© Borgis - Postępy Fitoterapii 4/2015, s. 250-257
Barbara Jękot1, *Bożena Muszyńska2, Tamara Mastalerz2, Beata Piórecka3
Fukoidan – polisacharyd o wielokierunkowej aktywności biologicznej
Fucoidan – polysaccharide with multiactive biological activity
1Apteka przy ul. Daszyńskiego 30 w Krakowie
2Katedra i Zakład Botaniki Farmaceutycznej, Wydział Farmaceutyczny, Uniwersytet Jagielloński Collegium Medicum w Krakowie
Kierownik Katedry: prof. dr hab. Halina Ekiert
3Zakład Żywienia Człowieka, Instytut Zdrowia Publicznego, Uniwersytet Jagielloński Collegium Medicum w Krakowie
Kierownik Katedry: prof. dr hab. Halina Ekiert
Summary
Polysaccharides of natural origin play a strategic role in medicine, cosmetology and food industry. One of the most important and the best documented is their immunomodulating and anticancer activity. The best known are the polysaccharides of fungal and plant, mainly glucans β (1→3) with branching β (1→6) and β (1→4). The research for new compounds with the structure and mechanism of physiological action caused scientific interest in marine organisms, especially algae. Marine organisms are still poorly explored source of substances with great biological potential. One of the most interesting substances studied in detail is a polysaccharide – fucoidan. This compound is made of molecules of α-L-fucopyranose which can be connected by bonds 1→3 and 1→3 bonds and 1→4 occur alternately. In order to obtain the branched structure in the main chain are also attached to the rest of α-L-fucopyranose, and additionally inorganic substituents are attached – the rest of the sulfate(VI), as well as organic acids such as D-glucuronic and acetyl rest. Fukoidan for the purposes of pharmaceuticals is derived from brown algae, especially from Fucus species and tissues of echinoderms. This compound has antioxidant, immunostimulating, anti-tumor, anti-inflammatory, antibacterial, antiviral and anticoagulant activity. However, depending on the organism from which it is derived fucoidan is not differing significantly in chemical structure, and the power and profile of action.
Wstęp
Polisacharydy pochodzenia naturalnego odgrywają znaczącą rolę w przemyśle farmaceutycznym i kosmetycznym. α-Glukany są wypełniaczami tabletek czy pudrów, pełnią funkcję środków przeczyszczających, zmniejszających łaknienie (leczenie otyłości), osłaniających, opatrunkowych oraz krwiozastępczych. Najintensywniej badane są i zyskują coraz większe znaczenie w lecznictwie, polisacharydy o działaniu immunoregulującym i przeciwnowotworowym. Szczególnie interesujące, ze względu na właściwości farmakologiczne, są polisacharydy otrzymywane z grzybów, głównie β-glukany. Po raz pierwszy właściwości immunostymulujące i przeciwnowotworowe ekstraktów pochodzących z owocników Boletus edulis wykazał w 1957 roku Lucas, podając je myszom chorującym na mięsaka Sarcoma 180. Składniki ekstraktów nie zostały jednak zidentyfikowane (1).
Pierwsze leki przeciwnowotworowe, będące polisacharydami pochodzącymi z grzybów, wprowadzili do oficjalnej terapii Japończycy. Są to m.in. Lentinan (wyizolowany z owocników Lentinula edodes (Berk.) – twardziak jadalny), Krestin (z owocników Trametes versicolor (L.) Pilat – wrośniak różnobarwny) i Reishi (z owocników Ganoderma lucidum (Curtis) P. Karst – lakownica lśniąca). Źródłem immunoaktywnych polisacharydów są też owocniki wielu innych gatunków Basidiomycota, jak i ich hodowle mycelialne. Związki te mają najczęściej strukturę β-D-glukanów lub β-mannanów. O aktywności tych związków decydują: masa cząsteczkowa, rozpuszczalność w wodzie, ilość rozgałęzień i struktura III-rzędowa. Największą immunoaktywność posiadają glukany β (1→3) z rozgałęzieniami β (1→6) i β (1→4). Polisacharydy te w organizmie człowieka nie wywołują działań niepożądanych.
