Trải qua năm thập kỷ, kể từ bài báo công bố về cấu trúc Fucoidan đầu tiên vào năm 1950 cho đến nay, đã có rất nhiều cơng bố về cấu trúc Fucoidan tách chiết từ các loài rong nâu sinh trưởng tại các vùng biển trên thế giới, tuy nhiên các công bố chủ yếu là đưa ra cấu trúc chi tiết một phân đoạn của Fucoidan dạng fucan sulfate. Đặc điểm cấu trúc chung của Fucoidan dạng fucan sulfate là cấu trúc bao gồm các gốc fucopyranosyl liên kết với nhau qua liên kết α (1→3), α (1→4), mạch nhánh (1→2) và nhóm sulfate ở vị trí C2, C3
và C4 trong vịng pyrannose. Trong khi đó các nghiên cứu về cấu trúc của Fucoidan dạng fucogalactan sulfate khơng nhiều. Chúng có cấu trúc phức tạp bởi sự có mặt đồng thời của 02 gốc đường fucopyranosyl và galactopyranosyl liên kết với nhau dạng α hoặc dạng β(1→3), α (1→4), liên kết mạch nhánh có thể là (1→2), (1→6) và nhóm sulfate có thể ở các vị trí khác nhau của 02 gốc đường. Chính vì vậy mà việc nghiên cứu cấu trúc của Fucoidan dạng fucogalactan sulfate là thách thức không nhỏ đối với các nhà hóa học hữu cơ.
1.2.4. Tính chất hóa lý của Fucoidan
Fucoidan là một anion polysaccharide sulfate, có độ nhớt thấp và tính hút ẩm cao, Fucoidan tan tốt trong nước và trong dung mơi axít. Nhìn chung, Fucoidan có trọng lượng phân tử không cao. Trọng lượng phân tử của Fucoidan chiết từ loài rong A.nodosum là từ 417-1.323 kDa, trong khi đó với
lồi rong F. vesiculosus là 529-887 kDa, nhưng Patankar và cộng sự (1993) [18,19] lại cho rằng trọng lượng phân tử của Fucoidan từ loài rong này là 100 kDa. Rupérez và cộng sự (2002) đã chiết hai phân đoạn Fucoidan với trọng lượng phân tử khác nhau là 1.600 kDa và 43 kDa. Thêm vào đó, Fucoidan được phân lập từ lồi rong Saccharina longicruris có trọng lượng phân tử là
chung trọng lượng phân tử của Fucoidan thay đổi tùy thuộc vào loài rong (bảng 1.3), phương pháp chiết và điều kiện môi trường.
Bảng 1.3. Sự phân bố trọng lượng phân tử của Fucoidan [24]. Trọng lượng phân tử
(kDa) Nguồn rong
13 Ascophyllum nodosum 16 Ascophyllum nodosum 25 Hizikia fusiforme 100-180 Fucus vesiculosus (Sigma) 160 Fucus vesiculosus 189 Laminaria japonica 200 Cladosiphon okamuranus 950 Hizikia fusiforme
1.2.5. Hoạt tính sinh học và ứng dụng của Fucoidan
1.2.5.1. oạt t nh chống ng t máu và chống hu ết khối
Trong số hoạt tính sinh học của Fucoidan thì hoạt tính chống đơng tụ máu của chúng được nghiên cứu sớm nhất. Lần đầu tiên, Nishino và cộng sự, đã thử nghiệm hoạt tính chống đơng máu của Fucoidan được phân lập từ chín lồi rong nâu. Trong số các Fucoidan thử nghiệm, Fucoidan từ E. kurome thể hiện hoạt tính cao nhất đối với APTT (38 đơn vị/mg) và TT (35 đơn vị/mg), với Fucoidan từ H.fusiforme hoạt tính APTT (activated partial thromboplastin time) và TT (thromboplastin time) tương ứng là 25 đơn vị/mg và 22 đơn vị/mg. Hoạt tính chống huyết khối của phân đoạn F4 của Fucoidan từ
L.angustata var. longissima là 200 đơn vị/mg, so với heparin (140 đơn vị/mg)
Các nghiên cứu về hoạt tính chống đơng tụ máu của Fucoidan từ một số loài rong (E.kurome, H.fusiforme, vv…) đã chỉ ra rằng hàm lượng sulfate có ảnh hưởng lớn đến hoạt tính chống đơng tụ máu, hàm lượng sulfate càng cao thì hoạt tính chống đơng tụ máu càng lớn. Đáng chú ý là công bố của Qiu và cộng sự chứng minh rằng Fucoidan sulfate hóa tồn phần cho thấy hoạt tính chống đơng tụ máu cao gấp bốn lần so với Fucoidan tự nhiên [26]. Vị trí của các nhóm sulfate trên các gốc đường cũng rất quan trọng với hoạt tính chống đơng tụ của Fucoidan. Các nghiên cứu đã cho thấy rằng Fucoidan sulfate hóa nếu ở vị trí C-2 hoặc C-3 thể hiện hoạt tính chống đơng tụ, trong khi đó nhóm sulfate ở vị trí C-4 khơng thể hiện hoạt tính này [26,27,28].
