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硒化腫節(jié)風(fēng)浸膏殘渣多糖的制備、工藝優(yōu)化及抗腫瘤活性研究

2018-03-20 06:40劉雅萌戴士杰高向東
中國藥科大學(xué)學(xué)報 2018年1期
關(guān)鍵詞:浸膏殘渣反應(yīng)時間

胡 成,劉雅萌,戴士杰,劉 瑋,高向東

(中國藥科大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 江蘇省生物藥物成藥性研究重點實驗室,南京 210009)

硒作為人體所必需的微量元素,廣泛存在于人體的多種酶中,如谷胱甘肽過氧化物酶(GPx)、硫氧化還原蛋白還原酶(TrxR)和甲酸脫氫酶等[1],同時硒元素具有抗氧化、抗炎、化學(xué)預(yù)防、抗病毒和抗腫瘤等多種活性[2]。硒元素以無機(jī)硒和有機(jī)硒兩種形式存在于自然界中[3]。有機(jī)硒相比于無機(jī)硒,更易于在動物的消化道中吸收,并在尿中排泄,從而有著更高的生物利用度。同時,有機(jī)硒與無機(jī)硒相比,其毒性也低得多。近年來,有機(jī)硒化合物由于其特殊的結(jié)構(gòu)以及顯著的生物活性,愈發(fā)受到人們的關(guān)注。因此,越來越多的有機(jī)硒化合物作為天然食物補(bǔ)充劑成為腫瘤治療和預(yù)防過程中的重要膳食補(bǔ)充[4]。多篇報道稱硒化多糖作為有機(jī)硒化合物,在抗腫瘤、免疫調(diào)節(jié)、降低血糖、降低血脂和抗菌等方面有著更強(qiáng)的活性[5]。然而,天然硒化多糖十分稀少,因此人們開始著眼于對多糖進(jìn)行硒化修飾。

腫節(jié)風(fēng)[Sarcandraglabra(Thunb.) Nakai]為金栗蘭科(Chloranthaceae)植物草珊瑚的干燥全草[6],作為傳統(tǒng)中藥,用于治療多種疾病[7]。調(diào)研發(fā)現(xiàn),中國有30多家制藥企業(yè)生產(chǎn)超過10種腫節(jié)風(fēng)藥物。在這些藥物的制備過程中,乙醇提取工藝產(chǎn)生了上百噸乙醇沉淀的廢棄殘渣,對殘渣的“三無”處理也消耗了大量的人力物力及財力。然而,實驗室前期研究表明這些廢棄殘渣中存在著大量多糖,但由于殘渣的溶解性差,使其中的多糖成分較難得到深加工利用。近年來,由于多糖經(jīng)過化學(xué)修飾后,其結(jié)構(gòu)發(fā)生了部分改變,其理化性質(zhì)、生物活性隨之改變,修飾后的多糖具有更好的溶解性從而可展示更多的藥理活性,同時具有較低的毒性,因此對多糖進(jìn)行化學(xué)修飾已經(jīng)成為多糖在藥學(xué)研究和應(yīng)用的一種重要的改良方法。硒化修飾后產(chǎn)生的硒化多糖是由硒和多糖結(jié)合組成,有著雙重藥理作用,然而又非兩種活性的簡單相加,硒化多糖往往會比原多糖具有更好的活性。目前,各種新型有機(jī)硒多糖正在不斷地被合成出來,現(xiàn)有硒多糖的藥理作用也被逐步闡明,有望成為高效低毒的新型藥物,利用硒多糖獨特的化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)來開發(fā)新的藥物已引起越來越多的人們的高度關(guān)注。根據(jù)本課題組前期研究發(fā)現(xiàn),腫節(jié)風(fēng)浸膏殘渣中含有大量多糖成分,對其進(jìn)行硒化修飾將有可能提高其抗腫瘤活性,拓寬其利用范圍[8]。因此,本研究以腫節(jié)風(fēng)浸膏殘渣粗多糖為原料對其進(jìn)行硒化修飾,采用正交設(shè)計方法建立了硒化多糖的制備工藝,并對9種不同硒化度的硒化腫節(jié)風(fēng)浸膏殘渣多糖的純度、相對分子質(zhì)量、初步的結(jié)構(gòu)特征及抗腫瘤活性進(jìn)行了比對研究。

1 材 料

1.1 試 劑

腫節(jié)風(fēng)浸膏殘渣(江西江中集團(tuán)提供);亞硒酸鈉、MTT、氟尿嘧啶(美國Sigma公司);硒元素標(biāo)準(zhǔn)溶液(國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究中心);胰酶(美國Biosharp公司);胎牛血清(浙江天杭生物科技有限公司);DMEM培養(yǎng)基(美國Gibco公司);其他試劑均為市售分析純。

