牛樟芝多糖的结构表征及其通过调控巨噬细胞活化改善骨髓抑制与免疫抑制的作用研究
牛樟芝多糖的结构表征及其通过调控巨噬细胞活化改善骨髓抑制与免疫抑制的作用研究
化疗药物的非选择性作用会诱导骨髓抑制和免疫抑制,表现为贫血、造血干细胞耗竭、白细胞减少等,严重降低抗癌效果,而巨噬细胞是维持造血和免疫稳态的关键细胞。牛樟芝(Taiwanofungus camphoratus)作为珍贵药食同源真菌,其多糖被证实有抗炎、抗癌等活性,前期研究发现牛樟芝粗中性多糖可缓解环磷酰胺(CTX)诱导的小鼠免疫抑制,但具体活性多糖成分、结构及调控骨髓 / 免疫抑制的分子机制未明确。
近期南昌大学刘燕隔团队在Carbohydrate Polymers(Q1,IF=12.5)上发表了题为“Structural characterization of Taiwanofungus camphoratus polysaccharide and its ameliorative effects on myelosuppression and immunosuppression by regulating macrophage activation”的文章。该研究聚焦牛樟芝多糖对化疗诱导的骨髓抑制和免疫抑制的缓解作用及分子机制,通过多糖制备纯化、结构表征、体外细胞实验、体内动物实验多维度开展研究,最终明确了活性多糖 ACPSA 的结构与功能机制,为化疗并发症的治疗提供了新方向。
ACPSA 的制备与纯化,采用中国典型培养物保藏中心的牛樟芝菌株(CCTCC NO. M2025274),液体发酵 7 d,冻干粉研磨过 100 目筛。脱脂后采用热水提取,通过Box-Behnken 实验设计优化条件为93.6℃、4.5h、液料比 40:1mL/g,多糖得率显著提升。粗多糖经脱蛋白、醇沉后,依次通过 DEAE - 纤维素 52 离子交换层析(得到中性多糖 ACPA,提取率 81.4%)、Sephadex G-25(除盐得 ACPS)、Sephadex G-50 分子筛层析,最终得到均一多糖ACPSA,提取率为 ACPS 的 34.2%,且 ACPSA 缓解 CTX 诱导的骨髓细胞损伤效果最优。
通过多种技术对 ACPSA 的纯度、分子量、单糖组成、糖苷键、空间结构等进行全面表征。其无核酸/蛋白杂质,Mw16.1 kDa、Mp13.9 kDa、Mn11.7 kDa,糖苷键:含10种糖苷键,4-Glc(p)占比最高(49.915%),结构域1:杂葡聚糖,以→4)-α-D-Glcp-(1→和→6)-α-D-Galp-(1→为骨架,O-6/ O-2位有分支,结构域2:β-葡聚糖,含线性→6)-β-D-Glcp-(1→和→3)-β-D-Glcp-(1→,O-6位有侧链单糖组成:仅含半乳糖、葡萄糖、甘露糖,摩尔比0.122:0.835:0.042,糖苷键:含10种糖苷键,4-Glc(p)占比最高(49.915%)。
图 1 牛樟芝多糖的分离纯化及基本性质鉴定
(A)粗多糖经 DEAE 离子交换柱以 0、0.1、0.3 mol/L 氯化钠溶液洗脱的洗脱曲线;(B)ACPSA 前体组分 ACPA 经葡聚糖凝胶 G-25 柱以水洗脱的洗脱曲线;(C)THP-1 源巨噬细胞经环磷酰胺(CTX)或牛樟芝粗多糖(ACPs)处理 24 h 后,采用细胞计数试剂盒 - 8(CCK-8)检测细胞活力,实验重复 6 次;(D)ACPS 经葡聚糖凝胶 G-50 柱以水洗脱的洗脱曲线;(E)THP-1 源巨噬细胞经环磷酰胺(CTX)、牛樟芝多糖(ACPSA)或 ACPSB-G 处理 24 h 后,采用细胞计数试剂盒 - 8(CCK-8)检测细胞活力,实验重复 6 次;(F)牛樟芝多糖 ACPSA 的全波长扫描图谱;(G)高效凝胶渗透色谱(HPGPC)测定 ACPSA 的分子量与纯度色谱图;(H)ACPSA 单糖组成的离子色谱图;(I)ACPSA 的傅里叶变换红外光谱图。注:***P<0.001,与环磷酰胺处理组相比;**P<0.001,与空白对照组相比。
