硫酸多糖抗病毒活性构效关系

苟清碧

（西南科技大学生命科学与工程学院，四川绵阳621010）

多糖是构成生命的四大基本物质之一，广泛存在于各种生物中，为醛糖和（或）酮糖通过糖苷键连接的聚合物。硫酸多糖是指多糖大分子链中单糖分子上的羟基被硫酸基取代而形成的天然及半合成的酸性多糖，包括从动植物中提取的各种硫酸多糖、肝素、天然中性多糖的硫酸衍生物及人工合成的各种硫酸多糖。自1981年硫酸化木聚糖被批准用于治疗艾滋病以来，硫酸多糖的抗病毒活性备受人们关注。大量实验研究表明，硫酸多糖对多种病毒有抑制作用，如人类免疫缺陷病毒、单纯疱疹病毒、流感病毒、肝炎病毒、人鼻病毒、革登热病毒、传染性法氏囊病病毒、新城疫病毒、柯萨奇病毒等［1-9］。硫酸多糖与目前使用的其他抗病毒药物相比，其细胞毒作用较小，是一类潜在的新型抗病毒药物，成为目前研究最多的一类天然或化学修饰多糖之一。硫酸多糖的抗病毒活性与其结构密切有关，多糖引入硫酸基后，打破了原有的多糖之间的聚合链，使多糖卷曲构象呈伸展和刚性状态，降低了多糖的柔性，这可能是多糖产生抗病毒活性的重要原因。本文就硫酸多糖抗病毒机制及其抗病毒活性构效关系研究进展做一综述。

1 硫酸多糖抗病毒活性机制

硫酸多糖主要通过直接杀伤病毒、抑制病毒增殖过程及提高宿主免疫力等途径发挥抗病毒作用。硫酸多糖可通过携带的负电荷与病毒表面直接作用从而抑制病毒的感染能力。研究发现卡拉胶对多种含有囊膜的病毒具有直接杀伤作用，使其失去感染能力从而有效地降低病毒的增殖。王君敏等［10］把多糖和新城疫病毒感染后加入时，硫酸化多糖1～5个浓度组的OD570nm值显著大于病毒对照组，结果表明硫酸多糖有直接杀灭新城疫病毒感染的作用。硫酸化的多糖也可以通过硫酸基团的负电荷来屏蔽细胞表面的正电荷，干扰病毒对于细胞的吸附过程、抑制病毒抗原的表达、抑制合胞体的形成，并抑制逆转录酶的活性和抗氧化作用。人们发现硫酸酯化葡聚糖能干扰人类免疫缺陷病毒1（HIV-1）对宿主细胞的黏附作用，抑制逆转录酶的活性而有效抑制HIV-1。王春花等［11］采用体外鸡胚成纤维细胞培养法研究多糖抗新城疫病毒的活性发现，多糖经硫酸化修饰后，抗病毒活性增强，主要通过抑制病毒吸附与侵入起到保护细胞作用。硫酸多糖通过提高机体的免疫功能，增强机体自身抗病毒能力。当多糖硫酸酯化后，所带硫酸基团的空间位阻和静电排斥效应改变了多糖原来的空间结构，增加了糖链的屈伸度，提高了水溶性，从而引起生物活性的改变。张婷婷等［12］从杜氏藻总多糖PD中分离得到的天然硫酸多糖PDS2，采用细胞病变效应（CPE）测定其体外抗流感病毒活性及从碳粒廓清速率、血清溶血素、脾淋巴细胞增殖三个方面研究硫酸基团与PDS2免疫活性的关系，结果显示PDS2具有抗病毒作用，明显改善免疫低下小鼠的免疫功能。周革非等［13］研究发现，κ-卡拉胶经硫酸化修饰后，对代表细胞免疫的淋巴T细胞和作为机体免疫系统中重要的免疫细胞的巨噬细胞的增殖作用比κ-卡拉胶原糖得到了增强，说明κ-卡拉胶硫酸多糖具有潜在的免疫调节作用。