1.2 儀 器

752紫外可見分光光度計(上海菁華科技儀器有限公司);WX-8000微波消解系統(tǒng)(上海屹堯儀器科技發(fā)展有限公司);Nicolet 6700紅外光譜儀、Multiskan全波長酶標(biāo)儀、Thermo Scientific Sorvall ST 16離心機(jī)(美國Thermo fisher公司);AFS-9800原子熒光光譜儀(北京科創(chuàng)海光儀器公司);Varian 500核磁共振儀(美國Varian公司);BS214D電子天平(德國賽多利斯公司);Agilent 1260高效液相色譜儀(美國Agilent公司)。

1.3 細(xì)胞株

HT-29人結(jié)腸癌細(xì)胞株、HepG2人肝癌細(xì)胞株、L02人正常肝細(xì)胞株、HeLa人宮頸癌細(xì)胞株(中國科學(xué)院典型培養(yǎng)物保藏委員會細(xì)胞庫)。

2 方 法

2.1 硒化腫節(jié)風(fēng)浸膏殘渣多糖的制備

2.1.1 腫節(jié)風(fēng)浸膏殘渣粗多糖(SERP)的制備 腫節(jié)風(fēng)浸膏殘渣經(jīng)干燥后溶于蒸餾水中,制備成10 mg/mL的溶液,加入無水乙醇至醇濃度為30%,過夜醇沉后經(jīng)4 000 r/min離心20 min,收集沉淀,真空干燥后得SERP。

2.1.2 硒化腫節(jié)風(fēng)浸膏殘渣多糖的制備 將SERP溶解于一定濃度HNO3溶液中,配置成10 mg/mL的溶液,加入適量BaCl2和亞硒酸鈉2 g,在一定溫度條件下攪拌反應(yīng)適當(dāng)時間。反應(yīng)結(jié)束后加入Na2CO3調(diào)pH至7~8,滴入適量的Na2SO4后離心除去BaSO4。用蒸餾水透析72 h,直到透析外液中加入過量抗壞血酸不再生成橙色單質(zhì)硒,未透過液經(jīng)低溫減壓濃縮、 冷凍干燥后使用DEAE-32離子交換柱色譜純化,得到硒化腫節(jié)風(fēng)浸膏殘渣多糖。

2.1.3 影響SERP硒化修飾的因素考察

反應(yīng)時間 按照“2.1.2”項方法,在反應(yīng)溫度70 ℃、BaCl21.0 g、HNO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%的條件下,考察反應(yīng)時間分別為6、7、8、9、10 h時對SERP硒化修飾工藝的影響。

反應(yīng)溫度 按照“2.1.2”項方法,在反應(yīng)時間8 h、BaCl21.0 g、HNO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的條件下,考察反應(yīng)溫度分別為40、50、60、70、80 ℃時對SERP硒化修飾工藝的影響。

HNO3質(zhì)量分?jǐn)?shù) 按照“2.1.2”項方法,在反應(yīng)溫度70 ℃、反應(yīng)時間8 h、BaCl21.0 g的條件下,考察HNO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%時對SERP硒化修飾工藝的影響。

BaCl2用量 按照“2.1.2”項方法,在反應(yīng)溫度70 ℃、反應(yīng)時間8 h、HNO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%的條件下,考察BaCl2用量分別為0、0.5、1.0、1.5、2.0 g時對SERP硒化修飾工藝的影響。

2.1.4 制備工藝優(yōu)化 在單因素實驗的基礎(chǔ)上,采用正交實驗法優(yōu)化SERP硒化修飾工藝。以反應(yīng)時間、反應(yīng)溫度、HNO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)、BaCl2用量為考察因素進(jìn)行四因素三水平正交實驗,以校準(zhǔn)后總糖含量、產(chǎn)率、對于HepG2人肝癌細(xì)胞的半數(shù)抑制率和硒元素含量為指標(biāo)進(jìn)行考察。

2.2 硒化腫節(jié)風(fēng)浸膏殘渣多糖的理化性質(zhì)和結(jié)構(gòu)表征

2.2.1 中性糖、酸性糖含量測定及總糖含量的校準(zhǔn) 參照文獻(xiàn)中硫酸-苯酚法測量樣品中性糖含量[9],間羥聯(lián)苯測量樣品中糖醛酸的含量[10]??偺呛康男?zhǔn):根據(jù)樣品單糖組成中中性糖與酸性糖的比例校正偏差,計算后得到校準(zhǔn)后總糖含量。