采用 THP-1、RAW264.7、小鼠骨髓来源巨噬细胞(BMDMs)三种模型,验证 ACPSA 对巨噬细胞的活化、功能及机制的影响:
1.细胞活力与浓度筛选:ACPSA 对巨噬细胞无细胞毒性,IC50=601.9μM,选定18.5μM、37μM为实验浓度。
2. 促进巨噬细胞活化与 M1 极化:ACPSA 可诱导 THP-1 单核细胞分化为巨噬细胞,显著上调 M1 标志物(CD86、IL-6、TNF-α、iNOS)的 mRNA / 蛋白表达,对 M2 标志物(CD206、CD163、YM-1)无明显上调甚至下调。
图 2 牛樟芝多糖 ACPSA 在体外促进巨噬细胞经典活化(A)ACPSA 处理 24 小时后 THP-1 细胞的形态观察,标尺:100 微米;(B)鬼笔环肽对 ACPSA 处理后的 THP-1 细胞进行细胞骨架染色,DAPI 染色细胞核,标尺:100 微米;(C-D)37 微摩尔 ACPSA 处理的小鼠骨髓来源巨噬细胞与未处理对照组的蛋白质组学分析结果:基因本体富集分析图(C)、火山图(D);(E、F)ACPSA 处理 24 小时后,THP-1 细胞(E)、THP-1 源巨噬细胞(F)中相关因子的信使核糖核酸表达水平检测,实验重复 3 次。注:**P<0.01、***P<0.001;ns 表示无统计学差异。
3. 增强巨噬细胞功能:ACPSA 以剂量依赖性方式提升巨噬细胞的吞噬能力和中性红摄取能力,同时促进巨噬细胞增殖;其进入巨噬细胞的方式为网格蛋白介导的内吞。
图 3 牛樟芝多糖 ACPSA 在体外增强巨噬细胞的功能活性
(A)ACPSA 处理 24 小时后,小鼠骨髓来源巨噬细胞中巨噬细胞活化标志物的信使核糖核酸(mRNA)表达水平检测;(B)ACPSA 处理小鼠骨髓来源巨噬细胞 24 小时,最后 4 小时加入鸡红细胞以定量检测其吞噬活性,上图为显微镜观察图像(标尺:100 微米),下图为定量分析结果,实验重复 3 次;(C-D)ACPSA 处理小鼠骨髓来源巨噬细胞(C)、RAW264.7 巨噬细胞(D),最后 4 小时加入中性红染液以定量检测其吞噬活性,实验重复 6 次;(E)采用 MTT 法检测 ACPSA 处理 24 小时后小鼠骨髓来源巨噬细胞的增殖能力,实验重复 6 次;(F-H)采用 α- 葡萄糖苷酶、β- 葡聚糖酶、α- 半乳糖苷酶对 ACPSA 进行酶解处理,检测酶解产物的还原糖含量(F),并检测该酶解产物处理 24 小时后,人急性单核细胞白血病细胞源巨噬细胞中巨噬细胞活化标志物的 mRNA 表达水平(G-H),实验重复 3 次。注:*P<0.05、**P<0.01、***P<0.001;ns 表示无统计学差异。
4. 蛋白组学分析:ACPSA 处理 BMDMs 后,免疫应答、炎症信号通路相关蛋白显著富集,自噬相关蛋白表达发生差异变化。
图 4 牛樟芝多糖 ACPSA 在体外促进巨噬细胞经典活化
(A)ACPSA 处理 24 小时后 THP-1 细胞的形态观察,标尺:100 微米;(B)采用鬼笔环肽对 ACPSA 处理后的 THP-1 细胞进行细胞骨架染色,DAPI 染色细胞核,标尺:100 微米;(C-D)37 微摩尔 ACPSA 处理的小鼠骨髓来源巨噬细胞与未处理对照组的蛋白质组学分析结果:基因本体(GO)富集分析图(C)、火山图(D);(E、F)ACPSA 处理 24 小时后,THP-1 细胞(E)、THP-1 源巨噬细胞(F)中相关因子的信使核糖核酸(mRNA)表达水平检测,实验重复 3 次。