2 硫酸多糖抗病毒活性构效关系

2.1 硫酸基团含量对硫酸多糖抗病毒活性的影响

从大量的研究来看，影响硫酸多糖抗病毒活性的是硫酸基含量。硫酸化结构是多糖抗病毒的重要活性部分，一般硫酸化程度越高，抗病毒活性越强。栾晖等［14］试验结果表明，κ-卡拉胶寡糖硫酸基含量与其抗疱疹病毒活性二者呈正相关。但是也并不是硫酸基越多越好，过多会产生抗凝血等不良反应。一般认为，在平均每单位糖残基含1.5～2.0个硫酸基为最佳［15-16］。

Yoshida T等［17］研究了不同硫含量和分子质量的硫酸凝胶多糖（curdlan sulfate）的活性，结果表明硫含量小于5.6%的磺化产物无抑制HIV活性，而硫含量为12.1%～14.7%的产物在浓度为3.3 μg／mL时即可抑制HIV活性。但是也有一些反例，从海洋假单胞菌（Pseudomonas sp.）HA318分离到的多糖，在低硫酸化状态下能完全抑制HIV对MT4细胞的侵染［18］。有些硫酸多糖去硫酸化后仍然具有活性。研究还发现K5荚膜多糖硫酸酯化衍生物K5-N，OS（L）的活性是商业肝素抗人乳头瘤病毒（HPV）活性的10倍，尽管两者的硫酸基-羧基比相似。这一结果表明结合病毒粒子主要依赖多糖骨架上的葡萄糖醛酸基团而不是艾杜糖醛酸。另外还发现O-位高度硫酸化后，N-位硫酸化不是必需的，但当K5-N，OS（L）O-位硫酸化低时，N-位硫酸化则是必需的，所以硫酸基一定的取代度是必需的。如果要达到最大活性，几乎所有的羧基都要硫酸化。

2.2 取代位置对硫酸多糖抗病毒活性的影响

除了硫酸化程度对多糖抗病毒起重要作用外，硫酸基取代位置对多糖抗病毒也起重要作用，硫酸软骨素（CS）活性的差异能说明这一点。研究表明硫酸软骨素A、B、C、D只有微弱或无抗单纯疱疹病毒（HSV）活性，而从乌贼软骨得到的CS-E表现出有效的抗病毒活性。CS-E在4和6位的硫酸酯键可以解释其抗单纯疱疹病毒1（HSV-1）活性，其GlcA3-位上也有额外的硫酸基团。与形成二硫酸二糖单位不同的是，10%以上的GlcA可形成3-O-硫酸化，因此CS-E可形成三硫酸二糖单位。在硫酸基团特殊位置的基础上，不排除CS-E额外的硫酸基团对其抗病毒活性起作用的可能性。Shaunak S等［19］研究了2-O-硫酸基对硫酸多糖抗HIV活性的影响。2-O-硫酸基含量达到33.2%，D2S（硫酸糊精）对C8166细胞显示出抗 HIV感染活性，IC90为31 μg／mL，当2位硫酸基含量达到39.4%后，IC90为4 μg／mL，活性不再随着2位硫酸基含量的增加而增加。最近的研究表明，3-O-硫酸化八糖分子比3-OH八糖分子具有更强的阻止HSV-1感染的活性。因此，阻止HSV-1感染需要特殊的硫酸化模式。Lembo D等［20］合成了K5荚膜多糖硫酸酯化衍生物：K5-OS（H）、K5-N，OS（H）、K5-N，OS（L）可阻止HPV-16类病毒粒子与固定的肝素相互作用，而未修饰K5多糖、K5-NS、K5-OS却不能。这些结果表明K5荚膜多糖硫酸酯化衍生物的抗病毒活性与硫酸基含量、硫酸基位置有关。研究者们还发现几丁质硫酸化产物均依靠与gp120带正电荷片段的静电作用来抵御HIV，它们的作用依赖于硫酸化的位点，并非糖残基的硫酸化程度。

