董學(xué)衛(wèi),孫 敏,顏世超,賈懷峰,張 偉,姜 曼

(濟(jì)寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院 生物與化學(xué)工程系,山東 濟(jì)寧 272000)

蝦青素又稱為變胞藻黃素或蝦紅素，是一種天然的類胡蘿卜素，20世紀(jì)90年代中期開始，美國(guó)的Cyanotech和日本的Itano等公司就將其作為一種天然的膳食補(bǔ)充劑進(jìn)行銷售。隨著健康中國(guó)2030戰(zhàn)略的實(shí)施，國(guó)內(nèi)對(duì)蝦青素的研究正方興未艾。

1 蝦青素的結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)

1.1 蝦青素的來源

蝦青素廣泛存在于細(xì)菌、藻類、酵母、植物、甲殼類動(dòng)物和鮭魚等魚類中，主要商業(yè)來源是微藻和甲殼類動(dòng)物。其中，雨生紅球藻的蝦青素含量最高，約占細(xì)胞干重的2.0%～3.0%[1]，光強(qiáng)和缺磷脅迫有利于雨生紅球藻積累蝦青素及脂肪酸酯衍生物。

1.2 蝦青素的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)

根據(jù)來源不同，蝦青素通常與不同的脂肪酸酯化，如棕櫚酸、油酸和亞油酸等，以單酯或雙酯形式存在。人工合成的蝦青素是自由形式，而從微藻中提取的蝦青素為單酯和雙酯的混合物。蝦青素分子式為C40H52O4，其物質(zhì)的量質(zhì)量為596.84 g/moL。

蝦青素含有由共軛多烯系統(tǒng)連接的兩個(gè)末端環(huán)，位于苯環(huán)3,3′位置的兩個(gè)不對(duì)稱碳原子含有羥基(-OH)，兩端的4,4′處含有酮基(=O)。蝦青素存在三種異構(gòu)體，包含兩個(gè)對(duì)映體結(jié)構(gòu)(3S,3'S和3R,3'R)和消旋結(jié)構(gòu)(3R,3'S)(圖1)[2]。其中3S,3'S在自然界中最豐富，雨生紅球藻合成的蝦青素為(3S,3'S)異構(gòu)體。人工合成的蝦青素是包含兩個(gè)對(duì)映體和外消旋結(jié)構(gòu)的消旋混合物，(3S,3'S)、(3R,3'S)和(3R,3'R)異構(gòu)體的比例為1∶2∶1[3]。

圖1 不同蝦青素反式異構(gòu)體構(gòu)型

1.3 蝦青素的毒理學(xué)研究

石麗麗等[4]研究發(fā)現(xiàn)，蝦青素對(duì)雌、雄大鼠的急性經(jīng)口最大耐受量(MTD)均大于19.09/kg·BW。Ames試驗(yàn)、小鼠骨髓微核試驗(yàn)和精子畸形試驗(yàn)結(jié)果均未見致突變作用，大鼠30d喂養(yǎng)試驗(yàn)各項(xiàng)指標(biāo)也均未見明顯毒性反應(yīng)。梅素歡等[5]綜述了蝦青素的毒理學(xué)研究概況，對(duì)其安全性做出了總結(jié)，為蝦青素的安全性研究提供參考。1999年美國(guó)食品和藥物管理局(USFDA)批準(zhǔn)雨生紅球蝦青素為一種新膳食成分，我國(guó)也相繼將蝦青素和雨生紅球藻批準(zhǔn)為飼料添加劑和新食品資源[5]。

1.4 蝦青素的生物利用度

蝦青素水中的溶解度低，在普通食用油(如長(zhǎng)鏈三酰甘油酯)中的溶解度有限，分散性低，吸收率低，與其他營(yíng)養(yǎng)功能性脂質(zhì)化合物相比，生物利用度低[6]，且在加工或儲(chǔ)存過程中易降解，限制了其在功能性食品和膳食補(bǔ)充劑中的應(yīng)用。雨生紅球藻在不同環(huán)境中具有不同細(xì)胞形態(tài)，其中不動(dòng)孢子階段雨生紅球藻可大量積累高濃度的蝦青素。不動(dòng)孢子細(xì)胞壁較厚，既是防氧化和化學(xué)攻擊的天然屏障，也是人類消化和吸收的障礙[7]。

