不同濃度的 NaCl溶液(0 mol/L、0.1 mol/L、0.2 mol/L、0.3 mol/L、0.4 mol/L、0.5 mol/L)作為流動洗脫相,采用硫酸苯酚法在490 nm測定多糖的吸光度值,洗脫曲線如圖1所示,用0.1 mol/LNaCl洗脫時出現(xiàn)一個較大的洗脫峰,合并0.1 mol/L NaCl段中第4~8管中的多糖溶液,濃縮干燥后得到淡黃色無定型粉末,即“南薯 88”多糖(N88P-1)。
本研究采用高效凝膠滲透色譜法 (HPGPC)測定N88P-1的分子量。結(jié)果顯示(見圖2),在14 min左右出現(xiàn)單一峰,曲線呈對稱分布的鐘罩型曲線,提示N88P-1是單一多糖成分,無其他雜質(zhì)。同時,測得的N88P-1的重均分子量為14 328 D,數(shù)均分子量為4 707 D,峰值分子量為7 199 D,多分散系數(shù)為 3.04(見圖 3)。
圖1 N88P-1的DEAE cellulose-52纖維素柱層析洗脫曲線Fig.1 Chromatogram of N88P-1 on a DEAE cellulose-52 column
圖2 N88P-1的高效凝膠滲透色譜Fig.2 High performance gel permeation chromatogram of N88P-1
圖3 N88P-1的分子量Fig.3 Molecular weight of N88P-1
傅里葉紅外光技術(shù)(FTIR)是對多糖的酯化度進行定量分析的方法,操作簡單,重現(xiàn)性好。本研究采用傅里葉紅外光技術(shù)在4 000~460 cm-1范圍內(nèi)測定N88P-1的紅外吸收。數(shù)據(jù)如圖4所示,3 444.81 cm-1出現(xiàn)的一處寬吸收峰寬吸收峰指定為O-H的伸縮振動峰,這說明N88P-1存在分子內(nèi)或分子間氫鍵;1 640.20 cm-1指定為C=O的伸縮振動峰;1 401.27 cm-1附近的吸收峰是由 C-H的變角振動引起。以上顯示了多糖在1 400~4 000 cm-1范圍內(nèi)的特征吸收峰。在指紋峰區(qū)域范圍內(nèi)950~1 250 cm-1的一組峰是2種C-O的伸縮振動引起的,1種是C-O-C的振動峰,另1種是C-O-H的吸收峰(N88P-1的吸收峰在1 102.25 cm-1和1 041.70 cm-1處)。該結(jié)果進一步證明此物質(zhì)為多糖結(jié)構(gòu),特征峰明顯,且成分單一,無其他結(jié)構(gòu)特征峰,應(yīng)為純品多糖。
圖4 N88P-1的紅外分析Fig.4 Fourier transform infrared spectra of N88P-1
N88P-1的1H-NMR譜如圖5所示,結(jié)果顯示N88P-1雜質(zhì)含量較少。在δ 4.93~δ 4.86存在單糖異頭氫信號。 δ 3.19~δ 4.39為各單糖中2-6位碳上的氫信號峰的重疊,其中 δ 3.18~δ 3.30可指示為單糖亞甲基上的氫信號。 δ 4.08~δ 4.39可指示為單糖3位碳上的氫信號。δ 4.67則指示為溶劑重水的氫信號。
圖5 N88P-1的1H NMR譜數(shù)據(jù)Fig.5 1H NMR spectra of N88P-1
采用高效液相色譜法(HPLC)測定多糖的單糖組成,此方法操作簡單,靈敏度高,反應(yīng)條件溫和。本研究通過三氟乙酸(TFA)得到N88P-1的完全酸水解產(chǎn)物,采用高效液相色譜法得到高效液相色譜,再對比各種單糖的出峰時間分析N88P-1的單糖組成。結(jié)果顯示,在保留時間為7.294 min及7.955 min處有兩處明顯的吸收峰 (圖7),與單糖(包括葡萄糖,甘露糖,果糖等)的高效液相圖譜(圖6)對比發(fā)現(xiàn),該兩處吸收峰分別與甘露糖(保留時間為7.386 min)和半乳糖(保留時間為8.014 min)的吸收峰吻合。提示N88P-1由甘露糖和半乳糖兩種單糖組成,同時吸收峰峰面積比值提示甘露糖和半乳糖兩種單糖比例為1∶1。
圖6 高效液相圖譜Fig.6 Analysis of standard monosaccharides by HPLC
圖7 高效液相色譜法測定N88P-1的單糖組分分析Fig.7 Component monosaccharides analysis of N88P-1 by HPLC
