1.2. CÁC NGHIÊN CỨU VỀ POLYSACCHARIDE SULFATE TỪ HẢI SÂM
1.2.2. Thành phần đa dạng trong cấu trúc của polysaccharide sulfate từ hải sâm
1.2.2.1. Các nghiên cứu về thành phần Fucan sulfate
Các công bố về Fucan sulfate ở các loài hải sâm khác nhau trên thế giới chỉ ra FS có cấu trúc rất đa dạng. Thành phần Fucan sulfate (FS) ở các loài hải sâm có các cấu trúc đặc trưng riêng, điều này được chứng minh trong kết quả nghiên cứu về hợp chất này ở các loài hải sâm khác nhau trên thế giới. Như trong nghiên cứu của Ustyuzhanina và cộng sự năm 2018, FS ở loài hải sâm S.
horrens sau khi chiết tách được tinh chế bằng kỹ thuật sắc kí trao đổi ion [28].
Kết quả nghiên cứu về cấu trúc sau đó cho thấy, mạch của FS thu nhận được tạo nên bởi các đơn vị 3-α-L-fucopyranose 2-sulfate, nhóm sulfate liên kết tại vị trí O-2 và O-4 của vòng fucosyl (hình 1.3).
Cùng nghiên cứu về chi Stichopus, Kariya và cộng sự đã công bố kết quả nghiên cứu về FS thu nhận từ loài hải sâm Stichopus japonicus [20]; theo đó, cấu tạo mạch của FS này được tạo nên bởi các gốc đường đơn Fuc(2OSO3-) và Fuc(2,4OSO3-) (hình 1.4).
Hình 1.3. Cấu trúc của fucan sulfate từ hải sâm Stichopus horrens [28]
16
Vào năm 2015, một cấu trúc mới dạng mạch nhánh của FS, thu nhận từ loài hải sâm Acaudina molpadioides, đã được công bố trong nghiên cứu của Long Yu và cộng sự [32]. Cấu trúc này hoàn toàn khác so với cấu trúc của PS của loài hải sâm Stichopus japonicus đã được công bố trước đó (Hình 1.5).
Cùng năm 2015, Wu và các cộng sự đã tiến hành thu nhận và nghiên cứu cấu trúc của FS từ 4 loài hải sâm khác nhau gồm Pearsonothuria graeffei, Holothuria vagabunda, Stichopus tremulu và Isostichopus badionotus [33].
Hình 1.4. Cấu trúc của fucan sulfate từ hải sâm Stichopus japonicus, Kariya và cộng sự [20]
Hình 1.5. Cấu trúc của fucan sulfate từ hải sâm Acaudina molpadioides, Long Yu và cộng sự [32]
17
Theo đó, cấu trúc mạch của FS từ loài Stichopus tremulus gồm chủ yếu là các gốc tại vị trí O không có nhóm sulfate liên kết trên vòng fucose (non-O-sulfate fucose); trong khi đó, cấu trúc đa dạng hơn được công bố ở hai loài hải sâm là Pearsonothuria graeffei với các gốc 2,4-disulfate, non-O-sulfate fucose và ở loài Isostichopus badionotus chứa chủ yếu là các gốc non-O-sulfate fucose, 2- O-sulfate fucose và 2-4-O-disulfate fucose. Một cấu trúc của FS từ hải sâm Isostichopus badionotus - bao gồm các đơn vị lặp lại của tetrasaccharide, cũng được công bố trong nghiên cứu của Chen và cộng sự [16]. (Hình 1.6)
Sự đa dạng về mặt cấu trúc còn được thể hiện ở kết quả nghiên cứu về FS ở loài hải sâm Ludwigothurea grisea. Như trong kết quả nghiên cứu của Silva và cộng sự, FS ở loài hải sâm Ludwigothurea grisea thu ở vùng biển Brazil có cấu trúc mạch thẳng, được tạo nên bởi gốc đường đơn Fuc(2OSO3-) liên kết 1,3 với gốc Fuc(2,4OSO3-) [34]. Tuy nhiên, vào năm 2014, trong nghiên cứu của Myron và cộng sự, cũng tiến hành trên đối tượng loài hải sâm này, cấu trúc FS thu nhận được có dạng mạch nhánh chứ không phải dạng mạch thẳng (hình 1.7) [7].
Hình 1.6. Cấu trúc của fucan sulfate từ hải sâm Isostichopus badionotus [16]
18
Từ kết quả các nghiên cứu có thể thấy, cấu trúc của FS rất đa dạng và có sự khác nhau giữa các họ hải sâm, thậm chí giữa các loài trong cùng một họ.
Kết quả này có thể do sự khác nhau về các điều kiện môi trường sống, thời gian và địa điểm thu mẫu… gây ra. Sự khác nhau về mặt cấu trúc có thể tạo nên sự đa dạng về mặt hoạt tính của FS ở các loài hải sâm khác nhau.