2 蝦青素的藥理學(xué)作用

2.1 抗氧化活性

氧化應(yīng)激是細(xì)胞前體反應(yīng)和抗氧化反應(yīng)間的微妙平衡被破壞而引起，在一些人類疾病的發(fā)病機(jī)制中起關(guān)鍵中介作用。蝦青素通過淬滅單線態(tài)氧、清除自由基、降低膜通透性、限制氧化劑滲透進(jìn)細(xì)胞內(nèi)、增加抗氧化酶活性、降低DNA的氧化損傷、抑制脂質(zhì)過氧化等方式進(jìn)行抗氧化作用[8]。Naguib等研究表明，蝦青素比其他類胡蘿卜素(如α-胡蘿卜素、番茄紅素、葉黃素和β-胡蘿卜素)具有更高的抗氧化活性[9]。王素玲等[10]發(fā)現(xiàn)蝦青素可降低儲(chǔ)存懸浮紅細(xì)胞內(nèi)外的氧化應(yīng)激水平，減輕細(xì)胞膜的過氧化損傷，紅細(xì)胞儲(chǔ)存期細(xì)胞內(nèi)ROS、MDA含量、細(xì)胞外FHb和H2O2含量均低于對(duì)照。

2.2 抗炎作用

炎癥和氧化應(yīng)激是雙端關(guān)系的組成部分。炎癥的本質(zhì)是機(jī)體應(yīng)對(duì)各種損傷性刺激時(shí)自我保護(hù)的防御反應(yīng)[11]，炎癥介質(zhì)如白細(xì)胞介素(IL)-1B、IL-6、IL-8和TNF-α在許多眼部疾病中上調(diào)，增加ROS的表達(dá)，同樣導(dǎo)致炎性細(xì)胞因子、趨化因子分泌增加，改變局部環(huán)境的穩(wěn)態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞損傷、病理性新生血管形成和隨后的功能損害。宋陽等[12]證明蝦青素預(yù)保護(hù)能抑制TLR4/MyD88/NF-кB通路相關(guān)蛋白的表達(dá)，進(jìn)而緩解脂多糖刺激RAW264.7細(xì)胞產(chǎn)生的炎癥反應(yīng)。市售蝦青素作為一種抗炎藥，其療效與阿司匹林或布洛芬等炎癥藥物相似。體外實(shí)驗(yàn)、早期臨床試驗(yàn)表明，蝦青素本身或與其他成分結(jié)合，可預(yù)防甚至治愈某些疾病。

2.3 抗凋亡作用

細(xì)胞凋亡是細(xì)胞程序性死亡的一種形式，在哺乳動(dòng)物的發(fā)育和組織穩(wěn)態(tài)中起著至關(guān)重要的作用。細(xì)胞凋亡與神經(jīng)退行性疾病、缺血性中風(fēng)和心臟病的發(fā)生密切相關(guān)[13]。馬于林等[14]發(fā)現(xiàn)，蝦青素預(yù)處理后，過氧化氫對(duì)HA-SMC毒性作用降低，ROS水平降低，線粒體膜電位回升，自噬相關(guān)蛋白表達(dá)上調(diào)，抑制凋亡。閆孟利等[15]研究發(fā)現(xiàn)，蝦青素預(yù)處理組細(xì)胞活力較對(duì)照組提高了29.54%以上且可將H2O2誘導(dǎo)的活性氧降至對(duì)照水平，同時(shí)提高Nrf2蛋白表達(dá)量3倍之多，過氧化氫酶基因相對(duì)表達(dá)量1.5倍，說明蝦青素可有效緩解H2O2誘導(dǎo)的HeLa細(xì)胞氧化應(yīng)激，從而抑制細(xì)胞凋亡。

3 蝦青素在眼科學(xué)上的應(yīng)用

3.1 視網(wǎng)膜疾病

視網(wǎng)膜是眼睛最里面、對(duì)光敏感的神經(jīng)層，是體內(nèi)代謝最活躍的組織，對(duì)氧氣需求量大，不斷地暴露在光線下。從而導(dǎo)致眼睛易受輻射引發(fā)氧化損傷和炎癥。視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞死亡是青光眼、視神經(jīng)病變和糖尿病視網(wǎng)膜病變等視網(wǎng)膜病變的共同特征，多以氧化應(yīng)激、缺血和凋亡為主要致病因素[16]。

Otzuka等研究發(fā)現(xiàn)，濃度為100 mg/kg的蝦青素能抑制光誘導(dǎo)視網(wǎng)膜損傷小鼠模型的視網(wǎng)膜電圖(ERG)和外核層(ONL)厚度評(píng)估的視網(wǎng)膜功能障礙。此外，通過降低8-羥基脫氧鳥苷(8-OHdG)水平，可同時(shí)降低細(xì)胞氧化應(yīng)激[17]。莊海容等[18]探討了蝦青素對(duì)過氧化氫誘導(dǎo)人視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞(retinal pigment epithelial cells,RPE)氧化損傷的保護(hù)作用。蝦青素可以抑制H2O2誘導(dǎo)的人RPE細(xì)胞的凋亡，為尋求防治視網(wǎng)膜損傷的藥物提供可靠的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

