乳酸菌胞外多糖抗腫瘤活性研究進(jìn)展

秦孟春，張玲芳，胡順安，馬琳，李丹，段翠翠

（長(zhǎng)春大學(xué) 農(nóng)產(chǎn)品加工吉林省普通高等學(xué)校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130022）

0 引 言

微生物胞外多糖是由一些特殊的微生物包括藻類(lèi)、酵母、細(xì)菌、真菌等在生長(zhǎng)代謝過(guò)程中以緊密結(jié)合的莢膜或松散附著的黏液層形式分泌的胞外大分子[1]。微生物胞外多糖與動(dòng)物和植物胞外多糖相比具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1）微生物胞外多糖的來(lái)源容易獲得，生產(chǎn)周期短；（2）微生物胞外多糖的生產(chǎn)條件可確定、可重復(fù)，利于避免對(duì)環(huán)境的影響；（3）微生物胞外多糖的理化性質(zhì)更穩(wěn)定[2]。自20 世紀(jì)中期以來(lái)，隨著葡聚糖溶液作為血漿膨脹劑的第一次臨床試驗(yàn)，微生物胞外多糖可以應(yīng)用于醫(yī)學(xué)被發(fā)現(xiàn)[3]。其中乳酸菌胞外多糖的應(yīng)用最為廣泛[4]。

乳酸菌胞外多糖是乳酸菌的重要次級(jí)代謝產(chǎn)物。近年來(lái)，學(xué)者們對(duì)乳酸菌胞外多糖的研究逐漸從其所具有的物理化學(xué)特性的研究深入到生物活性的研究，其抗氧化、抗衰老、抗病毒、抗腫瘤等[5-8]生物學(xué)功能不斷被發(fā)現(xiàn)，并得到了廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用[9]。查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)關(guān)于乳酸菌胞外多糖生物活性功能的研究大多集中于抗氧化、抗衰等老方面，而對(duì)抗腫瘤、降血糖方面的研究較少。因此本文闡述了乳酸菌胞外多糖抗腫瘤活性的相關(guān)研究，并總結(jié)了影響乳酸菌胞外多糖抗腫瘤活性的因素，為乳酸菌胞外多糖的利用和開(kāi)發(fā)提供一定的理論基礎(chǔ)，并希望能夠?yàn)槟[瘤患者的治療提供一定的幫助。

1 具有抗腫瘤活性的乳酸菌

癌癥也稱(chēng)為惡性腫瘤，是由于機(jī)體細(xì)胞失去正常調(diào)控，過(guò)度增殖而引起的疾病。并且癌細(xì)胞具有過(guò)度生長(zhǎng)、侵入鄰近組織和轉(zhuǎn)移到其他器官的潛力[10]。根據(jù)全球癌癥觀察站的數(shù)據(jù)顯示，癌癥已成為全球?qū)е氯祟?lèi)死亡的第二大因素[11]。癌癥主要是通過(guò)手術(shù)、化療、放射線(xiàn)治療等方法來(lái)治療，但這些方法在治療的同時(shí)還具有細(xì)胞毒性或免疫毒性，會(huì)給機(jī)體的正常組織帶來(lái)危害[12]。降低治療對(duì)機(jī)體的毒副作用、保護(hù)機(jī)體的正常免疫功能和殺滅腫瘤細(xì)胞在腫瘤疾病治療過(guò)程中具有同等重要的意義[13]。因此尋找具有可獲得性、低副作用的替代藥物受到人們的廣泛關(guān)注。乳酸菌是一類(lèi)公認(rèn)的綠色安全的微生物，具有較好的益生特性，可通過(guò)改變機(jī)體內(nèi)部微生物環(huán)境來(lái)調(diào)節(jié)機(jī)體健康，并具有免疫調(diào)節(jié)、抗氧化、治療腹瀉、抗腫瘤等生物活性[14]。迄今為止，研究人員們已對(duì)多種乳酸菌進(jìn)行了抗腫瘤活性試驗(yàn)，結(jié)果表明，真正具有抗腫瘤活性的乳酸菌還是十分有限的[15-16]，如表1 所示。

表1 具有抗腫瘤活性的乳酸菌種類(lèi)

