周煒清,李 娟,那向明,燕星燃,李 桐,馬光輝,2
(1.中國科學院過程工程研究所生化工程國家重點實驗室,北京 100190;2.中國科學院過程工程研究所生物藥制備與遞送重點實驗室(中國科學院),北京 100190;3.中國科學院大學化工學院,北京 101408)
我國是世界上魔芋栽培面積和產(chǎn)量最大的國家,魔芋的種植面積達13.53萬公頃,每年生產(chǎn)魔芋260萬t,加工魔芋粉產(chǎn)量約2萬t,占世界總產(chǎn)量的三分之二[1]。自20 世紀80 年代以來,受到地方政府開發(fā)特色產(chǎn)業(yè)的重視,種植量逐年上升,資源優(yōu)勢明顯。魔芋葡甘聚糖(konjac glucomannan,KGM)提取自魔芋根莖,自1994年美國和歐洲相繼立法批準魔芋葡甘聚糖為健康食品及食品添加劑以來,國際市場對魔芋需求量逐年增加,美國和歐洲等國家加強了對魔芋及其精粉研究,魔芋產(chǎn)品的加工工藝及加工設備處于國際領先水平,他們不僅充分開發(fā)本國的資源,還從國外進口原料,其中94%原料從中國進口。相對而言,我國只重視魔芋精粉帶來的經(jīng)濟效益而輕視魔芋產(chǎn)品的深度開發(fā),所以魔芋及制品目前仍主要用于食品、食品添加劑或者保鮮劑,處于初級加工階段,利潤微薄。因此,基于魔芋粉開發(fā)新的具有高附加值的工業(yè)用途是當前魔芋產(chǎn)業(yè)發(fā)展必須重視的問題和發(fā)展方向。在我國,魔芋種植區(qū)主要分布在湖北、湖南、四川、重慶、云南、貴州和陜西等地區(qū)的海拔700~2 300 m的山地和丘陵地區(qū),這些地區(qū)恰恰是經(jīng)濟和交通不發(fā)達的地區(qū)。因此,開發(fā)魔芋高附加值產(chǎn)品,發(fā)展特色產(chǎn)業(yè),對于帶動當?shù)剞r(nóng)民致富,振興鄉(xiāng)村經(jīng)濟也具有重要的作用。
當前,生命科學已成為前沿科學研究的活躍領域,生物技術已經(jīng)成為改變?nèi)祟惿?、促進社會發(fā)展的重要力量。在生物制品的生產(chǎn)過程中,分離純化介質(zhì)、動物細胞培養(yǎng)微載體是必不可少的生物工程材料。KGM具備作為理想生物材料的許多特性,如高親水性、與生物分子良好的相容性、富含羥基、易于化學修飾等。葡甘聚糖的分子結構與葡聚糖相近,而葡聚糖微球作為分離介質(zhì)和細胞培養(yǎng)微載體已經(jīng)獲得廣泛應用,推動了生物技術的發(fā)展。本文綜述魔芋葡甘聚糖微球的制備、結構及表面功能調(diào)控,介紹葡甘聚糖微球作為分離介質(zhì)、細胞/干細胞培養(yǎng)微載體的應用,為葡甘聚糖的高值化應用提供參考。
魔芋葡甘聚糖是一種具有良好親水性和生物相容性、可生物降解的天然多糖。魔芋葡甘聚糖的平均分子量一般為(5~20)×105,隨品種、產(chǎn)地、加工技術和儲存時間的不同而不同。它的主鏈由D-葡萄糖和D-甘露糖以β-1,4-糖苷鍵連接而成,甘露糖與葡萄糖的摩爾比值為1.5~1.7 (通常為1.6)[2](圖1);而支鏈結構是以β-1,3 糖苷鍵連接在甘露糖的C3 位置上,且每32 個糖殘基上就有3 個支鏈。在主鏈上,平均每19 個糖殘基連接一個乙酰基團,乙酰基的存在能夠維持KGM 的構象,使KGM呈有空隙的雙螺旋網(wǎng)絡結構,不僅能讓KGM保持大量水分,而且使KGM 擁有良好的溶解性和溶脹倍數(shù)。
圖1 KGM的化學結構[2]Fig.1 Chemical structure of KGM[2]