Działanie przeciwnowotworowe polisacharydów jest wielokierunkowe i kompleksowe. Ograniczają one uszkodzenie DNA komórek, obniżają stężenie karcynogenów w organizmie człowieka i hamują ich aktywację, a także rozwój komórek nowotworowych. Wiążą wolne rodniki, stymulują system odpornościowy organizmu, wywołują apoptozę. Dzięki zdolności do aktywowania systemu odpornościowego, mogą wspomagać leczenie nie tylko chorób nowotworowych, ale też zakaźnych. Istotną zaletą polisacharydów pochodzenia naturalnego jest to, że znoszą skutki uboczne chemioterapii, ponadto nie wykazują działania toksycznego na organizm człowieka (2). Polisacharydy z roślin wyższych o działaniu immunostymulującym znajdują się między innymi w żelu aloesowym otrzymywanym z Aloe barbadensis, zielu Echinacea purpurea, korzeniach Panax ginseng i owocach noni – Morinda citrifolia (3).
Polisacharydy są szeroko pozyskiwane z alg, np. z brunatnic. Brunatnice (Phaeophyta) to gromada alg z bardzo wysokim stopniem specjalizacji budowy plechy, która najczęściej ma postać rozgałęzionej nici. Jej przedstawiciele występują w formie pseudotkankowych, parenchymatycznych plech oraz charakteryzują się wysokim zróżnicowaniem morfologicznym i anatomicznym, mogą również posiadać duże rozmiary, nawet do ponad 100 m. Ich komórki są otoczone ścianą komórkową, zbudowaną odpowiednio po zewnętrznej i wewnętrznej stronie z warstwy celulozowej i pektynowej. Charakterystyczne dla tych organizmów jest to, że zawierają duże ilości kwasu alginowego i fukoidanu – polisacharydu, który jest typowym związkiem dla tej gromady (4).
Budowa i pochodzenie fukoidanu
Fukoidan jest polisacharydem zbudowanym z cząsteczek α-L-fukopiranozy, które mogą być ze sobą połączone tylko za pomocą wiązań 1→3 lub wiązań 1→3 i 1→4 występujących na przemian (ryc. 1).
Ryc. 1. Dwa rodzaje budowy fukoidanu: I – zbudowany z wiązań 1→3, II – zawiera połączone ze sobą cząsteczki fukopiranozy połączone ze sobą naprzemiennie wiązaniami 1→3 oraz 1→4. R – oznacza miejsce potencjalnego przyłączenia się grupy acetylowej lub siarkowej(VI).
Rozgałęzioną strukturę fukoidan zawdzięcza przyłączeniu do głównego łańcucha reszt α-L-fukopiranozy, a także podstawników nieorganicznych, takich jak reszty siarczanowe(VI), jak również organicznych, takich jak kwas D-glukuronowy i reszty acetylowe. Ze struktury fukoidanu udało się również wyizolować monosacharydy, takie jak galaktoza, ksyloza, mannoza, glukoza oraz kwas uronowy, jednak ich lokalizacja w polimerze, jak do tej pory, pozostaje nieznana (5, 6). Podstawowa podjednostka struktury fukoidanu, czyli fukoza, ma również zastosowanie w preparatyce farmaceutycznej i w kosmetologii, jako związek przedłużający trwałość preparatów.
Fukoidan pozyskiwany jest z substancji międzykomórkowej brunatnic, takich jak Fucus vesiculosus – morszczyn pęcherzykowaty (Farmakopea Polska XI) (ryc. 2), Fucus evanescens, Fucus serratus – morszczyn piłkowany (Farmakopea Polska XI), Fucus distichus, Laminaria saccharina, Laminaria digitata – listownica palczasta, Cladosiphon okamuranus, Ascophyllum nodosum – workoliść członowaty (Farmakopea Polska XI), Undaria pinnatifida – Undaria pierzastozielona i Ecklonia cava.
Ryc. 2. Fucus vesiculosus – morszczyn pęcherzykowaty (fot. Tamara Mastalerz).
Podobny do niego fukan udało się wyizolować z bezkręgowców morskich – szkarłupni: z galaretki otaczającej jaja jeżowca (Lytechinus variegatus, Arbacia lixula) oraz nabłonka innego gatunku szkarłupni – Ludwigothurea grisea (5, 7).
Fukoidany pozyskiwane z różnych rodzajów brunatnic mają nieregularną strukturę, przez co różnią się między sobą, a to przekłada się na ich działanie i aktywność biologiczną. Natomiast fukoidany pozyskiwane z bezkręgowców charakteryzują się regularną strukturą, jednak dostępne są w bardzo ograniczonych ilościach (5). Opisane są obecnie przynajmniej dwa rodzaje fukoidanu: F-fukoidan, który składa się w 95% z sulfonowanych estrów glukozy, i U-fukoidan, w którego składzie znajduje się 20% kwasu glukuronowego.
