鄭鑫鑫，黃 青

（1.中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院，合肥230031；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)科學(xué)島分院，合肥230026）

蝦青素又名蝦黃質(zhì)，化學(xué)名稱為3，3'-二羥基-4，4'-二酮基-β，β'-胡蘿卜素，分子式為C40H52O4，相對分子質(zhì)量為596.86［1-2］，它存在于多種水生生物中，尤其是微藻、酵母、蝦、蟹及鮭魚等［3］。在所有積累蝦青素的微生物中，雨生紅球藻被認(rèn)為是自然界中用來生產(chǎn)天然蝦青素最好的微生物，這主要是由于雨生紅球藻具有兩個方面的優(yōu)勢：（1）具有最高的蝦青素含量，其含量約為每克干重的1.5%～5%［4］，是天然蝦青素濃縮品；（2）其蝦青素結(jié)構(gòu)（圖1、2）主要是以3S，3'S 型（全反式）為主，與鮭魚等水產(chǎn)生物的蝦青素結(jié)構(gòu)基本一致，這種反式蝦青素具有更高生物活性或免疫調(diào)節(jié)活性［5］，而酵母中蝦青素則主要是以3R，3'R為主［6］。

作為一種脂溶性的類胡蘿卜素，蝦青素含有多個共軛雙鍵及2 個含氧的α-羥基酮六元環(huán)，能吸引自由基未配對電子或向自由基提供電子，從而可以清除自由基起抗氧化作用［7］。此外，它可跨膜排列于細(xì)胞膜的脂質(zhì)雙層中，使活性氧（Reactive oxygen species，ROS）可沿其碳骨架上的雙鍵穿梭，并能促進電子發(fā)生跨膜轉(zhuǎn)移［8］。所以，蝦青素抗氧化能力極強，其抗氧化活性是玉米黃質(zhì)、葉黃素和β-胡蘿卜素的10倍，是α-生育酚的100 倍［4］?；谶@種特殊的分子結(jié)構(gòu)及其突出的抗氧化作用，蝦青素在營養(yǎng)和醫(yī)藥應(yīng)用方面潛力巨大。已有研究表明，蝦青素在防治癌癥、增強免疫、光保護、預(yù)防心腦血管疾病、抗炎、延緩衰老、保護細(xì)胞等顯示出多種功效［7，9］。在免疫調(diào)節(jié)作用方面，蝦青素的特殊效能也越來越受關(guān)注，已被證明它能夠通過多種機制增強免疫力，提高機體的抗菌、抗病毒能力。本文結(jié)合當(dāng)前全球?qū)剐滦凸跔畈《痉窝椎男蝿菖c需求，就蝦青素的免疫調(diào)節(jié)作用及抗炎功效進行介紹，或能為新型冠狀病毒肺炎的預(yù)防治療以及相關(guān)藥物的研發(fā)提供新的思路。

圖1 蝦青素的幾何異構(gòu)體結(jié)構(gòu)［10］Figure 1 Structures of geometric isomers of astaxanthin［10］