2.2.2 硒元素含量測定 將硒化腫節(jié)風(fēng)浸膏殘渣多糖,置于聚四氟乙烯管中,加入濃HNO3和30% H2O2,在微波消解系統(tǒng)中消化,以SERP作為空白對照。消解結(jié)束后,用原子熒光光譜儀測定其硒元素含量[11]。

2.2.3 樣品純度及相對分子質(zhì)量測定 將硒化腫節(jié)風(fēng)浸膏殘渣多糖通過高效液相色譜儀進(jìn)行純度及相對分子質(zhì)量測定。流動相為H2O,流速1 mL/min,柱溫為37 ℃,檢測器溫度為40 ℃。取不同相對分子質(zhì)量的右旋糖酐標(biāo)準(zhǔn)品經(jīng)0.45 μm微孔濾膜過濾后進(jìn)樣,通過GPC分析軟件獲得相對分子質(zhì)量校準(zhǔn)曲線。將樣品以相同濃度進(jìn)樣,分析色譜圖,獲得樣品純度信息,并計算獲得其相對分子質(zhì)量。

2.2.4 紫外光譜分析 配制0.1 mg/mL SERP及其硒化產(chǎn)物的水溶液,以蒸餾水為空白對照,于200~700 nm范圍內(nèi)進(jìn)行掃描測定。

2.2.5 紅外光譜分析 SERP及其硒化產(chǎn)物經(jīng)干燥后與KBr按1∶200質(zhì)量比充分混合、研磨,采用溴化鉀壓片法在紅外光譜儀上于4 000~400 cm-1區(qū)間掃描。

2.2.6 熱重分析 采用綜合熱重分析儀對SERP及其硒化產(chǎn)物進(jìn)行熱分析,以10 ℃/min的速率升溫,范圍控制在30~300 ℃,氣體為靜態(tài)N2,參比物為Al2O3。

2.3 抗腫瘤活性分析

選擇人肺癌細(xì)胞A549、人胃癌細(xì)胞BGC-823、人宮頸癌細(xì)胞HeLa,人結(jié)腸癌細(xì)胞HT-29,人肝癌細(xì)胞HepG2,人正常細(xì)胞L02進(jìn)行抗腫瘤活性篩選,細(xì)胞均培養(yǎng)在含有10%胎牛血清及雙抗的完全培養(yǎng)基中,環(huán)境溫度37 ℃,濕度95%,5% CO2。通過MTT法檢測不同培養(yǎng)時間(24,48 h)下SERP及其硒化產(chǎn)物對各個細(xì)胞株的體外生長抑制效果。

3 結(jié) 果

3.1 SERP的制備

從腫節(jié)風(fēng)浸膏殘渣30 g中提取獲得SERP(7.68±0.49) g,樣品呈棕黃色。

3.2 反應(yīng)時間、溫度以及HNO3、BaCl2用量對SERP硒化修飾的影響

反應(yīng)時間對SERP硒化修飾產(chǎn)率的影響如圖1-A所示。在反應(yīng)溫度70 ℃、BaCl21.0 g、HNO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%的條件下,當(dāng)反應(yīng)時間為8 h時,硒化修飾產(chǎn)率最高,隨后產(chǎn)率將會有所下降。引起該現(xiàn)象的原因可能為:反應(yīng)時間太短導(dǎo)致反應(yīng)不充分,硒與原糖不能有效結(jié)合;反應(yīng)時間太長,多糖在高溫、強(qiáng)酸條件下會產(chǎn)生降解,導(dǎo)致產(chǎn)率降低。

反應(yīng)溫度對SERP硒化修飾的影響如圖1-B所示。當(dāng)溫度低于70 ℃時,隨著反應(yīng)溫度的升高,硒化產(chǎn)物的產(chǎn)率逐漸增加,而高于70 ℃后,其產(chǎn)率銳減。這可能是因為多糖在高溫條件下發(fā)生了降解,因此產(chǎn)率降低明顯。

圖1-C為反應(yīng)溫度70 ℃、反應(yīng)時間8 h、BaCl21.0 g條件下,不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)HNO3對SERP硒化修飾的影響。當(dāng)HNO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于1.0%時,硒化產(chǎn)物的產(chǎn)率隨著HNO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高而升高,但當(dāng)HNO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過1.0%時,產(chǎn)率則在逐步下降。由于HNO3屬于強(qiáng)酸,酸度過高易造成多糖的降解,使硒化反應(yīng)難以發(fā)生,同時HNO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)太低又不利于催化反應(yīng)。

