机体在进行正常生理活动时，体内会产生适量的活性氧(reactive oxygen species,ROS)参与免疫应答及信息提呈等过程。同时体内也存在着抑制ROS反应的机制，能够清除过量产生的ROS，维持机体生理状态的平衡。如果机体的抗氧化功能发生紊乱，机体遭受到刺激而没有及时清除增多的ROS，就会损伤机体的核酸、蛋白质、磷脂、固醇、脂肪等生物大分子，引起氧化应激反应。机体正常细胞有大量酶和非酶的内源性防御系统，以抵制ROS的侵害。例如，在动物体中存在的超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD) 、过氧化氢酶(catalase,CAT) 和谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase,GPx) 等酶类系统，将O2-·和H2O2等ROS转化为分子氧和水。研究发现，外源性天然抗氧化剂通过改善细胞内酶促和非酶促系统，有助于缓解由氧化应激诱导的机体损伤。大多数天然抗氧化剂是从蔬菜，水果和中草药植物中分离制得，最近从海洋生物特别是海藻中分离出的岩藻多糖也具有潜在抗氧化活性。
岩藻多糖是一种化学结构复杂的异源天然多糖混合物，主要成分有L-岩藻糖和硫酸基团构成，还含有少量多种形式的蛋白质、单糖、糖醛酸及乙酰基等成分。研究表明，不同来源岩藻多糖主要活性基团-硫酸基团的含量及位点各有不同，硫酸基团主要在岩藻糖残基的C2位、C4位或同时在两个位置处，偶尔也位于C3位，这在很大程度上影响岩藻多糖的活性及作用效果。近年来研究表明岩藻多糖有诸多的生物活性，如抗凝血、抗菌、抗病毒、抗肥胖、抗肿瘤、抗关节炎、神经保护、免疫调节、保护肠道屏障功能等多种生物活性。研究表明岩藻多糖在体内和体外都展现出优秀的抗氧化活性。此外，岩藻多糖也通过其抗氧化功能来发挥预防胃溃疡、促进伤口愈合和神经保护等生物活性。
以上结果表明，岩藻多糖是潜在的天然抗氧化剂，存在将其开发为天然抗氧化剂用作食品添加剂的潜力。基于此，本试验通过腹腔内注射敌草快，建立了氧化应激大鼠模型，并饲喂岩藻多糖来研究这种天然的抗氧化剂对氧化应激的缓解作用。
在正常的动物机体内，ROS的产生和清除是一个动态的平衡过程，当内外环境发生剧烈改变或过度应激，就会导致体内ROS的大量积聚，易导致机体内细胞死亡或组织损伤，进而影响动物的正常生命活动。肝脏是机体重要的代谢器官，脾是重要的免疫器官，多种化学试剂和药物都会对肝脏和脾脏造成损伤，甚者可引起病理损伤。氧化应激在多种肝脏和脾脏疾病中普遍存在，ROS在多种因素诱导的肝脏和脾脏的发病机制中发挥着重要作用。肝脏所合成和分泌的ALT和AST是评价肝功能的重要指标。当肝细胞受损时，产生的ROS会破坏细胞膜和细胞器，使肝细胞肿胀甚至坏死，导致ALT和AST从细胞释放入血液，引起血清ALT和AST活性增加。本研究发现，敌草快诱导的氧化应激提高了大鼠血清AST活性，同时氧化应激导致血清总胆红素含量的增高。此外，氧化应激降低大鼠的肝脏和脾脏重量，这些结果均表明氧化应激诱导肝脏和脾脏出现损伤。预防ROS生成和脂质过氧化是天然护肝化合物最常见的机制。近年来，从多种海藻和一些海洋无脊椎动物中分离出的岩藻多糖已被证明是潜在的ROS清除剂，对体内氧化应激具有一定的缓解作用，并存在通过抗氧化活性发挥肝脏和脾脏保护作用的潜在功能。研究表明岩藻多糖处理显著抑制对乙酰氨基酚(APAP) 、环磷酰胺、酒精暴露、CCl4及D-氨基半乳糖+脂多糖诱导的小鼠血清ALT和AST活性的升高，对肝脏损害有较好的保护作用。与上述结果相符，本试验大鼠饲喂岩藻多糖显著降低血清AST活性，说明岩藻多糖可以有效缓解大鼠的肝脏损伤。