1 蝦青素免疫調(diào)節(jié)機制

為了抵抗病原微生物的入侵，動物在長期的進化過程中形成了特有的免疫系統(tǒng)，包括天然免疫系統(tǒng)和適應(yīng)性免疫系統(tǒng)。天然免疫系統(tǒng)又稱固有免疫系統(tǒng)，包括組織屏障、固有免疫細(xì)胞和固有免疫分子。參與固有免疫的細(xì)胞是單核-巨噬細(xì)胞、粒細(xì)胞、自然殺傷（Natural killer，NK）細(xì)胞等；而參與適應(yīng)性免疫應(yīng)答的細(xì)胞主要是T 淋巴細(xì)胞和B 淋巴細(xì)胞。免疫分子主要包括抗原和抗體、補體、細(xì)胞因子等，而細(xì)胞因子（Cy?tokine，CK）包括白細(xì)胞介素（Interleukin，IL）、干擾素（Interferon，IFN）、腫瘤壞死因子（Tumour necrosis fac?tor，TNF）超家族、集落刺激因子（Colony-stimulating factor，CSF）、趨化因子、生長因子（Growth factor，GF）等，它們可通過結(jié)合受體調(diào)節(jié)細(xì)胞生長、分化，并用于調(diào)控免疫應(yīng)答。當(dāng)機體受抗原刺激后，產(chǎn)生免疫物質(zhì)發(fā)生特異性免疫效應(yīng)。固有免疫系統(tǒng)可通過一類模式識別受體去識別病原微生物的表達(dá)，抵御病原體入侵；或通過溶菌酶等發(fā)揮抑菌作用。在適應(yīng)性免疫應(yīng)答過程中，T 淋巴細(xì)胞、B 淋巴細(xì)胞識別抗原，然后在協(xié)同刺激分子的參與下，發(fā)生細(xì)胞的活化、增殖、分化，從而產(chǎn)生殺傷性T 細(xì)胞等效應(yīng)細(xì)胞、抗體、細(xì)胞因子等效應(yīng)分子以及記憶細(xì)胞，最終由效應(yīng)細(xì)胞和效應(yīng)分子清除抗原。免疫應(yīng)答的正常進行依賴于機體的免疫調(diào)節(jié)機制。免疫調(diào)節(jié)是正負(fù)雙向的，體內(nèi)各種因素對免疫應(yīng)答有“雙刃劍”的作用，合適的免疫調(diào)節(jié)既能避免對病原微生物的免疫應(yīng)答過低，造成嚴(yán)重感染，又能防止免疫應(yīng)答過度，即對異己抗原產(chǎn)生過敏性免疫應(yīng)答，從而造成機體組織免疫損傷［11］。

圖2 蝦青素的光學(xué)異構(gòu)體結(jié)構(gòu)［10］Figure 2 Structures of optical isomers of astaxanthin［10］