BaCl2用量對SERP硒化修飾的影響如圖1-D所示。當(dāng)固定反應(yīng)溫度為70 ℃、反應(yīng)時間為8 h、HNO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%時,隨著BaCl2加入量的提高,硒化產(chǎn)物的產(chǎn)率逐步升高,在BaCl2加入量為1.0 g時達(dá)到峰值。但隨后隨著BaCl2加入量的增加,其產(chǎn)率逐漸下降。這可能是因為BaCl2的加入對硒化反應(yīng)起到了催化作用,但當(dāng)BaCl2過量時,阻礙了硒與原糖的反應(yīng),從而導(dǎo)致產(chǎn)率降低。

3.3 硒化腫節(jié)風(fēng)浸膏殘渣多糖的制備工藝優(yōu)化結(jié)果

經(jīng)過四因素三水平正交實驗,最終得到了9種硒化腫節(jié)風(fēng)浸膏殘渣多糖產(chǎn)物S1~S9,方差分析結(jié)果見表1,2。正交試驗結(jié)果顯示,影響硒化產(chǎn)率的因素由大到小依次為HNO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)、反應(yīng)溫度、BaCl2用量、反應(yīng)時間;影響產(chǎn)物中硒含量的因素由大到小依次為BaCl2用量、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間、HNO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)。但考慮其抗腫瘤活性后,在產(chǎn)率相似,硒含量適中的情況下,將活性較高,產(chǎn)率相差較小的條件擬選為最優(yōu)方案,即反應(yīng)溫度為70 ℃、反應(yīng)時間為7 h、HNO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%、BaCl2用量為1.5 g。在該優(yōu)化反應(yīng)條件下,重復(fù)3次驗證實驗,硒化腫節(jié)風(fēng)浸膏殘渣多糖的總糖含量達(dá)到(92.30±3.22)%,硒含量為(929.77±12.51) μg/g,產(chǎn)率為(22.15±0.66)%,對于HepG2的半數(shù)抑制率為(123.33±23.02) μg/mL。

Table1 Variance analysis (ANOVA) and significant test of orthogonal experiment result on yield

FactorSddfVarianceFSigTemperature19822299112031??Time654323271670BaCl2920224601942?HNO3260712130362671??

*P<0.05;**P<0.01

Table2 ANOVA and significant test of orthogonal experiment result on selenium content

FactorSddfVarianceFSigTemperature2521249621260624810960??Time14237109271185546189??BaCl24285992822142996418632??HNO37636622381831332

*P<0.05;**P<0.01

3.4 純度及相對分子質(zhì)量測定結(jié)果

硒化腫節(jié)風(fēng)浸膏殘渣多糖S1~S9的高效液相色譜圖如圖2所示,其重均相對分子質(zhì)量(Mw)、數(shù)均相對分子質(zhì)量(Mn)、Z均相對分子質(zhì)量(Mz)和分散系數(shù)(PD)如表3所示。由圖2和表3可以看出,9種硒化腫節(jié)風(fēng)浸膏殘渣多糖的純度和相對分子質(zhì)量基本一致。

3.5 紫外光譜分析

圖3為SERP及其9種硒化產(chǎn)物的紫外吸收光譜圖。如圖所示,SERP在230 nm區(qū)域內(nèi)無吸收峰,而硒化修飾后9種產(chǎn)物均在230 nm處產(chǎn)生吸收。該結(jié)果提示硒化修飾向原糖分子中引入了亞硒酸根,繼而可能形成了硒化腫節(jié)風(fēng)浸膏殘渣多糖[12]。

Figure2 HPLC chromatograph of selenylated polysaccharides 1-9 (S1-S9)

Table3 Weight-average molecular weight(Mw),number-average molecular weight(Mn),Z-average molecular weight(Mz) and polydispersity (PD)of S1-S9

ContentMwMnMzPDS1134216312908891392106103972S2133743212870881386171103911S3133935212888901389358103915S4133806112877661386266103906S5134116612891111396242104038S6133894612885701387231103909S7134018112900051390257103890S8133841812872071390338103978S9133502412849381383568103898

Figure3 UV spectra of SERP and S1-S9

3.6 紅外光譜分析

SERP及其硒化產(chǎn)物的紅外光譜如圖4所示。在3 200~3 600 cm-1出現(xiàn)的寬而強(qiáng)的吸收峰為-OH的伸縮振動峰。2 935.2 cm-1弱的吸收帶歸屬于C-H伸縮振動峰。1 618.5 cm-1的吸收峰為C=O伸縮振動,出現(xiàn)在1 280.6,1 334.5,1 422.3 cm-1的寬而強(qiáng)的吸收帶為C-H的彎曲振動。950和1 200 cm-1之間的吸收區(qū)為碳水化合物指紋區(qū)[13]。與原糖的紅外光譜相比較,9種硒化產(chǎn)物的紅外光譜在833.6 cm-1呈現(xiàn)硒酸酯的Se=O伸縮振動特征吸收。同時,575.9 cm-1的特征吸收峰歸屬于Se-O-C的伸縮振動,這些特征峰均說明粗品多糖發(fā)生了硒化反應(yīng)[14]。

