郑鑫鑫，黄 青

（1.中国科学院合肥物质科学研究院，合肥230031；2.中国科学技术大学科学岛分院，合肥230026）

虾青素又名虾黄质，化学名称为3，3'-二羟基-4，4'-二酮基-β，β'-胡萝卜素，分子式为C40H52O4，相对分子质量为596.86［1-2］，它存在于多种水生生物中，尤其是微藻、酵母、虾、蟹及鲑鱼等［3］。在所有积累虾青素的微生物中，雨生红球藻被认为是自然界中用来生产天然虾青素最好的微生物，这主要是由于雨生红球藻具有两个方面的优势：（1）具有最高的虾青素含量，其含量约为每克干重的1.5%～5%［4］，是天然虾青素浓缩品；（2）其虾青素结构（图1、2）主要是以3S，3'S 型（全反式）为主，与鲑鱼等水产生物的虾青素结构基本一致，这种反式虾青素具有更高生物活性或免疫调节活性［5］，而酵母中虾青素则主要是以3R，3'R为主［6］。

作为一种脂溶性的类胡萝卜素，虾青素含有多个共轭双键及2 个含氧的α-羟基酮六元环，能吸引自由基未配对电子或向自由基提供电子，从而可以清除自由基起抗氧化作用［7］。此外，它可跨膜排列于细胞膜的脂质双层中，使活性氧（Reactive oxygen species，ROS）可沿其碳骨架上的双键穿梭，并能促进电子发生跨膜转移［8］。所以，虾青素抗氧化能力极强，其抗氧化活性是玉米黄质、叶黄素和β-胡萝卜素的10倍，是α-生育酚的100 倍［4］。基于这种特殊的分子结构及其突出的抗氧化作用，虾青素在营养和医药应用方面潜力巨大。已有研究表明，虾青素在防治癌症、增强免疫、光保护、预防心脑血管疾病、抗炎、延缓衰老、保护细胞等显示出多种功效［7，9］。在免疫调节作用方面，虾青素的特殊效能也越来越受关注，已被证明它能够通过多种机制增强免疫力，提高机体的抗菌、抗病毒能力。本文结合当前全球对抗新型冠状病毒肺炎的形势与需求，就虾青素的免疫调节作用及抗炎功效进行介绍，或能为新型冠状病毒肺炎的预防治疗以及相关药物的研发提供新的思路。

图1 虾青素的几何异构体结构［10］Figure 1 Structures of geometric isomers of astaxanthin［10］

1 虾青素免疫调节机制

为了抵抗病原微生物的入侵，动物在长期的进化过程中形成了特有的免疫系统，包括天然免疫系统和适应性免疫系统。天然免疫系统又称固有免疫系统，包括组织屏障、固有免疫细胞和固有免疫分子。参与固有免疫的细胞是单核-巨噬细胞、粒细胞、自然杀伤（Natural killer，NK）细胞等；而参与适应性免疫应答的细胞主要是T 淋巴细胞和B 淋巴细胞。免疫分子主要包括抗原和抗体、补体、细胞因子等，而细胞因子（Cy⁃tokine，CK）包括白细胞介素（Interleukin，IL）、干扰素（Interferon，IFN）、肿瘤坏死因子（Tumour necrosis fac⁃tor，TNF）超家族、集落刺激因子（Colony-stimulating factor，CSF）、趋化因子、生长因子（Growth factor，GF）等，它们可通过结合受体调节细胞生长、分化，并用于调控免疫应答。当机体受抗原刺激后，产生免疫物质发生特异性免疫效应。固有免疫系统可通过一类模式识别受体去识别病原微生物的表达，抵御病原体入侵；或通过溶菌酶等发挥抑菌作用。在适应性免疫应答过程中，T 淋巴细胞、B 淋巴细胞识别抗原，然后在协同刺激分子的参与下，发生细胞的活化、增殖、分化，从而产生杀伤性T 细胞等效应细胞、抗体、细胞因子等效应分子以及记忆细胞，最终由效应细胞和效应分子清除抗原。免疫应答的正常进行依赖于机体的免疫调节机制。免疫调节是正负双向的，体内各种因素对免疫应答有“双刃剑”的作用，合适的免疫调节既能避免对病原微生物的免疫应答过低，造成严重感染，又能防止免疫应答过度，即对异己抗原产生过敏性免疫应答，从而造成机体组织免疫损伤［11］。