Jak do tej pory nie stwierdzono toksycznego działania fukoidanu pochodzącego z różnych brunatnic w modelu zwierzęcym in vitro, jak i in vivo, nawet przy bardzo wysokim poziomie spożycia. Na podstawie badań klinicznych również nie zanotowano negatywnego wpływu fukoidanu na organizm człowieka – podawano go w ilości 1 g dziennie przez trzy miesiące lub 3 g dziennie przez 12 dni (8).
Przeprowadzone badania potwierdziły działania fukoidanu, takie jak przeciwnowotworowe, przeciwzakrzepowe, przeciwwirusowe, przeciwzapalne czy antyoksydacyjne. Jednak w zależności od organizmów, z jakich są pozyskiwane, fukoidany różnią się nie tylko budową chemiczną, ale również siłą i profilem działania (7).
Poniżej przedstawiono właściwości lecznicze fukoidanu pozyskiwanego z różnych organizmów.
Właściwości przeciwnowotworowe fukoidanu
Dotychczas przeprowadzono wiele badań in vitro, jak i in vivo dotyczących działania przeciwnowotworowego fukoidanu. Okazało się, że może on wywoływać różny efekt w zależności od typu komórki nowotworowej (9, 10). Mechanizm tego działania nie jest do końca wyjaśniony, dlatego poniżej przedstawiono wybrane badania, aby choć w części go przybliżyć.
Jednym z przykładów są badania przeprowadzone na komórkach mięsaka mysiego S-180 in vivo i in vitro (9). Do testu in vivo użyto myszy, którym wprowadzono podskórnie komórki tego nowotworu, a następnie podzielono je losowo na dwie grupy, z których jedna stanowiła grupę kontrolną, a drugiej podawano fukoidan. Po 21-dniowej terapii średnia masa i objętość guza były mniejsze w grupie badanej, w porównaniu z grupą kontrolną. Te wyniki sugerują, że fukoidan wykazuje działanie przeciwnowotworowe. Jednak naukowcy postanowili potwierdzić wyniki przeprowadzając testy in vitro, w których sam fukoidan nie wykazywał hamującego wpływu na komórki S-180. Dopiero w obecności aktywowanych komórek makrofagów RAW 264.7 fukoidan wykazywał działanie przeciwnowotworowe. Postanowiono dokładnie zbadać tę zależność i okazało się, że fukoidan stymuluje komórki RAW 264.7, w wyniku czego zwiększyła się ilość komórek nowotworowych w fazie S i G2/M, natomiast znacznie spadła liczba komórek w fazie G1 w stosunku do próby kontrolnej (z niepobudzonymi komórkami RAW 264.7).
Kolejne badania in vitro miały na celu określenie wpływu fukoidanu na komórki szpiczaka i chłoniaka linii HS-Sultan (11). Stwierdzono, że fukoidan powodował apoptozę badanych komórek nowotworowych, która była indukowana kaspazą 3 i przemianami mitochondrialnymi. Inhibitor kaspazy zVAD (karbobenzoksy-valyl-alanyl-aspartyl-[O-metyl]-fluorometylketon) sprawił, że apoptoza spowodowana fukoidanem wynosiła tylko 69%, co sugeruje, że przemiany prowadzące do indukcji apoptozy niezwiązane z kaspazą były również w ten proces zaangażowane. Ważną rolę w proliferacji komórek, ich różnicowaniu oraz apoptozie odgrywają kinazy aktywowane miogenami (MAPK), dlatego w dalszej części badań sprawdzono wpływ fukoidanu na fosforylację kinaz regulowanych sygnałami zewnątrzkomórkowymi (ERK) oraz izoformę tego białka biorącego udział w różnicowaniu i apoptozie komórek (p38). Fukoidan widocznie zmniejszał fosforylację kinaz ERK, jednak nie białka p38. Indukował on defosforylację kinazy syntazy glikogenu (GSK) w komórkach HS-Sultan, co sugeruje, że GSK jest związany z apoptozą wywołaną przez ten polisacharyd. Jednak swoisty inhibitor GSK, którym jest chlorek litu, nie zapobiegał apoptozie stymulowanej fukoidanem i aktywacji kaspazy 3, co może oznaczać, że kinaza syntazy glikogenu nie jest konieczna do wywołania apoptozy indukowanej fukoidanem. Potwierdzono również, że fukoidan hamuje namnażanie komórek mięśni gładkich i zmniejsza aktywność kinaz regulowanych sygnałami zewnątrzkomórkowymi. Szlak PI3K/Akt jest najczęstszym mediatorem fosforylacji GSK, ale dowiedziono, że fukoidan nie modyfikował fosforylacji kinazy białkowej w komórkach chłoniaka HS-Sultan. Z tego powodu powinny zostać przeprowadzone dalsze badania, które wyjaśnią, jakie czynniki odpowiadają za fosforylację GSK. Ponadto sprawdzono wpływ fukoidanu na inne sygnałowe szlaki molekularne wywołujące apoptozę, ale polisacharyd ten nie wywoływał zmiany w poziomie białek bcl-2 lub bcl-XL. Z tego powodu, że badania przeprowadzano wyłącznie na komórkach HS-Sultan, konieczne są dalsze eksperymenty na innych liniach komórkowych (11).