Ladda 等[17]從健康嬰兒糞便中分離出的干酪乳桿菌屬具有顯著降低THP-1 細(xì)胞產(chǎn)生的TNF-a 作用。Srikham 等[18]從母乳中分離出的唾液鏈球菌BP8、唾液鏈球菌BP156、唾液鏈球菌BP160 對(duì)肝癌細(xì)胞和乳腺癌細(xì)胞增殖的一致率分別為44.83%～59.65%和29.85%～37.16%，表明其可作為新的替代性物質(zhì)用于治療肝癌和乳腺癌。Sharma 等[19]研究結(jié)果表明鼠李糖乳桿菌MD14 具有抗結(jié)腸癌和細(xì)胞毒作用。

2 乳酸菌胞外多糖的抗腫瘤活性

Liu 等[31]研究發(fā)現(xiàn)乳酸菌中起抗腫瘤作用的精確成分是其所分泌的胞外多糖。乳酸菌胞外多糖通常具有低細(xì)胞毒性和很少的副作用，因此這些聚合物可以作為合成抗癌劑的良好替代品和輔助藥品[32]。目前，研究者們已對(duì)某些具有抗腫瘤活性的乳酸菌胞外多糖展開(kāi)了研究。

Sun 等[33]研究發(fā)現(xiàn)與對(duì)照組相比，經(jīng)植物乳桿菌12 產(chǎn)生的粗胞外多糖處理的HT-29 細(xì)胞中促凋亡蛋白Bax、Cyt C、caspase-3、caspase-8 和caspase-9 的表達(dá)升高，而抗凋亡蛋白Bcl-2 的表達(dá)降低?？沟蛲龅鞍譈cl-2 可以通過(guò)防止線(xiàn)粒體通透孔的形成，抑制Cyt C 的釋放來(lái)抑制凋亡，而促凋亡蛋白Bax 通過(guò)誘導(dǎo)內(nèi)在凋亡來(lái)破壞線(xiàn)粒體的完整性，表明植物乳桿菌12產(chǎn)生的胞外多糖可通過(guò)線(xiàn)粒體途徑抑制人結(jié)腸癌細(xì)胞株HT-29 的增殖。Di 等[34]研究發(fā)現(xiàn)胞外多糖可顯著誘導(dǎo)HT-29 細(xì)胞G0/G1 細(xì)胞周期阻滯和凋亡，從而達(dá)到抗癌活性的作用。Deepak 等[35]研究了嗜酸乳桿菌胞外多糖對(duì)結(jié)腸癌細(xì)胞株的作用。結(jié)果表明，胞外多糖可下調(diào)血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子（VEGF）和缺氧誘導(dǎo)因子-1α（HIF-α）的表達(dá)，上調(diào)金屬蛋白酶組織抑制劑-3（TIMP-3）和血紅素氧合酶-1（HO-1）的表達(dá)來(lái)抑制腫瘤血管生成和生存相關(guān)基因的表達(dá)。Sheng 等[36]研究報(bào)道了乳桿菌TCP102 的胞外多糖顯著誘導(dǎo)Ana-1 細(xì)胞和腹腔巨噬細(xì)胞分泌NO 和腫瘤壞死因子TNF-α、IL-6，來(lái)增強(qiáng)免疫活性并抑制腫瘤的發(fā)生。同時(shí)，胞外多糖還顯著抑制HCT-116、BCG-803，尤其是A-2780 細(xì)胞的增殖。Li 等[37]研究表明瑞士乳桿菌MB2-1 產(chǎn)生的胞外多糖對(duì)羥基、DPPH 自由基、ABTS 自由基和超氧化物自由基具有較強(qiáng)的清除活性，并且還對(duì)HepG-2、BGC-823 細(xì)胞表現(xiàn)出抑制作用，對(duì)HT-29 細(xì)胞具有顯著的抑制作用。