1.2.5.2. oạt t nh chống virus
Fucoidan được tách chiết từ các loài rong Adenocytis utriculari, Undaria pinnatifida(Mekabu), Stoechospermum marginatum, Undaria pinnatifida, Cystoseira indica và Undaria pinnatifida cho thấy hoạt tính kháng virus HSV-1 và HSV-2 mà khơng gây độc cho tế bào Vero. Hơn nữa, các Fucoidan còn cho thấy hoạt tính ức chế chống lại sự tái tạo nhiều loại virus màng bao gây ra hội chứng suy giảm miễn dịch của người và cytomegalovirus [29,30,31,32].
Dohura và cộng sự, công bố rằng sử dụng Fucoidan từ rong nâu có hoạt tính antiprion và kìm hãm sự khởi phát bệnh khi bị nhiễm trùng prion đường ruột [29,30,31,33,34].
1.2.5.3. oạt t nh kháng u và iều hịa miễn dịch
Hoạt tính kháng u của nhiều polysaccharide đã được công bố trong những năm gần đây. Fucoidan từ Eisenia bicyclics và L. japonica có tác dụng chống u báng 180. Fucoidan của L. japonica có thể ức chế tế bào gan
QGY7703 đến phase Log, theo đó kiềm chế sự tăng trưởng của khối u [35,36,37,38,39]. Fucoidan đã được phát hiện ức chế sự tăng sinh và gây chết tế bào trong dòng tế bào u lympho HS-Sultan của người. Fucoidan từ L. saccharina, L. digitata, F. serratus, F. distichus và F. vesiculosus có tác dụng
một hiệu ứng mà có thể có ý nghĩa quan trọng trong q trình di căn khối u [40,41,42,43,44].
1.2.5.4. oạt t nh chống ox hóa
Bằng các thí nghiệm in vitro,các nhà khoa học đã chứng minh rằng Fucoidan thể hiện hoạt tính chống oxy hóa rất quan trọng. Nó là một chất chống oxy hóa tự nhiên tuyệt vời và có khả năng ngăn ngừa các bệnh gây ra bởi các gốc tự do rất cao. Fucoidan từ L. japonica có thể ngăn chặn sự tăng
peroxide lipid (LPO) trong huyết thanh, gan và lá lách của chuột bị tiểu đường một cách rõ ràng [45,46,47]. Micheline và cộng sự công bố rằng Fucoidan (homofucan) từ F.vesiculosus và fucan (heterofucans) từ Padina gymnospora đã có một tác dụng ức chế sự hình thành các gốc tự do hydroxyl
và gốc peoxit. Fucan cho thấy hoạt tính chống oxy hóa thấp so với Fucoidan.
1.2.5.5. Giảm lipid máu
Tương tự như axit sialic, Fucoidan là hợp chất có thể làm tăng các điện tích âm của bề mặt tế bào đến mức có hiệu lực với sự tích tụ của cholesterol trong máu, kết quả làm giảm lượng cholesterol trong huyết thanh. Fucoidan của L. japonica giảm đáng kể cholesterol toàn phần, triglyceride và LDL-C, làm tăng HDL-C trong huyết thanh của chuột với sự tăng cholesterol (hypercholesterolemia) và thỏ với tăng mỡ máu (hyperlipidaemia), ngăn chặn hiệu quả sự hình thành của tăng cholesterol (hypercholesterol) trong máu ở chuột thí nghiệm [48,49]. Sulfate fucan có trọng lượng phân tử thấp (trung bình Mw = 8.000 Da) được phân lập từ L.japonica có khả năng làm giảm rõ rệt lipít máu của những con chuột có lipít cao. Fucoidan oligosaccharide cho thấy tác dụng hạ huyết áp tốt trên chuột cao huyết áp và một trong những cơ chế tác dụng hạ huyết áp cơ bản là chúng có thể ức chế sự sản xuất angiotensin II trong huyết tương (anti angiotensin II) [48,49].