2.3 分子量对硫酸多糖抗病毒活性的影响

硫酸多糖的抗病毒活性与分子质量的大小有很大的关系。通常情况下，平均分子质量越大，抗病毒活性越高。硫酸葡聚糖抗HIV活性随着相对分子质量的增加而增加，分子质量在10ku～500ku之间保持最大活性。当用半合成的硫酸葡聚糖分子质量从1ku～500ku的组分进行测试时，高分子质量组分比低分子质量组分的活性更高。在约100ku以上时，活性没有显著增加。在一些情况下，低分子量的硫酸多糖也具有较强的抗病毒活性，特别是硫酸基含量高的时候。如线性β-（1-4）-polymannuronate衍生的硫酸寡聚糖（SPMG）每二糖单位拥有3个硫酸基团，SPMG与HIV-1的gp120结合呈分子量相关性。但要表现抗病毒活性，最小的糖链长度是必需的，如2个～5个糖残基表现出低的结合活性，而6个～8个糖残基活性有3倍～4倍的增加。这也表明小分子多糖的抗病毒活性也与分子质量大小相关。在多糖链大于15个糖残基时糖链分子可与多个gp120分子共价作用，而更短的分子只能与2个～3个gp120分子作用。另外PI-88（HS模拟物）虽然DS高，但由于其分子质量低，所以抗病毒活性很弱。这表明长的糖链能识别和作用更多的病毒结合蛋白（viral attachment protein）从而抑制病毒粒子的感染。小分子多糖抗病毒活性可能是其形成的高级结构如螺线参与了与病毒蛋白的相互作用［21］。

2.4 多糖分子结构对硫酸多糖抗病毒活性的影响

多糖主链和支链的性质以及高级结构影响多糖的生物学活性。主链的糖单元组成、糖苷键类型直接决定多糖的活性，支链的类型、聚合度、在多糖链上的分布及其取代度决定多糖活性的强弱。葡聚糖是自然界许多动植物和微生物多糖的基本结构单元，据推测，它可能是生物产生宿主防御机制的基本组成要素。多糖的抗病毒功能主要是利用其相似结构，通过免疫调节机制产生宿主免疫功能。

多糖分子的高级结构如链的柔韧性和空间构像比一级结构对多糖活性的影响重要的多。但高级结构与活性的关系由于受到多糖空间结构测试手段的限制，目前研究较少。多糖的高级结构主要是通过多糖链间的氢键维持的，而多糖官能团的改造如引入硫酸基等，可以改变分子间相互的作用力，多糖的高级结构也随之改变。如香菇多糖具有抗肿瘤作用，硫酸酯化后则具有显著的抗HIV活性，但失去了原有的抗肿瘤活性。由此推测硫酸酯化多糖和非硫酸多糖的作用机制是不同的。通过13C-NMR、苯胺蓝荧光法及粘度法测定证明，硫酸基团的引入造成多糖理化性质及其空间立体构象的变化，而这正是多糖活性的决定因素。硫酸基的分布和在特定环境中适应特定形状的骨架也是影响多糖-病毒复合体形成的因素。结合区构象的柔性在硫酸多糖的抗病毒活性方面也起重要作用［22］。

3 展望

硫酸多糖具有广泛的、高效的抗病毒活性，与其初级结构，尤其是高级结构密切相关。然而，目前对硫酸多糖的结构研究多集中于初级结构和取代基位置信息的分析，对其高级结构尤其是空间构象与抗病毒活性关系的研究报道很少。硫酸多糖化合结构构效关系没有固定的规律，抗病毒作用是多方位、多环节的，因此需要科研工作者进一步开展不同硫酸多糖的抗病毒构效关系及其作用机制的研究。通过从分子水平研究其抗病毒活性机制，阐明硫酸多糖的构效关系，用分子修饰等方法改善其抗病毒活性，不断加强临床试验，研制、开发新的人工合成或半合成多糖类抗病毒新药，使硫酸多糖在抗病毒感染、提高机体免疫［23-25］方面发挥重要作用，为人类和动物的健康和安全提供更为有力的保障。

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