甘露糖的臨床應(yīng)用研究進(jìn)展

許 慧, 申采奕, 秦子健, 高映寧, 王 敏

(1．蘭州大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院，甘肅 蘭州，730000; 2．蘭州大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，甘肅 蘭州，730000)

甘露糖是一種蛋白質(zhì)糖基化單糖，分子式為 C6H12O6。然而，甘露糖是一種較低效的細(xì)胞能量來源，主要參與糖蛋白合成和免疫調(diào)節(jié)。在糖類代謝過程中，甘露糖可在己糖激酶(HK)作用下磷酸化為甘露糖-6-磷酸(M-6-P)。甘露糖與葡萄糖具有相同的轉(zhuǎn)運(yùn)體，并可在體內(nèi)與葡萄糖進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換[1]。甘露糖受體(MR)存在于許多細(xì)胞中，包括巨噬細(xì)胞和樹突狀細(xì)胞。MR可誘導(dǎo)這些細(xì)胞攝取和遞呈抗原[2]。近年來，隨著對(duì)甘露糖體內(nèi)糖代謝途徑和生物學(xué)效應(yīng)研究的不斷深入，發(fā)現(xiàn)甘露糖途徑療法對(duì)各類疾病均有顯著療效。本研究對(duì)近年來甘露糖在腫瘤、抗菌、肥胖、免疫調(diào)節(jié)等方面的研究進(jìn)展及重大發(fā)現(xiàn)進(jìn)行綜述，分析甘露糖靶向治療面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，以期為臨床治療提供新的思路與契機(jī)。

1 甘露糖的抗腫瘤作用

1.1 腫瘤代謝特點(diǎn)

腫瘤細(xì)胞糖代謝方式與正常細(xì)胞有很大不同，即使在氧氣充足的條件下，腫瘤細(xì)胞糖酵解的比率依然遠(yuǎn)高于正常細(xì)胞，糖代謝的異?？梢暈槟[瘤發(fā)生的始動(dòng)因素。正常細(xì)胞中90%的能量通過線粒體氧化磷酸化供給，而腫瘤細(xì)胞中約50%的三磷酸腺苷(ATP)由糖酵解途徑提供，這種氧供充足狀態(tài)下的糖酵解過程被稱為有氧糖酵解[3]。然而，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因尚不明確，主流觀點(diǎn)認(rèn)為一些糖酵解酶的活性或亞型的突變是腫瘤能量代謝異常的關(guān)鍵因素[4]。

由于腫瘤具有高糖吸收、高乳酸生成、有氧糖酵解等特點(diǎn)[5], 以糖代謝為治療靶點(diǎn)成為腫瘤治療的熱點(diǎn)。很多研究[6-8]設(shè)計(jì)癌細(xì)胞葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1(GLUT1)特異性小分子阻斷劑，以減少其攝入葡萄糖的量，從而抑制腫瘤生長(zhǎng)。GONZALEZ P S等[9]研究發(fā)現(xiàn)甘露糖可干擾葡萄糖代謝，減少腫瘤細(xì)胞攝取葡萄糖的量，抑制腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)，并可顯著提高化療敏感性。該研究用5種高濃度的己糖(葡萄糖、甘露糖、巖藻糖、半乳糖、果糖)分別培養(yǎng)腫瘤細(xì)胞，結(jié)果發(fā)現(xiàn)25 mmol/L的甘露糖能顯著抑制腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)。在腫瘤小鼠的飲水中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的甘露糖，并每周用200 μL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的甘露糖水溶液給小鼠灌胃3次，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其體內(nèi)腫瘤的生長(zhǎng)和細(xì)胞的增殖均呈顯著的抑制狀態(tài)。甘露糖與順鉑或阿霉素聯(lián)用時(shí)，能大幅增強(qiáng)化療效果，延長(zhǎng)小鼠生存期。因此，甘露糖療法是一種簡(jiǎn)單、安全的抗癌新路徑。

