2023, Vol. 37引用本文 |
| 槐糖脂在抗癌和抗病毒药物开发中的研究进展 |  [PDF全文] |
生物表面活性剂是微生物在一定培养条件下, 在代谢过程中分泌出的集亲水性与疏水性结构于一体的化合物, 与化学表面活性剂相比, 除具有乳化、增溶、发泡等优秀表面性能外, 还具有生物可降解性、生物相容性、无污染等优点[1]。槐糖脂是非致病酵母菌产生的次级代谢产物, 也是一种生物表面活性剂。槐糖脂分子结构由亲水部分和疏水部分组成, 亲水部分是由两个葡萄糖分子通过β-1, 2糖苷键连接而成的槐糖分子, 疏水部分是饱和程度不同的长链ω-(ω-1)羟基脂肪酸, 亲水与疏水基团通过β-糖苷键连接成槐糖脂分子[2]。内酯化作用、乙酰化程度以及发酵底物的差异使槐糖脂表现出不同的生物活性, 因而槐糖脂在医药防护、石油开采、洗涤护肤、食品保鲜等多个领域具有广泛应用前景[3]。
恶性肿瘤是机体正常基因改变导致细胞不可控异常增殖, 是造成人类死亡的主要原因之一。因癌细胞具有异质性且易扩散迁移的特点, 普通抑癌药物难以达到理想的治疗效果, 而放射治疗与化学治疗会严重损害正常细胞, 副作用较大[4]。目前, 健康而有效抑癌方法的缺失制约着人类攻克癌症, 全球患癌率仍呈现递增趋势[5]。
槐糖脂具有广泛高效的抗肿瘤活性和对HIV、EB病毒的抗病毒活性及抑制包埋病毒的能力。因此, 作为抗癌和抗病毒药物的开发具有较好的应用前景。本文系统介绍了自槐糖脂发现以来对槐糖脂的抗癌和抗病毒活性以及相关机理的研究进展, 并展望了槐糖脂在抗癌和抗病毒药物开发方面存在的问题与发展方向。
1 槐糖脂的抗癌活性癌症是威胁人类健康的重大疾病之一, 槐糖脂对多种癌细胞表现出显著的细胞毒性。
1.1 乳腺癌细胞乳腺癌是女性健康的头号杀手, 且其发病率位居首位。研究发现槐糖脂具有良好的抗乳腺癌细胞活性: 内酯型槐糖脂的抗癌活性明显高于酸型槐糖脂, 且C18:0和C18:1内酯型槐糖脂对乳腺癌细胞系MDA-MB-231的细胞毒性最强[6], 100 μg/ml内酯型槐糖脂可完全杀死癌细胞并使细胞的相对迁移率下降90.36%[7]; 发酵底物也会影响槐糖脂的抗癌活性, 十六醇槐糖脂(CAS)比油酸槐糖脂(OAS)更能有效抑制MCF-7和MDA-MB-231的生长[8]。
1.2 宫颈癌细胞宫颈癌是威胁女性健康的另一种恶性肿瘤。槐糖脂对宫颈癌细胞的抑制活性也被证实, 且发酵底物的碳链长度, 不饱和度和乙酰化程度都会影响槐糖脂的抗癌活性。十六醇槐糖脂(SLCA)对宫颈癌细胞(Hela)的毒性强于油酸槐糖脂[8]; C18:1双乙酰化内酯型槐糖脂的抗癌活性最好, 且细胞毒性随碳链长度的增加而增强[9]; 将内酯型双乙酰槐糖脂与纳米羟基磷灰石(nHA)进行负载, 可以达到缓释作用, 以延长槐糖脂对癌细胞的作用时间[10]。
1.3 肺癌细胞肺癌是世界上发病率和死亡率最高的一种肺部原发性恶性肿瘤。槐糖脂对肺癌细胞有良好的抑制活性, 并因槐糖脂产生菌和发酵底物的不同而存在差异。Candida bombicola NRRL Y-17069酵母以葵花籽油渣和大豆油为底物生产的槐糖脂对肺癌细胞(A549)表现出较低的半抑制浓度(IC50), 抑制作用良好[11]; 100 μg/ml内酯型槐糖脂可完全杀死A549细胞并使细胞的相对迁移率下降63.36%[12]; 而Wickerhamiella domercqiae酵母以菜籽油为发酵底物产生的槐糖脂在50 μg/ml浓度下处理48 h, 完全灭活A549细胞[12], 抑制效果更优。
1.4 肝癌细胞槐糖脂对肝癌细胞株(HepG2、H7402)表现出细胞毒性并呈剂量和时间依赖性。内酯型槐糖脂(L-SL)能降低HepG2癌细胞的黏附率[13]; 以葵花籽油渣和大豆油为底物生产的槐糖脂对HepG2细胞的抑癌活性与阿霉素相当, 而且对正常体细胞不具有毒副作用[11]; 质量浓度高于62.5 μg/ml的槐糖脂可完全抑制H7402细胞的生长[12]。
1.5 消化道癌细胞消化道恶性肿瘤是癌症的另一大分支, 具有高发病率与致死率。槐糖脂对肠癌、食管癌、胰腺癌细胞均有良好抑制作用, 并受槐糖脂乙酰化程度、脂肪酸不饱和度和内酯化程度的影响。低浓度十六醇槐糖脂对结肠癌细胞(HCT116)有高抑制率[14]; 70 μg/ml内酯型槐糖脂可降低结直肠癌细胞活力[15], 而高于此质量浓度的C18:1内酯型槐糖脂可显著降低HT29与HT115两种结直肠癌细胞存活率[16]; 将槐糖脂包埋于聚乙二醇纳米微囊中[17]可以靶向抑制小鼠结肠癌细胞(CT26), 较槐糖脂直接处理抑制率更高; 双乙酰化内酯型槐糖脂对食管癌细胞(KYSE 109、KYSE 450)的抑制作用强于单乙酰化内酯型槐糖脂, 且含单个双键的槐糖脂抑制作用最强[18]; 双乙酰化内酯型槐糖脂对26.2%的人胰腺癌细胞(HPAC)表现出细胞毒性[19]。
