Введение к работе
Актуальность проблемы. Биологически активные полисахариды бурых водорослей представлены ламинаранами, фукоиданами и альгиновыми кислотами. Повышенный интерес к этим уникальным по структуре и свойствам соединениям объясняется наличием у них широкого спектра фармакологических свойств, низкой токсичностью для организма и возможностью получения на их основе лекарственных препаратов нового поколения.
Из полисахаридов бурых водорослей наиболее изучены альгиновые кислоты, которые давно и успешно используются в медицинской, фармацевтической и других отраслях промышленности. Другие, не менее ценные полисахариды - ламинараны и фукоиданы, в сравнении с альгиновыми кислотами являются малоисследованными. Изучение биологической активности полисахаридов бурых водорослей, в особенности фукоиданов, идет гораздо более быстрыми темпами, чем химические исследования этих соединений. Фукоиданы отличаются сложным и нерегулярным строением молекул, что создает трудности в их детальном структурном анализе. Структурное разнообразие фукоиданов до сих пор полностью не охарактеризовано.
Актуальным является исследование полисахаридного состава бурых водорослей с целью обнаружения новых перспективных источников биологически активных полисахаридов, установление характеристик структуры полисахаридов, прежде всего фукоиданов, что дополнит известные в настоящее время сведения об их строении. Изучение биологической, в частности противоопухолевой, активности полисахаридов и их производных с установленными характеристиками структуры позволит выявить взаимосвязь между структурой и биологическим действием.
Настоящая работа выполнена в соответствии с планом научных исследований лаборатории химии ферментов ТИБОХ ДВО РАН и при поддержке грантов РФФИ (проекты № 09-04-00761-а, № 12-04-00669-а) и ДВО РАН (проекты № 10-III-B-05-084, № 11-III-B-05-075, № 12-І II-A-05-057), а также программы «Молекулярная и клеточная биология».
Цель и задачи работы. Целью данной диссертационной работы является определение состава и характеристик структуры полисахаридов некоторых видов бурых водорослей и выявление взаимосвязи между особенностями структуры полисахаридов и проявляемым ими противоопухолевым действием.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи: 1) Выделить полисахариды из разных видов бурых водорослей, собранных в различных регионах; 2) Установить состав выделенных полисахаридов; 3) Определить характеристики структуры полисахаридов с использованием химических, физико-химических и ферментативных методов; 4) Исследовать противоопухолевую активность нативных полисахаридов и их производных; 5) Выявить взаимосвязь между характеристиками структуры и противоопухолевым действием полисахаридов и их производных.
Научная новизна работы. Из бурых водорослей Dictyopteris polypodioides, Padina pavonica, Sargassum sp. (Ливанская Республика) и Eisenia bicyclis (Республика Корея) выделены новые биологически активные полисахариды: альгинаты, ламинараны и фукоиданы. Из бурой водоросли E. bicyclis впервые получен уникальный сильноразветвленный высокомолекулярный ламинаран, установлены основные фрагменты его структуры. Выявлена взаимосвязь между характеристиками структуры и противоопухолевым действием ламинарана и его производных. Из бурых водорослей Sargassum horneri, Costaria costata, Ecklonia cava и E. bicyclis (Республика Корея) выделены и охарактеризованы новые фукоиданы, различающиеся между собой по моносахаридному составу, степени сульфатирования и ацетилирования. Проведены исследования противоопухолевой активности фукоиданов in vitro и выявлена взаимосвязь между характеристиками их структуры и противоопухолевым действием.
Исследовано влияние предварительной обработки бурых водорослей на выходы и характеристики структуры фукоиданов из Fucus evanescens, Saccharina japonica и Sargassum oligocystum. Впервые показано, что обработка водорослей сверхкритическим диоксидом углерода позволяет получить препараты фукоиданов в количествах, эквивалентных выходам при обработке органическими растворителями.
Проведено сравнение содержания и характеристик структуры фукоиданов разных видов бурых водорослей, собранных в различных регионах, которое расширяет и дополняет существующие сведения о фукоиданах водорослей.
Практическая значимость работы. Показано, что широко распространенные бурые водоросли D. polypodioides, P. pavonica и Sargassum sp. (Ливанская Республика) являются перспективными источниками альгинатов, а также фукоиданов, проявляющих противоопухолевую активность. Бурая водоросль E. bicyclis (Республика Корея) является источником альгинатов, фукоиданов и уникального высокомолекулярного ламинарана, производные которого обладают выраженным противоопухолевым действием. Показана перспективность использования фукоиданов из S. horneri, C. costata, E. cava и E. bicyclis (Республика Корея) для разработки средств профилактики и лечения онкологических заболеваний. Показано, что обработка водорослей F. evanescens, S. japonica и S. oligocystum сверхкритическим диоксидом углерода позволяет получить препараты фукоиданов в количествах, эквивалентных выходам при обработке органическими растворителями. При экстракции сверхкритическим диоксидом углерода c 5 % этанола в качестве сорастворителя происходит удаление гетерогенных низкосульфатированных фракций фукоиданов, что позволяет сократить число стадий очистки и получить более однородный по составу фукоидан.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Бурые водоросли D. polypodioides, P. pavonica и Sargassum sp. (Ливанская Республика) и S. horneri, C. costata, E. cava и E. bicyclis (Республика Корея) являются перспективными источниками биологически активных полисахаридов.