1.2.5.6. Kháng viêm
Năm 2007, Cumashi và cộng sự đã nghiên cứu hoạt tính chống viêm của Fucoidan thu nhận được từ chín lồi rong nâu. Kết quả cho thấy tất cả Fucoidan của 9 lồi rong đều có khả năng ức chế sự tăng số lượng bạch cầu
trên mơ hình chuột bị viêm, hiệu quả chống viêm của Fucoidan trong mơ hình này khơng bị ảnh hưởng nhiều bởi hàm lượng của gốc fucose và sulfate cũng như các đặc tính cấu trúc khác của bộ khung mạch polysaccharide của chúng [50].
1.2.5.7. Chống lại các bệnh về gan
Bằng việc gián tiếp sinh ra interleukin (IL)-10 nội sinh và ức chế yếu tố tiền viêm (proinflammatory cytokine) ở chuột, Fucoidan ngăn chặn tổn thương gan gây ra bởi concanavalin A [45,49,51]. Các chất xơ trong rong nâu (Laminaria sp., Sargassum fulvellum và Eisenia bicyclis) có tác dụng chống lại bệnh gan gây ra bởi D-galactosamine (D- GalN) và tác dụng bảo vệ này được gây ra ít nhất một phần nhờ Fucoidan. Sự có mặt của Fucoidan làm giảm suy gan cấp tính và mãn tính gây ra bởi CCl4. Gan xơ hóa gây ra bởi CCl4 cũng giảm bớt bằng cách tiêm Fucoidan. Nguyên nhân chính gây ra xơ gan là do những thương tổn tế bào gan và sự kích hoạt các tế bào gan hình sao và điều thú vị là Fucoidan có khả năng ngăn chặn tế bào chết do CCl4 gây ra
và ức chế các tế bào gan phát triển. Vì vậy, Fucoidan có thể là một chất chống xơ có tiềm năng nhờ sở hữu chức năng kép, cụ thể là: bảo vệ tế bào gan và ức chế sự tăng sinh tế bào gan hình sao [37,44,49].
1.2.5.8. oạt t nh kháng khuẩn
Fucoidan có khả năng ức chế đáng kể sự phát triển của vi khuẩn Gram dương và vi khuẩn Gram âm, Fucoidan cũng có khả năng ngăn chặn loại viêm màng não, một biến chứng của viêm do vi rút và vi khuẩn gây ra. Fucoidan tăng khả năng sản xuất các dạng interferon kích hoạt các tế bào miễn dịch khác nhau cần thiết để phòng nhiễm trùng và bệnh tật [6,30,32].
1.2.5.9. ác d ng giảm l ợng ng hu ết trong máu.
Các nhà nghiên cứu đã công bố rằng các polysaccharide tìm thấy trong rong biển tác động dương tính lên phản ứng insulin và đường huyết trong các động vật thí nghiệm. Việc đưa thêm các polysacharide này vào cơ thể động vật đã dẫn đến giảm một cách đột ngột cân bằng hấp thụ đường. Điều này giả
glucose vào máu từ ruột, nhờ vậy giúp giữ mức đường máu ổn định và ngăn chặn phản ứng insulin quá mức [6,43,44,45].
Ở nước ta hiện nay, các sản phẩm Fucoidan từ rong nâu Việt Nam đã xuất hiện trên thị trường dưới dạng thực phẩm chức năng hỗ trợ điều trị bệnh ung thư và viêm loét dạ dày do Công ty Cổ phần Fucoidan Việt Nam sản xuất là: FucoUmi, FucoAntiK và Fucogastro. Ngoài ra, Fucoidan cũng được sử dụng như một thành phần chức năng trong sản phẩm sữa chua Fucoidan và nước yến Fucoidan của Cơng ty Sannet Khánh Hịa.
Như vậy có thể thấy, Fucoidan với rất nhiều hoạt tính sinh học thú vị cũng như tiềm năng ứng dụng hết sức rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống đang ngày càng thu hút sự quan tâm nghiên cứu mạnh mẽ của các nhà khoa học trên tồn thế giới.