乳酸菌胞外多糖的抗腫瘤機(jī)制可能有以下幾種：（1）細(xì)胞凋亡機(jī)制。胞外多糖通過(guò)外源性途徑即上調(diào)起始胱天蛋白酶（Caspase-8、caspase-9）、執(zhí)行胱天蛋白酶（Caspase-3）的表達(dá)以及腫瘤壞死因子TNF 的含量；內(nèi)源性途徑即上調(diào)促凋亡蛋白Bax、Bad、Bak 等的基因表達(dá)，下調(diào)抗凋亡蛋白Bcl-2、Bcl-2L1、Bcl-2L2等的基因表達(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn)抗腫瘤作用并使腫瘤細(xì)胞表現(xiàn)出典型的凋亡形態(tài)學(xué)變化。（2）細(xì)胞周期阻滯。細(xì)胞周期由G1 期、S 期、G2 期和M 期組成，G0 期是靜止期，不包括在細(xì)胞周期內(nèi)。細(xì)胞周期含有G1 期、S 期和G2 期3 個(gè)DNA 損傷檢控點(diǎn)。正常情況下，若DNA發(fā)生損傷，細(xì)胞周期會(huì)停在相應(yīng)的檢控點(diǎn)，出現(xiàn)細(xì)胞周期阻滯。細(xì)胞周期阻滯為受損細(xì)胞提供額外的時(shí)間用于修復(fù)損傷，從而減少突變的產(chǎn)生。胞外多糖的處理可使大量與細(xì)胞周期相關(guān)的基因出現(xiàn)差異表達(dá)，誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生細(xì)胞阻滯進(jìn)而避免腫瘤的發(fā)生。（3）抗腫瘤血管生成。腫瘤的生長(zhǎng)與發(fā)展需要血管為其提供氧氣和營(yíng)養(yǎng)。此外，血管也是腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移和免疫效應(yīng)細(xì)胞浸潤(rùn)的通道，會(huì)將固有的免疫抑制腫瘤微環(huán)境轉(zhuǎn)化為免疫支持性腫瘤微環(huán)境[38]。胞外多糖可促進(jìn)TIMP3（組織抑制劑金屬蛋白酶3）的表達(dá)，進(jìn)而阻斷VEGF（血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子）與其受體的結(jié)合來(lái)抑制腫瘤血管生成，最終起到抑制腫瘤生成的作用。（4）抗炎。胞外多糖通過(guò)抑制JAK/STAT3、NF-b 和HIF 通路腫瘤細(xì)胞以及免疫細(xì)胞中的NF-b 和p38/MAPK，平衡一氧化氮、IL-10、腫瘤壞死因子-α（TNF-α）、IL-12、IL-6 等細(xì)胞因子，刺激機(jī)體炎癥免疫反應(yīng)達(dá)到抗腫瘤的作用。（5）抗氧化作用?；钚匝跏钦＜?xì)胞在氧化過(guò)程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物。由于代謝活性的增加以及其他致瘤因素，腫瘤細(xì)胞中內(nèi)在活性氧的生成增加，促進(jìn)了腫瘤細(xì)胞的增殖、轉(zhuǎn)化和侵襲[39]。乳酸菌胞外多糖可作為抗氧化劑阻斷機(jī)體內(nèi)活性氧的積累來(lái)延緩甚至阻止腫瘤的發(fā)展。

3 影響乳酸菌胞外多糖抗腫瘤活性的因素

3.1 菌株來(lái)源

不同菌株所產(chǎn)胞外多糖的空間結(jié)構(gòu)、多糖含量和理化性質(zhì)均不同，這些差異可直接或間接使胞外多糖的抗腫瘤活性不同。已有研究表明，即使是同一種屬的乳酸菌，其所產(chǎn)胞外多糖的抗腫瘤活性也因菌株而異[40]。利用植物乳桿菌WLPL04 菌株生產(chǎn)的胞外多糖對(duì)HT-29 細(xì)胞的增殖具有良好的抑制作用，而植物乳桿菌KX041 所產(chǎn)胞外多糖對(duì)HT-29 細(xì)胞增殖沒(méi)有抑制作用[41-42]。張將等[43]比較了不同乳桿菌菌株所產(chǎn)胞外多糖對(duì)結(jié)腸癌細(xì)胞HT-29 增殖的影響，結(jié)果表明在植物乳桿菌12、植物乳桿菌14、植物乳桿菌32和植物乳桿菌37 這4 株菌株中，植物乳桿菌12 所產(chǎn)胞外多糖對(duì)HT-29 細(xì)胞增殖的抑制效果高于其余3種菌株所產(chǎn)胞外多糖的抑制效果，且在250 μg/mL 時(shí)達(dá)到了最高抑制率27.58%。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是由于遺傳差異使乳酸菌具有菌株特異性，進(jìn)而在其生長(zhǎng)代謝途徑中出現(xiàn)差異，使得所產(chǎn)胞外多糖的單糖組成、化學(xué)結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)及活性均不同，故而對(duì)腫瘤細(xì)胞增殖抑制性的影響不同。