图2 虾青素的光学异构体结构［10］Figure 2 Structures of optical isomers of astaxanthin［10］

关于虾青素免疫调节作用，目前认识包括以下几个方面：（1）虾青素能够通过抗氧化作用而保护免疫细胞的完整性，防止受到损伤，确保机体正常免疫应答过程的进行。虾青素可以通过淬灭自由基，阻止人淋巴细胞的氧化应激反应，保护淋巴细胞［12］。通过减少活性氧ROS 的产生，虾青素可以减轻由高糖和游离脂肪酸导致的氧化应激，恢复部分中性粒细胞的功能，也可以大幅提高中性粒细胞吞噬能力［13-14］。体外实验表明，虾青素由此还具有保护巨噬细胞的作用，并修复被ROS 损伤的巨噬细胞［15］。（2）虾青素还能诱导生物体通过增加免疫细胞的数量，从而增强自身的免疫力（表1）。研究发现，在对犬的饲喂试验中，虾青素明显提高了丝裂原刀豆蛋白A（Concanavalin A，Con A）诱导的淋巴细胞的增殖活动和NK 细胞的细胞毒活性，并且增加了B 细胞的数量［16］。Park 等［17］利用雨生红球藻来源的虾青素饲喂家猫的实验也观察到相似的现象，并且发现虾青素喂养的猫的外周血单个核细胞（PBMC）的数量及CD3+总的T 细胞数量和CD4+辅助性T 细胞的数量也较高。此外，在小鼠实验中，也发现虾青素可使脾B 淋巴细胞和T 淋巴细胞分化增殖能力提高，增强机体的免疫力［18-20］。在人的实验中，也观察到日粮虾青素能刺激有丝分裂原诱导的淋巴细胞的增殖［21］。Sun 等［22］研究了多种天然虾青素在调节小鼠淋巴细胞和腹膜渗出细胞（PECs）系统介导的细胞免疫应答中的生物活性，用3 种虾青素立体异构体（20 μmol/L）处理后，比较其淋巴细胞增殖能力、中性红细胞吞噬能力和自然杀伤（NK）细胞毒活性，结果表明，虾青素的3 种立体异构体均能显著促进淋巴细胞增殖、PECs 的吞噬能力和NK 细胞的杀伤活性，说明虾青素对机体的固有免疫应答和适应性免疫应答具有一定的促进作用，有利于免疫细胞的活化和增殖，从而产生有效的免疫效应。（3）虾青素还可以通过促进细胞因子的分泌或免疫球蛋白的产生，增强生物体的免疫力。细胞因子和免疫球蛋白（尤其是抗体）是免疫应答的效应分子，它们与效应细胞协同作用，实现对抗原的破坏或清除。Lin 等［31］检测了虾青素对体外原代培养小鼠淋巴细胞产生细胞因子的免疫调节作用，发现虾青素通过促进IFN-γ 和IL-2 的分泌刺激免疫应答。Okai 等［27］发现虾青素具有增强小鼠免疫活性细胞增殖和功能的免疫调节活性，对于来自BALB/c 小鼠的脾细胞和胸腺细胞而言，虾青素在2×10-8～10-7mol/L 的浓度下，能显著刺激小鼠的细胞增殖反应，并大大提高了抗体IgM 和IgG 的产生，同时显著促进小鼠腹腔贴壁细胞释放IL-1α 和TNF-α 的能力。对成年志愿者与足月新生儿的血液样本进行体外实验表明：虾青素可提高受T 细胞依赖性刺激的外周血单核细胞产生免疫球蛋白（IgA、IgM、IgG）的能力［32］。研究人员对运动员的实验同样显示适量的虾青素补充有利于增加运动员体内的IgA 含量，从而提高免疫力［33-34］。（4）虾青素免疫调节功能表现在它既可以抗感染（细菌、病毒），也可以抑制免疫应答过度而引起的炎症反应。例如，在虹鳟鱼的虾青素饲喂试验中，研究发现虾青素可以通过抑制病毒和ROS 导致的氧化应激而影响虹鳟对病毒病原体的抗性，显著降低造血器官坏死病毒感染导致的死亡率［35］。同样，在小鼠的虾青素喂养试验中，发现可以抑制结肠炎相关的炎症细胞因子的表达，包括核因子（Nuclear factor，NF）-κB、TNF-α 和IL-1β 等［36］。