3.7 熱重分析

SERP及其9種硒化產(chǎn)物的熱重分析如圖5所示,在加熱過程中,50~150 ℃發(fā)生的失重為多糖中結(jié)合水的部分,150 ℃之后,樣品發(fā)生了分解[15]。如圖所示,與SERP相比,硒化產(chǎn)物更容易分解,該結(jié)果表明硒的引入降低了SERP的熱穩(wěn)定性。

Figure4 Infrared spectra of SERP (A) and S1-S9 (B)

Figure5 TGA curves of SERP and S1-S9

3.8 抗腫瘤活性分析

SERP及其9種硒化產(chǎn)物對于HepG2作用24和48 h時的抑制效果如圖6所示。作用48 h時,氟尿嘧啶(50 μg/mL)對HepG2的抑制率為(71.02±5.86)%,在500 μg/mL的質(zhì)量濃度下,SERP對該細(xì)胞的抑制率為(40.28±3.36)%,而9種硒化產(chǎn)物中最高抑制率可達(dá)到(81.99±5.29)%。與SERP相比,9種硒化多糖對于HepG2腫瘤細(xì)胞的抑制效果更為顯著,其中S3的半數(shù)抑制率甚至達(dá)到(113.03±43.01) μg/mL,因此也對該產(chǎn)物作用于HT-29人結(jié)腸癌細(xì)胞、HeLa人宮頸癌細(xì)胞和L02人正常肝細(xì)胞的抑制效果進(jìn)行了考察。結(jié)果(圖7)表明,硒化腫節(jié)風(fēng)浸膏殘渣多糖不僅對于HepG2細(xì)胞具有抑制作用,同時對HT-29細(xì)胞、HeLa細(xì)胞同樣具有抑制作用,SERP經(jīng)過硒化修飾后,抗腫瘤活性得到明顯提高,而對人正常肝細(xì)胞沒有影響。相比于氟尿嘧啶等化學(xué)藥物,該硒化多糖的毒性更低,后續(xù)可通過進(jìn)一步的體內(nèi)實驗研究后,作為潛在的抗腫瘤藥物進(jìn)一步開發(fā)。

4 討 論

本研究使用單因素與正交實驗對SERP的硒化條件進(jìn)行優(yōu)化,最佳制備工藝為:反應(yīng)溫度70 ℃、反應(yīng)時間7 h、HNO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%、BaCl2用量1.5 g。在此條件下,硒化腫節(jié)風(fēng)浸膏殘渣多糖的總糖含量達(dá)到(92.30±3.22)%,硒含量為(929.77±12.51) μg/g,產(chǎn)率為(22.15±0.66)%。

目前對于硒化多糖的結(jié)構(gòu)表征多采用紫外光譜分析,紅外光譜分析和熱重分析[4]。本研究對制備所得的硒化腫節(jié)風(fēng)浸膏殘渣多糖使用紫外光譜、紅外光譜和熱重分析,表明硒元素以亞硒酸酯的結(jié)構(gòu)與多糖相結(jié)合。

抗腫瘤活性作為硒化多糖的常見活性,本研究對最佳條件下制備所得的硒化腫節(jié)風(fēng)浸膏殘渣多糖進(jìn)行了抗腫瘤活性研究,在最佳條件下所制備的硒化腫節(jié)風(fēng)浸膏殘渣多糖對于HepG2人肝癌細(xì)胞的半數(shù)抑制率達(dá)到(123.33±23.02) μg/mL,對于HT-29人結(jié)腸癌細(xì)胞、HeLa人宮頸癌細(xì)胞也表現(xiàn)一定的抑制作用,而對于正常人肝細(xì)胞L02的毒性較小。與SERP相比,硒化腫節(jié)風(fēng)浸膏殘渣多糖具有更高的抗腫瘤活性,但其體內(nèi)抗腫瘤活性還有待進(jìn)一步研究,但硒化腫節(jié)風(fēng)浸膏殘渣多糖仍可作為抗腫瘤藥物繼續(xù)進(jìn)行開發(fā),為腫節(jié)風(fēng)浸膏殘渣的生物資源再利用提供了新思路。

*P<0.05;**P<0.01vscontrol group

*P<0.05;**P<0.01vscontrol group

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