葡甘聚糖具有親水性、增稠性、穩(wěn)定性、乳化性、凝膠性和成膜性等特性,可以用作多種食品的添加劑、穩(wěn)定劑和保鮮劑等。葡甘聚糖本身是一種優(yōu)良的膳食纖維,具有調(diào)血脂、抗高血糖、降膽固醇、抗炎、抗腫瘤和調(diào)節(jié)免疫等生物活性[3]。最近,葡甘聚糖的研究集中在腸道微生物菌群、小分子酸以及內(nèi)在免疫機制等方面[4-6]。葡甘聚糖另一個重要應用是作為皮膚受損后的創(chuàng)面敷料?;谄细示厶堑奶攸c,研究者們已經(jīng)開發(fā)出多種類型的敷料,如水凝膠、薄膜、納米纖維和多孔海綿等,用于傷口愈合、止血和預防感染等[7]。目前的研究重點是葡甘聚糖與γ-聚谷氨酸(γ-PGA)、殼聚糖、絲素肽和明膠等組分復配以提高凝膠的免疫活性、穩(wěn)定性、力學強度和抗菌性能,以及加速傷口愈合、避免疤痕產(chǎn)生等方面[8-12]。葡甘聚糖凝膠作為藥物遞送材料已經(jīng)有不少成果,特別是經(jīng)羧甲基化、季銨化、酯化、氧化和接枝共聚進行改性后,它能夠更好地用作藥物遞送載體,對藥物實現(xiàn)較高的包埋率和持續(xù)釋放[13]。同時,氧化葡甘聚糖與間充質(zhì)干細胞外泌體能形成層層組裝結構,可用于潰瘍性結腸炎的治療[14],氧化魔芋葡甘聚糖與聚乙烯亞胺(PEI)偶聯(lián)得到的復合材料,可形成具有自愈合能力和pH敏感的水凝膠,與3D生物打印技術結合,用于肌肉和心神經(jīng)的組織再生[15]。
由于葡甘聚糖的分子量巨大,即使在很低質(zhì)量分數(shù)(2%~4%)條件下,溶于水后也會形成凝膠,難以分散成球,所以必須對其進行降解以得到適宜分子量的產(chǎn)品[16]。葡甘聚糖的降解方法包括化學降解法、酶降解法和超聲降解法?;瘜W降解法是將魔芋精粉溶解于水或乙醇溶液中攪拌溶脹后,升溫至80 ℃,再加酸進行降解。酸的濃度、酸解時間與溫度等都會影響葡甘聚糖的降解程度[16]。酶降解法[17]主要使用纖維素酶、β-甘露糖酶和葡聚糖酶。常規(guī)方法是將魔芋精粉溶于pH緩沖液中,攪拌溶脹,當升至適宜溫度后加入酶制劑,酶解一段時間后提高溫度,使酶失去活性。不同種類的酶對葡甘聚糖的降解條件和效果不同,其中對β-甘露糖酶的研究更為廣泛。超聲法[18]降解葡甘聚糖能夠顯著降低葡甘聚糖溶液的黏度和分子量,而不破壞其基本結構,得到的分子量分布也較為均一。關于超聲降解的機制,一般有2種觀點:一種認為在聲波的作用下,溶劑分子高速運動對化學鍵發(fā)生剪切作用:另一種觀點認為是超聲使液體中產(chǎn)生微小的空化氣泡,當空泡爆裂時,釋放的沖擊波能量使聚合物降解[18]。
在得到適宜分子量的葡甘聚糖后,可進一步制備葡甘聚糖微球。葡甘聚糖微球早期的制備方法是在堿性條件下,通過交聯(lián)劑交聯(lián)形成顆粒體,再用乙醇溶液將其表面棱角溶解。但是這種方法得到的微球一般在毫米級,并且表面粗糙、形狀不規(guī)整[19]。葛佳麗[16]建立了一種表面光滑、形狀圓整、透明的葡甘聚糖微球的制備方法(圖2):將降解后的小分子葡甘聚糖配成一定濃度的水溶液,分散在油相中反相懸浮成球,再通過交聯(lián)劑將糖鏈上的羥基進行交聯(lián)形成穩(wěn)定的具有網(wǎng)狀結構的葡甘聚糖微球。攪拌分散法制備的微球粒徑分布較寬,通常在數(shù)十微米到數(shù)百微米范圍內(nèi),很難制備出小粒徑的微球(<10 μm)。中國科學院過程工程所馬光輝院士團隊在膜乳化技術的研究中做了大量的創(chuàng)新性工作,包括不同體系尺寸均一微球的制備、均一微球的形成機制和應用等,取得了豐富成果。熊志冬[20]將快速膜乳化技術用于尺寸均一的葡甘聚糖微球的制備。與傳統(tǒng)方法相比,膜乳化法由于反應條件溫和、能耗低、操作簡單且易于放大等優(yōu)點已經(jīng)在多個領域得到應用。利用快速膜乳化法制備尺寸均一的小粒徑KGM微球,通過對油相組成、表面活性劑用量、不同油水比例等因素的優(yōu)化,得到粒徑分布系數(shù)(span值)為0.9、粒徑小于10 μm的均一小顆粒KGM微球。