表1 虾青素对免疫细胞数量的影响Table 1 Effects of astaxanthin on the number of immune cells

关于虾青素免疫调节及抗炎的分子机制或信号通路方面的研究，虽然起步较晚，目前也有一些文献报道。脂多糖（Lipopolysaccharide，LPS）是革兰氏阴性菌外膜的特征性内毒素，通过丝裂原活化蛋白激酶（Mi⁃togen-activated protein kinase，MAPK）和NF-κB 诱导天然免疫系统，增加炎症介质的产生。LPS 通过LPS结合蛋白（LBP）和分化簇14（CD14）等辅助蛋白与天然免疫细胞中由髓样分化2（MD2）和Toll 样受体4（TLR4）组成的表面受体复合物结合。LPS-TLR4／MD2 复合物激活下游的促炎信号通路，包括NF-κB 和MAPK，触发多种炎性细胞因子的产生。TNF-α、IL-6、IL-1β、IL-12 和IL-8 等多种促炎细胞因子的过度释放，导致急性细胞或器质性损伤，形成脓毒症或急性肺损伤［37］。Cai 等［37］利用LPS 攻击小鼠原代巨噬细胞（MPM）并测定MPM 的炎性因子（TNF-α 和IL-6）水平，进行体外药理活性和机制研究；采用LPS诱导的脓毒症和急性肺损伤小鼠模型进行体内研究，探讨虾青素对LPS 所致脓毒症和急性肺损伤的影响和作用机制。体内外实验均表明，虾青素处理可通过降低IκB的降解和ERK/p38／JNK磷酸化水平，阻止LPS刺激的MPM 和脓毒症小鼠的MAPK 和NF-κB 活化，从而抑制MAPK/NF-κB 信号通路，减轻LPS 增加的炎症因子，并显著提高LPS 所攻击小鼠的存活率，证明虾青素对LPS 诱导的小鼠离体和体内损伤具有明显的保护作用。在评价虾青素对LPS 诱导的乌鳢体内外炎症反应的保护作用的实验中，Li等［38］也发现虾青素通过调节乌鳢TLR4、NF-κB 和MAPK 信号通路发挥抗炎作用。在体内外实验中，虾青素处理可抑制LPS 诱导的TNFα、IL-6 和IL-1β 的mRNA 表达的上调，可阻断Toll 样受体4（TLR4）的表达，抑制NF-κBp65 和IκBα 的磷酸化。进一步研究表明，虾青素可以抑制MAPK 信号通路中p38、ERK（Extracellular regulated protein kinases，细胞外调节蛋白激酶）和JNK（c-Jun N-terminal ki⁃nase，c-Jun 氨基末端激酶）的磷酸化［38］。虾青素对活化小胶质细胞中IL-6影响的实验显示，虾青素通过p-ERK1／2-MSK-1 和p-NF-κB p65 依赖性途径下调激活的小胶质细胞促炎性细胞因子IL-6 的表达，不但抑制了LPS 刺激的BV-2 小胶质细胞IL-6mRNA 和蛋白的表达，而且降低了LPS 诱导诸多核因子抑制蛋白的磷酸化（如p-IκBα、p-NF-κbp65等）水平［39］。