1.3. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM LIÊN QUAN ĐẾN NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI QUAN ĐẾN NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
1.3.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Mặc dù đã có rất nhiều cơng trình cơng bố về cấu trúc của Fucoidan, nhưng chỉ có một số cơng bố đưa ra được cấu trúc một cách rõ ràng nhưng phần lớn chỉ đưa ra cấu trúc của một phân đoạn có độ lặp lại cao của chúng. Một số cấu trúc chi tiết của Fucoidan tách chiết từ một số loài rong nâu trên thế giới được dẫn ra trên bảng 1.4
Bảng 1.4. Cấu trúc hóa học của các Fucoidan từ một số lồi rong nâu
Lồi rong nâu Cấu trúc hóa học của các Fucoidan TLTK
Analipus japonicus 3(4Fucp) và 1 (2Fucp) /10 (1→3)-α-L- Fucp(2/4SO3-) Bilan et al.,2007 [51] Ascophyllum nodosum [→3)-α-L-Fucp(2SO3- )-(1→4)-α-L- Fucp(2,3-điSO3-)-(1→]n Chevolot etal.,2011[52]
A.nodosum (1→3)-α-L-Fucp và một ít (1→4)-α-L-Fucp
cùng (1→3)-α-L-(2 và hoặc 4 Fucp)
Mariais
etal.,[53]
Chorda filum -[→3)-α-L-Fucp-(1-]3→3)-α-L- Fucp(2Fucp)-(1→ Chizhov et al.,1999[54] Fucusdistichus L →3)-α-L-Fucp-(2,4-diSO3- )-(1→4)-α-L- Fucp-(2SO3-)-(1→ Bilan et al.,[23] F.evanescens →3)-α-L-Fucp(2SO3- )-(1→4)-α-L- Fucp(2SO3-)-(1→ Bilan et al.,[22] F.serratus L →3)-α-L-Fucp(2R1,4R2)-(1→4)-α-L- Fucp(2SO3-)-(1→ a. (~50%): R1 = SO3- , R2 = H b. (~50%): R1 = H, R2 = α-L-Fucp-(1→4) )- α-L- Fucp(2SO3-)-(1→3)-α-L-Fucp(2SO3-)-(1→ Bilan et al.,2006 Laminaria sacharina →3)-α-L-Fucp(4SO3- )-(1→ và thêm →3) )- α-L-Fucp(4SO3- hoặc 2Fucp)-(1→ Usov et al.,1998 [55] Stoechosperm ummarginatum →3)-α-L-Fucp(2/4SO3- )-(1→ và →4-α-L- Fucp(2SO3-)-(1→ Adhikari et al.,2006 [56]
Trong thành phần của các Fucoidan ngồi fucose và sulfate cịn có một lượng nhỏ các monosaccharide như galactose, glucose, mannose, xylose, uronic axit. Cùng với sự xuất hiện của nhóm O-acetyl và các mạch nhánh trong phân tử Fucoidan càng tăng thêm tính dị thể về cấu trúc của chúng. Một số Fucoidan mà thành phần chủ yếu là galactose, fucose và sulfate hay còn gọi là galactofucan sulfate được tách từ một số loài rong nâu như Laminaria angustata, Laminaria longissima, Alaria fistulosa, Undaria pinnatifida, Laminaria japonica, Laminaria cichorioides, Laminaria gurjanovae và
Sargassum patens. Trong khi đó có rất nhiều Fucoidan có cấu trúc rất phức tạp được tách chiết và phân lập từ một số loài rong nâu Dictyota menstrualis, Padina gymnospora, Spatoglossum schroederi, Hizikia fusiforme, Sargassum fusiforme, Kjellmaniella crassifolia. Thành phần hóa học của chúng chứa rất nhiều các đường đơn như fucose, galactose, glucose, mannose, xylose, cịn có uronic axit và sulfate, ngồi ra có thể có nhóm acetyl hóa. Vì vậy việc xác định cấu trúc của chúng gặp nhiều khó khăn. Vì vậy, các nhà khoa học phải sử dụng nhiều k thuật khác như phân tích methyl hóa, đề sulfate hóa, tự thủy phân, enzyme thủy phân Fucoidan,… kết hợp cùng các phương pháp hóa lý hiện đại như NMR 2D, 3D, MALDI-TOF/MS/MS, SAXS để giải quyết bài toán cấu trúc phức tạp của Fucoidan.