關(guān)于蝦青素免疫調(diào)節(jié)作用，目前認(rèn)識包括以下幾個方面：（1）蝦青素能夠通過抗氧化作用而保護免疫細(xì)胞的完整性，防止受到損傷，確保機體正常免疫應(yīng)答過程的進行。蝦青素可以通過淬滅自由基，阻止人淋巴細(xì)胞的氧化應(yīng)激反應(yīng)，保護淋巴細(xì)胞［12］。通過減少活性氧ROS 的產(chǎn)生，蝦青素可以減輕由高糖和游離脂肪酸導(dǎo)致的氧化應(yīng)激，恢復(fù)部分中性粒細(xì)胞的功能，也可以大幅提高中性粒細(xì)胞吞噬能力［13-14］。體外實驗表明，蝦青素由此還具有保護巨噬細(xì)胞的作用，并修復(fù)被ROS 損傷的巨噬細(xì)胞［15］。（2）蝦青素還能誘導(dǎo)生物體通過增加免疫細(xì)胞的數(shù)量，從而增強自身的免疫力（表1）。研究發(fā)現(xiàn)，在對犬的飼喂試驗中，蝦青素明顯提高了絲裂原刀豆蛋白A（Concanavalin A，Con A）誘導(dǎo)的淋巴細(xì)胞的增殖活動和NK 細(xì)胞的細(xì)胞毒活性，并且增加了B 細(xì)胞的數(shù)量［16］。Park 等［17］利用雨生紅球藻來源的蝦青素飼喂家貓的實驗也觀察到相似的現(xiàn)象，并且發(fā)現(xiàn)蝦青素喂養(yǎng)的貓的外周血單個核細(xì)胞（PBMC）的數(shù)量及CD3+總的T 細(xì)胞數(shù)量和CD4+輔助性T 細(xì)胞的數(shù)量也較高。此外，在小鼠實驗中，也發(fā)現(xiàn)蝦青素可使脾B 淋巴細(xì)胞和T 淋巴細(xì)胞分化增殖能力提高，增強機體的免疫力［18-20］。在人的實驗中，也觀察到日糧蝦青素能刺激有絲分裂原誘導(dǎo)的淋巴細(xì)胞的增殖［21］。Sun 等［22］研究了多種天然蝦青素在調(diào)節(jié)小鼠淋巴細(xì)胞和腹膜滲出細(xì)胞（PECs）系統(tǒng)介導(dǎo)的細(xì)胞免疫應(yīng)答中的生物活性，用3 種蝦青素立體異構(gòu)體（20 μmol/L）處理后，比較其淋巴細(xì)胞增殖能力、中性紅細(xì)胞吞噬能力和自然殺傷（NK）細(xì)胞毒活性，結(jié)果表明，蝦青素的3 種立體異構(gòu)體均能顯著促進淋巴細(xì)胞增殖、PECs 的吞噬能力和NK 細(xì)胞的殺傷活性，說明蝦青素對機體的固有免疫應(yīng)答和適應(yīng)性免疫應(yīng)答具有一定的促進作用，有利于免疫細(xì)胞的活化和增殖，從而產(chǎn)生有效的免疫效應(yīng)。（3）蝦青素還可以通過促進細(xì)胞因子的分泌或免疫球蛋白的產(chǎn)生，增強生物體的免疫力。細(xì)胞因子和免疫球蛋白（尤其是抗體）是免疫應(yīng)答的效應(yīng)分子，它們與效應(yīng)細(xì)胞協(xié)同作用，實現(xiàn)對抗原的破壞或清除。Lin 等［31］檢測了蝦青素對體外原代培養(yǎng)小鼠淋巴細(xì)胞產(chǎn)生細(xì)胞因子的免疫調(diào)節(jié)作用，發(fā)現(xiàn)蝦青素通過促進IFN-γ 和IL-2 的分泌刺激免疫應(yīng)答。Okai 等［27］發(fā)現(xiàn)蝦青素具有增強小鼠免疫活性細(xì)胞增殖和功能的免疫調(diào)節(jié)活性，對于來自BALB/c 小鼠的脾細(xì)胞和胸腺細(xì)胞而言，蝦青素在2×10-8～10-7mol/L 的濃度下，能顯著刺激小鼠的細(xì)胞增殖反應(yīng)，并大大提高了抗體IgM 和IgG 的產(chǎn)生，同時顯著促進小鼠腹腔貼壁細(xì)胞釋放IL-1α 和TNF-α 的能力。對成年志愿者與足月新生兒的血液樣本進行體外實驗表明：蝦青素可提高受T 細(xì)胞依賴性刺激的外周血單核細(xì)胞產(chǎn)生免疫球蛋白（IgA、IgM、IgG）的能力［32］。研究人員對運動員的實驗同樣顯示適量的蝦青素補充有利于增加運動員體內(nèi)的IgA 含量，從而提高免疫力［33-34］。（4）蝦青素免疫調(diào)節(jié)功能表現(xiàn)在它既可以抗感染（細(xì)菌、病毒），也可以抑制免疫應(yīng)答過度而引起的炎癥反應(yīng)。例如，在虹鱒魚的蝦青素飼喂試驗中，研究發(fā)現(xiàn)蝦青素可以通過抑制病毒和ROS 導(dǎo)致的氧化應(yīng)激而影響虹鱒對病毒病原體的抗性，顯著降低造血器官壞死病毒感染導(dǎo)致的死亡率［35］。同樣，在小鼠的蝦青素喂養(yǎng)試驗中，發(fā)現(xiàn)可以抑制結(jié)腸炎相關(guān)的炎癥細(xì)胞因子的表達(dá)，包括核因子（Nuclear factor，NF）-κB、TNF-α 和IL-1β 等［36］。

表1 蝦青素對免疫細(xì)胞數(shù)量的影響Table 1 Effects of astaxanthin on the number of immune cells