適當(dāng)?shù)难趸瘎笰BTS氧化為綠色,如果存在抗氧化物,就會抑制綠色產(chǎn)物的生成??寡趸锏臐舛炔煌瑫斐葾BTS的產(chǎn)物顏色改變,抗氧化物越強則產(chǎn)物的顏色越淺,并在734 nm的波長下測定吸光度值,計算總抗氧化能力。如圖8所示,在一定濃度的范圍內(nèi),N88P-1對ABTS自由基的清除率和N88P-1濃度有一定的量效關(guān)系,ABTS自由基的清除率隨著N88P-1濃度的增加而逐步增加。在低濃度(<2 mg/mL)時,提高N88P-1濃度,清除率增加明顯;同時其IC50值為0.48 mg/mL。當(dāng)N88P-1的濃度為3 mg/mL時,清除率可達到最大值。其后再增加N88P-1的濃度,對ABTS的清除率提高不大。值得注意的是,低濃度的VC對ABTS自由基的清除作用強于N88P-1,但隨著濃度的增大N88P-1和維生素C清除能力接近。
圖8 N88P-1對ABTS自由基的清除能力Fig.8 ABTS radical cation scavenging activity of N88P-1
DPPH溶液是一種在517 nm波長處有一個特征吸收峰,為紫色的一種化合物。適當(dāng)?shù)淖杂苫宄齽cDPPH自由基反應(yīng)導(dǎo)致反應(yīng)顏色變淺,517 nm處測定的吸光度值也會變小,所以判定DPPH自由基的清除效果可以通過測定吸光度。本實驗研究N88P-1對DPPH自由基的清除能力結(jié)果如圖9所示,在低濃度的范圍內(nèi),N88P-1對DPPH自由基的清除率與濃度呈正相關(guān),IC50值為0.96 mg/mL,其中,N88P-1對DPPH自由基清除的最適濃度為3 mg/mL。
圖9 N88P-1對DPPH自由基的清除能力Fig.9 Scavenging effect of N88P-1 on 1,1-dipheyl-2-picrydrazyl radicals
T淋巴細胞簡稱T細胞,由骨髓中的造血干細胞遷移到胸腺內(nèi)分化成熟,成為具有免疫活性的T細胞。成熟的T細胞能與靶細胞特異性結(jié)合,直接殺傷靶細胞,或釋放淋巴因子,使得免疫效應(yīng)增強,主要參與機體的細胞免疫。T增殖效果如圖10所示,對照組為濃度為10 μg/mL的LPS。N88P-1在2.5~80 μg/mL的濃度范圍內(nèi),與T細胞增殖效果呈正相關(guān);N88P-1 濃度為 5~10 μg/mL 時,T 細胞增殖效果顯著(P<0.05),在濃度為 20~80 μg/mL 時,T 細胞增殖效果為極顯著(P<0.01);當(dāng)N88P-1濃度在40 μg/mL 時達到最大值(P<0.01),繼續(xù)增大濃度,細胞受到周圍環(huán)境的影響導(dǎo)致細胞增殖效果反而下降。
T細胞的增殖形態(tài)如圖11所示。 隨著N88P-1濃度的增大,細胞加速分裂,變大成團。在用40 μg/mL的N88P-1濃度刺激時,細胞成團最多且最大。
圖10 N88P-1對T細胞增殖的影響Fig.10 Effect of N88P-1 on the cell proliferation of T cell
圖11 N88P-1對T細胞形態(tài)的影響Fig.11 Effect the cell morphology of T cell by N88P-1
B淋巴細胞來源于骨髓的多能干細胞,能夠分泌抗體,是體液免疫的主要介質(zhì)。B細胞的增值效果如圖12所示,對照組為10 μg/mL的LPS。N88P-1在濃度為2.5~10 μg/mL時,增殖效果顯著;在濃度為20~80 μg/mL的時,增殖效果達到極顯著 (P<0.01);在40 μg/mL的濃度增殖效果亦為最好。 從形態(tài)上看,B細胞呈規(guī)則的圓形,明顯的集簇生長。本研究的B細胞增殖形態(tài)如圖13所示,B細胞懸浮在培養(yǎng)孔中,生長狀態(tài)良好,受到N88P-1刺激后,細胞體積變大后聚成團,增殖能力旺盛。
激活巨噬細胞后能在抵御感染和抗腫瘤方面發(fā)揮著重要作用。本研究采用CCK-8法檢測巨噬細胞增殖效果如圖14所示,N88P-1濃度為2.5 μg/mL時,增殖并不顯著;濃度為5 μg/mL時增殖效果顯著(P<0.05);N88P-1 濃度繼續(xù)增加為 10~40 μg/mL時,N88P-1對巨噬細胞增殖效果為極顯著 (P<0.01);但是,當(dāng)N88P-1濃度為80 μg/mL時,增殖效果反而降低為顯著(P<0.05)。