1.2.2.2. Các nghiên cứu về thành phần Fucosylate chondroitin sulfate Fucosylate chondroitin sulfate (FCS) là một trong 2 dạng PS ở hải sâm và nhận được nhiều quan tâm, do sở hữu hoạt tính sinh học phong phú và đa dạng [16, 35, 36]; cấu trúc FCS thu nhận từ nhiều loài hải sâm cũng đã được làm rõ.
Theo các kết quả nghiên cứu đã công bố, đặc điểm cấu trúc chung của các polysaccharides dạng này bao gồm lõi chondroitin [→4)-β-D-GlcA- (1→3)-β-D-GalNAc-(1→]n và các nhánh fucosyl được gắn với O-3 của gốc glucuronyl (hình 1.8). Các FCS khác nhau về trọng lượng phân tử, mức độ phân nhánh và kiểu sulfate hóa của cả nhánh từ mạch khung đến nhánh từ gốc fucosyl [7, 16, 37, 38].
Hình 1.7. Cấu trúc của fucan sulfate từ hải sâm Ludwigothurea grisea [7]
19
Ngoài ra, nhóm FCS từ hải sâm có cấu trúc giống polysaccharide thu nhận được khá phổ biến ở động vật có vú là chondroitin sulfate, nhưng khác nhau ở vị trí C-3 của gốc uronic axit có tạo mạch nhánh bởi nhóm fucose sulfate (Hình 1.9) [39, 40]; với đặc điểm cấu trúc của nhóm fucose sulfate mạch nhánh này, nên tránh được sự phân hủy dưới tác động bởi enzyme chondroitin được sinh ra bởi sinh vật biển; ngoài ra còn làm tăng mật độ điện tích để thích nghi với điều kiện môi trường biển và đồng thời có hoạt tính sinh học rất cao.
Hình 1.9. Cấu trúc của một đơn vị trong chuỗi fucosylated chondroitin sulfate.[40]
Hình 1.8. Cấu trúc của fucosylate chondroitin sulfate
20
Các nghiên cứu về cấu trúc cho thấy, cấu tạo FCS gồm 3 thành phần chính là: uronic acid, sulfate và các gốc đường amin. Cấu trúc mạch khung thì tương tự như chondroitin sulfate (CS) ở động vật có vú [39], các nhánh α-L- fucopyranose có thể gắn ở các vị trí khác nhau trên mạch chính (β-D-glucuronic acid hoặc β-D-galactosamine) [7]. Ngoài ra, các nhánh fucose này có mô hình sulfate hóa, có thể phân biệt được so với mạch chondroitin sulfate và mô hình sulfate hóa của fucan nhìn chung thường ở vị trí C-2, 3 và 4; trong một số công bố khác, trong cấu trúc của FCS xuất hiện kiểu liên kết glycosidic giữa các gốc fucose theo dạng liên kết (1→2, 1→3 hoặc 1→4) và liên kết glycosidic của các fucan này với mạch chính CS có thể ở vị trí C-3 của gốc glucuronic acid. Quá trình sulfate hóa, hay vị trí liên kết của các nhóm sulfate, cùng với thành phần cấu tạo khác nhau của các nhánh, tạo nên cấu trúc hóa học đặc trưng của từng loài hải sâm (hình 1.10) [41]. Sự hiện diện của các mạch nhánh khác nhau trên phân tử FCS cung cấp cho loài hải sâm (động vật không xương sống) khả năng điều chỉnh hệ thống sinh lý. Mức độ hoạt động trong các hệ thống này không chỉ phụ thuộc vào quá trình fucosyl hóa, mà còn phụ thuộc vào các dạng sulfate hóa của các mạch nhánh khác nhau trong cấu trúc (Bảng 1.3).
Bảng 1.3. Các dạng sulfate hóa của các mạch nhánh khác nhau của FCS từ các loài hải sâm [40]
Loài hải sâm Tỷ lệ (%) các đơn vị phân nhánh
Fuc0S Fuc3S Fuc4S Fuc2S4S Fuc3S4S
Stichopus tremulus [16] - - 24,8 22,4 52,8
Isostichopus badionotus [16] - - 4,1 95,9 -
Stichopus japonicus [43] 18 17 0 16 23
Ludwigothurea grisea
[41,42] 0 - ~ 49 ~ 20 ~ 17
Pearsonothuria graeffei [16] - - 81,6 18,4 -
Holothuria edulis [44] - - - 18 -
21
Việc chọn lựa phương pháp, kỹ thuật, cơ chế tách chiết thích hợp là rất quan trọng, điều này ảnh hưởng đến cấu trúc của PS thu nhận được từ hải sâm.