關(guān)于蝦青素免疫調(diào)節(jié)及抗炎的分子機制或信號通路方面的研究，雖然起步較晚，目前也有一些文獻報道。脂多糖（Lipopolysaccharide，LPS）是革蘭氏陰性菌外膜的特征性內(nèi)毒素，通過絲裂原活化蛋白激酶（Mi?togen-activated protein kinase，MAPK）和NF-κB 誘導(dǎo)天然免疫系統(tǒng)，增加炎癥介質(zhì)的產(chǎn)生。LPS 通過LPS結(jié)合蛋白（LBP）和分化簇14（CD14）等輔助蛋白與天然免疫細(xì)胞中由髓樣分化2（MD2）和Toll 樣受體4（TLR4）組成的表面受體復(fù)合物結(jié)合。LPS-TLR4／MD2 復(fù)合物激活下游的促炎信號通路，包括NF-κB 和MAPK，觸發(fā)多種炎性細(xì)胞因子的產(chǎn)生。TNF-α、IL-6、IL-1β、IL-12 和IL-8 等多種促炎細(xì)胞因子的過度釋放，導(dǎo)致急性細(xì)胞或器質(zhì)性損傷，形成膿毒癥或急性肺損傷［37］。Cai 等［37］利用LPS 攻擊小鼠原代巨噬細(xì)胞（MPM）并測定MPM 的炎性因子（TNF-α 和IL-6）水平，進行體外藥理活性和機制研究；采用LPS誘導(dǎo)的膿毒癥和急性肺損傷小鼠模型進行體內(nèi)研究，探討蝦青素對LPS 所致膿毒癥和急性肺損傷的影響和作用機制。體內(nèi)外實驗均表明，蝦青素處理可通過降低IκB的降解和ERK/p38／JNK磷酸化水平，阻止LPS刺激的MPM 和膿毒癥小鼠的MAPK 和NF-κB 活化，從而抑制MAPK/NF-κB 信號通路，減輕LPS 增加的炎癥因子，并顯著提高LPS 所攻擊小鼠的存活率，證明蝦青素對LPS 誘導(dǎo)的小鼠離體和體內(nèi)損傷具有明顯的保護作用。在評價蝦青素對LPS 誘導(dǎo)的烏鱧體內(nèi)外炎癥反應(yīng)的保護作用的實驗中，Li等［38］也發(fā)現(xiàn)蝦青素通過調(diào)節(jié)烏鱧TLR4、NF-κB 和MAPK 信號通路發(fā)揮抗炎作用。在體內(nèi)外實驗中，蝦青素處理可抑制LPS 誘導(dǎo)的TNFα、IL-6 和IL-1β 的mRNA 表達(dá)的上調(diào)，可阻斷Toll 樣受體4（TLR4）的表達(dá)，抑制NF-κBp65 和IκBα 的磷酸化。進一步研究表明，蝦青素可以抑制MAPK 信號通路中p38、ERK（Extracellular regulated protein kinases，細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶）和JNK（c-Jun N-terminal ki?nase，c-Jun 氨基末端激酶）的磷酸化［38］。蝦青素對活化小膠質(zhì)細(xì)胞中IL-6影響的實驗顯示，蝦青素通過p-ERK1／2-MSK-1 和p-NF-κB p65 依賴性途徑下調(diào)激活的小膠質(zhì)細(xì)胞促炎性細(xì)胞因子IL-6 的表達(dá)，不但抑制了LPS 刺激的BV-2 小膠質(zhì)細(xì)胞IL-6mRNA 和蛋白的表達(dá)，而且降低了LPS 誘導(dǎo)諸多核因子抑制蛋白的磷酸化（如p-IκBα、p-NF-κbp65等）水平［39］。