3.2 胞外多糖存在形式

乳酸菌胞外多糖根據(jù)其所在位置不同可分為結(jié)合在細(xì)胞壁表面的莢膜多糖和分散在周?chē)h(huán)境的黏液多糖。Kim 等[44]研究了從鼠李糖乳桿菌ATCC9595中分離出的結(jié)合胞外多糖（c-EPS）和分散胞外多糖（r-EPS）的抗腫瘤活性，結(jié)果顯示出r-EPS 比c-EPS對(duì)PANC-1 和HT-29 細(xì)胞的抑制更有效，這可能是由于r-EPS 具有更好的水溶性，水溶性影響天然多糖的生物活性。Wang 等[45-46]對(duì)植物乳桿菌70810 所產(chǎn)的c-EPS 和r-EPS 抗腫瘤活性進(jìn)行了探討，發(fā)現(xiàn)c-EPS和r-EPS 對(duì)BGC-823 和HT-29 細(xì)胞的抑制率相似。但根據(jù)Li 等[37]的研究，從瑞士乳桿菌MB2-1 中分離出的細(xì)胞結(jié)合胞外多糖（c-EPS）的體外實(shí)驗(yàn)表明c-EPS 對(duì)HepG-2、BGC-823，尤其是對(duì)HT-29 癌細(xì)胞的增殖有明顯的抑制作用。從上述文獻(xiàn)報(bào)道可以看出，分散胞外多糖由于其水溶性較好、易提取的特性具有較好的抗腫瘤活性，然而也有研究表明結(jié)合胞外多糖具有較好的抗腫瘤活性。因此，分散胞外多糖是否比結(jié)合胞外多糖具有更好的抗腫瘤活性還不確定，需要進(jìn)一步的研究證實(shí)。

3.3 胞外多糖的結(jié)構(gòu)特征

乳酸菌胞外多糖是其在生長(zhǎng)代謝過(guò)程中分泌出的一種長(zhǎng)鏈聚合物，通常由多種不同比例的單糖如葡萄糖、半乳糖、鼠李糖或甘露糖等以α-1,4-糖苷鍵、α-1,6-糖苷鍵、β-1,3-糖苷鍵、β-1,4-糖苷鍵等不同糖苷鍵連接組成。單糖組成在一定程度上會(huì)影響著胞外多糖的連接方式和鍵型等，進(jìn)一步影響著胞外多糖的抗腫瘤活性[47]。近年來(lái)的研究結(jié)果表明，構(gòu)成胞外多糖的主鏈結(jié)構(gòu)中含有1,4-葡萄糖或1,4-半乳糖的乳酸菌胞外多糖的抗腫瘤活性更強(qiáng)[48]。Wang 等[49]研究了由植物乳桿菌YW23 分泌的胞外多糖的抗腫瘤活性，結(jié)果表明該胞外多糖對(duì)HT-29 結(jié)腸癌細(xì)胞的抑制率為39.24%，且該胞外多糖主要由甘露糖、葡聚糖和葡萄糖以8.2∶4.2∶4.1 的比例構(gòu)成。而另一株植物乳桿菌所產(chǎn)胞外多糖在相同條件下對(duì)HT-29 細(xì)胞的抑制率高達(dá)(88.34±1.97)%，該胞外多糖主要由半乳糖組成，其主要連接方式包括51.4%的1,4-半乳糖主鏈以及10.7%的1-半乳糖糖苷鍵連接的末端[50]。

