摘要
藻藍素是一種近來被大量報導具有多種藥理性質的藻膽蛋白。本文回顧近來關於螺旋藻生物活性的最新相關研究文獻。其涵蓋了作為抗菌、抗氧化、抗發炎、免疫增強、抗腫瘤和傷口癒合作用的最新發展，以及在診斷、食品、化妝品和製藥工業的應用。目的是為顯現萃取自海洋微藻的新化合物所具有的潛在競爭力。
關鍵字： 藻藍素、螺旋藻、海洋微藻、C-phycocyanin、Spirulina platensis、Microalgae
壹、前言
天然物的藥用價值在世界各地早已被廣泛使用於治療各種疾病，現行用於治療各種不同疾病的傳統療法也處於一個增加的趨勢。台灣四面環海，自古以來人民與海洋的關係既深且遠，四周海域之海洋資源不虞匱乏，多樣性的大量海洋生物為台灣在發展海洋生物科技之最有利後盾。
各種藻類舉凡綠藻 (chlorella)、引藻 (cryptomonadales) 及藍綠藻 (cyanobacteria) 等產品在電視媒體上頻繁出現，顯然已成為保健食品的新寵。其中屬於藍綠藻 (cyanobacteria) 之一的螺旋藻 (Spirulina platensis) 在人們日常生活中的使用已有非常長久的歷史，在非洲和美洲的當地人所食用的螺旋藻中，早已被發現富含天然蛋白質、類胡蘿蔔素 (carotenoid) 和其它微量元素 (trace element) 等營養物質。
貳、藻藍素的來源與簡介
海洋微藻 (microalgae) 細胞內富含由藻膽蛋白 (phycobiliproteins) 所組成的藻膽蛋白體 (phycobilisome)。藻藍蛋白是一輔助型光合色素，具有在光合作用中扮演補光 (light harvest) 的功能，且依不同的微藻種類與溫度等因素而有單體 (αβ)、雙聚體 (α2β2)、三聚體 (α3β3) 及六聚體 (α6β6) 等組態。藻藍蛋白又可分為C型藻藍蛋白 (C- phycocyanin, C-PC) 與R型藻藍蛋白 (R- PC) 兩類，當中又以從藍綠藻中的螺旋藻萃取而來的C型藻藍蛋白 (簡稱藻藍素)之應用最為廣泛，近來已因發現其具有許多生物活性與功效而備受重視1。
最近的研究結果也陸續指出藻藍素具有非常廣泛的生理活性與功效，例如：抗發炎 (anti-inflammation)、抗氧化 (antioxidant)、清除自由基 (radical scavenger)、抗微生物、抗病毒 (anti-viral)、抗致突變 (anti-mutagenic)、抗腫瘤 (anti-tumor)、抗過敏 (anti-allergic)、增強免疫 (immune enhancing)、保肝 (hepato-protective)、血管鬆弛 (blood vessel relaxing)、降血脂 (blood lipid-lowering) 和促傷口癒合等作用而具有藥物開發潛力，已使得人們對它的興趣大幅提升2。
參、藻藍素之生物活性文獻回顧
一、藻藍素之抗氧化作用
研究發現藻藍素中的膽色素 (bile pigment) 發色基團與人體中重要的抗氧化物質膽紅素 (bilirubin) 極為相似，其可清除哺乳類動物血清中的氧自由基 (oxygen free radicals)，防止去氧核醣核酸 (deoxyribonucleic acid, DNA) 受到氧化損傷 (oxidative damage) 而產生遺傳性疾病 (genetic disease) 或致癌物質 (carcinogen)；藻藍素於體內、體外試驗中，均具有清除四氯化碳 (carbon tetrachloride, CCL4) 所誘發脂質過氧化作用 (lipid peroxidation) 產生之自由基 (free radical)的能力，其半數抑制濃度 (half maximal inhibitory concentration, IC50) 為1.5 µM~12 µM3。
二、藻藍素之抗發炎作用
