Фукоидан

Фукоидан (fucoidan) — сульфатированный гетерополисахарид, обнаруженный в составе бурых водорослей и некоторых иглокожих.

Впервые фукоиданы были выделены из бурых водорослей в 1913 году. Содержание фукоиданов может достигать 25-30 % от сухого веса водоросли и зависит, в основном, от вида водоросли, а также от сезона или стадии развития водоросли, места сбора и других факторов.

Структура

Несмотря на то, что фукоиданы известны давно, далеко не все их структурные особенности выяснены с достаточной определённостью. В первую очередь это относится к структуре фрагментов, включающих минорные моносахариды. Практически до 1993 года считалось, что основная цепь фукоиданов представляет собой 1→2-α-L-фукан. В настоящее время установлено, что большинство известных фукоиданов относится к двум структурным типам: первый тип содержит в основной цепи α-1→3-, второй тип — чередующиеся α-1→3- и α-1→4-связанные остатки фукозы. Разветвления присоединены в положении 2, а сульфатные группы могут находиться при С4 остатка фукозы. Выделены фукоиданы, в которых сульфатные группы расположены при С2, а также при С2 и С4. Кроме того, известны фукоиданы, в которых остатки фукозы не только сульфатированы, но и ацетилированы.

Нужно отметить, что в большинстве случаев установлены структуры фракций фукоиданов, основным компонентом которых является фукоза. Эти полисахариды выделены из бурых водорослей, принадлежащих к порядкам Chordariales, Laminariales, Fucales. Бурые водоросли, принадлежащие порядкам Chordariales и Laminariales (Phaeosporophyceae), синтезируют полисахариды, состоящие из α-1→3-связанных остатков фукозы. Основная цепь этих полисахаридов может иметь разветвления при С2 некоторых остатков фукозы (остаток D-GlcA (Cladosiphon okamuranus) или остаток Fuc (Chorda filum)). Основная цепь фукоиданов водорослей порядка Fucales (Cyclosporophyceae) построена из чередующихся α-1→3- и α-1→4-связанных остатков фукозы, в результате чего формируется регулярная структура полисахаридной цепи. Однако в нативном фукоидане эта регулярность маскируется беспорядочным расположением сульфатных и ацетатных групп. Возможно, что различия в структуре основной цепи фукоиданов связаны с разным механизмом биосинтеза этих полисахаридов у бурых водорослей, принадлежащих Phaeosporophyceae и Cyclosporophyceae.

Фукансульфаты морских ежей Arbacia lixula, Lytechinus variegates и голотурии (Ludwigothurea grisea) состоят из повторяющихся тетрасахаридных звеньев и, в отличие от фукоиданов, обладают чётко выраженной регулярной линейной структурой и не содержат ацетатных групп.

Биологическая активность

Многочисленные исследования последних 10-15 лет посвящены биологическому действию фукоиданов. Фукоиданы проявляют чрезвычайно широкий спектр биологических активностей, что является причиной повышенного интереса к ним. Так, в литературе имеются сообщения о противоопухолевых, иммуномодулирующих, антибактериальных, антивирусных, противовоспалительных и других свойствах фукоиданов. По этой причине фукоиданы можно отнести к так называемым «поливалентным биомодуляторам».

Особый интерес вызывает антикоагулянтное действие фукоиданов. В настоящее время известны два механизма антикоагулянтного действия фукоиданов: один реализуется посредством прямого ингибирования активности факторов VII, XI, XII свёртывания крови, второй основан на гепариноподобном ингибировании свёртывающих факторов посредством активации специфического эндогенного ингибитора — антитромбина-III (АТ-III). Фукоиданы, действующие по первому механизму, могут применяться при антикоагулянтной терапии у больных с врождённым или приобретённым дефицитом антитромбина АТ III, когда гепарин не эффективен. Структура фрагментов молекул фукоиданов, ответственных за действие их по первому или второму механизму, неизвестна. В данном случае выяснение различий в структуре этих фрагментов приобретает важное значение.

Интенсивность изучения биологической активности фукоиданов значительно опережает исследования их химической структуры. Поэтому имеется немного данных о связи структуры и биологической активности этих полисахаридов. Считается, что биологическая активность фукоиданов обусловлена в первую очередь степенью сульфатирования, наличием фрагментов определённой структуры, также может быть связана с моносахаридным составом, степенью разветвлённости, типом связи, молекулярно-массовым распределением. Однако, несмотря на все усилия, пока так и не удалось с определённой уверенностью установить структурный мотив, который отвечает за проявление той или иной биологической активности фукоиданов.