1.2 作用機(jī)制

1.2.1 干擾葡萄糖代謝: 甘露糖是葡萄糖C-2位的同分異構(gòu)體，均由相同的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白運(yùn)輸進(jìn)細(xì)胞，因此有研究[9]提出甘露糖可能抑制葡萄糖攝取，但液相色譜-質(zhì)譜和同位素標(biāo)記結(jié)果顯示，葡萄糖攝入水平并未下降，而乳酸水平則顯著降低。研究[10]發(fā)現(xiàn)甘露糖被己糖激酶磷酸化為 M-6-P, 甘露糖誘導(dǎo)的 M-6-P較葡萄糖誘導(dǎo)的葡萄糖-6-磷酸(G-6-P)更多，而M-6-P、G-6-P、果糖-6-磷酸(F-6-P)等統(tǒng)稱為磷酸己糖，作為一個(gè)整體參與代謝，任意一種磷酸己糖的增加勢(shì)必會(huì)影響其他磷酸己糖的代謝。M-6-P的大量堆積抑制了葡萄糖代謝相關(guān)的酶如己糖激酶、磷酸葡萄糖異構(gòu)酶(PGI)和葡萄糖-6-磷酸脫氫酶(G-6-PD), 從而影響糖酵解途徑、三羧酸循環(huán)、戊糖磷酸途徑和多糖合成。DALLE VEDOVE E等[11]設(shè)計(jì)出了甘露糖和甘露糖-6-磷酸靶向給藥系統(tǒng)，具有高內(nèi)吞效率和低突變傾向，可在常規(guī)化學(xué)療法或基因療法基礎(chǔ)上直接治療癌細(xì)胞。

1.2.2 增強(qiáng)化療療效: WOJTKOWIAK J W等[12]發(fā)現(xiàn)甘露糖具有顯著降低乳酸生成水平、增高腫瘤細(xì)胞外pH值、減弱藥物抵抗、增強(qiáng)化療療效的作用。更重要的是，甘露糖與化療藥物聯(lián)用后，能增加多聚二磷酸腺苷核糖聚合酶(PARP)的水平，而PARP是半胱天冬酶-3的重要底物，會(huì)引發(fā)細(xì)胞凋亡[13]。目前，有研究[14]利用這一特點(diǎn)，將甲氨蝶呤(MTX)和甘露糖(MAN)共軛，合成一個(gè)分子的MTX-MAN共軛物，該分子可以直接與化療藥物偶聯(lián)成無刺激反應(yīng)的無載體納米顆粒(MTX-MAN NPs), 成為腫瘤化療的新型替代療法。

MR可誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞和樹突狀細(xì)胞攝取和遞呈抗原。研究[15]分析了胃癌患者M(jìn)R表達(dá)與臨床病理特征的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)MR的高表達(dá)與胃癌大小、TMN分期及國(guó)際癌癥控制聯(lián)合(UICC)分期密切相關(guān)(P<0.05), 高表達(dá)提示癌癥患者預(yù)后不良。有多項(xiàng)研究[16-18]利用MR開發(fā)出了靶向給藥系統(tǒng)，在納米藥物上進(jìn)行甘露糖修飾，從而靶向激活巨噬細(xì)胞或樹突狀細(xì)胞免疫應(yīng)答，可克服癌癥治療中對(duì)腫瘤細(xì)胞缺乏選擇性和對(duì)健康組織的細(xì)胞毒性等問題，并實(shí)現(xiàn)對(duì)特定細(xì)胞群的靶向輸送，以增強(qiáng)傳統(tǒng)藥物的藥代動(dòng)力學(xué)和藥效學(xué)特征。

1.3 臨床應(yīng)用前景

目前研究發(fā)現(xiàn)，甘露糖對(duì)胰腺癌[19]、皮膚癌、肺癌[20]、結(jié)直腸癌[21]、胃癌等癌癥治療有效，但對(duì)甘露糖抗腫瘤的研究也僅停留在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)階段，臨床試驗(yàn)前仍需要在實(shí)驗(yàn)室中開展更多的研究，包括在其他癌癥類型的小鼠中分析甘露糖的作用。對(duì)于患者而言，用甘露糖直接治療腫瘤的可能性不大，更多的可能是將甘露糖作為現(xiàn)有療法的補(bǔ)充，而甘露糖的有效劑量尚待進(jìn)一步闡明。

2 甘露糖的抗菌作用

2.1 應(yīng)用范圍

目前主要的研究方向是甘露糖預(yù)防尿路感染(UTIs)。大多數(shù)尿路感染是由尿路致病性大腸桿菌(UPEC)引起的, UPEC在尿路上皮細(xì)胞定植，導(dǎo)致 UTIs[22]。即便UTIs的抗生素治療效果肯定，但仍有30%～50%的患者出現(xiàn)復(fù)發(fā)性尿路感染。