圖2 KGM微球的光鏡照片[16]Fig.2 Microscopic photo of KGM microspheres[16]
在KGM微球的粒徑得到有效控制的基礎上,針對生物大分子分離對于大孔型分離介質(zhì)的需求,筆者所在團隊開發(fā)了反膠團溶脹法制備聚合物微球[21-24],而陳娟[25]在此基礎上發(fā)展了膠團溶脹法制備出孔徑達到百納米以上葡甘聚糖微球。反膠團溶脹法制備大孔微球已經(jīng)用于制備超大孔聚苯乙烯(PST)微球[21-22]、超大孔聚甲基丙烯酸縮水甘油酯微球(PGMA)[23-24],所得微球的平均孔徑為100~800 nm,且孔徑是可調(diào)可控的。與瓊脂糖介質(zhì)相比,超大孔介質(zhì)用于乙肝疫苗的分離純化,在流速提高8倍、動態(tài)載量提高8倍的條件下,乙肝疫苗回收率達到68.33%,純化倍數(shù)達3.47倍,顯示了突出優(yōu)勢[26]。但是,將PST聚合物微球和PGMA聚合物微球用于生物大分子的純化時,需要對表面進行親水覆層。為了一步制備出具有大孔徑的葡甘聚糖微球,陳娟[25]研發(fā)了膠團溶脹法,具體原理是在水相中加入較高含量的水溶性表面活性劑,表面活性劑在水相中形成大量的膠團聚集體,當水相分散到油相后,水相液滴內(nèi)的膠團可以自發(fā)從油相中吸收油分而溶脹,形成一種油/表面活性劑/水(O/S/W)乳液;交聯(lián)固化后,內(nèi)部油相和多糖骨架發(fā)生相分離,油相所占據(jù)的部分形成大孔。通過考察表面活性劑的類型、油相水相比例、助表面活性劑類型、復合表面活性劑用量和葡甘聚糖溶液濃度等因素對魔芋葡甘聚糖微球形貌、孔徑及孔結構的影響,進行優(yōu)化后得到孔徑達100 nm的大孔葡甘聚糖微球(圖3)。
圖3 大孔KGM微球的電鏡照片[25]Fig.3 SEM image of macroporous KGM microspheres[25]
凝膠過濾層析是各種柱層析中最溫和的分離方式,是利用凝膠介質(zhì)的網(wǎng)狀結構,根據(jù)分子的尺寸大小進行分離。分子尺寸不同的樣品進入層析柱后,產(chǎn)生擴散效應:較小的分子擴散進入凝膠填料孔隙內(nèi)部,流動緩慢;而較大的分子不會進入載體內(nèi)部,與流動相同時流出層析柱。這種利用顆粒內(nèi)部擴散的作用,使樣品組分從層析柱內(nèi)按照從大到小的順序依次流出,達到分離的目的。這就要求凝膠介質(zhì)應由惰性成分組成,帶有盡量少的帶電基團,以避免非特異性吸附。葡甘聚糖是一種中性分子,非常符合凝膠過濾層析介質(zhì)對基質(zhì)材料的要求。熊志冬[20]將葡甘聚糖制備成微球后發(fā)現(xiàn):內(nèi)部孔徑分布均勻,粒徑均一性良好;通過調(diào)控糖濃度和交聯(lián)度,得到分子量可調(diào)控的微球(1~10)×103(GM-1250微球)或(4~30)×103(GM-1225微球),對于GM-1250來說,任何分子量小于1.0×104的蛋白質(zhì)分子都可以進行脫鹽或溶液置換。Xiong等[27]利用KGM凝膠柱對百日咳絲狀血凝素蛋白(FHA)溶液進行脫鹽,F(xiàn)HA的回收率超過95%,脫鹽效果與Sephadex G25相當(圖4)。KGM微球具有優(yōu)良的物理化學穩(wěn)定性,能夠耐受寬的pH(1~14)和高濃度的鹽酸胍和脲,易于清洗、消毒以及再生,介質(zhì)的使用壽命長。離子交換介質(zhì)是應用最為廣泛的一種介質(zhì)類型,葛佳麗等[28]將KGM微球進行了DEAE化學修飾,通過正交試驗確定了最佳反應參數(shù),得到功能基密度適宜、偶聯(lián)工藝穩(wěn)定的陰離子交換介質(zhì);將該介質(zhì)用于牛血紅蛋白的吸附,蛋白吸附率高達126.84 mg/mL,蛋白洗脫率達到90.42%,分離純化效果良好。
