CC BY
136
579.66+579.61
А. В. Автономова (к.биол.н., с.н.с.)2, А. Р. Карапетян (асп.)2, М. С. Котелев (асп.)1, В. А. Винокуров (д.х.н., проф.)1, Л. М. Краснопольская (д.биол.н., зав.лаб.)2
Полисахариды базидиомицетов: зависимость активности от структуры и практическое использование
I Российский государственный университет нефти и газа им. И. М. Губкина
кафедра физической и коллоидной химии 119991, г. Москва, Ленинский проспект, 65, корп. 1, ГСП -1, В-296; тел. (499) 2339589, e-mail: [email protected], [email protected] 2Научно-исследовательский институт по изысканию новых антибиотиков им. Г. Ф. Гаузе РАМН, лаборатория биологически активных соединений 119021, г. Москва, ул. Б. Пироговская, д. 11; e-mail: [email protected]
A. V. Avtonomova2, A. R. Karapetyan2, M. S. Kotelev1, V. A.Vinokurov1, L. M. Krasnopolskaya2
Polysaccharides of Basidiomycetes: the dependence of activity on the structure and practical use
1Gubkin Russian State University of Oil and Gas 65, Leninskiy Pr, building 1, Moscow,, 119991, Russia; ph. +7(499) 2339589,
e-mail: [email protected], [email protected] 2Gause Institute of New Antibiotics Russian Academy of Medical Sciences,
II B. Pirogovskaya Str., 119021, Moscow, Russia; e-mail: labbas @yandex.ru
В обзоре приведены данные о биологически активных полисахаридах, выделенных из базиди-альных грибов. В последние годы полисахариды грибов привлекают пристальное внимание ученых. Это обусловлено тем, что грибные полисахариды обладают выраженной иммуномо-дулирующей активностью, опосредующей достоверные противоопухолевые эффекты грибных препаратов. Некоторые полисахариды и протеин-связанные полисахариды, такие как ленти-нан, шизофиллан, крестин (PSK), выделенные соответственно из Lentinus edodes, Schizo-phyllum commune и Trametes versicolor, используются в качестве противоопухолевых препаратов в Японии и других странах Юго-Восточной Азии. Обзор содержит общие данные о структуре полисахаридов, о ее связи с биологической активностью и о возможных механизмах иммуномодулирующего действия.
Ключевые слова: базидиомицеты; иммуномо-дулирующее действие; крестин; лентинан; полисахариды; противоопухолевая активность; шизофиллан.
This review describes biologically active polysaccharides isolated from basidial mushrooms. Polysaccharides of mushroom have attracted significant attention in recent years because of their immunomodulatory activities, resulting in antitumor effects. Some of the polysaccharises and protein-bound polysaccharides, such as lentinan, schizophyllan and krestin (PSK), isolated respectively from Lentinus edodes, Schizophyllum commune and Trametes versicolor, have found their way to the market in Japan and other orient country as anticancer drugs. The review focus on structure of polysaccharides, the relationship between structure and biological activity, possible immunomodulating mechanisms.
Key words: basidiomycetes; immunomodulating activity; krestin (PSK); lentinan; polysaccharides; antitumor activity; schizofillan.
В культурах народов мира базидиальные грибы играли существенную роль в качестве источников питания, атрибутов религиозных культов и как лекарственные средства. На сегодня известно более шестисот видов базиди-
Дата поступления 22.09.11
альных грибов, образующих биологически активные полисахариды В настоящем обзоре кратко суммированы сведения по полисахаридам базидиальных грибов, обладающих им-муномодулирующими и противоопухолевыми свойствами.
