王浩

（寧波經貿學校藥學部，浙江寧波 315100）

殼聚糖及其衍生物在醫(yī)藥領域的應用研究進展

王浩

（寧波經貿學校藥學部，浙江寧波 315100）

殼聚糖是一種用途很廣的天然高分子化合物，具有無毒、生物相容性、吸附功能、生物可降解性及多種生物學活性等優(yōu)異性能，在醫(yī)藥領域具有很高的應用價值。多年來，殼聚糖及其衍生物一直是醫(yī)藥研發(fā)領域的熱點之一。綜述了殼聚糖及其衍生物在醫(yī)用材料、抗菌材料、抗腫瘤、組織工程等方面的應用研究。隨著研究的深入，這一具有獨特性能的生物材料將越來越受到人們的重視，被廣泛應用于化妝品、食品工業(yè)、保健品領域中，將逐漸發(fā)展成為有巨大經濟效益和社會效益的殼聚糖產業(yè)。

殼聚糖；醫(yī)藥；抗菌活性；抗腫瘤

殼聚糖（chitosan）是甲殼素的脫乙酰衍生物，是自然界中僅次于纖維素的天然生物高分子聚合物，其化學名為聚2-氨基-2-脫氧-β-D-葡萄糖，是一類以基本單元2-氨基-β-D-葡萄糖通過β-1,4糖苷鍵連接組成的多聚體。它廣泛存在于蝦、昆蟲、蟹等的外表皮及真菌細胞壁中，是天然多糖中唯一帶正電荷的堿性多糖。殼聚糖有很好的吸附性、保濕性、成膜性、通透性，并富有良好的生物相容性、可再生性、易化學修飾性等優(yōu)越的性能，還具有抗癌、降脂、抗血凝、抗酸、抑菌、抗?jié)?、增強免疫等生物活性，能夠被廣泛地應用于生物工程、醫(yī)藥、化學化工、食品等各個領域。

1 殼聚糖及其衍生物在醫(yī)用材料上的應用

1.1 醫(yī)用敷料

利用殼聚糖及其衍生物優(yōu)異的生物降解性、生物相容性及成膜性，可將其制成不同臨床目的的醫(yī)用敷料。在日本，甲殼素、殼聚糖的纖維和海綿作為動物傷口的填充敷料已被獸醫(yī)廣泛應用[1]。

1.2 生物結合材料

用殼聚糖制成的纖維，可用于外科手術的縫合線，可吸收縫合線強度高、容易打結、韌性好，并能促進傷口愈合，是一種很有發(fā)展前景的天然可吸收性醫(yī)用縫合線。據報道，用殼聚糖及其衍生物制備的醫(yī)用接合材料，可使傷口愈合速度提高75%[2]。

1.3 硬組織修復材料

殼聚糖因其本身具有良好的生物降解性、抗菌性能、生物相容性、可塑性以及可修飾性，可形成多孔結構，適于細胞向內生長和骨傳導。夏萬堯等[3]自制殼聚糖-明膠多孔復合支架作為軟骨組織工程支架材料，實驗結果表明，該支架可在具有免疫功能的自體動物內形成結構與正常軟骨相似的軟骨組織。

1.4 抗凝血材料

相關研究表明，通過對殼聚糖進行分子間作用力（如交聯反應、自組裝、接枝共聚）、化學改性（如烷基化、醚化、羧基化、硫酸/磺酸化）以及共混等方式，可使殼聚糖及其衍生物具備較強的抗凝血功能。

曹農等[4]對殼聚糖進行改性后，通過抗凝血活性實驗發(fā)現，不同殼聚糖衍生物的抗凝血活性順序是：乙基殼聚糖＜羥乙基殼聚糖＜殼聚糖＜羧甲基殼聚糖，羧甲基殼聚糖的抗凝血活性最高。屠美[5]等以殼聚糖、殼聚糖季銨鹽為基礎，研制出一種物理機械性能較佳的新型復合抗凝血材料—殼聚糖季銨鹽-殼聚糖復合膜，在其表面以離子鍵合法結合肝素，使之具有更好的抗凝血性能。