2.2 作用機(jī)制

SPAULDING C N等[23]發(fā)現(xiàn)UPEC通過Ⅰ型菌毛黏附素FimH蛋白與膀胱上皮細(xì)胞表面甘露糖結(jié)合而不易被尿液沖走，他們改良甘露糖得到甘露糖苷(M4284), 其與FimH蛋白的親和力比甘露糖高10萬倍，但又不會(huì)附著于膀胱表面，可隨尿液將大腸桿菌排出體外。RUSSO E等[24]將40例絕經(jīng)后婦女隨機(jī)平均分配到試驗(yàn)組和對(duì)照組，試驗(yàn)組陰道前壁縫合術(shù)后每日服用2次含有蔓越莓、D-甘露糖和抗炎因子的補(bǔ)品，持續(xù)2周，而對(duì)照組僅接受手術(shù)治療。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，口服補(bǔ)品改善了絕經(jīng)后婦女陰道前壁縫合術(shù)后 UTIs。MILANDRI R等[25]評(píng)價(jià)了甘露糖、木槿、植物乳桿菌對(duì)尿動(dòng)力學(xué)檢查后尿路感染的治療作用，該研究給予100例尿路感染的成年婦女D-甘露糖、木槿花和植物乳桿菌治療，治療14 d后，只有13%的患者尿培養(yǎng)仍然能觀察到尿路感染。GENOVESE C等[26]將72例患有單純性膀胱炎的成年女性分為3組，接受了D-甘露糖聯(lián)合3種植物提取物的組合治療。12周后，通過尿液樣品的微生物學(xué)評(píng)估與基線測(cè)量值比較，發(fā)現(xiàn)聯(lián)合治療組患者在治療和隨訪期間復(fù)發(fā)性膀胱炎發(fā)生率較低。上述研究表明甘露糖聯(lián)合其他藥物可有效治療尿路感染，能在清除致病菌的同時(shí)保持其他微生物群落的完整性。

2.3 臨床應(yīng)用前景

研究人員將甘露糖苷稱為“分子手術(shù)刀”，其能夠特異性地清除靶細(xì)菌，同時(shí)保持正常菌群的完好，與抗生素治療后觀察到的很多細(xì)菌物種豐度發(fā)生大規(guī)模變化形成鮮明的對(duì)比。鑒于甘露糖苷不是抗生素，其可以用于治療抗生素耐藥性菌株導(dǎo)致的UTIs。同時(shí)，根據(jù)其作用機(jī)制，甘露糖苷可治療含有相同菌毛的不同種細(xì)菌菌株感染。目前，馮峰[27]研制出甘露糖類似物抗生素，以期用于臨床治療尿路感染。然而，小鼠和人類的尿路結(jié)構(gòu)和生活方式存在差異，通過減少尿道中致病菌數(shù)量來降低尿路感染發(fā)生率這一想法是否可行仍需進(jìn)一步的人體研究來驗(yàn)證。

3 甘露糖與肥胖改善

3.1 作用機(jī)制

甘露糖是哺乳動(dòng)物蛋白質(zhì)糖基化的重要單糖，但其實(shí)是一種低效的細(xì)胞能量來源。 SHARMA V等[28]通過C57BL6/J小鼠的飲食誘導(dǎo)應(yīng)激模型證明了高脂飲食喂養(yǎng)的小鼠經(jīng)補(bǔ)充甘露糖可防止體質(zhì)量增加，減輕肥胖及肝臟脂肪變性，增加耐力和最大耗氧量，并改善葡萄糖耐量。補(bǔ)充甘露糖的小鼠糞便能量較高，表明宿主對(duì)熱量的吸收減少，更傾向于將能量排泄。此外，甘露糖可增加腸道菌群中擬桿菌與硬壁菌的比率，這是與瘦型表型相關(guān)的特征。其他研究[29-31]也發(fā)現(xiàn)了肥胖小鼠或人類腸道中擬桿菌與硬壁菌比率存在類似的變化。YAN S K等[32]對(duì)3個(gè)月大的ICR雄性小鼠飼喂高脂和高果糖飲食8周，而后飲食誘導(dǎo)的肥胖小鼠口服甘露寡糖 (MOS) 100、200 mg/(kg·d)4周。結(jié)果顯示，MOS可顯著減輕肥胖小鼠的體質(zhì)量增加、胰島素抵抗、脂肪肝和炎癥反應(yīng)。MOS還能刺激脂肪分解并抑制脂肪組織中的脂肪形成[33]。此外, MOS可通過增強(qiáng)雙歧桿菌和乳桿菌的豐度來重組腸道微生物組[6]。

3.2 臨床應(yīng)用前景

甘露糖能防止體質(zhì)量增加，改善肥胖，減輕肝臟脂肪變性，增加耐力和最大耗氧量，并改善葡萄糖耐量，是體質(zhì)量管理和腸道健康改善的潛在營(yíng)養(yǎng)保健品。腸道微生物參與甘露糖改善肥胖的過程，其在新陳代謝中起著重要的作用，但具體作用機(jī)制仍待進(jìn)一步探討。