Источниками выделения биологически активных полисахаридов грибов служат плодовые тела, базидиоспоры, вегетативный мицелий, в том числе погруженный, культуральная жидкость. Основным типом связи в биологически активных грибных полисахаридах считается в-0-(1—3) связь в основной цепи и в-О-(1 —>6) в боковой. Однако это не единственный тип взаимодействия мономеров, соединение моносахаридов в основной цепи может происходить и через /540-(1—2), в-О-(1—4), а-О-(1—3), а-0-(1—4), а-0-(1—6) связи, при этом боковые цепи также могут присоединяться разнообразными способами. Молекулы природных полисахаридов не содержат хаотического набора всевозможных связей и обычно построены по определенному плану, что объясняется особенностями биосинтеза полисахаридов. Даже самые сложные гетерополи-сахариды, по-видимому, редко содержат больше пяти-шести моносахаридов. К самым распространенным из них относятся гексозы — глюкоза, галактоза, манноза и пентозы — ара-биноза, ксилоза. Кетозы в полисахаридах встречаются значительно реже альдоз. Широко распространены 6-дезоксигексозы — рамно-за, фукоза, 2-аминосахара — глюкозамин, га-лактозамин, а также уроновые кислоты. Как правило, первичная структура полисахаридов регулярна, полимер состоит из блоков, в которых повторяется один и тот же остаток или одинаковая последовательность остатков. Многие полисахариды ассоциированы с белком, образуя полисахарид-протеиновый комплекс, в котором отношение молекулярной массы углевода к молекулярной массе протеина колеблется в широких пределах. Кроме того, многие полисахариды содержат заместители неуглеводной природы — остатки серной и фосфорной кислот, органических кислот. Главным источником биологически активных полисахаридов базидиомицетов является клеточная стенка, в которой в-О-гликаны входят как в состав матрикса, так и в фибриллярный компонент 1-3.
Вторичная структура полисахаридов представлена пространственно объемными формами. При помощи рентгеноструктурного анализа выявлено три основных типа вторичной структуры грибных полисахаридов: 1) простая спираль — спиралевидно закрученная полисахаридная цепочка, 2) лентовидная структура — объединение двух параллельных, либо антипараллельных полисахаридных нитей, стабилизированных водородными связями между отдельными сахарными остатками,
3) тройная спираль — полисахаридное волокно, построенное из трех параллельных цепей. Третий тип вторичной структуры является наиболее устойчивым. Как правило, тройные спирали правозакрученные, однако, есть и исключения.
Теоретически возможное количество разнообразных полисахаридов необычайно велико: каждый моносахарид, входящий в состав полимерной молекулы, может находиться в пиранозной или фуранозной форме, может быть присоединен к любой из свободных гид-роксильных групп следующего моносахарид-ного остатка а- или в-гликозидной связью и сам может нести один или несколько моноса-харидных заместителей. По сравнению с другими биополимерами, такими, как белки и нуклеиновые кислоты, полисахариды обладают гораздо большей емкостью для переноса биологической информации. Это является следствием огромного потенциала для структурной изменчивости этого класса молекул. Например, количество возможных комбинаций для четырех различных моносахаридных остатков составляет 35560 уникальных тетрасахаридов, в то время как четыре аминокислоты способны образовывать только 24 комбинации. Одним из возможных объяснений этого является различие первичной структуры данных биополимеров. Мономеры белков и нуклеиновых кислот способны взаимодействовать только в одной плоскости с образованием линейных структур. Связано это с ограниченным числом мест возможного взаимодействия двух мономеров в полимере. Так, в белках аминокислоты связываются по концевым —КН2 и СООН группам, в нуклеиновых кислотах взаимодействие остатков рибозы, либо дезоксирибозы происходит при помощи фосфодиэфирной связи. Структура моносахаридов обеспечивает гораздо большее количество возможных типов связывания отдельных мономеров в полисахариде с образованием как линейных, так и разветвленных структур. Возможно, именно наличие ветвления и обеспечивает высокий уровень информационной емкости данного класса " 4
соединений .
Биологическая активность полисахаридов зависит от многих факторов: типа связей между моносахаридными единицами, степени раз-ветвленности боковых цепей, молекулярной массы полисахаридов, типа вторичной структуры, растворимости в воде и т. д.
Известно, что а-глюканы мало или полностью не активны в связи с тем, что они быстро гидролизуются гликозидазами организма.
Напротив, в периферической крови и тканях организма животных почти полностью отсутствуют в-глюканазы, чем и объясняется повышенная активность соединений, в которых моносахариды связаны в-гликозидной связью, однако, вопрос о влиянии типа связи на степень активности полисахаридов остается открытым, так как появляется информация о новых биологически активных соединениях с а-связью 5.