2 殼聚糖及其衍生物的抗菌活性

2.1 抗菌機理

殼聚糖及其衍生物作為抗菌劑已被很多學者研究，但其抗菌機理到目前為止也并不清楚。研究人員初步推測殼聚糖的抗菌機理有以下幾種可能的模型：

1）殼聚糖分子帶有正電荷，吸附帶有負電荷的細菌，使其相互作用。

2）殼聚糖齊聚物（Mw=8000）吸附細菌后，穿過細胞壁和細胞膜進入細菌細胞內部，與DNA結合干擾了DNA的轉錄，進而抑制細菌的繁殖。

3）殼聚糖及其衍生物與金屬離子螯合，抑制微量元素的攝取以及與細菌生長所必需的營養(yǎng)物質結合[6]。

2.2 殼聚糖衍生物的抗菌活性

已有大量研究證實，殼聚糖及其衍生物對金黃色葡萄球菌、銅綠假單胞菌、大腸桿菌、放線菌、熱帶白色念珠菌和枯草桿菌等均具有廣譜的抗菌活性。殼聚糖的抑菌活性與相對分子質量和脫乙酰度、溶液pH值、金屬離子等多種因素有關。殼聚糖只能溶于pH＜6.5的酸性溶液中，且pH值越低抑菌活性越強，這也使它的使用范圍受到一定的限制。因此，近年的研究熱點也轉向將殼聚糖改性以增加水溶性和抗菌性。

2.2.1 季銨化殼聚糖的抗菌活性

殼聚糖中引入季銨鹽基團，能夠大大地削弱殼聚糖分子間的氫鍵，增大殼聚糖衍生物的水溶性。水溶性的質子化殼聚糖可以使細胞膜短暫開放，促進基因的跨膜轉運，這使得季銨化殼聚糖可以作為潛在的基因載體。

趙希榮等[7]對合成的系列雙取代和單取代殼聚糖季銨鹽進行了抗菌試驗，結果發(fā)現，殼聚糖季銨鹽抗菌活性與結構之間有一定的構效關系。朱一凡等[8]采用懸液定量殺菌試驗，觀察季銨化殼聚糖抗菌活性及探索其應用價值，試驗表明，季銨化殼聚糖對金黃色葡萄球菌、白色念珠菌及大腸桿菌都具有很強的殺菌效果，并具備良好的存儲穩(wěn)定性。

2.2.2 羧烷基化殼聚糖的抗菌活性

殼聚糖通過羧烷基化如羧甲基化，其物理化學性能得到改善，可以有效增強其水溶性。通過對殼聚糖進行改性得到的羧甲基殼聚糖易溶于水，是非常好的抗菌抑菌材料，具有十分廣泛的用途，一直備受關注。

Liu等[9]測定了O-羥乙基殼聚糖、殼聚糖、O-羧甲基殼聚糖（O-CMC）和N,O-羧甲基殼聚糖（N, O-CMC）對大腸桿菌的抗菌活性，結果抗菌活性為O-CMC＞O-羥乙基殼聚糖＞殼聚糖＞N,OCMC，O-CMC能抑制RNA的合成，從而導致細菌死亡。李治等[10]以金黃色葡萄球菌為實驗菌種，研究了羧甲基化度對O-CMC抗菌性的影響。研究結果表明：O-CMC表現出了一定的抗菌性，其抗菌性隨著羧甲基化度的升高呈現出先升后降的規(guī)律，在羧甲基化度為0.4處抗菌性最強。同殼聚糖相比，O-CMC在比較寬的羧甲基化度范圍內表現出了更強的抗菌性。同時，很多研究[11-12]都表明羧甲基殼聚糖具有比殼聚糖更強的抗菌活性。

2.2.3 其他改性殼聚糖的抗菌活性

許多學者通過各種改性方法，如烷基化和芳化殼聚糖、糖基修飾殼聚糖、殼聚糖/無機鹽復合物等，合成殼聚糖衍生物，并深入研究了其抗菌性能。與殼聚糖相比較，很多殼聚糖衍生物表現出了更強的抗菌活性。Rabea等[13]研究表明，疏水取代基N-芐基的存在賦予季銨化衍生物更強的抗菌活性，并且隨著烷基鏈長的延長抗菌活性增加。