圖4 Sephadex G25 以及GM-1250 對百日咳絲狀血凝素蛋白(FHA)的脫鹽效果[27]Fig.4 Desalting effects of Sephadex G25 and GM-1250 on FHA[27]
自荷蘭學者van Wezel[29]于1967年創(chuàng)立了微載體細胞培養(yǎng)技術以來,動物細胞微載體規(guī)模培養(yǎng)已經(jīng)廣泛應用于生產(chǎn)疫苗和基因工程產(chǎn)品等,有力推動了現(xiàn)代生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。微載體是指適用于貼壁依賴性細胞在其表面貼附生長的可懸浮微球,一般直徑為60~250 μm。微載體培養(yǎng)技術結合了懸浮培養(yǎng)和貼壁培養(yǎng)的優(yōu)點,不僅可提供大的比表面積,還有效提高細胞擴增數(shù)量和反應器及培養(yǎng)基的利用率。目前,利用動物細胞培養(yǎng)技術生產(chǎn)的生物制品已占世界生物高技術產(chǎn)品市場份額的50%左右[20]。由于微載體在細胞規(guī)模培養(yǎng)中的重要作用,國內(nèi)外已經(jīng)開發(fā)出多種商品化微載體,典型代表包括電荷型微載體Cytodex-1、膠原覆層型微載體Cytodex-3和大孔可降解微載體Cultispher等[20]。前2種都是以葡聚糖微球為基質(zhì)材料開發(fā)的,在市場上處于壟斷地位。由于進口微載體價格昂貴,限制了其在很多國內(nèi)企業(yè)的大規(guī)模應用。有些企業(yè)為降低成本會多次重復使用,而重復使用的微載體含有大量細胞培養(yǎng)的殘留物,很難清除,最終會影響細胞培養(yǎng)的穩(wěn)定性和安全性。因此,實現(xiàn)細胞培養(yǎng)微載體的國產(chǎn)化具有重要意義和應用價值。
電荷型微載體是一種普適型微載體,已用于50多種細胞系的培養(yǎng)。熊志冬[20]制備了具有不同KGM濃度、不同交聯(lián)度和不同粒徑大小的KGM微球,結果發(fā)現(xiàn):當KGM偶聯(lián)DEAE后,得到電荷型微載體,它的水分含量控制在87%~92%,電荷密度控制在1.2~3.0 mmol/g(以1 g干球計);利用響應曲面法考察各因素對微載體上細胞生長的影響后發(fā)現(xiàn),骨架密度、粒徑大小和交聯(lián)度對Vero細胞在KGM微載體上的生長具有顯著的影響,且各影響因素與響應值之間不是簡單的線性關系,各因素之間的交互作用顯著影響細胞的生長(粒徑與配基添加量、粒徑與交聯(lián)度、配基添加量與交聯(lián)度);將最優(yōu)條件下制備的KGM微載體用于Vero細胞培養(yǎng)并與進口微載體進行對比后發(fā)現(xiàn),細胞能夠更快地黏附和增殖,展現(xiàn)了更好的生長狀態(tài)和細胞活力(圖5)。Sun等[30]考察Vero、CHO-K1、MDCK、Wish以及L929細胞在KGM微載體和Cytodex-1上的生長和代謝水平,結果發(fā)現(xiàn):當細胞培養(yǎng)4~5 d后,除L929細胞外所有細胞增殖密度均超過1.0×106個/mL;Vero、CHO-K1、MDCK、L929細胞在KGM微載體上的生長速率更高,細胞生長良好,而Wish細胞在2種微載體上沒有明顯區(qū)別。