1.6 其他癌症细胞槐糖脂可有效抑制原发性颅内肿瘤胶质瘤细胞。内酯型槐糖脂的抑制作用较酸型槐糖脂更明显, 且以油酸为发酵底物生产的槐糖脂对胶质瘤细胞的抑制活性优于以亚油酸为底物的槐糖脂[20]; 槐糖脂复合物具有良好的抗癌活性: 12.5 mg/ml槐糖脂-结冷胶-金纳米颗粒(SL-GG-AuNPs)处理48 h后, 可杀死半数脑胶质瘤细胞(LN-229)和人脑胶质瘤干细胞(HNGC-2);与阿霉素联合使用协同作用显著[21]。
白血病是一类造血干细胞恶性克隆性疾病, 已严重危害人类健康。槐糖脂对白血病细胞(HL60, K562)[12]和急性单核细胞性白血病细胞(THP-1)[22]抑制作用明显, 表明槐糖脂在治疗白血病中具有巨大潜力。
因皮肤癌死亡的患者中, 80%患有黑色素瘤。内酯型槐糖脂对小鼠皮肤黑色素瘤细胞(B16F10)[7]和人体黑色素瘤细胞(SK-MEL-28)[23]具有显著抑制作用, 并能有效降低细胞相对迁移率。另外, 槐糖脂对正常表皮细胞(HaCaT)的毒副作用较低, 因此可考虑将其添加到护肤品中预防恶性黑色素瘤的发生。
1.7 槐糖脂抗癌机理 1.7.1 细胞形态变化槐糖脂会破坏癌细胞正常的细胞结构导致细胞死亡且具有广泛性。Hela细胞[10]、HepG2细胞、LN-299细胞[20]和H7402细胞[24]经内酯型槐糖脂处理后出现细胞皱缩、体积变小、肿胀至裂解成碎片、细胞解体等现象[13]。槐糖脂还会影响细胞器的正常结构, 经槐糖脂处理后的癌细胞, 通常会出现染色质浓缩与边缘化[24]、细胞核碎裂[21]、内质网扩张、线粒体空泡化[13]和凋亡小体的出现[24]。
1.7.2 胞内酶活与Ca2+变化槐糖脂会影响癌细胞中的相关酶活, 并引起胞内Ca2+的变化。Caspase酶是真核细胞凋亡过程中的关键酶, 研究发现经槐糖脂处理后, HeLa细胞中的caspase-3、caspase-8、caspase-9[14]和caspase-12[9]酶活性有所增加, 这与陈静等[24]在槐糖脂诱导H7402细胞凋亡研究中得到的结论相似, 可见槐糖脂可通过激活Caspase酶, 诱导癌细胞不可逆地凋亡。槐糖脂还可降低控制癌细胞增殖与转移相关酶的活性, Rashad等[11]发现槐糖脂可抑制癌细胞uPA尿激酶的表达防止癌细胞转移, 并降低组蛋白脱乙酰基酶(HDAC)的活性, 从而达到抗癌目的。Ca2+是细胞凋亡的重要因子, 其跨细胞膜内流导致细胞质中Ca2+显著增加激活细胞凋亡过程。槐糖脂可显著增加H7402细胞内Ca2+浓度触发细胞凋亡。
1.7.3 细胞周期的变化癌细胞无限增殖的特性, 是癌症难以治愈的另一原因。槐糖脂复合颗粒SL-GG-AuNPs可作用于人胶质瘤细胞的DNA聚合酶, 破坏DNA复制与相关蛋白合成[21]从而将细胞阻滞在G1期。HeLa细胞和H7402细胞[24]经槐糖脂处理后多积聚于G0、G1[14]、G2[9]期和部分S期, 阻滞癌细胞进入M期进行有丝分裂以控制癌细胞的过度增殖。
1.7.4 细胞凋亡通路槐糖脂对癌细胞的抑制作用除了引起细胞坏死, 还可激活细胞凋亡来实现。
内质网是细胞内蛋白质合成的主要场所, 同时也是Ca2+的主要储存库。内质网应激(ER)是介导细胞凋亡的途径之一, 槐糖脂作用细胞后Ca2+从内质网释放到细胞质, 引起细胞质内Ca2+浓度急剧上升, 这个过程将会激活caspase-12, caspase-3以及Ca/Mg依赖的核酸内切酶导致ER通路中错误蛋白质的积累和CHOP mRNA转录水平的升高[9]。
细胞中活性氧(ROS)水平过高会促使细胞死亡, 并且细胞凋亡的死亡受体以及线粒体电位改变所介导的细胞凋亡都依赖于ROS, 经槐糖脂处理后, MDA-MB-231细胞中ROS水平有所增加[6], 并且Haque等[7]观察到, 槐糖脂引起的ROS升高, 会介导线粒体电位变化, 诱导癌细胞凋亡。
| 表 1 槐糖脂的抑癌效果 |
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2 槐糖脂的抗病毒活性
目前对槐糖脂抗病毒活性的研究不多, 仅对艾滋病病毒(HIV)和疱疹病毒进行了研究。