Наибольшую активность проявляют полисахариды, обладающие структурой тройной спирали. По-видимому, это объясняется повышенной устойчивостью данной структуры к действию агрессивных факторов окружающей среды 1,2. Другой причиной, объясняющей высокую иммуномодулирующую активность полисахаридов с тройной спиралью, является то, что именно такая конфигурация обеспечивает наилучшее узнавание иммунной системой грибного полисахарида, выступающего в роли антигена. По-видимому, поверхностные рецепторы клеток иммунной системы человека обладают повышенной аффинностью именно к полисахаридам, имеющим структуру тройной спирали. Во многих опытах было показано, что с упрощением строения полисахарида падает его иммуномодулирующая активность 6'7.
Считается, что иммуномодулирующая активность полисахаридов выше у молекул с большей молекулярной массой и зависит от способа их введения в организм. При внутривенном и подкожном введении размеры полисахарида не являются лимитирующим фактором в отличие от перорального введения. Принято считать, что при пероральном введении полисахарид должен обладать большой молекулярной массой, чтобы пищеварительные ферменты не смогли разрушить его полностью, и он мог вызвать развитие иммунного ответа. Кроме того, полисахариды с большой молекулярной массой содержат большее количество эпитопов, способных взаимодействовать со специализированными молекулами организма, в том числе с рецепторами клеток иммунной системы 1-3. Тем не менее, лентинан и шизофиллан активны только при внутри-брюшинном и внутривенном введении. Кислотный гидролиз активного при внутривенном введении и неактивного при пероральном введении в-1,6-глюкана А. Ъта$Швт1$ приводил к появлению противоопухолевой активности .
Установлено, что наличие ветвлений углеводного скелета является необходимым условием для проявления полисахаридами иммуно-
модулирующих свойств. При этом строгих закономерностей, показывающих зависимость активности полисахаридов от частоты ветвлений или степени разветвленности цепей, на данный момент нет. Можно сказать, что количество боковых цепей должно составлять некое среднее значение, не выходящее за определенные рамки, так как полностью линейные или, наоборот, сильно разветвленные полисахариды практически не активны 1-3.
История изучения полисахаридов базидио-мицетов сложилась так, что первыми из противоопухолевых и иммуномодулирующих полисахаридов были открыты глюканы, поэтому определенное время превалировало мнение, что основное количество грибных биологически активных полисахаридов относится к го-могликанам. Впоследствии были выявлены многочисленные гетерогликаны, активность которых соразмерна или в ряде случаев превышает таковую гомогликанов.
В основе разнообразных биологических эффектов, оказываемых полисахаридами и включающих противоопухолевое действие, лежит их способность воздействовать на иммунную систему. На сегодняшний день имеется довольно большое количество работ, посвященных изучению механизмов действия имму-номодулирующих полисахаридов, однако по-стадийного описания процесса активации иммунного ответа под действием полисахаридов базидиомицетов нет. В работе Mizuno 9 представлен гипотетический путь стимуляции иммунной системы, отображающий лишь общую картину данного процесса без уточнения деталей. В целом грибные полисахариды влияют на функции клеточного и гуморального иммунитета. Полисахариды вызывают активацию макрофагов, пролиферацию, дифференциацию и активацию лимфоцитов, включая Т- и В-клетки, естественные киллеры, активацию и созревание антиген-презентирующих клеток, активацию альтернативного пути комплемента. Иммуномодулирующие свойства полисахаридов обусловлены их способностью связываться со специфическими рецепторами клеток иммунной системы, например, с toll-like рецепторами (TLR) и СИЭ—рецепторами. Было показано, что полисахарид, выделенный из водного экстракта плодовых тел G.lucidum, связывался с поверхностью макрофагов и В-лимфоцитов с помощью toll-like рецептора TLR-4. Полисахарид активировал макрофаги и В-клетки нормальных мышей. Однако иммунные клетки мышей, мутантных по гену,
который кодирует TLR-4, оставались в неизмененном состоянии. Полисахарид G.lucidum успешно конкурировал за связывание с рецепторами перитонеальных макрофагов TLR-4 с полисахаридом из Astragalus membranaceus, для которого показано взаимодействие с этим рецептором 10.
TLR обнаружены на многих клетках организма и, в первую очередь, на тех, которые отвечают за врожденный иммунитет: макрофагах, дендритных клетках, эозинофилах, туч-
11
ных клетках, естественных киллерах 11.