圖5 葡甘聚糖(KGM)與Cytodex-1微載體上培養(yǎng)Vero 細胞的結果[20]Fig.5 Results of Vero cells on KGM microcarrier and Cytodex-1[20]
膠原是細胞外基質(zhì)的主要組成部分,具有促進細胞黏附與增殖的作用。將膠原包覆于KGM微球表面,更適用于培養(yǎng)難以生長的細胞以及細胞作為產(chǎn)物的情況。膠原層能夠被胰蛋白酶和膠原酶消化,能夠?qū)崿F(xiàn)微載體上細胞的快速解離,并維持細胞的活性、功能和完整性??弟Q耀等[31]以直徑為 160~212 μm、粒徑均一的 KGM 微球為基質(zhì),建立兩步偶聯(lián)膠原的微載體制備方法,并系統(tǒng)考察各因素對微載體制備的影響,結果發(fā)現(xiàn):活化溫度與時間對 KGM 微球表面環(huán)氧基密度的影響顯著;利用正交試驗優(yōu)化后,微載體蛋白偶聯(lián)量為1.16%(質(zhì)量分數(shù)),靜態(tài)培養(yǎng)Vero細胞,最大細胞密度可達 1.7×106個/mL,培養(yǎng)效果與進口膠原覆層型微載體Cytodex-3 相當。由此可見,膠原覆層型KGM微載體具體巨大的應用潛力。
電荷型微載體和膠原型微載體在細胞培養(yǎng)中各有特色。細胞一般帶負電荷,能快速貼附于帶正電荷的微載體上,但細胞貼附后生長和增殖較慢;雖然膠原型微載體支持細胞較快生長,但貼附速度較慢。如果能夠結合兩者的優(yōu)勢,將得到性能更優(yōu)越的微載體。汪少久等[32]以葡甘聚糖微球為基質(zhì),先通過胺化反應偶聯(lián) DEAE,使其表面帶正電荷,再用膠原蛋白包覆,考察活化方法、蛋白來源等對微載體性能的影響,同時將膠原-電荷復合作用微載體的細胞培養(yǎng)情況與商品化電荷型微載體Cytodex-1和膠原覆層型微載體Cytodex-3進行對照,結果發(fā)現(xiàn):接種細胞2 h后,Cytodex-1上貼附的細胞數(shù)最多,其次為基于不同電荷密度的復合型微載體,Cytodex-3上貼附的細胞數(shù)最少,說明貼附過程是電荷起主導作用(圖6(a));復合型微載體的細胞貼附速度處于電荷型微載體和膠原型微載體之間,其細胞貼附速度比膠原型微載體明顯提升;從細胞生長來看,接種72 h后,Cytodex-3和復合型微載體上細胞生長明顯加快,在96 h開始細胞數(shù)逐漸超過 Cytodex-1;培養(yǎng)到144 h時,復合型微載體上的細胞數(shù)略高于膠原型微載體Cytodex-3,顯著高于Cytodex-1(圖6(b))。由此可見,復合型微載體結合了電荷型微載體和膠原型微載體的優(yōu)點,具有貼附速度更快、生長速度更高的優(yōu)點。
圖6 Vero細胞在膠原-電荷復合型微載體上的貼附曲線和生長曲線[30,32]Fig.6 Verocells attachment and growth curves on the collagen-charge composite microcarrier[30,32]
干細胞和再生醫(yī)學研究是生命科學研究的制高點,對國民健康保障和經(jīng)濟社會發(fā)展具有重要意義。干細胞和再生醫(yī)學研究已經(jīng)成為各國政府、科技界和產(chǎn)業(yè)界高度關注和大力投入的戰(zhàn)略必爭領域。具有充足數(shù)量、良好活性和功能的干細胞是開展相關工作的基石。干細胞體外擴增目前仍以傳統(tǒng)的 2D 培養(yǎng)為主。干細胞對培養(yǎng)環(huán)境非常敏感,微載體的性質(zhì)(包括機械硬度、孔隙結構、表面功能、粗糙度和微圖案化)都會影響干細胞的貼附、增殖、分化以及外分泌等[33]。