-
Ламинаран из E. bicyclis представляет собой уникальный сильноразветвленный высокомолекулярный (19-27 кДа) 1,3;1,6-р^-глюкан с высоким содержанием 1,6- связанных остатков глюкозы. Уменьшение молекулярной массы нативного ламинарана до определенного предела (степень полимеризации 9-23), а также увеличение содержания 1,6-связанных остатков глюкозы способствуют возрастанию противоопухолевой активности по отношению к клеткам меланомы человека SK-MEL-28 и рака кишечника человека DLD-1.
-
Исследуемые фукоиданы эффективно ингибируют рост колоний клеток рака кишечника и меланомы человека. Наиболее эффективными противоопухолевыми агентами по отношению к клеткам рака кишечника человека DLD-1 являются фуканы и галактофуканы. Фукоиданы, содержащие рамнозу, в большей степени ингибируют рост колоний клеток меланомы человека SK-MEL-28. Степень сульфатирования не оказывает выраженного влияния на противоопухолевую активность.
-
Обработка бурых водорослей F. evanescens, S. japonica и S. oligocystum сверхкритическим диоксидом углерода позволяет получить препараты фукоиданов в количествах, эквивалентных выходам при обработке органическими растворителями.
-
Содержание и характеристики структуры фукоиданов значительно варьируют в зависимости от видовой принадлежности водоросли и условий ее произрастания.
Апробация работы. Материалы диссертации были представлены автором в виде устных и стендовых сообщений на XIV Всероссийской молодежной школе-конференции по актуальным проблемам химии и биологии, Владивосток, 2012; на 3rd Annual Korea- Russian Bio Joint Forum «The Natural Products Industrialization and Application», Gangneung, 2011; на V Международном симпозиуме «Химия и химическое образование», Владивосток, 2011; на XIII Всероссийской молодежной школе- конференции по актуальным проблемам химии и биологии, Владивосток, 2010.
Публикации. По материалам диссертации было опубликовано 4 статьи в рецензируемых журналах из списка ВАК РФ и 6 тезисов докладов в материалах научных конференций.
Диссертация обсуждена и одобрена на расширенном заседании лаборатории химии ферментов ТИБОХ ДвО РАН «22» ноября 2012 г.
Личный вклад соискателя в проведении исследования. Соискателем был выполнен анализ литературы по теме исследования, проведено планирование экспериментов, получена основная часть результатов, написаны статьи и подготовлены доклады на конференциях. На защиту вынесены только те положения и результаты экспериментов, в получении которых роль соискателя была определяющей.
Объем и структура работы. Диссертация построена по традиционной схеме и содержит разделы «Введение», «Литературный обзор», «Результаты и их обсуждение», «Экспериментальная часть», «Выводы» и «Список литературы», включающий 244 наименования. Диссертация изложена на 135 страницах. Результаты представлены в 15 таблицах и иллюстрированы 17 рисунками.
Автор выражает искреннюю благодарность своему руководителю д.х.н. проф. Звягинцевой Т.Н. Автор благодарит к.х.н. Ермакову С.П., к.х.н. Сова В.В., к.х.н. Шевченко
-
-
М. и к.б.н. Кусайкина М.И. за консультации и помощь в работе, к.х.н. Исакова В.В. и д.х.н. Калиновского А.И. за получение ЯМР спектров, к.х.н. Анастюка С.Д. за получение масс-спектров, и всех сотрудников ЛХФ ТИБОХ ДВО РАН.
Сокращения и условные обозначения. DEAE - диэтиламиноэтил, Fuc - фукоза, Gal - галактоза, Glc - глюкоза, Man - манноза, Rha - рамноза, Xyl - ксилоза, A - альгинат, P - водорастворимые полисахариды, F - фукоидан, L - ламинаран, ИЭР - ионизация электрораспылением, МАЛДИ - матрично-активированная лазерная десорбция/ионизация, ЯМР - ядерный магнитный резонанс, COSY - корреляционная спектроскопия, TOCSY - тотальная корреляционная спектроскопия, HSQC - гетероядерная одноквантовая корреляция.
Похожие диссертации на Полисахариды некоторых видов бурых водорослей
-