藻藍素具有抑制葡萄糖氧化酶 (glucose oxidase) 所誘發大鼠腳掌發炎之作用，在口服餵食藻藍素 (50-300 mg/kg) 之前治療組具有效改善局部水腫現象之抗發炎作用，且呈現劑量依存性 (dose dependent)2。在誘發關節炎的小白鼠實驗中亦證實口服藻藍素可透過抑制腫瘤壞死因子 (Tumor necrosis factor-α, TNF-α) 的表現和一氧化氮 (nitric oxide, NO) 的產生，而能有效抑制免疫細胞的聚集、關節滑液的增生以及改善組織病理特性4。在誘發大白鼠產生潰瘍性結腸炎 (ulcerative colitis) 的動物實驗中，發現藻藍素可藉由生物體內花生四烯酸的代謝路徑來阻斷白三烯素 B4 (leukotrienes B4, LTB4) 之合成，而達到抑制發炎性細胞的滲透以及減低大腸組織受到損傷之作用。在人類全血 (whole blood) 的分析試驗中發現藻藍素比第二型環氧化酶抑制劑 (cyclooxygenase-2 inhibitor, COX-2)(如 celecoxib 與 rofecoxib) 對 COX-2具有更佳之抑制效果，且可進一步抑制前列腺素 E2 (prostaglandin E2，PGE2) 及白三烯素 B4 的生成和降低骨髓過氧化酶 (myeloperoxidase) 之活性；藻藍素可抑制由脂多醣 (lipopolysaccharide, LPS) 誘導產生的 NO 和誘導型一氧化氮合成酶 (inducible NOS, iNOS) 的量，且可抑制 TNF-α 的形成和核轉錄因子 nuclear factor-κB (NF-κB) 的活化，而具有抗發炎的活性和功效；藻藍素可透過抑制 iNOS 和 COX-2之表現，減少 TNF-α 的形成來抑制 NO 及 PGE2之生成，以及降低嗜中性球於炎症部位的浸潤，而達到抗發炎止痛的活性2,4。
三、藻藍素之抗菌作用
於體外細菌培養基的實驗中發現，藻藍素能夠顯著抑制醫療院所常見之抗藥性 (resistance) 菌種，如大腸桿菌 (Escherichia coli)，克雷伯氏肺炎桿菌 (Klebsiella pneumoniae)，綠膿桿菌 (Pseudomonas aeruginosa)、金黃色葡萄球菌 (Staphylococcus aureus) 的生長5，以及院內常見病原菌，如白色念珠菌 (Candida albicans)、志賀氏桿菌屬 (Shigella spp.)、腸炎弧菌 (Vibrio parahaemolyticus) 的生長6。亦能顯著抑制導致植物病蟲害之枯草桿菌 (Bacillus subtilis) 及黃單胞菌屬 (Xanthomonas spp.) 的生長7。另外也發現其能抑制食品業常見之黑麴菌 (Aspergillus niger)、黃麴黴菌 (Aspergillus flavus)、鐮孢菌屬 (Fusarium spp.) 及青黴菌屬 (Penicillium spp.) 的生長5。
四、藻藍素之免疫提升作用
藻藍素可直接作用於人類骨髓系統 (myeloid lineages) 或間接作用在自然殺手細胞 (natural killer cells, NK cell) 來達到免疫提升之作用，其中介白素-12 (interleukin 12, IL-12) 和介白素-18 (interleukin 18, IL-18) 的相互合作，在自然殺手細胞 (natural killer cells, NK cell) 媒介伽瑪干擾素 (interferon gamma, IFN-γ) 的生成是為關鍵8。藻藍素亦能透過提升 IgA (immunoglobulin A) 抗體及維持粘膜免疫系統的功能來提升生物對傳染病的防禦能力，另外亦可透過抑制 IgE (immunoglobulin E) 抗體而降低過敏性炎症的產生，而產生提升免疫功能的活性9。
五、藻藍素之抗腫瘤作用
