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编号:10280915
甲壳素及其衍生物的医学应用
http://www.100md.com 《福建医科大学学报》 1999年第2期
     作者:林友文 许晨 卢灿辉

    单位:林友文 (福建医科大学化学教研室 福州 350004);许晨 卢灿辉 (福建师范大学高分子研究所 福州 350007)

    关键词:甲壳素;壳聚糖;医学应用

    福建医科大学学报990248

    甲壳素(chitin)亦称甲壳质,是1,4-连接的2-乙酰氨基-2-脱氧-β-D-葡萄糖,广泛存在于昆虫、甲壳纲动物外壳及真菌细胞壁中,是自然界中产量仅次于纤维素的天然多糖。壳聚糖(chitosan)是甲壳素脱乙酰化的衍生物。这类多糖既可生物合成,又可生物降解,与动物的器官组织及细胞有良好的生物相容性,无毒,降解过程中产生的低分子寡聚糖在体内不积累,几乎没有免疫原性。但甲壳素在水及有机溶剂中不溶,壳聚糖只溶在稀酸中,所以其应用范围受到限制。在它们的结构中除了含有羟基外,还有活泼的氨基,易于化学改性,引入多功能基团,拓宽应用领域[1,2]。特别是对其生物活性[3,4]及在药物制剂,医用高分子材料等的医学应用研究十分活跃[5~8],随着研究的深入,这一具有独特性能的生物材料越来越引起人们的重视,逐渐发展为有巨大经济效益和社会效益的甲壳素产业。本文着重对近年来甲壳素、壳聚糖及其衍生物在医学方面应用的研究作一简介。
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    1 抗肿瘤活性

    甲壳素、壳聚糖及其某些改性的衍生物均表现出较强的抗肿瘤活性。壳聚糖能有选择地凝集白血病L1210细胞产生致密凝块,阻止其生长,而对正常红细胞和骨髓细胞没有影响。Suzuki等发现六-N-乙酰葡萄胺六聚体(NACOS-6)和壳聚六糖(COS-6)能抑制小鼠体内Sarcoma 180和MM-46肉瘤的生长[9]。Tokoro等研究发现通过静脉注射NACOS-6或COS-6,能抑制植入BALB/C雄性小鼠体内的Meth-A肉瘤生长[10](表1),认为抗肿瘤的机理可能是增加产生了白细胞介素-1(IL-1)和白细胞介素-2(IL-2),并能增殖T淋巴细胞,从而表现出抗肿瘤活性。而五-N-乙酰葡萄胺五聚体(NACOS-5)和壳聚五糖(COS-5)在同样条件下却不能抑制肿瘤的生长(表2)。

    表1 NACOS-6对Meth-A肉瘤生长的抑制率 样 品
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    肿瘤重(g)

    抑制率(%)

    对照组

    8.8±0.5

    NACOS-6(mg/kg)

    0.01

    8.6±0.8

    2

    0.1

    7.9±0.8

    10

    1.0

    6.5±0.8
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    26*

    10.0

    5.1±0.5

    42**

    100.0

    5.3±0.7

    39**

    *:P<0.05, **:P<0.001.

    表2 NACOS和COS对Meth-A肉瘤生长的抑制率 样 品

    肿瘤重(g)

    抑制率(%)
, 百拇医药
    对照组

    9.5±0.4

    NACOS-6

    5.3±0.8

    44*

    NACOS-5

    8.3±0.4

    12

    COS-6

    5.6±1.0

    44*

    COS-5
, 百拇医药
    9.6±0.3

    各实验组剂量均为10mg/kg.*:P<0.01.

    Murata[11]发现C6位置的羟基部分硫酸酯化、部分羧甲基化的甲壳素(SCM-chitin)抑制B16-BL6黑色素瘤自发向肺转移的活性最强,其活性是6-0-硫酸酯化甲壳素(S-chitin)的3倍,而且抑制瘤转移的活性随着化合物中硫酸酯化程度增加而增强。C6上无硫酸酯化的6-0-羧甲基甲壳素(CM-chitin)无抑制肿瘤转移活性,同样有硫酸酯化的壳聚糖(S-chitosan)或硫酸酯化的羧甲基壳聚糖亦无抑制肿瘤转移的活性,并指出高硫酸酯化的SCM-chitin可望成为治疗肿瘤转移的有效物质。王中和等也应用口服低聚壳聚糖作为肿瘤放疗的辅助手段,能有效提高抗肿瘤免疫功能[12]

    2 抗菌活性
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    甲壳素、壳聚糖具有抑制细菌、霉菌生长的活性,Suzuki等对雄性小鼠的动物实验表明,甲QD壳素和壳聚糖能抗白色念珠菌(NIHA-207)引起的感染,按50mg.kg-1.d-1腹部皮下分别注射甲壳素和壳聚糖,60天后发现甲壳素和壳聚糖组存活率分别为55%和90%,而对照组为10%[13]。Muzzarelli对N-羧甲基壳聚糖等物质的抗菌活性进行研究,结果表明浓度为4mg.ml-1(pH 5.4~6.8,37℃)的N-羧甲基壳聚糖-3.6-二硫酸酯对体外培养的金黄色葡萄球菌、链球菌、奇异变形菌、大肠杆菌等有抑制作用[14]

    蒋玉燕等研究发现壳聚糖是抗菌谱较广的天然抗菌物质,对革兰氏阳性菌、阴性菌及白色念珠菌均有明显抑制效果[15].实验结果表明壳聚糖的抗菌活性与其分子结构中游离的氨基含量有关,也与壳聚糖的分子量有关,对大肠杆菌的抑菌试验表明,当脱乙酰度增加时,游离氨基含量增加,抑菌率增加(图1)。随着壳聚糖分子量的增大,MIC(最低抑菌浓度)逐渐增高,即抑菌作用减弱(图2),指出抗菌机制可能是氨基质子化后与细胞壁生物大分子相互作用引起膜功能紊乱。
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    图1 壳聚糖脱乙酰化度对抗菌活性的影响