3.4 胞外多糖的分子量

胞外多糖是乳酸菌發(fā)酵產(chǎn)生的一種重要代謝產(chǎn)物，分子量在4.0×104～6.0×106u 之間。有研究表明，胞外多糖分子量的不同可直接影響其抗腫瘤活性。Wang等[46]研究了從植物乳桿菌70810 中分離出的rEPS-1 和rEPS-2 的抗腫瘤活性，結(jié)果表明rEPS-1 和rEPS-2對(duì)HT-29 細(xì)胞的最高抑制率分別為（34.84±1.19）%和（45.04±0.98）%。顯然，rEPS-2 比rEPS-1 對(duì)所研究的腫瘤細(xì)胞具有更高的生長(zhǎng)抑制作用，且rEPS-2比rEPS-1 的分子量小。此外，Jiang 等[51]從植物乳桿菌WLPL09 中分離出的兩種胞外多糖NPS 和APS 中，分子量較低的APS（33.22 ku）可顯著上調(diào)癌細(xì)胞凋亡相關(guān)基因的mRNA 水平，并顯著提高HepG2 細(xì)胞中caspase-3、-8 和-9 的活性，以及HTC-8 細(xì)胞中的caspase-3 和-8 的活性。而分子量較大的NPS（72.60 ku）對(duì)HepG2 和1HCT-8 細(xì)胞沒(méi)有表現(xiàn)出較顯著的抑制作用。這可能是由于分子量較小的胞外多糖組分更容易進(jìn)入腫瘤細(xì)胞內(nèi)部，誘導(dǎo)其發(fā)生細(xì)胞凋亡，發(fā)揮抗腫瘤作用。且與高分子量胞外多糖相比，低分子量胞外多糖與細(xì)胞受體間具有更好的結(jié)合能力，可使生長(zhǎng)因子與受體更好的結(jié)合，從而促進(jìn)細(xì)胞因子的分泌和表達(dá)[52]。

4 總結(jié)與展望

本文綜述了具有抗腫瘤活性的乳酸菌菌株主要有干酪乳桿菌、唾液鏈球菌、雙歧桿菌、鼠李糖乳桿菌、植物乳桿菌、德氏乳桿菌等20 多種。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道發(fā)現(xiàn)乳酸菌胞外多糖可能通過(guò)以下5 種機(jī)制發(fā)揮其抗腫瘤活性①細(xì)胞凋亡機(jī)制；②細(xì)胞周期阻滯；③抗腫瘤血管生成；④抗炎；⑤抗氧化作用。在這5種機(jī)制中，大多數(shù)乳酸菌胞外多糖都是通過(guò)誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡機(jī)制發(fā)揮抗腫瘤作用。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道發(fā)現(xiàn)胞外多糖的菌株來(lái)源、存在形式、結(jié)構(gòu)特征、分子質(zhì)量可能是乳酸菌胞外多糖抗腫瘤活性的影響因素。

隨著研究人員對(duì)乳酸菌胞外多糖的理化性質(zhì)和生物活性研究的深入，乳酸菌胞外多糖的應(yīng)用范圍也逐漸從食品工業(yè)領(lǐng)域擴(kuò)大到制藥和醫(yī)療等方面。由于近年來(lái)腫瘤的高發(fā)病率，研究者們開(kāi)始對(duì)乳酸菌胞外多糖的抗腫瘤活性展開(kāi)研究。而乳酸菌胞外多糖在其抗腫瘤活性及構(gòu)效關(guān)系研究方面存在乳酸菌胞外多糖結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及作用機(jī)理研究尚不全面等問(wèn)題。針對(duì)以上問(wèn)題，在以后的研究中，可通過(guò)分子生物技術(shù)定向改造乳酸菌產(chǎn)胞外多糖相關(guān)基因，使其高產(chǎn)空間結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的胞外多糖。另外，也可根據(jù)影響乳酸菌胞外多糖的抗腫瘤活性的因素，挑選適宜且高效的胞外多糖，在分離純化較為簡(jiǎn)單的同時(shí)提高乳酸菌胞外多糖的抗腫瘤活性，為乳酸菌胞外多糖的開(kāi)發(fā)利用提供一定的理論基礎(chǔ)。