Антикоагулянтное действие

Фукоидан является природным антикоагулянтом, по механизму действия отличается от гепарина, по эффекту — сопоставим с ним. Механизм действия реализуется за счёт высокой молекулярной массы полисахарида, поскольку деполимеризация снижает его антикоагулянтный эффект. Для фукоидана характерна и антитромботическая активность, не связанная с проявляемым им антикоагулянтным действием.

Противовирусный эффект

Фукоидан оказывает противовирусное действие (препятствует проникновению вирусов в клетки за счёт изменения свойств клеточной поверхности), то есть блокирует первую стадию инфекционного процесса, без которой развитие инфекционного заболевания невозможно.

Антиоксидантный эффект

Фукоидан является мощным природным антиоксидантом и защищает клетки от повреждения свободными радикалами.

Гиполипидемическое и противовоспалительное действие

Доказана способность фукоидана приводить к снижению повышенного уровня холестерина и атерогенных липидов (жиров, повышенный уровень которых в крови способствует развитию и прогрессированию атеросклероза и связанных с ним заболеваний). Выявлено, что фукоидан оказывает противовоспалительное действие.

Противоопухолевое действие

Доказано, что фукоидан не обладает цитотоксическим эффектом (не даёт мощной токсической нагрузки на организм); оказывает воздействие и на первичный очаг опухоли, и на её метастазы, в том числе отдалённые.

Механизмы действия: активация апоптоза (программируемой клеточной смерти) опухолевых клеток; подавление сигнального пути NF-kB (в большинстве опухолевых клеток NF-kB постоянно активирован, — такая активация не только защищает клетки от апоптоза, но и увеличивает их пролиферативную активность, инвазивный, метастатический и ангиогенный потенциал); иммуномодулирующее действие (задержка спонтанного апоптоза нейтрофилов человека и усиление выработки провоспалительных цитокинов (ИЛ-6, ИЛ-8 и ФНО-α); антиадгезивное и антиангиогенное действие (подавление интенсивного сосудообразования и уменьшение активного кровоснабжения опухолей).

Также существуют данные об иммуномодулирующем, гепатопротекторном действии, его влиянии на углеводный обмен и инсулинорезистентность.