3 殼聚糖及其衍生物在抗腫瘤方面的應用

國內外研究表明，對殼聚糖進行表面修飾，比如羧甲基化、乙?；?、?；⒘蛩峄?，可使改性后的殼聚糖的物理、化學性質均得到優(yōu)化，在抑制腫瘤生長和延長存活期方面起到了積極的作用。

3.1 直接作用于腫瘤細胞

腫瘤細胞表面比正常細胞表面具有更多的負電荷，這樣殼聚糖表面的陽離子與腫瘤細胞表面的陰離子就可以結合，從而抑制腫瘤的生長和轉移。劉瑩等[14]用細胞計數法比較了殼聚糖對人結腸癌LoVo細胞株生長的影響，結果顯示殼聚糖對人結腸癌LoVo細胞株生長有抑制作用，表明殼聚糖對腫瘤細胞有直接的抑制作用。

3.2 誘導腫瘤細胞凋亡的作用

很多抗腫瘤藥物都是通過誘導細胞凋亡而發(fā)揮它的作用的。Hasegawa等[15]通過細胞計數、比色分析研究發(fā)現，殼聚糖通過活化caspase-3（caspase-3是細胞凋亡的重要調控因子[16]）誘導膀胱癌細胞凋亡。研究還發(fā)現，殼聚糖可誘導與細胞凋亡有著密切關系的多種細胞因子的表達，如腫瘤壞死因子、白細胞介素1、2、10、干擾素等[17-18]。

3.3 抑制腫瘤血管的形成

腫瘤的發(fā)生、發(fā)展與腫瘤血管密切相關，殼聚糖能夠抑制血管內皮細胞生成，減少腫瘤組織血管生成，封閉血管內皮細胞黏附分子的黏附功能，進而限制腫瘤的生長與轉移。史國齊等[19]研究了殼聚糖體外降解的規(guī)律以及不同降解時間其產物對血管形成密切相關的內皮細胞增殖的影響，對殼聚糖在組織工程血管化方面的應用具有一定的參考價值。

3.4 調節(jié)和增強機體免疫功能

殼聚糖能激活巨噬細胞、T和B細胞、NK細胞、補體系統(tǒng)，進而誘導體內干擾素的產生。殼聚糖能使機體微環(huán)境保持弱堿性，以激活人體的免疫細胞，增強機體抗癌效應，故殼聚糖也可以用來作為保健食品來提高人體的機能。Okamoto等[20]報道了甲殼素和低聚殼聚糖能有效地增強巨噬細胞的遷徙活力，有一定的免疫調節(jié)作用。

4 殼聚糖及其衍生物在組織工程中的應用研究

組織工程就是把體外培養(yǎng)的細胞吸附到一種與人體生物相容性良好的組織工程材料上進行擴增，然后植入受損部位代替病灶組織。殼聚糖及其衍生物以其特有的性質，在組織工程中得到了廣泛的應用。

4.1 殼聚糖及其衍生物在皮膚組織工程中的研究

皮膚組織工程就是制備能夠保護創(chuàng)面的細胞外支架材料。殼聚糖具有良好的透氣性和彈性，能夠防止水分和體液流失，能吸收創(chuàng)面滲出液，防止感染以及促進傷口愈合和抗菌的作用。現國內外已由創(chuàng)傷敷料發(fā)展到皮膚組織工程的研究，尤其是人工皮膚方面，而利用患者自身細胞培養(yǎng)的皮膚替代物更有著廣闊的發(fā)展前景。

青島大學醫(yī)學院和中國海洋大學曾合作用膠原蛋白和殼聚糖作為原料，并摻入中藥有效成分，制造出了具有良好效果的人工皮膚[21]。Jayasree 等[22]也成功研究了殼聚糖臨時人造皮膚，并取得了一定的成果。雷霞等[23]在覆蓋SD大鼠金黃色葡萄球菌污染創(chuàng)面實驗中發(fā)現，復方殼多糖人工皮膚在在抗感染和促進創(chuàng)面愈合上有明顯優(yōu)勢。