注:**P<0.01、***P<0.001;ns 表示无统计学差异。
建立两种小鼠模型,验证 ACPSA 的体内药效,同时检测其生物安全性:
(一)CTX 诱导的骨髓抑制和免疫抑制模型(BALB/c 小鼠,n=11 / 组)
造模与给药:CTX(80mg/kg 连续 3 天,后续每周 60mg/kg)造模,从第 4 天开始灌胃给药 28 天,设空白组、模型组、香菇多糖(LNT,10mg/kg,阳性对照)、ACPSA 低(10mg/kg)/ 高(40mg/kg)剂量组。
结果表明ACPSA可以缓解体重下降,恢复胸腺指数,修复胸腺、脾脏、骨髓的组织病理损伤(如胸腺萎缩、脾红髓白髓分界消失、骨髓细胞减少)。促进造血干 / 祖细胞分化:降低长 / 短期造血干细胞(LT-HSCs/ST-HSCs)比例,提升多能祖细胞(MPPs)比例,恢复骨髓造血功能。恢复免疫细胞数量:显著改善 CTX 诱导的白细胞减少,恢复骨髓中 T 细胞、B 细胞、NK 细胞、巨噬细胞的数量。调控巨噬细胞极化:上调骨髓巨噬细胞中 M1 标志物(IL-6、TNF-α、iNOS、MHC-II)的蛋白水平,对 M2 标志物无明显影响。
(二)GdCl₃诱导的巨噬细胞抑制模型(C57BL/6 小鼠,n=6 / 组)
结果表明:缓解模型小鼠体重下降和肝指数降低,修复肝脏空泡化损伤,恢复肝脏中 F4/80⁺CD11b⁺巨噬细胞数量,上调肝脏中 IL-6、TNF-α 的蛋白水平。
(三)生物安全性
40mg/kg ACPSA 单独灌胃健康小鼠 28 天,H&E 染色显示心、肝、脾、肺、肾、胸腺均无结构异常,无明显器官毒性。
图 5牛樟芝多糖 ACPSA 改善环磷酰胺诱导的小鼠骨髓抑制与免疫抑制作用
(A)小鼠骨髓抑制与免疫抑制模型构建示意图;(B)小鼠体质量变化情况(实验重复 8 次);(C)小鼠胸腺、脾脏及骨髓组织的组织形态学分析,标尺:250 微米,实验重复 3 次;(D)小鼠骨髓中长时程造血干细胞、短时程造血干细胞及多能祖细胞的流式细胞术检测结果(实验重复 3 次)。注:*P<0.05、**P<0.01、△△△P<0.001,与环磷酰胺处理组相比;***P<0.001,与空白对照组相比。
图 6牛樟芝多糖 ACPSA 通过调控免疫细胞数量改善环磷酰胺诱导的小鼠骨髓抑制与免疫抑制(A)采用流式细胞术检测不同处理组小鼠骨髓中白细胞、T 细胞、B 细胞、自然杀伤细胞、巨噬细胞的含量(实验重复 3 次);(B-G)采用酶联免疫吸附实验检测小鼠骨髓中白细胞介素 - 6(B)、肿瘤坏死因子 -α(C)、诱导型一氧化氮合酶(D)、主要组织相容性复合体 -Ⅱ(E)、分化簇 163(F)、几丁质酶样蛋白 3(G)的含量(实验重复 8 次)。注:*P<0.05、**P<0.01、***P<0.001,与环磷酰胺处理组相比;#P<0.05、##P<0.01,与空白对照组相比;ns 表示无统计学差异。
图 7 牛樟芝多糖 ACPSA 改善氯化钆诱导的小鼠肝巨噬细胞抑制作用
(A)氯化钆诱导的小鼠巨噬细胞抑制模型构建示意图(实验重复 6 次);(B、C)小鼠的体质量(B)和肝指数(C)变化情况(实验重复 6 次);(D)小鼠肝脏组织的组织形态学分析(实验重复 3 次);(E)采用 F4/80⁺CD11b⁺双标法对小鼠肝脏组织进行免疫荧光定量检测(实验重复 3 次);(F-H)采用酶联免疫吸附实验检测小鼠肝脏组织中白细胞介素 - 6(F)、肿瘤坏死因子 -α(G)、几丁质酶样蛋白 3(H)的含量(实验重复 6 次)。注:*P<0.05、**P<0.01,与氯化钆处理组相比;#P<0.05,与空白对照组相比;ns 表示无统计学差异。