Полисахариды, связываясь с TLR на поверхности эпителия, активируют выработку хемокинов, привлекающих к этому месту клетки врожденного иммунитета — дендритные клетки, нейтрофилы и моноциты, дифференцирующиеся в макрофаги и осуществляющие фагоцитоз. В организме макрофаги могут функционировать в качестве антиген-презен-тирующих клеток и в контакте с Т-клетками вызывать модуляцию иммунного ответа. Полисахариды связываются с поверхностными рецепторами привлеченных макрофагов, после чего макрофаги начинают активно синтезировать цитокины, в частности интерлейкины: ИЛ-1, ИЛ-12 и фактор некроза опухолей-а, а также оксид азота NO, токсичный для клеток опухолей и бактерий.
В результате взаимодействия поверхностных рецепторов с полисахаридом индуцируется цепь биохимических процессов, запускающих процесс транскрипции. Важная роль в активации макрофагов грибными полисахаридами принадлежит транскрипционному фактору NF-kappaB 12.
Увеличение синтеза цитокинов (ИЛ-2, ин-терферона-у, ФНО-а), отмечаемое под воздействием грибных полисахаридов 2' 11 13, свойственно для Тх1-пути. Можно сказать, что грибные полисахариды запускают иммунный ответ по пути усиления врожденного иммунитета и цитотоксичности, активируя макрофаги и цитотоксические Т-клетки. Показано также, что полисахариды базидиомицетов стимулируют B-клетки, что выражается в увеличении продукции иммуноглобулинов и цитокинов.
На сегодня проведено не так много клинических испытаний грибных полисахаридов и полисахарид-протеиновых комплексов с имму-номодулирующими и противоопухолевыми свойствами. Значение для онкологической практики могут иметь такие эффекты полисахаридов, как антиканцерогенное действие, торможение или полное ингибирование роста первичной опухоли, антиметастазирующее
действие, снятие побочных эффектов химио- и радиотерапии, усиление прямого действия химиотерапии, улучшение качества жизни онкологических больных.
Наиболее подробно в клинических испытаниях изучены три лекарственных препарата: лентинан, шизофиллан и крестин, разрешенные к практическому применению в Японии и других странах Юго-Восточной Азии. Основу этих препаратов составляют открытые в 60— 70-х г.г. прошлого века три полисахарида, обладающие противоопухолевой и иммуностимулирующей активностью. Лентинан и шизофиллан выделены из Lentinus edodes и Schizophyllum. commune, соответственно, и представляют собой ß-D-глюканы, крестин — протеинсвязанный ß-D-глюкан Trametes versicolor (Coriolus versicolor).
Выделенный из плодовых тел L.edodes лентинан является компонентом клеточной стенки. Лентинан — не связанный с белком полисахарид, первичная структура которого представлена чередующимися блоками, образованными пятью ß-D-(1^3)-глюкозными остатками основной цепи и двумя ß-D-(1^6) глюкопиранозными ветвями боковой цепи. Вторичная структура лентинана — правозакру-ченная трехцепочечная спираль. Его молекулярная масса составляет 400—800 кДА 1 3' 14. В Японии и других странах Юго-Восточной Азии лентинан широко используется в клинике уже много лет в адьювантной терапии многих видов рака. В клинических испытаниях было показано, что лентинан увеличивал продолжительность жизни больных раком желудка и кишечника. Было отмечено увеличение средней продолжительности жизни больных с неоперабельным или рецидивным раком желудка. Лечение тегафуром в комбинации с лен-тинаном оказывало значительно больший эффект на продолжительность жизни пациентов, чем лечение только тегафуром 15. У пациентов, принимавших лентинан, увеличивалось соотношение Т-киллеров к Т-супрессорам в периферической крови, а также отношение естественных киллеров с высокой активностью к естественным киллерам с умеренной активностью. Однако дальнейшие исследования показали, что изменения соотношений лимфоцитов в периферической крови не всегда коррелировали с изменениями, отмеченными в районе опухоли 16.