2 虾青素在抗疫中的潜在应用

当前，新型冠状病毒肺炎（COVID-19）疫情在全球范围流行，对人类生存形成巨大威胁。

对个人而言，提高自身免疫力，可增强抵御病毒侵染，避免病情加重。一方面，虾青素可以通过增加免疫细胞数量、促进细胞因子分泌、提高免疫球蛋白水平，由此增强免疫力。另一方面，它也有可能在对抗新型冠状肺炎“细胞因子风暴”或“炎症风暴”中发挥作用。据《柳叶刀》报道，COVID-19 的严重程度与“细胞因子风暴”有关［40］。所谓“细胞因子风暴”又称“炎症风暴”，是一种细胞因子与免疫细胞间的正反馈循环而产生的免疫反应，是机体的免疫系统从“自我保护”演变为过度保护的状态［41］。IL-6 和粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子（Granulocyte-macrophage colony stimulating factor，GM-CSF）是引发COVID-19 患者炎症风暴的两个关键炎症因子（图3）［42］。新型冠状病毒感染后，迅速激活病原性T 细胞，产生GM-CSF 和IL-6 等细胞因子。 GM-CSF 会进一步激活CD14+CD16+炎症性单核细胞，产生更多的IL-6 和其他炎症因子，从而形成炎症风暴，导致严重肺部和其他器官免疫损伤［42］。许多COVID-19 重症患者实际上是死于“细胞因子风暴”。在患者体内，被激活的免疫细胞可释放IFN-γ、IL-1β、IL-6、IL-8、IL-10、IL-12、IL-18、IL-33、TNF-α 等大量促炎性细胞因子和CCL2、CCL3、CCL5 等趋化因子，引起不可控的全身炎症反应，导致急性呼吸窘迫综合征和多脏器衰竭［40，43-44］。以往多项研究表明，虾青素确实能够通过多种机制降低炎性细胞因子IL-1β、IL-2、IL-6、IL-8、TNF-α 等的过度产生，减缓促炎细胞因子所致的急性细胞或器质性损伤，降低脓毒症的致死率，并能够有效保护肺部组织［37，39］。这提示虾青素或许可以作为预防和治疗COVID-19 的候选或辅助药物。

图3 IL-6和GM-CSF 是引发COVID-19患者炎症风暴的关键炎症因子［42］Figure 3 IL-6 and GM-CSF are key inflammatory factors that trigger inflammatory storms in COVID-19 patients［42］

此外，虾青素具有强大抗氧化活性和细胞保护作用。比如，在对内毒素诱导的葡萄膜炎（EIU）大鼠模型和体外培养的RAW264.7 巨噬细胞的实验中，Oh⁃gami等［45］证明了虾青素对EIU具有剂量依赖性的抗炎作用，尤其是100 mg/kg 的虾青素和10 mg/kg 的肾上腺皮质激素泼尼松龙的抗炎作用相当，其抗炎作用有可能是通过阻断NOS 酶活性抑制NO、PGE2（前列腺素E2）和TNF-α。最近一项研究报道说明，虾青素可以减轻LPS 所致急性肺损伤的炎症反应，其作用机制是依赖于对MAPK/NF-κB 信号通路的抑制［37］。当然，对COVID-19 是否具有同样的效果和机制，这还需要进一步实验证明。

总之，在利用虾青素提高免疫力和抗炎方面，已显示了很好的应用前景，并且有望成为COVID-19 预防和治疗的辅助药剂或特效保健品。目前对于虾青素调节免疫具体分子机制方面，还有许多不清楚的问题，值得进一步深入研究。