Việc áp dụng các phương pháp phân tích khối phổ hiện đại MALDI- TOF/MS/MS và ESI-MS/MS để phân tích cấu trúc của các polysaccharide nói chung và Fucoidan nói riêng đã tạo ra một bước đột phá mới trong phân tích cấu trúc phức tạp của polysaccharide rong biển. Ưu điểm của phương pháp này là khả năng phân tích nhanh và chính xác vị trí của nhóm sulfate cũng như trật tự giữa các gốc đường trong phân tử Fucoidan. Trên cơ sở phương pháp MS, Anastyuk và CS tại Viện Hóa sinh Hữu cơ Thái Bình Dương-Liên bang Nga đã xác định thêm 03 loại cấu trúc Fucoidan mới từ các loài rong
Costaria costata, Laminaria cichorioides và Coccophora langsdorfii [57,58].
Sử dụng phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân một chiều 1D và hai chiều 2D kết hợp với biến đổi hóa học, Usov và CS tại Viện Hóa Hữu cơ -Nga đã xác định cấu trúc chi tiết của 04 loại cấu trúc của Fucoidan từ các loài rong
nâu Laminaria saccharina, Fucus evanescen, Fucus serratus, Fucus distichus [59]
Trong thập kỷ trở lại đây, đã có các cơng bố đưa ra cấu trúc của phân đoạn Fucoidan dạng fucogalactan sulfate từ một số loài rong như Sargassum duplicatum, Padina boryana [60] . Roza V. Usoltseva và các CS người Nga
đã đưa ra cấu trúc của Fucoidan từ rong Sargassum duplicatum như sau: mạch chính được tạo ra từ các đơn vị lặp lại {→4)-α-L-Fuc-(1→4)-β-D-Gal- 1→}n, ), với các nhóm sulfate chủ yếu ở vị trí C2, C4 và ít hơn ở C3 trên gốc đường fucose, nhóm sulfate chủ yếu tại vị trí C2, C3 và ít hơn ở C4, C6 trên gốc đường glactose [60]. Trong khi với cấu trúc Fucoidan từ rong Padina boryana nhóm tác giả trên mới chỉ đưa ra một vài đặc điểm cấu trúc là bao gồm bởi các gốc 1,4-α-L-fucopyranose và 1,3-β-D-Galactopyranose và các nhóm sulfate đính vào các vị trí C2,C3 và C4 trên cả 2 gốc đường fucose và galactose [61].
1.3.2. Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam
Fucoidan mới chỉ được biết đến và nghiên cứu trong khoảng hơn 10 năm trở lại đây bởi các nhà khoa học thuộc Viện Nghiên cứu và Ứng dụng công nghệ Nha Trang, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Với nguồn tài nguyên rong nâu vô cùng đa dạng và phong phú. Tuy nhiên, các nghiên cứu về cấu trúc và hoạt tính sinh học của Fucoidan rong nâu Việt Nam vẫn còn rất hạn chế.
Năm 2006, lần đầu tiên tại Việt Nam, Phân viện Khoa học Vật liệu tại Nha Trang (nay là Viện Nghiên cứu và Ứng dụng công nghệ Nha Trang) đã đưa ra quy trình cơng nghệ chiết xuất và phân lập Fucoidan từ rong nâu Việt Nam. Đây là một quy trình cơng nghệ cao, sử dụng màng siêu lọc cho phép đồng thời cô đặc và loại bỏ tạp chất khỏi dung dịch Fucoidan tại nhiệt độ phòng, nhờ vậy giữ nguyên được hoạt tính sinh học tự nhiên vốn có của chúng.
Các nghiên cứu công bố về Fucoidan từ rong nâu Việt Nam chủ yếu đưa ra các đặc điểm về cấu trúc như thành phần đường, vị trí nhóm sulfate và
phần lớn chúng thực hiện trên các mẫu Fucoidan chiết thô. Năm 2008, NCS Nguyễn Duy Nhứt đã công bố thành phần và cấu trúc của phân đoạn Fucoidan F20 được phân lập từ rong Sargassum swartzii với thành phần chủ yếu là
fucose (> 45%), bên cạnh đó các đường đơn khác như rhamnose, mannose và galactose cũng chiếm hàm lượng đáng kể (10,81 -22,07%), tác giả đã đưa ra trình tự liên kết giữa các gốc đường hexose, uronic axít và fucose, nhóm