4 甘露糖與糖尿病治療

4.1 應(yīng)用范圍

1型糖尿病(T1DM)是一種慢性器官特異性自身免疫疾病，通常認(rèn)為 T1DM是由多種原因?qū)е乱葝uβ細(xì)胞破壞[34], 自身胰島素分泌絕對(duì)缺乏，屬于胰島素依賴性糖尿病。ZHANG D F等[35]建立了調(diào)節(jié)性T細(xì)胞(Treg)缺陷的T1DM小鼠模型，在飲用水中加入甘露糖，發(fā)現(xiàn)小鼠血糖可控制在正常水平。研究[36-37]發(fā)現(xiàn)甘露糖能夠通過調(diào)節(jié)腸道菌群、增強(qiáng)二甲雙胍的降血糖作用來治療2型糖尿病(T2DM)。

4.2 作用機(jī)制

ZHANG D F等[35]建立了Treg缺陷的T1DM小鼠模型，即青少年型糖尿病小鼠模型，這種小鼠自身不能產(chǎn)生足夠的胰島素，到一定年齡后就會(huì)因血糖過高而罹患T1DM; 當(dāng)小鼠發(fā)育至7.5周齡時(shí)，在飲用水中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的甘露糖，此時(shí)小鼠血糖水平正常; 不補(bǔ)充甘露糖的對(duì)照組小鼠在23周后有80%～90%發(fā)展為糖尿病鼠，而實(shí)驗(yàn)組只有不到10%的小鼠罹患糖尿病。結(jié)果顯示，實(shí)驗(yàn)組應(yīng)用甘露糖激活了Treg細(xì)胞，抑制了小鼠體內(nèi)胰島炎癥，但增加了胰島細(xì)胞的數(shù)量。甘露糖誘導(dǎo)T細(xì)胞分化為 Treg細(xì)胞，從而減少對(duì)免疫細(xì)胞的損害，為自身免疫性疾病的治療提供了新的途徑。馬姝月[38]將非肥胖型糖尿病(NOD)小鼠分為2組，對(duì)照組正常飲水，實(shí)驗(yàn)組飲甘露糖溶液，結(jié)果發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)組NOD小鼠胰腺組織胰島淋巴細(xì)胞浸潤(rùn)明顯減少，胰島炎癥明顯減輕。史湘鈴等[39]發(fā)現(xiàn)甘露糖可通過改善GLUT4 mRNA表達(dá)水平增加外周細(xì)胞對(duì)葡萄糖的攝取。

肥胖和高脂飲食誘發(fā)的 T2DM與腸道菌群失調(diào)明顯相關(guān)。由于二甲雙胍的一線臨床應(yīng)用具有許多缺陷，因此 ZHENG J L等[40]構(gòu)思并實(shí)施了二甲雙胍與MOS的組合使用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)二甲雙胍聯(lián)合MOS通過降低理研菌科和梭狀芽胞桿菌的相對(duì)豐度改變腸道菌群的組成和結(jié)構(gòu)。 MOS通過調(diào)節(jié)腸道菌群增強(qiáng)二甲雙胍的降血糖作用。

4.3 臨床應(yīng)用前景

目前的研究揭示了甘露糖對(duì)T細(xì)胞的調(diào)節(jié)機(jī)制，為今后利用高劑量甘露糖治療人類糖尿病等自身免疫性疾病提供了理論和動(dòng)物試驗(yàn)依據(jù)。但此項(xiàng)研究?jī)H處于動(dòng)物試驗(yàn)階段，對(duì)人體是否有相同的效果仍需臨床驗(yàn)證。

5 展 望

甘露糖在生物體內(nèi)起著重要的生理作用，通過不同手段對(duì)甘露糖代謝進(jìn)行調(diào)節(jié)和干預(yù)，可以達(dá)到對(duì)相應(yīng)疾病的干預(yù)和治療的目的，例如抑制腫瘤細(xì)胞的增殖、提高癌細(xì)胞對(duì)化療的敏感性、作為特異性靶點(diǎn)接受藥物、治療大腸桿菌引起的尿路感染、用于肥胖癥治療以及作為免疫調(diào)節(jié)劑治療T1DM。此外，甘露糖還能作為輔助藥物增強(qiáng)二甲雙胍的降血糖作用，從而更高效地治療T2DM。但是，目前甘露糖的研究還停留在實(shí)驗(yàn)階段，在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用也存在諸多問題，如在甘露糖與化療聯(lián)合治療癌癥中的有效劑量尚不清楚; 甘露糖治療尿路感染的副作用仍不明確; 該治療方案的生物安全性有待進(jìn)一步研究。相信隨著對(duì)甘露糖作用機(jī)制的進(jìn)一步深入研究及人體實(shí)驗(yàn)的開展，其在未來各類疾病的臨床治療中可以發(fā)揮更積極的作用。