Шизофиллан (Сонифиллан), выделенный из культуральной жидкости S. commune, также является ß-D-(1^3)-глюканом с боковыми ß-D-(1^6) цепями 1. Боковые цепочки отходят
от каждого третьего, либо четвертого глюкоз-ного мономера основной цепи. Вторичная структура представлена трехцепочечной пра-возакрученной спиралью. Его молекулярная масса около 450 кДа 17. По химическому составу и структуре шизофиллан во многом схож с лентинаном. В клинических исследованиях шизофиллан вводили внутримышечно или внутрибрюшинно. Разнообразные клинические исследования этого препарата были проведены в Японии, хотя многие из них не были слепыми. Тем не менее, шизофиллан одобрен для клинического использования в Японии. В ранних исследованиях было показано, что ши-зофиллан в комбинации с традиционной химиотерапией (тегафур или митомицин с 5-фтору-рацилом) увеличивал среднюю продолжительность жизни пациентов с рецидивным и неоперабельным раком желудка 18. Однако в других исследованиях этот эффект шизофиллана не был обнаружен 19. Позднее было показано увеличение продолжительности жизни пациентов с другими видами рака 20. Было показано, что шизофиллан в комбинации с радиотерапией значительно продлевал общую продолжительность жизни пациентов со II стадией рака шейки матки, но не имел такого эффекта на пациентов с III стадией 21. При введении шизофиллана непосредственно в опухоль шейки матки достоверно увеличивалось количество клеток Лангерганса и Т-клеток 22.
Крестин (PSK) — D-глюкан-протеиновый комплекс, доля белка в котором составляет 25—38 % 1 3' 23. В среднем молекулярная масса данного соединения составляет 94 кДа. Белковая часть состоит преимущественно из кислых (аспарагиновая и глутаминовая кислота) и нейтральных аминокислот (валин и лейцин), основные аминокислоты (лизин и аргинин) встречаются в небольших количествах. Несмотря на большое количество работ, посвященных иммуномодулирующим полисахаридам грибов, в частности, крестину, единого мнения о структуре этого полисахарида нет. Одни из авторов описывают его как ßD-(1^4) -глюкан с ß-D-(1^6)-глюкопиранозными остатками в боковой цепи 3, другие исследователи — как ß-D-(1^3) и a-D-(1^4) связанный полисахарид, построенный из остатков глюкозы, фукозы, а также небольшого количества галактозы, маннозы и ксилозы 24. Первичную структуру крестина описывают как чередующиеся блоки, по четыре глюкозных мономера в каждом, от последнего из которых отходит боковая глюкопиранозная группа.
Из T. versicolor также выделен схожий с PSK полисахаридпротеиновый комплекс — PSP. Оба соединения обладают схожим химическим составом и приблизительно одинаковым молекулярным весом 25. PSK используют в основном в иммунотерапии пациентов с раком желудка. Крестин (PSK) предотвращал иммуно-супрессию после хирургического вмешательства и продолжительной химиотерапии у пациентов с раком желудка и достоверно увеличивал продолжительность жизни пациентов 26. Прием PSK увеличивал годичную и двухгодичную выжи-
27
ваемость у пациентов с раком пищевода , увеличивал продолжительность ремиссии у пациентов с эпидермоидной карциномой или адено-карциномой. Аналог крестина — PSP улучшал иммунологический статус пациентов с раком желудка, легких и пищевода после хирургического вмешательства, радиотерапии и/или химиотерапии 28. PSP увеличивал продолжительность ремиссии у пациентов с раком желудка, пищевода, не мелкоклеточным раком
легких, снижая неблагоприятные последствия
29
традиционной терапии опухолей .
В странах Юго-Восточной Азии давно и довольно успешно применяют биологически активные добавки к пище и лекарственные препараты на основе грибных иммуностимулирующих полисахаридов и полисахарид-протеиновых комплексов. К настоящему моменту среди множества известных терапевтических приемов, противоопухолевые полисахариды можно рассматривать не просто как один из множества компонентов, входящих в комплекс лечебных мероприятий, а как один из наиболее сильных физиологических активных веществ, способных усиливать механизм противоопухолевой резистентности организма.