分子机制研究发现:ACPSA 通过 JAK2/AKT/STAT3 通路抑制巨噬细胞自噬
ACPSA 抑制巨噬细胞自噬:在 BMDMs 中,ACPSA 显著上调自噬抑制相关蛋白 p-ULK1 (Ser757)、p62,下调自噬促进蛋白 BECN1,减少 LC3B-I 向 LC3B-II 的转化;可逆转血清饥饿诱导的自噬激活。自噬抑制是功能增强的关键:自噬诱导剂雷帕霉素可完全逆转 ACPSA 对巨噬细胞吞噬能力的增强作用;自噬抑制剂氯喹可进一步提升 ACPSA 的促吞噬效果。调控 JAK2/AKT/STAT3 信号通路:ACPSA 显著上调 JAK2 蛋白水平,增强 AKT、STAT3 的磷酸化;STAT3 抑制剂Stattic可逆转 ACPSA 的自噬抑制作用,并减弱其促吞噬效果。体内机制验证:ACPSA 可逆转 GdCl₃诱导的肝脏自噬激活(上调 p62、下调 BECN1 和 LC3B-II),也可逆转 CTX 诱导的胸腺自噬激活(上调 p62、下调 LC3B-II)。
图 8牛樟芝多糖 ACPSA 在体内外均能抑制自噬作用
(A)经 ACPSA 处理与未处理的小鼠骨髓来源巨噬细胞中,自噬相关蛋白的蛋白质组学分析火山图;(B)ACPSA 处理 24 小时后,小鼠骨髓来源巨噬细胞中自噬相关蛋白的蛋白质免疫印迹检测结果(左)及定量分析(右),实验重复 3 次;(C、D)采用雷帕霉素 / 氯喹或 ACPSA 处理小鼠骨髓来源巨噬细胞 24 小时,最后 4 小时加入中性红染液定量检测其吞噬活性,实验重复 3 次;(E)经 ACPSA 处理与未处理的小鼠骨髓来源巨噬细胞的蛋白质组学京都基因与基因组百科全书通路富集分析图;(F)ACPSA 处理 24 小时后,小鼠骨髓来源巨噬细胞中 Janus 激酶 2 / 蛋白激酶 B / 信号转导和转录激活因子 3 通路蛋白的蛋白质免疫印迹检测结果(上)及定量分析(下),实验重复 3 次;(G)采用 Stattic 和 / 或 ACPSA 处理小鼠骨髓来源巨噬细胞后,自噬相关蛋白的蛋白质免疫印迹检测结果(左)及定量分析(右),实验重复 3 次;(H)采用 Stattic 和 / 或 ACPSA 处理小鼠骨髓来源巨噬细胞 24 小时,最后 4 小时加入中性红染液定量检测其吞噬活性,实验重复 3 次;(I)经氯化钆和 ACPSA 处理的小鼠肝脏组织中,自噬相关蛋白的蛋白质免疫印迹检测结果(左)及定量分析(右),实验重复 3 次;(J)经环磷酰胺和 ACPSA 处理的小鼠胸腺组织中,自噬相关蛋白的蛋白质免疫印迹检测结果(左)及定量分析(右),实验重复 3 次。注:*P<0.05、**P<0.01、***P<0.001;#P<0.05、##P<0.01;ns 表示无统计学差异。
结论:
该研究从牛樟芝菌丝体中分离的ACPSA是结构明确的中性活性多糖,含杂葡聚糖和 β- 葡聚糖两个结构域,其生物功能依赖自身特殊结构;ACPSA 通过激活 JAK2/AKT/STAT3 信号通路、抑制巨噬细胞自噬,促进巨噬细胞经典活化(M1 极化)和功能增强,进而有效缓解化疗诱导的骨髓抑制和免疫抑制,且无明显体内毒性,可作为化疗并发症治疗的潜在候选药物。
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