Литература

• Ушакова Н. А., Морозевич Е. Е., Устюжанина Н. Е., Билан М. И., Усов А. И., Нифантьев Н. Э., Преображенская М. Е. Антикоагулянтная активность фукоиданов из бурых водорослей // Биомедицинская химия. — 2008. — Т. 54. — № 5. — C. 597—606.
• Ustyuzhanina N.E., Bilan M.I., Krylov V.B., Usov A.I., Nifantiev N.E., Ushakova N.A., Preobrazhenskaya M.E., Zyuzina K.A., Elizarova A.L., Somonova O.V., Madzhuga A.V., Kiselevskiy M.V. Influence of fucoidans on hemostatic system // Marine Drugs. — 2013. — V.11. — 7. — P. 2444—2458.
• Wang J. et al. Potential antioxidant and anticoagulant capacity of low molecular weight fucoidan fractions extracted from Laminaria japonica. Int. J. Biol Macromol., 2010; 46(1): 6-12.
• Zaporozhets, T.S., Kuznetsova, T.A., Smolina, T.P., Shevchenko, N.M., et al., Immunotropic and anticoagulant activity of fucoidan from brown seaweed Fucus evanescens: prospects of application in medicine // J. Microbiol. — 2006. — P. 54-58.
• Макаренкова И. Д., Леонова Г. Н., Майстровская О. С., Звягинцева Т. Н., Имбс Т. И., Ермакова С. П., Беседнова Н. Н. Противовирусная активность сульфатированных полисахаридов из бурых водорослей при экспериментальном клещевом энцефалите // Тихоокеанский медицинский журнал. — 2012. — № 1. — C. 44-46.
• Hayashi K, Lee JB, Nakano T. Anti-influenza A virus characteristics of a fucoidan from sporophyll of Undaria pinnatifida in mice with normal and compromised immunity // Microbes Infect. — 2013 Apr;15(4):302-9. doi: 10.1016/j.micinf.2012.12.004. Epub 2013 Jan 30.
• Mori N, Nakasone K, Tomimori K. Beneficial effects of fucoidan in patients with chronic hepatitis C virus infection // World J Gastroenterol. — 2012 May 14;18(18):2225-30. doi: 10.3748/wjg.v18.i18.2225.
• Thuy TT, Ly BM, Van TT. Anti-HIV activity of fucoidans from three brown seaweed species // Carbohydr Polym. — 2015 Jan 22;115:122-8. doi: 10.1016/j.carbpol.2014.08.068. Epub 2014 Sep 2.
• Zhang Z., Wang X., Hou Y., Zhang Q., Wang F., Liu X. Extraction of the polysaccharides from five algae and their potential antioxidant activity in vitro // Carbohydrate Polymers. — 2010. — Т. 82. № 1. — P. 118—121.
• Balboa EM, Conde E, Moure A, Falqué E, Domínguez H. In vitro antioxidant properties of crude extracts and compounds from brown algae // Food Chem. — 2013. — 138(2-3). — P. 1764-85. doi: 10.1016/j.foodchem.2012.11.026. Epub 2012 Nov 16. Review.
• Choi JH, Kim DI, Park SH, Kim DW, Kim CM, Koo JG. Effects of sea tangle (Laminaria japonica) extract and fucoidan drinks on oxygen radicals and their scavenger enzymes in stressed mouse // Journal of the Korean Fisheries Society. — 1999. −32. — P. 764—769.
• Colin C, et al. The brown algal kelp Laminaria digitata features distinct bromoperoxidase and iodoperoxidase activities // J Biol Chem. — 2003. — 278. — P. 23545-2355.
• Li X, Zhao H, Wang O, Liang H, Jiang X. Fucoidan protects ARPE-19 cells from oxidative stress via normalization of reactive oxygen species generation through the Ca2±dependent ERK signaling pathway // Mol Med Rep. — 2015 May;11(5):3746-52. doi: 10.3892/mmr.2015.3224. Epub 2015 Jan 19.
• Marudhupandi T, Kumar TT, Senthil SL. In vitro antioxidant properties of fucoidan fractions from Sargassum tenerrimum // Pak J Biol Sci. — 2014 Feb 1;17(3):402-7.
• Seng Joe Lim, Wan Mustapha Wan Aida, Mohamad Yusof Maskat, Said Mamot, Jokiman Ropien, Diah Mazita Mohd. Isolation and antioxidant capacity of fucoidan from selected Malaysian seaweeds // Food Hydrocolloids, Volume 42, Part 2, 15 December 2014, Pages 280—288.
• Yokota T. et al. Increased effect of fucoidan on lipoprotein lipase secretion in adipocytes. Life Science, 2009; 84(15-16): 523—529.
• Крыжановский С. П., Богданович Л. Н., Беседнова Н. Н., Иванушко Л. А., Головачева В. Д. Гиполипидемические и противовоспалительные эффекты полисахаридов морских бурых водорослей у пациентов с дислипидемией // Фундаментальные исследования. — 2014. — № 10. — C. 93.
• Семенов А. В., Мазуров А. В., Преображенская М. Е. и др. Сульфатированные полисахариды как ингибиторы рецепторной активности Р-селектинов и Р-селектинового воспаления // Вопр. мед. химии. — 1999. — Т. 44, вып. 2. — С. 135—143.
• Cumashi A., Ushakova N. A., Preobrazhenskaya M. E. et al. A comparative study of the anti-inflammatory, anticoagulant, antiangiogenic, and antiadhesive activities of nine different fucoidans from brown seaweeds // Glycobiology. — 2007. — Vol. 17, N 5. — P. 541—552.
• Jun-O Jin, Qing Yu. Fucoidan delays apoptosis and induces pro-inflammatory cytokine production in human neutrophils // International Journal of Biological Macromolecules, Volume 73, February 2015,Pages 65-71.