Działanie apoptotyczne fukoidanu badano również na komórkach ludzkiego raka okrężnicy HCT-15 i uzyskano bardzo podobne wyniki. Stwierdzono, że fukoidan hamuje aktywację szlaku PI3K-kinazy białkowej, fosforylację ERK i p38 oraz aktywuje kaspazę 3 za pośrednictwem kaspazy 9. Zbadano również wpływ fukoidanu na Bcl-2 (heterogenna grupa białek, regulująca uwalnianie cytochromu c i AIF z mitochondriów) i Bax (białko z rodziny białek Bcl-2, przyspiesza apoptozę poprzez tworzenie porów w błonie zewnętrznej mitochondrium, przez co zwiększa jej przepuszczalność). Polisacharyd redukował poziom Bcl-2 oraz powodował wzrost poziomu Bax w komórkach HCT-15 (7).
W innych badaniach określano wpływ fukoidanu na ludzkie komórki raka płuc A549 (12). Dzięki nim odkryto, że fukoidan hamował wzrost komórek nowotworowych przy stężeniu 400 μg/ml, przy czym w niższych stężeniach (200 μg/ml) hamował on ich inwazję i migrację. Jednak w jednym, jak i drugim przypadku nie powodował on znaczącego efektu cytotoksycznego. Co więcej, obserwowany spadek migracji i inwazji komórek nie zależał od antyproliferacyjnego działania fukoidanu (12).
Powyżej zamieściliśmy fragment artykułu, do którego możesz uzyskać pełny dostęp.
Mam kod dostępu
- Aby uzyskać płatny dostęp do pełnej treści powyższego artykułu albo wszystkich artykułów (w zależności od wybranej opcji), należy wprowadzić kod.
- Wprowadzając kod, akceptują Państwo treść Regulaminu oraz potwierdzają zapoznanie się z nim.
- Aby kupić kod proszę skorzystać z jednej z poniższych opcji.
Opcja #1
29 zł
Wybieram
- dostęp do tego artykułu
- dostęp na 7 dni
uzyskany kod musi być wprowadzony na stronie artykułu, do którego został wykupiony
Opcja #2
69 zł
Wybieram
- dostęp do tego i pozostałych ponad 7000 artykułów
- dostęp na 30 dni
- najpopularniejsza opcja
Opcja #3
129 zł
Wybieram
- dostęp do tego i pozostałych ponad 7000 artykułów
- dostęp na 90 dni
- oszczędzasz 78 zł
Piśmiennictwo
1. Solomon P, Wasser SP, Weis A. Therapeutic effects of substances occuring in higher Basidiomycetes mushroom: a modern perspective. Critical Rev Immunol 1999; 19:65-9. 2. Sułkowska-Ziaja K, Muszyńska B, Końska G. Biologically active compounds of fungal origin displaying antitumor activity. Acta Pol Pharm – Drug Res 2005; 62:153-60. 3. Szweykowska A, Szweykowski J. Botanika. T. 2. Wyd. Nauk. PWN, Warszawa 2012. 4. Matławska I. (red.). Farmakognozja. Wyd. AM, Poznań 2008. 5. Cumashi A, Ushakova NA, Perobrazhenskaya ME i wsp. A comparative study of the anti-inflammatory, anticoagulant, antiangiogenic, and antiadhesive activities of nine different fucoidans from brown seaweeds. Glycobiol 2007; 17:541-52. 6. Patankar MS, Oehninges S, Barnett T i wsp. A revised structure for fucoidan may explain some of its biological activities. J Biol Chem 1993; 268:21770-6. 7. Hyun JH, Kim S, Kang JI i wsp. Apoptosis inducing activity of fucoidan in HCT-15 colon carcinoma cells. Biol Pharm Bull 2009; 3:1760-4. 8. Fitton JH. Therapies from fucoidan; multifunctional marine polymers. Marine Drugs 2011; 9:1731-60. 9. Takeda K, Tomimori K, Kimura R i wsp. Anti-tumor activity of fucoidan is mediated by nitric oxide released from macrophages. Int J Oncol 2012; 40:251-60. 