此外，氧化损伤可能导致机体抗氧化酶的过度消耗，或抑制抗氧化酶的合成和活化，加重机体氧化损伤。在本研究中，腹腔注射敌草快后，肝脏组织中GSH水平、CAT、SOD和GPx活性显著降低，脾脏组织中CAT、SOD和GPx活性也显著降低，说明氧化应激导致机体CAT、SOD、GPx和GSH的耗竭，机体的抗氧化能力下降，细胞膜脂类过度氧化，从而使MDA的含量增加。而岩藻多糖预处理显著缓解了腹腔注射敌草快后SOD和GPx活性的降低，增强了机体的总抗氧化能力，降低了脂质过氧化。总之，饲喂岩藻多糖能够提高大鼠肝脏和脾脏的抗氧化能力。同样的，岩藻多糖增加了APAP处理小鼠肝脏组织中GSH水平，并提高SOD和CAT活性，从而抑制ROS和MDA的水平。Tian等研究也显示岩藻多糖引起小鼠肝脏SOD、GPx和CAT活性提高，降低MDA水平，缓解环磷酰胺诱导的小鼠肝脏损伤。岩藻多糖也能够有效缓解CCl4及D-氨基半乳糖+脂多糖诱导的肝损伤小鼠模型血清SOD和GPx活性的下降，降低MDA含量，抑制ROS造成的脂质过氧化，从而起到保护肝脏的作用。此外，岩藻多糖也降低了环孢菌素A诱导的大鼠肾脏组织中NO含量的增加，增加脾脏GSH含量，逆转环孢菌素A对SOD活性的抑制作用，从而改善肾脏组织损伤。这些结果表明岩藻多糖能够通过提高机体抗氧化酶活性缓解机体的脂质过氧化反应，缓解机体的氧化损伤。
动物体内存在着多种氧化应激途径，其中之一为Keap1(Kelch样环氧氯丙烷相关蛋白-1)-Nrf2-ARE(抗氧化反应元件)信号途径。当细胞未受到刺激时，抑制蛋白Keap1和Nrf2结合成复合物，而这种复合物会将Nrf2单独隔离在细胞质内。当机体暴露于应激原或诱导剂时，Nrf2在其特定丝氨酸或苏氨酸处产生磷酸化反应，Nrf2从Keap1/Nrf2复合物上分离，并向细胞核内迁移。随后，Nrf2与ARE结合并调节一系列下游保护基因的表达，这些基因编码细胞内解毒酶，包括HO-1、醌氧化还原酶1(NQO1)、谷胱甘肽S-转移酶(GST) 、CAT、SOD和GPx等大量保护性基因的转录，增加细胞对ROS的清除能力。研究发现，岩藻多糖能够通过调控Nrf2信号途径缓解机体氧化损伤。饲喂岩藻多糖能够上调二甲基亚硝胺诱导的大鼠肝脏组织中Nrf2表达的下降，上调GST、NQO1和SOD等基因的转录，从而增加肝脏和血清SOD和GPx活性，缓解机体的脂质过氧化程度。研究发现，岩藻多糖也能通过上调Nrf2/HO-1通路，提高Nrf2、HO-1、谷氨酸半胱氨酸连接酶(GCLM)和NQO1蛋白水平，从而提高肝脏和肾脏中CAT、SOD和GPx活性，降低MDA水平，改善环磷酰胺诱导的ICR小鼠肝脏和肾脏损伤。也有研究显示，岩藻多糖增强肝脏组织总Nrf2和细胞核Nrf2的表达，提高SOD和CAT活性及GSH含量，缓解APAP诱导的肝脏组织中ROS和MDA水平的增加。以上结果表明，岩藻多糖的肝脏保护机制与Nrf2介导的氧化应激有关，岩藻多糖有效地刺激了Nrf2从细胞质转位到细胞核，增强机体抗氧化能力，抑制ROS积累。与上述观点一致，本试验中氧化应激抑制了大鼠肝脏和脾脏组织中Nrf2的基因表达，并下调下游CAT、SOD1、SOD2和GPx的基因表达，饲喂岩藻多糖则上调了肝脏和脾脏组织中Nrf2、GPx和SOD2的基因表达，说明岩藻多糖通过激活Nrf2信号通路，激活下游抗氧化酶如SOD和GPx的基因表达，从而发挥抗氧化作用，以此来抑制机体的氧化损伤。
综上所述，岩藻多糖通过Nrf2途径上调大鼠肝脏和脾脏组织中抗氧化酶基因表达调节抗氧化酶活性，从而缓解大鼠的氧化应激反应。该研究成果发表在《天然产物研究与开发》2024年第４期，欢迎引用(点击左下方“阅读原文”可查看全文)。
引用格式：徐元庆,张静,王哲奇,等.岩藻多糖对大鼠氧化应激的缓解作用研究[J].天然产物研究与开发,2023,36:653-659. Xu YQ,Zhang J,Wang ZQ,et al.Alleviating effect of fucoidan on oxidative stress in rats[J].Nat Prod Res Dev,2023,36:653-659.
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天然产物研究与开发