2 蝦青素在抗疫中的潛在應(yīng)用

當(dāng)前，新型冠狀病毒肺炎（COVID-19）疫情在全球范圍流行，對人類生存形成巨大威脅。

對個人而言，提高自身免疫力，可增強抵御病毒侵染，避免病情加重。一方面，蝦青素可以通過增加免疫細(xì)胞數(shù)量、促進細(xì)胞因子分泌、提高免疫球蛋白水平，由此增強免疫力。另一方面，它也有可能在對抗新型冠狀肺炎“細(xì)胞因子風(fēng)暴”或“炎癥風(fēng)暴”中發(fā)揮作用。據(jù)《柳葉刀》報道，COVID-19 的嚴(yán)重程度與“細(xì)胞因子風(fēng)暴”有關(guān)［40］。所謂“細(xì)胞因子風(fēng)暴”又稱“炎癥風(fēng)暴”，是一種細(xì)胞因子與免疫細(xì)胞間的正反饋循環(huán)而產(chǎn)生的免疫反應(yīng)，是機體的免疫系統(tǒng)從“自我保護”演變?yōu)檫^度保護的狀態(tài)［41］。IL-6 和粒細(xì)胞-巨噬細(xì)胞集落刺激因子（Granulocyte-macrophage colony stimulating factor，GM-CSF）是引發(fā)COVID-19 患者炎癥風(fēng)暴的兩個關(guān)鍵炎癥因子（圖3）［42］。新型冠狀病毒感染后，迅速激活病原性T 細(xì)胞，產(chǎn)生GM-CSF 和IL-6 等細(xì)胞因子。 GM-CSF 會進一步激活CD14+CD16+炎癥性單核細(xì)胞，產(chǎn)生更多的IL-6 和其他炎癥因子，從而形成炎癥風(fēng)暴，導(dǎo)致嚴(yán)重肺部和其他器官免疫損傷［42］。許多COVID-19 重癥患者實際上是死于“細(xì)胞因子風(fēng)暴”。在患者體內(nèi)，被激活的免疫細(xì)胞可釋放IFN-γ、IL-1β、IL-6、IL-8、IL-10、IL-12、IL-18、IL-33、TNF-α 等大量促炎性細(xì)胞因子和CCL2、CCL3、CCL5 等趨化因子，引起不可控的全身炎癥反應(yīng)，導(dǎo)致急性呼吸窘迫綜合征和多臟器衰竭［40，43-44］。以往多項研究表明，蝦青素確實能夠通過多種機制降低炎性細(xì)胞因子IL-1β、IL-2、IL-6、IL-8、TNF-α 等的過度產(chǎn)生，減緩促炎細(xì)胞因子所致的急性細(xì)胞或器質(zhì)性損傷，降低膿毒癥的致死率，并能夠有效保護肺部組織［37，39］。這提示蝦青素或許可以作為預(yù)防和治療COVID-19 的候選或輔助藥物。

圖3 IL-6和GM-CSF 是引發(fā)COVID-19患者炎癥風(fēng)暴的關(guān)鍵炎癥因子［42］Figure 3 IL-6 and GM-CSF are key inflammatory factors that trigger inflammatory storms in COVID-19 patients［42］

此外，蝦青素具有強大抗氧化活性和細(xì)胞保護作用。比如，在對內(nèi)毒素誘導(dǎo)的葡萄膜炎（EIU）大鼠模型和體外培養(yǎng)的RAW264.7 巨噬細(xì)胞的實驗中，Oh?gami等［45］證明了蝦青素對EIU具有劑量依賴性的抗炎作用，尤其是100 mg/kg 的蝦青素和10 mg/kg 的腎上腺皮質(zhì)激素潑尼松龍的抗炎作用相當(dāng)，其抗炎作用有可能是通過阻斷NOS 酶活性抑制NO、PGE2（前列腺素E2）和TNF-α。最近一項研究報道說明，蝦青素可以減輕LPS 所致急性肺損傷的炎癥反應(yīng)，其作用機制是依賴于對MAPK/NF-κB 信號通路的抑制［37］。當(dāng)然，對COVID-19 是否具有同樣的效果和機制，這還需要進一步實驗證明。

總之，在利用蝦青素提高免疫力和抗炎方面，已顯示了很好的應(yīng)用前景，并且有望成為COVID-19 預(yù)防和治療的輔助藥劑或特效保健品。目前對于蝦青素調(diào)節(jié)免疫具體分子機制方面，還有許多不清楚的問題，值得進一步深入研究。