    图2 壳聚糖分子量对抗菌活性的影响

    由于甲壳素、壳聚糖有良好的生物相容性及抗菌等特点,目前巳用于制备伤口愈合促进剂,人工皮肤等[16]。叶春婷等以甘油、明胶、壳聚糖为原料,戊二醛为交联剂,制备无色透明的膜状人工皮肤。经动物试验表明,该膜具有良好的组织相容性,对促进伤口愈合有良好作用[17]。高怀生等用碘壳聚糖生物敷料进行体外抗菌试验表明,该复合物因可释放出元素碘,具有强的消毒杀菌作用[18]

    3 抗凝血活性

    肝素是应用最广的血液抗凝剂,但价格昂贵。甲壳素及壳聚糖经硫酸酯化后,其结构与肝素相似,具有抗凝血活性,称为类肝素药物。Hirano的研究发现硫酸酯化甲壳质和硫酸酯化壳聚糖的抗凝血活性主要表现在C6上的硫酸根。C3上硫酸根并不起主要作用,但它可以促进C6上的硫酸根提高抗凝血活性。而N上硫酸酯化对抗凝血活性影响不大。同时该类化合物的抗凝血活性与分子量有关。不同分子量(标于括号内)的壳聚糖衍生物与肝素抗凝血活性比较如下:O-硫酸酯化-N-乙酰化壳聚糖(26000)(1)>肝素(21000)(2)>O,N-硫酸酯化壳聚糖(12000)(3)>O-硫酸酯化-O-羧甲基化壳聚糖(540000)(4)。它们对凝血因子Ⅲ、凝血因子Ⅱa和抗凝血酶的抗凝血活性见表3[19]
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    表3 硫酸酯化甲壳素、壳聚糖的抗凝血活性(U/mg) 样品

    凝血因子Ⅲ

    凝血因子Ⅱa

    抗凝血酶

    1

    331~379

    70~87

    4.9~9.0

    2

    174

    3

    190~287
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    44~70

    4.7~8.7

    4

    21~31

    14~22

    3.3~6.0

    Muzzarelli等测定,3,6-二硫酸酯化-N-羧甲基壳聚糖在血液中浓度为0.17mg.ml-1时,其抗凝血活性与肝素相当,且对红细胞结构无显著影响(24h内无溶血现象),效果优于N-羧甲基壳聚糖的单硫酸酯化和三硫酸酯化衍生物[20]。曹农等对壳聚糖进行改性后作抗凝血活性实验,不同壳聚糖衍生物的抗凝血活性顺序是:羧甲基壳聚糖>壳聚糖>羟乙基壳聚糖>乙基壳聚糖[21]
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    4 研制新型医用高分子材料

    由甲壳素制成的膜无毒,有良好的生物相容性,可降解,韧性好。可用于分离、渗透、反渗透及超滤等医用方面,也可用于制备人工透析膜,还可制备人工皮肤[16]。应用甲壳素制备外科手术缝合线的研究也有报道[22]。甲壳素缝线柔软,易打结,机械度较高,还有易被机体吸收,促进伤口愈合的优点,国外已商品化。有报道羧甲基甲壳素可用于制取脂质体型人工红细胞[23]。经环氧丙烷改性后得到的羟丙基化壳聚糖可用于配制人工泪液,观察该人工泪液对36例无泪液、干燥性角膜炎和结膜炎患者的疗效,优于以甲基纤维素为原料的原人工泪液[24]

    5 其他

    甲壳素及壳聚糖的低聚物有增强巨噬细胞的吞噬功能,刺激巨噬细胞产生淋巴因子,启动免疫系统,有效提高机体抗肿瘤免疫等功能[12]。甲壳素、壳聚糖被广泛用做制药的辅料[7]。作为酶及高分子药物的载体,制备控释、缓释给药系统[25]。通过环氧氯丙烷活化壳聚糖,与单克隆抗体(anti-HBSAg monoclonal antibody)在0~4℃下偶联制成免疫吸附剂,实验表明该吸附剂对含乙肝表面抗原阳性血清的吸附率为44%,能使血清HBSAg阳性转为阴性[26]。有些甲壳素、壳聚糖衍生物能有效络合吸附有毒或放射性的金属离子,从而达到对人体的解毒作用[27]
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    动物实验表明,壳聚糖能降低大鼠血脂水平,主要表现在降低LDLC和VLDLC,而对HDLC有升高作用。对防治高血脂症和心血管病有重要意义[28]。壳聚糖有吸附胆固醇、甘油三酯的特性,其吸附率随壳聚糖的脱乙酰化程度的提高而提高。通过用戊二醛为交联剂制备壳聚糖微球,采用血液灌流方式清除血液中高含量的胆固醇和甘油三酯,有望成为治疗高脂血症的新方法。

    甲壳素及其衍生物由于独特的生物活性,丰富的自然资源,被誉为人体健康所必需的第六生命要素,是21世纪的新材料。其应用已拓展到工业、农业、国防、医学、环境保护等各个领域。加强甲壳素及其衍生物在医学领域的应用研究对保障人类健康、提高人类的生存发展质量具有重大意义。

    参考文献

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    27 Philip T,Yoshinari B.Adsorption of metal ions on a new cheating ion-exchange resin chemically derived from chitosan.Chem Lett,1991;9:1529

    28 吴加罗,来伟旗,王 茵.壳聚糖对大鼠血脂水平的影响.营养学报,1994;16:197

    (收稿:1998-12-04 修回:1999-03-29), 百拇医药