James等[34]發(fā)現(xiàn),調(diào)整細胞外環(huán)境的硬度能夠影響細胞的生物力學特性,當細胞受到細胞外環(huán)境硬度的力學刺激后,會對細胞骨架的力學特性產(chǎn)生影響,細胞骨架在感知這一力學刺激之后,做出響應使骨架重排,細胞張力也隨骨架的重排發(fā)生改變;細胞骨架在做出細胞張力改變的響應后,細胞膜表面的黏附位點也會發(fā)生相應的改變,最終使細胞形態(tài)和黏附、鋪展發(fā)生改變。但是,微載體的硬度對于干細胞規(guī)模培養(yǎng)到底是怎樣的影響規(guī)律仍未得到透徹研究。Yan等[35]通過調(diào)控微球中葡甘聚糖的含量(8%、10%、12%和16%),得到硬度為0.18~9.73 MPa的電荷型微載體,經(jīng)研究發(fā)現(xiàn):對于骨髓間充質(zhì)干細胞(MSCs),細胞的擴增倍數(shù)隨載體硬度的增加而增大,當微載體的硬度為2~4 MPa時,細胞的增殖情況最好,培養(yǎng)11 d后約增殖27倍,是Cytodex-1的1.7倍(圖7);但微載體硬度繼續(xù)增加時,會導致增殖倍數(shù)的下降;對MSCs的三系分化能力進行測定后發(fā)現(xiàn),在最優(yōu)硬度(2~4 MPa)下MSCs在KGM微載體上的分化潛能是Cytodex-1的3.2倍(圖8)。可見,具有可控硬度的KGM微載體有望成為適于MSCs規(guī)模擴增的優(yōu)良材料。
圖7 12%KGM微載體與商品化微載體Cytodex-1上MSCs細胞擴增的比較[35]Fig.7 Comparation of MSCs proliferation between 12%KGM microcarriers and commercial microcarriers Cytodex-1[35]
圖8 12%KGM微載體與商業(yè)微載體Cytodex-1的三系分化潛能比較[35]Fig.8 Comparation of trilineage differentiation potential between 12%KGM microcarriers and commercial microcarriers Cytodex-1 with Western blotting analysis[35]
本文介紹了魔芋葡甘聚糖微球的制備和作為分離介質(zhì)、細胞/干細胞培養(yǎng)微載體的高值化利用。葡甘聚糖進行降解后,通過懸浮擴散法、膜乳化技術得到粒徑可控的葡甘聚糖微球,通過膠團溶脹法制備大孔型KGM微球。在分離純化方面,葡甘聚糖微球本身能夠用于凝膠過濾和脫鹽,通過DEAE衍生得到離子交換分離介質(zhì),介質(zhì)性能穩(wěn)定,分離純化效果良好。由于葡甘聚糖具有豐富的可調(diào)控性,針對細胞培養(yǎng)的需求,發(fā)展了電荷型、膠原型、膠原-電荷復合型微載體,用于Vero、CHO-K1、MDCK、Wish以及L929細胞的培養(yǎng),細胞培養(yǎng)效果達到或超過進口微載體。將硬度可控的KGM微載體用于骨髓間充質(zhì)干細胞的培養(yǎng)后發(fā)現(xiàn),硬度為2~4 MPa的微載體最適于MSCs的增殖,培養(yǎng)11 d后,細胞數(shù)目擴增倍數(shù)達到27倍,優(yōu)于商品化的微載體。
葡甘聚糖微球作為分離純化介質(zhì)在保證微球親水性的同時,提高其力學強度和分離純化性能,作為細胞培養(yǎng)微載體滿足常規(guī)細胞系規(guī)模培養(yǎng)需求、針對干細胞的“個性化”培養(yǎng)設計適宜的結構和表面功能將是未來的研究重點。葡甘聚糖微球系列產(chǎn)品的開發(fā)以及作為生化工程材料的應用,開辟了葡甘聚糖的新應用領域,為葡甘聚糖的高值化利用提供參考。
僅以此文獻給敬愛的歐陽平凱院士!