• Lee KY, Jeong MR, Choi SM. Synergistic effect of fucoidan with antibiotics against oral pathogenic bacteria // Arch Oral Biol. — 2013 May;58(5):482-92. Doi: 10.1016/j.archoralbio.2012.11.002. Epub 2013 Feb 8.
• Atashrazm F, Lowenthal RM, Woods GM, Holloway AF, Karpiniec SS, Dickinson JL. Fucoidan Suppresses the Growth of Human Acute Promyelocytic Leukemia Cells In Vitro and In Vivo. J Cell Physiol. 2016 Mar;231(3):688-97. doi: 10.1002/jcp.25119.
• Chen S, Zhao Y, Zhang Y, Zhang D. Fucoidan Induces Cancer Cell Apoptosis by Modulating the Endoplasmic Reticulum Stress Cascades. Chang Y-J, ed. PLoS ONE. 2014;9(9): e108157. doi:10.1371/journal.pone.0108157.
• HAN Y-S, LEE JH, LEE SH. Fucoidan inhibits the migration and proliferation of HT-29 human colon cancer cells via the phosphoinositide-3 kinase/Akt/mechanistic target of rapamycin pathways. Molecular Medicine Reports. 2015;12(3):3446-3452. doi:10.3892/mmr.2015.3804.
• Hsu H-Y, Lin T-Y, Wu Y-C, et al. Fucoidan inhibition of lung cancer in vivo and in vitro: role of the Smurf2-dependent ubiquitin proteasome pathway in TGFβ receptor degradation. Oncotarget. 2014;5(17):7870-7885.
• Kwak J-Y. Fucoidan as a Marine Anticancer Agent in Preclinical Development. Marine Drugs. 2014;12(2):851-870. doi:10.3390/md12020851.
• Moussavou G, Kwak DH, Obiang-Obonou BW, et al. Anticancer Effects of Different Seaweeds on Human Colon and Breast Cancers. Marine Drugs. 2014;12(9):4898-4911. doi:10.3390/md12094898.
• Teng H, Yang Y, Wei H, et al. Fucoidan Suppresses Hypoxia-Induced Lymphangiogenesis and Lymphatic Metastasis in Mouse Hepatocarcinoma. Long P, ed. Marine Drugs. 2015;13(6):3514-3530. doi:10.3390/md13063514.
• Yang G, Zhang Q, Kong Y, Xie B. Antitumor activity of fucoidan against diffuse large B cell lymphoma in vitro and in vivo. Acta Biochim Biophys Sin (Shanghai). 2015 Nov;47(11):925-31. doi: 10.1093/abbs/gmv094. Epub 2015 Sep 9.
• Wang P, Liu Z, Liu X, et al. Anti-Metastasis Effect of Fucoidan from Undaria pinnatifida Sporophylls in Mouse Hepatocarcinoma Hca-F Cells. Singh S, ed. PLoS ONE. 2014;9(8): e106071. doi:10.1371/journal.pone.0106071.
• Zhang J, Riby JE, Conde L, Grizzle WE, Cui X, Skibola CF. A Fucus vesiculosus extract inhibits estrogen receptor activation and induces cell death in female cancer cell lines. BMC Complementary and Alternative Medicine. 2016;16:151. doi:10.1186/s12906-016-1129-6.
• Zorofchian Moghadamtousi S, Karimian H, Khanabdali R, et al. Anticancer and Antitumor Potential of Fucoidan and Fucoxanthin, Two Main Metabolites Isolated from * Brown Algae. The Scientific World Journal. 2014;2014:768323. doi:10.1155/2014/768323.
• Кузнецова Т. А. и соавт. Применение фукоидана из бурых водорослей Fucus evanescens для коррекции иммунных нарушений при эндотоксемии // Тихоокеанский медицинский журнал. 2009. № 3. С. 78-81.
• Майстровский К. В. Иммунологический и цитокиновый статус в патогенетическом обосновании эффективности применения полисахаридов из бурых водорослей у пациентов с облитерирующим атеросклерозом сосудов нижних конечностей: дисс. … канд. мед. наук. Владивосток, 2014. 135 с.
• Hernandez-Corona DM, Martinez-Abundis E, Gonzales-Ortiz M. Effect of fucoidan administration on insulin secretion and insulin resistance in overweight or obese adults // J Med Food. — 2014 Jul;17(7):830-2. doi: 10.1089/jmf.2013.0053.
• Lim JD, Lee SR, Kim T, Jang SA, Kang SC, at all. Fucoidan from Fucus vesiculosis protects against Alcohol-induced liver damage by modulating inflammatory mediators in mice and HepG2 cells // Mar Drugs. 2015 Feb 16;13(2):1051-67. doi: 10.3390/md13021051.
• Meenakshi S, Umayaparvathi S, Saravanan R, Manivasagam T, Balasubramanian T. Hepatoprotective effect of fucoidan isolated from the seaweed Turbinaria decurrens in ethanol intoxicated rats // Int J Biol Macromol. 2014 Jun;67:367-72. doi: 10.1016/j.ijbiomac.2014.03.042. Epub 2014 Apr 13.
• Roshan S, Liu YY, Banafa A. Fucoidan induces apoptosis of HepG2 cells by down-regulating pStat3 // J Huanzhong Univ Sci Technolog Med Sci. — 2014 Jun;34(3):330-6. doi: 10.1007/s11596-014-1278-0. Epub 2014 Jun 18.
• Vinoth T. Kumar, S. Lakshmanasenthil, D. Geetharamani, T. Marudhupandi, G. Suja, P. Suganya. Fucoidan — A α-D- glucosidase inhibitor from Sargassum wighti with relevance to type 2 diabetes therapy // International Journal of Biological Macromolecules, Volume 72, January 2015, Pages 1044—1047.
• Wang Y, Nie M, Lu Y, Wang R. Fucoidan exerts protective effects against diabetic nephropathy related to spontaneous diabetes through the NF-κB signaling pathway in vivo and in vitro // Int J Mol Med. 2015 Apr;35(4):1067-73. doi: 10.3892/ijmm.2015.2095. Epub 2015 Feb 9.