Ngoài ra, các điều kiện môi trường sống và vị trí thu nhận mẫu, mùa vụ khác nhau giữa các loài hải sâm cũng là yếu tố tạo nên sự đa dạng về thành phần cấu trúc của PS.
Hình 1.10. Cấu trúc đặc trưng của fucosylated chondroitin sulfate ở một số loài hải sâm được nghiên cứu của nhiều tác giả.
(a) β-D-glucuronic acid, (GlcA). (b) N-acetyl- β-D-galactosamine, (GalNAc). (c) mạch nhánh fucose, α-L-fucose.[7]
22
1.2.3. Hoạt tính sinh học và ứng dụng của polysaccharide sulfate hải sâm
Sự phát triển của khoa học kỹ thuật và công nghệ mới giúp đẩy mạnh các nghiên cứu về những hợp chất có hoạt tính sinh học ở hải sâm như:
polysaccharide sulfate (PS), collagen, sialic acid, saponin, ...[18, 19, 21, 45], trong đó PS hay glycosaminoglycans là hợp chất được nghiên cứu nhiều nhất, vì các hoạt tính sinh học đa dạng của hợp chất này như: chống đông tụ, chống tắc nghẽn mạch máu, kháng viêm [24, 46], điều chỉnh sự hình thành mạch máu [47], ức chế sự di căn của tế bào ung thư [48, 49], kháng virus [50],… trong đó hoạt tính chống đông tụ là hoạt tính được đánh giá nhiều nhất khi nghiên cứu về FCS từ các loài hải sâm.
1.2.3.1. Hoạt tính chống đông tụ máu và hình thành huyết khối của FCS
Chondroitin sulfate (CS) không phải là tác nhân chống đông tụ máu, nhưng nhờ quá trình fucosyl hóa làm cho nó hoạt động và mức độ tùy thuộc vào dạng sulfate hóa trên nhánh fucosyl [51]. Trong số các hoạt tính tiềm năng cho lĩnh vực y sinh, thì chống đông tụ máu của FCS được quan tâm nhiều nhất.
Cơ chế hoạt động chống đông tụ máu và chống hình thành huyết khối của FCS chủ yếu tập trung vào vai trò làm chất xúc tác cho các chức năng ức chế thrombin của hai tác nhân antithrombin (AT) và heparin cofactor II (HCII), đối với FIIa và Xa [52]. Trọng lượng phân tử và mật độ sulfat hóa trong cấu trúc của FCS đã được chứng minh là đóng một vai trò quan trọng trong hoạt động chống đông tụ máu và chống hình thành huyết khối [53, 54, 55]. Từ nhiều kết quả nghiên cứu về hoạt tính này cho thấy, nếu FCS không fucosyl hóa thì sẽ không tham gia vào quá trình chống đông tụ máu, do đó việc loại bỏ mạch nhánh fucopyranosyl (Fucp) khỏi FCS được cho là yếu tố làm mất hoạt tính này [41, 56]. Theo nhiều nghiên cứu, một đơn vị Fucp có dạng 2,4-O-disulfate là quyết định hoạt tính chống đông tụ máu và chống hình thành huyết khối của FCS và hoạt tính mạnh hay yếu phụ thuộc vào số lượng các đơn vị này [57].
Như số lượng đơn vị Fucp 2,4-O-disulfate trong cấu trúc FCS của bốn loài hải sâm Isostichopus badionotus, Thelenota ananas, Stichopus japonicus và
23
Apostichopus japonicus cao hơn so với trong cấu trúc FCS của các loài hải sâm khác và FCS thu nhận ở 4 loài trên cũng thể hiện hoạt tính chống đông tụ máu mạnh hơn [27]. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra hoạt tính này của FCS có tiềm năng được sử dụng thay thế Heparin làm 1 chất chống đông tụ sử dụng trong lĩnh vực y dược [16, 41, 49, 54, 56, 58, 59]. Tuy nhiên, vẫn có nghiên cứu chỉ ra rằng, các cấu trúc khác nhau (các dạng sulfate hóa khác nhau) của các đơn vị α-L-Fucp phân nhánh không có tác động đến kết quả chống đông tụ máu [60].
1.2.3.2. Hoạt tính gây ức chế sự tổn thương mô
Nghiên cứu của Monteiro-Machado và cộng sự đã cho thấy, FCS từ loài L. grisea có thể thể hiện các đặc tính điều trị có tiềm năng chống lại độc tính gây ra bởi nọc của loài rắn Bothrops jararacussu [61]. Độc tính được gây ra từ nọc của loài rắn này khi thêm vào trong mẫu mô cơ trong ống nghiệm; khi có mặt của FCS thì độc tính trên mẫu mô cơ đã được loại bỏ hoàn toàn. Điều này, chứng minh cho vai trò của FCS, có thể ức chế hoạt động gây phù và ngăn chặn một phần sự giảm tổng số bạch cầu trong máu, khi được ủ trước với nọc độc thô. FCS có vai trò là một chất ức chế độc tính và viêm, do nọc độc gây ra từ loài rắn Bothrops jararacussu và có thể đối với các loại độc tố tương tự khác gây ra.