3.2 葡萄膜炎

葡萄膜炎會(huì)影響眼睛中間層的炎癥，是導(dǎo)致視力下降和眼睛疼痛的常見原因。葡萄膜炎血-水屏障的破壞涉及細(xì)胞浸潤(rùn)、蛋白質(zhì)滲透性增加和葡萄膜區(qū)域細(xì)胞因子和趨化因子(如TNF-α、IL-6、MCP-1和MIP-1)的上調(diào)。這種炎癥級(jí)聯(lián)與氧化應(yīng)激增加有關(guān)。Suzuki等研究了蝦青素對(duì)內(nèi)毒素誘導(dǎo)的葡萄膜炎的影響，測(cè)定了有無蝦青素時(shí)炎性細(xì)胞因子和趨化因子的表達(dá)。研究發(fā)現(xiàn)，注射蝦青素的大鼠浸潤(rùn)細(xì)胞數(shù)量明顯減少，且蛋白質(zhì)、NO、TNF-α和PGE2的濃度、虹膜睫狀體NF-kB陽性細(xì)胞數(shù)也明顯減少。表明蝦青素通過下調(diào)促炎因子和抑制NF-kB依賴的信號(hào)通路來減輕葡萄膜炎患者的眼部炎癥[19]。

3.3 白內(nèi)障

白內(nèi)障會(huì)導(dǎo)致自然晶狀體混濁，造成視力下降，是失明的主要原因之一，需要手術(shù)恢復(fù)視力[20]。Ishikawa等發(fā)現(xiàn)蝦青素可有效防止類固醇誘發(fā)白內(nèi)障的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭芯铙w混濁，恢復(fù)谷胱甘肽水平，表明抗氧化活性是預(yù)防白內(nèi)障的主要機(jī)制[21]。此外，楊明等[22]研究了蝦青素對(duì)1型糖尿病大鼠代謝性白內(nèi)障的預(yù)防作用及機(jī)制，發(fā)現(xiàn)低劑量蝦青素組和高劑量蝦青素組大鼠晶狀體勻漿內(nèi)的AGEs質(zhì)量濃度和MDA濃度均低于糖尿病模型組，低劑量蝦青素組大鼠晶狀體中GSH質(zhì)量濃度和SOD含量明顯低于高劑量蝦青素組。

3.4 眼表

眼睛表面，尤其是角膜和結(jié)膜，幾乎經(jīng)常暴露在陽光下，是氧化應(yīng)激的誘因之一。而炎癥和氧化應(yīng)激密切相關(guān)，是眼表疾病的主要致病因素[23]?？衫梦r青素處理炎癥和氧化應(yīng)激的能力，進(jìn)行眼表疾病的治療。Anton Lennikovd等[24]發(fā)現(xiàn)蝦青素可用于治療紫外線照射造成的損傷，角膜上皮細(xì)胞的形態(tài)保存良好，凋亡細(xì)胞明顯少于對(duì)照組，氧化應(yīng)激有所減少。蝦青素處理的TKE2細(xì)胞毒性較低，隨著蝦青素劑量的增加，細(xì)胞保護(hù)作用增強(qiáng)。

3.5 視疲勞

視疲勞，又稱眼疲勞，日常生活中出現(xiàn)的非特異性的癥狀，包括不適、流淚、視力模糊、對(duì)光敏感，嚴(yán)重者還會(huì)出現(xiàn)疼痛。由于智能手機(jī)和平板電腦等緊湊型終端的廣泛使用，從而使得調(diào)節(jié)系統(tǒng)超負(fù)荷工作，加劇了眼睛疲勞[25]。閻英杰等[26]研究發(fā)現(xiàn)，VDT操作員服用蝦青素后眼肌調(diào)節(jié)力得到明顯改善，表明蝦青素對(duì)VDT操作員的視疲勞有改善作用。張會(huì)香等[27]開展了對(duì)紅球藻軟膠囊緩解視疲勞功能評(píng)價(jià)研究，發(fā)現(xiàn)口服紅球藻軟膠囊試驗(yàn)組試驗(yàn)后癥狀總積分與試驗(yàn)前及與對(duì)照組比較均顯著降低，明視持久度與試驗(yàn)前比較及與對(duì)照組比較均有顯著改善，且平均明視持久度提高幅度大于0.1。

4 討論

由于蝦青素具有抗炎、抗氧化、代謝調(diào)節(jié)、具有直接治療眼部疾病等功效，而且安全性高，臨床研究中均未報(bào)告任何不良事件，為支持、保護(hù)和改善眼睛健康及對(duì)眼部疾病的治療開辟了新視角。為提高蝦青素的治療效果，既需要提高其生物利用度，也需要針對(duì)不同的臨床適應(yīng)癥以確定合適的劑量和確切的成分。