2.1 槐糖脂对HIV的抑制活性Vishal Shah等[25]研究了各种类型的槐糖脂和槐糖脂衍生物对HIV的活性, 3 mg/ml双乙酰槐糖脂乙酯处理2 min可使病毒滴度下降超过两个数量级。Abul Azim等[26]制备了酸型槐糖脂的氨基酸衍生物, 发现各种衍生物对HIV的半数有效浓度(EC50)均低于200 μg/ml, 其中槐糖脂亮氨酸乙酯抗病毒活性最强。而且还发现槐糖脂固定精子可达100%并有效破坏精子膜[27], 双乙酰化槐糖脂乙酯对精子的EC50为0.03 mg/ml[25], 杀精子作用较强。
2.2 槐糖脂对疱疹病毒的抑制活性疱疹病毒(herpes virus)是一类有包膜的双链线性DNA病毒, EB病毒(EBV)是疱疹病毒的一种。Gross等[28]以EBV为模型生物, 发现槐糖脂对吸附在Daudi淋巴细胞上的P3HR-1型EBV, 具有良好的灭活活性。
3 总结与展望槐糖脂抗癌活性是近年来的研究热点之一, 本文首次系统地综述了自槐糖脂发现以来对槐糖脂的抗癌活性及相关机理的研究进展。槐糖脂对多株恶性肿瘤细胞有抑制作用, 并能有效降低癌细胞的相对迁移, 防止癌症恶化。槐糖脂引起的癌细胞凋亡具有普遍性, 但因恶性肿瘤突变率高且具有异质性等特点, 抑癌机理仍需进一步明确。此外, 将槐糖脂作为抗癌药物应用于临床仍有较大差距, 还需要进一步开展动物实验明确槐糖脂的体内抗癌活性。
槐糖脂的抗病毒活性研究较少, 在防止病毒性疾病与扩大病毒抑制范围方面仍具有巨大潜力。槐糖脂不但能灭活HIV还具有杀精子功能, 能一定程度地阻碍HIV传播。因此, 槐糖脂可作为潜在抗艾药物防控和治疗艾滋病。槐糖脂发挥抗病毒活性的同时还可发挥免疫调节剂[29]和抗炎活性的功能[30]以抑制病毒性炎症, 具有潜在的应用前景。Chattopadhyay等[31]认为表面活性剂的存在能占据可吸附位置, 减少病毒的吸附增加病毒的流动性。Subramaniam等[32]认为生物表面活性剂(BS)可以发挥分子的两亲性破坏病毒被膜与衣壳蛋白, 脂膜和刺突蛋白被包裹于胶束中, 从而导致病毒失活, 槐糖脂作为生物表面活性剂, 有望应用于SARS-CoV-2等包膜病毒的抑制。
研究证明一些特殊类型的、化学修饰的、纯度高的槐糖脂抗癌效果更显著, 且内酯型槐糖脂的抑癌效果要优于酸型槐糖脂。所以, 提高内酯型槐糖脂产率、研究新型槐糖脂、开发其作为抗癌和抗病毒药物有着巨大研究价值与研究意义。
| [1] |
SANTOS D K, RUFINO R D, LUNA J M, et al. Biosurfactants: multifunctional biomolecules of the 21st century[J]. Int J Mol Sci, 2016, 17(3): 401. DOI:10.3390/ijms17030401 |
| [2] |
OLIVEIRA M R D, MAGRI A, BALDO C, et al. Review: sophorolipids a promising biosurfactant and it's applications[J]. Int J Ad Biotechnol and Re, 2015, 6(2): 161-174. |
| [3] |
MA X, MENG L, ZHANG H, et al. Sophorolipid biosynthesis and production from diverse hydrophilic and hydrophobic carbon substrates[J]. Appl Microbiol Biotechnol, 2020, 104(1): 77-100. DOI:10.1007/s00253-019-10247-w |
| [4] |
LIPPMAN S M, HAWK E T. Cancer prevention: from 1727 to milestones of the past 100 years[J]. Cancer Res, 2009, 69(13): 69-84. |
| [5] |
TORRE L A, SIEGEL R L, WARD E M, et al. Global cancer incidence and mortality rates and trends-an update[J]. Cancer Epidemiol Biomarkers Prev, 2016, 25(1): 16-27. DOI:10.1158/1055-9965.EPI-15-0578 |
| [6] |