4.2 殼聚糖及其衍生物在肝臟組織工程中的研究

殼聚糖與其他生物大分子的復合材料因其具有良好的柔韌性和強度，在肝組織工程中具有非常廣闊的應用前景。徐光翠等[24]通過給予大鼠殼聚糖后染毒鎘，觀察殼聚糖對鎘致大鼠肝臟損傷的作用并探討其機制，結果表明殼聚糖對鎘致大鼠肝臟損傷有一定的拮抗作用。

4.3 羧甲基殼聚糖在促牙周組織再生中的研究

促進牙周組織再生，重建因疾病喪失的牙周組織功能是牙周病治療的最終目的，但是單純的基礎治療不能達到理想目標，而組織工程技術為牙周組織的重建開辟了新的治療途徑。醫(yī)學上常用殼聚糖衍生物作為牙周組織再生的組織工程支架，并將殼聚糖膜作為牙周引導組織再生膜應用于牙周組織再生術。張毅等[25]用冷凍干燥法制備生物降解性殼聚糖膜，并通過體內外試驗相結合的方法研究其生物相容性。結果表明，殼聚糖膜無毒、無溶血、無致敏、具有良好的生物相容性，可以用于牙周干細胞移植的生物支架。

5 展望

除上述應用研究外，殼聚糖能調節(jié)脂質代謝、減少血液膽固醇、調理腸胃、抗結核等多種生物活性和優(yōu)良的抗菌性，可防止痛風、胃潰腸、糖尿病等，可以制作隱形眼鏡和接觸鏡片的清洗液，還可制作人造眼淚和消炎眼藥膏，可用于心臟病、治療腦神經系統(tǒng)、動脈硬化、糖尿病及并發(fā)癥等。殼聚糖及其衍生物作為一類具有良好生物相容性的生物材料，在醫(yī)藥、化妝品、化工、食品、農業(yè)、環(huán)保、輕紡等領域中的應用日益廣闊，將逐漸發(fā)展成為有巨大經濟效益和社會效益的殼聚糖產業(yè)。

[1]Kurita K.Chitin and chitosan∶functional biopolymers from marine crustaceans[J].Marine Biotechnology,2006,8(3)∶203-226.

[2]廖紅，董志，傅潔民.甲殼素及其衍生物在燒傷、燙傷方面的作用及應用[J].西部藥學，2004，1(1)：32-33.

[3]夏萬堯，劉偉，崔磊，等.殼聚糖-明膠多孔復合支架構建自體組織工程化軟骨組織的實驗研究[J].中華醫(yī)學雜志，2003，83 (7)：577-579.

[4]曹農，王愛勤.殼聚糖衍生物的抗凝血活性[J].中國生化藥物雜志，1998，19(3)：148-149.

[5]屠美，崔瑩.肝素化殼聚糖季銨鹽/殼聚糖復合膜抗凝血性能的研究[J].功能高分子學報，1997，10(3)：328-332.

[6]Roller S,Covill N.The antifungal properties of chitosan in laboratory media and apple juice[J].International Journal of Food Microbiology,1999,47(1-2)∶67-77.

[7]趙希榮，夏文水.二元取代殼聚糖季銨鹽的抗菌活性[J].食品與生物技術學報，2006，25(5)：55-60.

[8]朱一凡，魏蘭芬，陸龍喜，等.季銨化殼聚糖抗菌劑殺菌效果觀察[J].中國消毒學雜志，2008，25(3)：236-237.

[9]Liu X F,Song L,Li L,et al.Antibacterial effects of chitosan and its water-soluble derivatives on E.coli,plasmids DNA,and mRNA[J].Journal of Applied Polymer Science,2007,103(6)∶3521-3528.

[10]李治，劉曉非，管云林.O-羧甲基殼聚糖抗菌性的研究[J].日用化學工業(yè)，2000，30(3)：10-11.