圖12 N88P-1對B細胞增殖的影響Fig.12 Effect of N88P-1 on the cell proliferation of B cell
巨噬細胞體積大,有偽足且有馬蹄狀單核,在細胞板中培養(yǎng)的時候易于沉降和貼壁。本研究巨噬細胞增殖形態(tài)如圖15所示。在N88P-1的刺激下,巨噬細胞伸出偽足,進行分裂;在圖15中可以看出,空白組的巨噬細胞多呈圓形;而N88P-1實驗組的巨噬細胞伸出偽足,只有少量的圓形細胞,提示N88P-1能有效的促進巨噬細胞的增殖作用。
圖13 N88P-1對B細胞形態(tài)的影響Fig.13 Effect the cell morphology of B cell by N88P-1
圖14 N88P-1對巨噬細胞增殖的影響Fig.14 Effect of N88P-1 on the cell proliferation of RAW264.7 cell
蛋白質(zhì)、核酸與多糖共同構(gòu)成人體內(nèi)三大物質(zhì)。蛋白質(zhì)與核酸的發(fā)展較為成熟,相比之下的多糖因復(fù)雜性和多樣性而發(fā)展較晚,因此,對多糖結(jié)構(gòu)鑒定都提出了巨大挑戰(zhàn)。本研究以南充市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院專利品種“南薯88”為對象,用熱水浸提法,DEAE-cellulose column進行柱層析分離純化后得到多糖純品(N88P-1)。分別進行高效凝膠滲透色譜(HPGPC),紅外光譜技術(shù)(IR)和核磁共振技術(shù)(NMR)等現(xiàn)代化技術(shù)對N88P-1進行了初步的結(jié)構(gòu)分析;結(jié)果顯示,N88P-1由半乳糖和甘露糖組成,且比例為1∶1。這是首次確定“南薯88”多糖(N88P-1)的單糖類型和含量,為進一步確定“南薯88”多糖(N88P-1)的精細結(jié)構(gòu)提供了很好的基礎(chǔ)。
圖15 N88P-1對巨噬細胞形態(tài)的影響Fig.15 Effect the cell morphology of RAW264.7 cell by N88P-1
活性氧產(chǎn)生于細胞或組織的正常生理代謝等過程,活性氧能夠?qū)Φ鞍踪|(zhì)、核酸等生物大分子產(chǎn)生損傷。本研究采用ABTS+和DPPH-檢測N88P-1的總抗氧化能力。結(jié)果顯示,一定范圍內(nèi)的N88P-1濃度具有清除ABTS+自由基的能力,且對ABTS自由基的清除能力強于對DPPH自由基的清除能力。當(dāng)N88P-1的質(zhì)量濃度為3 mg/mL時,對ABTS+和DPPH-自由基的清除能力均達到最高值。DPPH作為一種穩(wěn)定的自由基,可以捕獲其他的自由基。而N88P-1是一種高分子化合物,隨著質(zhì)量濃度的增加,糖鏈相互纏繞,很難與DPPH自由基反應(yīng),因此可能導(dǎo)致DPPH自由基清除率降低。
免疫細胞中T細胞、B細胞和巨噬細胞在人體免疫系統(tǒng)中起著非常重要的作用。本研究分別用N88P-1激活T細胞、B細胞、巨噬細胞的增殖來調(diào)控免疫活性。N88P-1在20~80 mg/mL的質(zhì)量濃度下,對B細胞和T細胞增殖效果為極顯著 (P<0.01);在10~40 mg/mL的質(zhì)量濃度下,對巨噬細胞增殖效果為極顯著(P<0.01),提示N88P-1對巨噬細胞的增殖作用強于對T淋巴細胞核B淋巴細胞的增殖作用。但值得注意的是,N88P-1在40 mg/mL的質(zhì)量濃度下對3種免疫細胞的增殖效果均達到最佳。
綜上,“南薯88”多糖(N88P-1)作為一類生物大分子,對不同類型自由基具有不同的清除效率,且對不同的免疫細胞具有不同的增殖效果,可以作為一種天然來源的抗氧化劑及免疫調(diào)控劑資源。但是關(guān)于“南薯88”多糖(N88P-1)的精細結(jié)構(gòu)及抗氧化作用和免疫調(diào)控作用的相關(guān)分子機制還有待于進一步研究。