10. Wu XZ, Chen D. Effects of sulfated polysaccharides on tumour biology. West Indian Med J 2006; 55:270-3. 11. Asia Y, Miyakawa Y, Nakazato T i wsp. Fucoidan induces apoptosis of human HS-Sultan cells accompanied by activation of caspase-3 and down-regulation of ERK pathways. Am J Hematol 2005; 78:7-14. 12. Lee H, Kim JS, Kim E. Fucoidan from seaweed Fucus vesiculosus inhibits migration and invasion of human lung cancer cell via PI3K-Akt-mTOR pathways. Plos One 2012; 7:506-24. 13. Yoo Y, Kim WJ, Kim SY i wsp. Immunomodulating activity of fucoidan isolated prom Korean Undaria pinnatifida sporophyll. Algae 2007; 22:333-8. 14. Byon YY, Kim MH, Yoo ES i wsp. Radioprotective effects of fucoidan on bone marrow cell: improvement of the cell survival and immunoreactivity. J Vet Sci 2008; 9:359-65. 15. Hong SW, Jung KH, Lee HS i wsp. Suppression by fucoidan of liver fibrogenesis via the TGF-β/Smad pathway in protection against oxidative stress. Biosci Biotechnol Biochem 2011; 75:833-40. 16. Plewka K, Szuster-Ciesielska A, Kandefer-Szerszeń M. Rola komórek gwiaździstych w procesie alkoholowego włóknienia wątroby. Post Hig Med Dośw 2009; 63:303-17. 17. Albuquerque IR, Corderio SL, Gomes DL i wsp. Evaluation of anti-nociceptive and anti-inflammatory activities of heterofucan from Dictyota menstrualis. Marine Drugs 2013; 11:2722-40. 18. Brandt CT, Lundgren JD, Lund SP i wsp. Pretreatment with fucoidan promotes lethal infection in a rat model of experimental pneumococcal meningitis. Interscience Conference on Antimicrobial Agents and Chemotherapy (43rd). Chicago. 19. Pereira MS, Mulloy B, Mourão PAS. Structure and anticoagulant activity of sulfated fucans: comparison between the regular, repetitive, and linear fucans from Echinoderms with the more heterogeneous and branched polymers from brown algae. J Biol Chem 1999; 274:7656-67. 20. Deux JF, Meddahi-Pellè A, Le Blanche AF i wsp. Low molecular weight fucoidan prevents neointimal hyperplasia in rabbit iliac artery in-stent restenosis model. Arterioscler Thrombos, Vasc Biol 2002; 22:1604-9. 21. Pereira MS, Melo FR, Mourão PAS. Is there a correlation between structure and anticoagulant action sulfated galactans and sulfated fucans? Glycobiol 2002; 12:573-80. 22. Shibata H, Iimuro M, Uchiya N i wsp. Preventive effects of Cladosiphon fucoidan against Helicobacter pylori infection Mongolian gerbils. Helicobacter 2003; 8:59-65. 23. Mori N, Nakasone K, Tomimori K i wsp. Beneficial effects of fucoidan in patients with chronic hepatitis C virus infection. World J Gastroenterol 2012; 18:2225-30. 24. Pearce-Pratt R, Phillips DM. Sulfated polysaccharides inhibit lymphocyte-to-epithelial transmission of human immunodeficiency virus-1. Biol Reprod 1996; 54:173-82. 25. Irhimeh MR, Fitton JH, Lowenthal RM. Fucoidan ingestion increases the expression of CXCR4 on human CD34+ cells. Exp Hematol 2007; 35:989-94. 26. Fujimura T, Tsukahaara K, Moriwaki S i wsp. Treatment of human skin with an extract of Fucus vesiculosus changes its thickness and mechanical properties. J Cosmet Sci 2002; 53:1-9.