В настоящее время, несмотря на то, что проводится большое количество работ по изучению структуры и биологической активности разнообразных полисахаридов многих видов базидиальных грибов, созданы считанные лекарственные препараты на их основе. Тем не менее, существование большого числа объектов, обладающих выраженными биологическими свойствами, открывает широкое поле деятельности для создания новейших иммуномо-дулирующих препаратов на основе полисахаридов грибов. Современные микологические биотехнологии и уникальная способность ба-зидиальных грибов к биосинетезу разнообразнейших биологически активных полисахаридов создают все необходимые условия для создания эффективных функциональных продуктов.
Литература
1. Wasser S. // International Journa of Medicinal Musrooms.- 2010.- V.12, №1.- P.1.
2. Wasser S. // Applied Microbiology and Biotechnology.- 2002.- V.60.- P.258.
3. Ooi V.E.C., Liu F. // Current medicinal chemistry.- 2000.- V.7.- P.715.
4. Rowan N. J., Smith J. E., Sullivan R. // International Journal of Medicinal Mushrooms.-2003.- V.5.- P.95.
5. Smith J. E., Sullivan R., Rowan N. // International Journal of Medicinal Mushrooms.- 2003.-V.5.- P.217.
6. Yanaki T., Ito W., Tabata K.// Agricultural and Biological Chemistry.- 1986.- V.509.- P.2415.
7. Maeda Y. Y., Watanabe S. T., Chihara C., Rokutan-da M. // Cancer Research.- 1988.- V.48.-P.671.
8. Fujimiya Y., Yamamoto H., Noji M., Suzuki I. // International Journal of Medicinal Mushrooms.- 2000.- V.2.- P.43.
9. Mizuno T. // International Journal of Medicinal Mushrooms.- 2002.- V.4.- P.299.
10. Shao B.M. Dai H., Xu W.// Biochemical and Biophysical Research Communications.- 2004.-V.323.- P.133.
11. Lin Z. B. // Journal of Pharmacological Sciences.-2005.- V.99.- P.144.
12. Son C. G., Shin J. W., Cho J. H. // International immunopharmacology.- 2006.- V.6.- P.1363.
13. Zhou S., Gao Y. // International Journal of Medicinal Mushrooms.- 2002.- V.4.- P.1.
14. Hobbs C. // International Journal of Medicinal Mushrooms.- 2000.- V.2.- P.287.
15. Taguchi T., Furue H. // Japanese Journal of Cancer and Chemotherapy.- 1985.- V.12.- P. 366.
16. Matsuoka H. et al. // Anticancer Research.— 1997.- V.17.— P.2751.
17. Bohn J. A., BeMiller J. N. // Carbohydrate Polymers.— 1995.— V. 28.— P.3.
18. Furne. // International Journal of Immunopharmacology.— 1985.— V.7.— P.333.
19. Fugimoto S., Furue H. // Japanese Journal of Surgery.— 1984.— V.14.— P.286.
20. Kimura Y.// Acta Otolargynzology.— 1994.— V. 511.— P.192.
21. Okamura, K. et al. // Cancer.— 1986.— V. 58.— P. 865.
22. Nakano T., Oka K. et al. // Clinical Immunology and Immunopathology.—1996.— V. 79.— P. 79.
23. Patent US 4202969 Method of producing nitrogen-containin polysaccharides / Ueno S., Yoshikumi C., Hirose F., Omura Y., Wada T., Fujii T., et al. // 13.05.1980.
24. Wang H. X., Ng T. B., Liu W.K. // International Journal of Biochemistry and Cell Biology.— 1996.— V. 28.— P.601.
25. Cui J., Chisti Y. // Biotechnology Advances.— 2003.— V.21.— P.109.
26. Kaibara N., Soejuna K., Nakamura T. // Japanese Journal of Surgery.— V.6.— P.54.
27. Okudaira Y., Sugimachi K. // Japanse Journal of Surgery.— 1982.— V.12.— P.249.
28. Liu J. X. and Zhou J. Y. Phase II clinical trial for PSP capsules. PSP International Symposium, Fudan University Press, Shanghai, China.— 1993.
29. Jong S. and Yang X. PSP — a powerful biological response modifier from the mushroom Coriolus versicolor // In: Advanced Research in PSP, Yang, Q. (ed). Hong Kong Association for Health Care Ltd., Hong Kong.— 1999.— P.16.
Исследование проводится в рамках Федеральных целевых программ «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009—2013 годы» и «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007—2013 годы».