RIBEIRO I A, FAUSTINO C M, GUERREIRO P S, et al. Development of novel sophorolipids with improved cytotoxic activity toward MDA-MB-231 breast cancer cells[J]. J Mol Recognit, 2015, 28(3): 155-65. DOI:10.1002/jmr.2403 |
| [7] |
HAQUE F, KHAN M S A, ALQURASHI N. ROS-mediated necrosis by glycolipid biosurfactants on lung, breast, and skin melanoma cells[J]. Front Oncol, 2021, 11: 622470. DOI:10.3389/fonc.2021.622470 |
| [8] |
DUBEY P, RAINA P, PRABHUNE A, et al. Cetyl alcohol and oleic acid sophorolipids exhibit anticancer activity[J]. J PHARM PHARM SCI, 2016, 8(3): 399-402. |
| [9] |
LI H, GUO W, MA X J, et al. In vitro and in vivo anticancer activity of sophorolipids to human cervical cancer[J]. Appl Biochem Biotechnol, 2017, 181(4): 1372-1387. DOI:10.1007/s12010-016-2290-6 |
| [10] |
刘跃文, 刘冉, 吕志飞, 等. 纳米羟基磷灰石与槐糖脂负载后对宫颈癌细胞的药学活性[J]. Chin J Appl Environ Biol, 2017, 23(3): 486-490. |
| [11] |
RASHAD M M, NOOMAN M U, ALI M M, et al. Production, characterization and anticancer activity of Candida bombicola sophorolipids by means of solid state fermentation of sunflower oil cake and soybean oil[J]. Grasas y Aceites, 2014, 65(2): 17. |
| [12] |
CHEN J, SONG X, ZHANG H, et al. Production, structure elucidation and anticancer properties of sophorolipid from Wickerhamiella domercqiae[J]. Enzyme and Microbial Technology, 2006, 39(3): 501-506. DOI:10.1016/j.enzmictec.2005.12.022 |
| [13] |
WANG X, XU N, LI Q, et al. Lactonic sophorolipid-induced apoptosis in human HepG2 cells through the Caspase-3 pathway[J]. Appl Microbiol Biotechnol, 2021, 105(5): 2033-2042. DOI:10.1007/s00253-020-11045-5 |
| [14] |
NAWALE L, DUBEY P, CHAUDHARI B, et al. Anti-proliferative effect of novel primary cetyl alcohol derived sophorolipids against human cervical cancer cells HeLa[J]. PLoS One, 2017, 12(4): 0174241. |
| [15] |
CALLAGHAN B, ROELANTS S, BACCILE N, et al. Sophorolipid-mediated inhibition of colorectal tumor cell growth in vitro and in vivo//[C]. Proceedings of the American Association for Cancer Research, Philadelphia, America, 2015.