[11]Anitha A,Rani V V D,Krishna R,et al.Synthesis,characterization,cytotoxicity and antibacterial studies of chitosan,O-carboxymethyl and N,O-carboxymethyl chitosan nanoparticles[J]. Carbohydrate Polymers,2009,78(4)∶672-677.

[12]El-Shafei A M,Fouda M M G,Knittel D,et al.Antibacterial activity of cationically modified cotton fabric with carboxymethyl chitosan[J].Journal of Applied Polymer Science,2008,110(3)∶1289-1296.

[13]Rabea E I,Badawy M E I,Steurbaut W,et al.In vitro assessment of N-(benzyl)chitosan derivatives against some plant pathogenic bacteria and fungi[J].European Polymer Journal,2009,45(1)∶237-245.

[14]劉瑩，柳紅.殼寡糖對人結腸癌LoVo細胞株生長的影響[J].徐州醫(yī)學院學報，2002，22(2)：148-151.

[15]Hasegawa M,Yagi K,Iwakawa S,et al.Chitosan induces apoptosis via caspase-3 activation in bladder tumor cells[J]. Japanese Journal of Cancer Research,2001,92(4)∶459-466.

[16]Luo H Y,Li J,Chen X.Antitumor effect of N-succinyl-chitosan nanoparticles on K562 cells[J].Biomedicine&Pharmacotherapy, 2010,64(8)∶521-526.

[17]Mori T,Irie Y,Nishimura S I,et al.Endothelial cell responses to chitin and its derivatives[J].Journal of Biomedical Materials Research,1998,43(4)∶469-472.

[18]Jeong H J,Koo H N,Oh E Y,et al.Nitric oxide production by high molecular weight water-soluble chitosan via nuclear factor-kappa B activation[J].International Journal of Immunopharmacology,2000,22(11)∶923-933.

[19]史國齊，陳元維，丁玉龍，等.殼聚糖體外降解及降解產物對內皮細胞增殖的影響[J].航天醫(yī)學與醫(yī)學工程，2009，22(1)：62-66.

[20]Okamoto Y,Watanabe M,Miyatake K,et al.Effects of chitin/ chitosan and their oligomers/monomers on migrations of fibroblasts and vascular endothelium[J].Biomaterials,2002,23(9)∶1957-1979.

[21]樓寶成.甲殼胺人造皮膚：中國，1032294[P].1987.

[22]Jayasree R S,Rathinam K,Sharma C P.Development of artificial skin(Template)and influence of different types of sterilization procedures on wound healing pattern in rabbits and guinea pigs[J].Journal of Biomaterials Applications,1995,10 (2)∶144-162.

[23]雷霞，伍津津，朱堂友，等.復方殼多糖人工皮膚促進創(chuàng)面愈合的作用[J].中國臨床康復，2004，8(17)：3300-3302.

[24]徐光翠，高啟禹，趙英政，等.殼聚糖對鎘致大鼠肝臟損傷的拮抗作用[J].工業(yè)衛(wèi)生與職業(yè)病，2012，38(5)：273-276.

[25]張毅，莊昭霞.牙周引導組織再生殼聚糖膜的生物相容性研究[J].山東大學學報（醫(yī)學版），2002，40(2)：115-117.

（責任編輯：朱小惠）

Research progress on the application of chitosan and its derivatives in medicine field

WANG Hao
(Department of Pharmacy,Ningbo Economic and Trade School,Ningbo 31100,China)

Chitosan is a widely used natural polymer and due to its non-toxic,biocompatibility, absorption,biodegradability and other good properties,it has high application value in the medicine field.Chitosan and its derivatives have been one of the hotspots in medicine research field.This paper reviewed the application of chitosan and its derivatives in the medical materials, antibacterial materials,antitumor,tissue engineering,etc.The biological material with unique performance will attract significant attention in the future and it will be widely used in the fields of cosmetics,food industry,health care products.A chitosan industry with great economic and social benefits will be gradually developed.

chitosan;medicine;antibacterial activity;antitumor effect

O636.1

A

1674-2214（2015）01-0058-04

2014-12-08

王浩（1981—），男，浙江蘭溪人，碩士，講師，從事藥學專業(yè)教學，E-mail∶3815921@qq.com.