1.2.3.3. Hoạt tính kháng sự xâm nhập của vi sinh vật ngoại lai
Hoạt tính chống virus HIV của FCS từ loài hải sâm T.ananas đã được nghiên cứu bởi Lian W., Huang N. và cộng sự [62, 63]. Các dữ liệu thể hiện trong nghiên cứu mở ra một hướng ứng dụng của FCS trong việc ngăn chặn một cách hiệu quả và có chọn lọc đối với virus HIV type 1 (HIV-1). Kết quả chỉ ra rằng, FCS này có thể liên kết với glycoprotein 120 (gp120) trên màng của virus HIV. Dựa trên tất cả các nghiên cứu về hoạt tính này của FCS cho đến nay, các nhánh fucosyl sulfate được chỉ ra là các mô hình cấu trúc đóng vai trò chính cho hoạt động chống HIV-1. Ngoài ra, mối liên hệ giữa kích thước phân tử với hoạt tính chống virus HIV-1 cũng được nghiên cứu, theo đó những FCS có trọng lượng phân tử thấp thể hiện hoạt tính chống virus HIV-1 mạnh hơn [62]. Kết quả từ nghiên cứu của Pomin và cộng sự cũng đề xuất cơ chế hoạt động kháng virus của các polysaccharides đã sulfate hóa [64].
24
1.2.3.4. Hoạt tính ức chế sự phát triển của tế bào
Sự tác động hay ảnh hưởng của FCS được tách chiết từ loài hải sâm L.
grisea lên sự phát triển của tế bào như cơ chế phì đại cơn trơn mạch máu (SMC) trong nghiên cứu của Tapon-Bretaudière J. và cộng sự [52] cho thấy khả năng ức chế của FCS lên cơ chế này rất hiệu quả. Ngoài ra, nghiên cứu còn chỉ ra rằng sự hiện diện của các nhóm sulfate liên kết tại nhánh fucose trên FCS, được chỉ ra là yếu tố quyết định thiết yếu tới hoạt động tăng sinh và di chuyển của tế bào. Sự ảnh hưởng của FCS lên tế bào bị loại bỏ khi diễn ra quá trình defucosyl [52].
1.2.3.5. Hoạt tính kháng ung thư và kháng viêm
Như đã biết, heparin là chất có khả năng ức chế liên kết P- và L-selectin, với phối tử của chúng (sialyl LewisX), dẫn đến kết quả kháng u và chống viêm;
FCS được tách chiết từ các loài hải sâm cũng thể hiện hoạt tính này [48]. FCS có tác dụng ức chế mạnh ảnh hưởng của cả liên kết P- và L-selectin, với sialylLewisX cố định, và gắn của tế bào ung thư biểu mô (LS180) với P- và L- selectin cố định. Quá trình thể hiện khả năng ức chế của FCS xảy ra phụ thuộc vào liều lượng và cách thức. Nghiên cứu của Borsig L. và cộng sự [48] cho thấy FCS được tách chiết từ loài hải sâm L. grisea đã được chứng minh có liên quan đến hoạt tính kháng khuẩn, cũng như hoạt động kháng u và chống viêm;
ngoài ra FCS cũng cho thấy khả năng ức chế tế bào ung thư biểu mô tuyến MC- 38, xâm nhập vào phổi trong một mô hình nghiên cứu thực nghiệm về di căn ở chuột [48]; bên cạnh đó, các tác giả còn chứng minh hoạt tính kháng viêm qua hai mô hình kháng viêm khác nhau (viêm phúc mạc do thioglycollate và viêm phổi do lipopolysaccharide); FCS chiết tách từ loài hải sâm L. grisea còn cho thấy khả năng ức chế sự tái tạo bạch cầu trung tính, cả hai hoạt tính ức chế đều phụ thuộc vào liều lượng [48]. Nghiên cứu của Panagos và cộng sự cũng cho thấy hoạt tính kháng khuẩn của FCS, được chiết tách từ loài hải sâm Holothuria forskali, bằng cách sàng lọc các FCS có nguồn gốc từ các oligosaccharide thông qua kỹ thuật microarray [38]. Trong nghiên cứu này, tác giả đã đề xuất cấu trúc của FCS, và sự liên quan của các dạng sulfate hóa của các đơn vị Fucp, trong việc điều chỉnh cấu trúc 3D tổng thể. Hay trong nghiên cứu của Zhao và cộng