|
| [16] |
CALLAGHAN B, LYDON H, ROELANTS S L, et al. Lactonic sophorolipids increase tumor burden in apcmin+/-mice[J]. PLoS One, 2016, 11(6): 0156845. |
| [17] |
HAGGAG Y, ELSHIKH M, EL-TANANI M, et al. Nanoencapsulation of sophorolipids in PEGylated poly(lactide-co-glycolide) as a novel approach to target colon carcinoma in the murine model[J]. Drug Deliv Transl Res, 2020, 10(5): 1353-1366. DOI:10.1007/s13346-020-00750-3 |
| [18] |
SHAO L, SONG X, MA X, et al. Bioactivities of sophorolipid with different structures against human esophageal cancer cells[J]. J Surg Res, 2012, 173(2): 286-91. DOI:10.1016/j.jss.2010.09.013 |
| [19] |
FU S L, WALLNER S R, BOWNE W B, et al. Sophorolipids and their derivatives are lethal against human pancreatic cancer cells[J]. J Surg Res, 2008, 148(1): 77-82. DOI:10.1016/j.jss.2008.03.005 |
| [20] |
JOSHI-NAVARE K, Shiras A, PRABHUNE A. Differentiation-inducing ability of sophorolipids of oleic and linoleic acids using a glioma cell line[J]. Biotechnol J, 2011, 6(5): 509-12. DOI:10.1002/biot.201000345 |
| [21] |
DHAR S, REDDY E M, PRABHUNE A, et al. Cytotoxicity of sophorolipid-gellan gum-gold nanoparticle conjugates and their doxorubicin loaded derivatives towards human glioma and human glioma stem cell lines[J]. Nanoscale, 2011, 3(2): 575-80. DOI:10.1039/C0NR00598C |
| [22] |
AKIYODE O, GEORGE D, GETTI G, et al. Systematic comparison of the functional physico-chemical characteristics and biocidal activity of microbial derived biosurfactants on blood-derived and breast cancer cells[J]. J Colloid Interface Sci, 2016, 479: 221-233. DOI:10.1016/j.jcis.2016.06.051 |
| [23] |
ADU S A, TWIGG M S, NAUGHTON P J, et al. Biosurfactants as anticancer agents: glycolipids affect skin cells in a differential manner dependent on chemical structure[J]. Pharmaceutics, 2022, 14(2). |
| [24] |
CHEN J, SONG X, ZHANG H, et al. Sophorolipid produced from the new yeast strain Wickerhamiella domercqiae induces apoptosis in H7402 human liver cancer cells[J]. Appl Microbiol Biotechnol, 2006, 72(1): 52-59. DOI:10.1007/s00253-005-0243-z |
| [25] |
SHAH V, DONCEL G F, SEYOUM T, et al. Sophorolipids, microbial glycolipids with anti-human immunodeficiency virus and sperm-immobilizing activities[J]. Antimicrob Agents Chemother, 2005, 49(10): 4093-100. DOI:10.1128/AAC.49.10.4093-4100.2005 |
| [26] |
AZIM A, SHAH V, DONCEL G F, et al. Amino acid conjugated sophorolipids: a new family of biologically active functionalized glycolipids[J]. Bioconjugate Chem, 2016, 17: 1523-1529. |
| [27] |
GROSS R A, SHAH V, DONCEL G F. Virucidal properties of various forms of sophorolipids. United States, 13/412100[P]. 2012-09-13.
|
| [28] |
GROSS R A, SHAH V, DONCEL G F. Anti-herpes virus properties of various forms of sophorolipids. United States, EP07797159[P]. 2007-11-15.
|
| [29] |
SAJID M, AHMAD KHAN M S, SINGH CAMEOTRA S, et al. Biosurfactants: potential applications as immunomodulator drugs[J]. Immunol Lett, 2020, 223: 71-77. DOI:10.1016/j.imlet.2020.04.003 |
| [30] |
CORTES-SANCHEZ ADE J, HERNANDEZ-SANCHEZ H, JARAMILLO-FLORES M E. Biological activity of glycolipids produced by microorganisms: new trends and possible therapeutic alternatives[J]. Microbiol Res, 2013, 168(1): 22-32. DOI:10.1016/j.micres.2012.07.002 |
| [31] |
CHATTOPADHYAY D, CHATTOPADHYAY S, LYON G W, et al. Effect of surfactants on the survival and sorption of viruses[J]. Environ Sci Technol, 2002, 36(19): 4017-4024. DOI:10.1021/es0114097 |
| [32] |
SUBRAMANIAM M D, VENKATESAN D, IYER M, et al. Biosurfactants and anti-inflammatory activity: a potential new approach towards COVID-19[J]. Curr Opin Environ Sci Health, 2020, 17: 72-81. DOI:10.1016/j.coesh.2020.09.002 |