藻藍素在濃度20µM 時即可藉由抑制 COX-2的作用，來誘發經 LPS 刺激小鼠巨噬細胞株 (mouse macrophage cell line)(RAW 264.7) 的細胞凋亡 (apoptosis) 作用，並具劑量依存性10。藻藍素可藉由促使粒線體 (mitochondria) 釋放細胞色素 C (cytochrome c) 至細胞質，使得聚腺苷二磷酸核糖聚合酶 (poly ADP- ribose polymerase, PARP) 產生斷裂 ，以及降低細胞凋亡調控基因 (bcl-2) 的作用，進而降低人類血癌細胞株 K562 (human chronic myeloid leukemia cell line-K562) 的細胞增殖率而具有抗腫瘤功效；另外亦具有促進補體調控蛋白 CD59在 Hela 細胞中之表現，進而增加誘發細胞凋亡之 Fas 結合蛋白的含量，以限制 Hela 細胞的複製而達到抗腫瘤的效果，且具有劑量依存性 (dose-dependent)；而且在體外試驗中可於凋亡蛋白酶依賴路徑 (caspase dependent pathway) 下誘導促凋亡基因 (pro-apoptotic gene) 和向下調節抗凋亡基因 (anti-apoptotic gene) 的活化，進而促進 HeLa 細胞信號的傳導及其凋亡，而具有抗腫瘤活性11。
六、藻藍素之促進傷口癒合作用
Madhyastha 等在小牛肺動脈內皮細胞 (calf pulmonary endothelial cell) 的體外試驗中發現，藻藍素可誘發細胞尿激酶型纖溶酶原激活化因子 (uPA) 而具有促進血管增生 (angiogenesis) 之效果。之後其在體外試驗中亦發現藻藍素可透過細胞週期蛋白依賴型激酶 (cyclin-dependent kinase, CDK) 來誘導纖維母細胞之增殖 (proliferation) 與遷移，同時在活體試驗中也發現能明顯促進傷口癒合；並在短干擾核糖核酸 (short interference RNA studies) 的試驗中證實尿激酶型纖溶酶原激活化因子 (urokinase-type plasminogen activator, uPA) 是藻藍素誘導纖維母細胞遷移的必要因子。接著繼續又在小鼠皮膚傷口癒合的體內試驗中發現：(1)藻藍素可間接促進生長因子和角質形成細胞 (keratinocytes) 的生成與遷移作用。(2)在反轉錄-聚合酶連鎖反應 (reverse transcription-PCR, RT-PCR) 試驗下，藻藍素可促進傷口組織中生長因子的大量產生。(3)在組織學和生物化學的觀察中，呈現藻藍素敷料支架 (C-phycocyanin scaffold) 能顯著增加羥脯氨酸 (hydroxyproline)、六甲烯基四胺 (hexamine) 和蛋白質含量，並在皮膚新生的過程中減少傷口組織內糖醛酸 (uronic acid) 的含量。(4)在西方點墨法 (western blot) 分析顯示，藻藍素可提升骨塑型蛋白8B,P4,P2 (bone morphogenetic proteins, BMP8B，BMP4，BMP2)、趨化激素 CXCL1 (chemokine - CXCL1) 的基因活性和人粒細胞集落刺激因子 (colony stimulating factor, CSF3)、介白素-1β (interleukin 1β, IL-1β) 以及轉化生長因子-β (transforming growth factor-beta, TGF-β) 之最高表現量，而有助於生物可降解之敷料支架材料的促進傷口癒合作用12。
Gür 等人的研究發現藻藍素和螺旋藻粗萃取物 (crude spirulina extract, PSE) 直接提高大鼠皮膚傷口表面的修復能力，其在來自人類角質細胞 (keratinocyte) 的體外試驗中發現在濃度33.5 μg/mL 時呈現出最佳的角質細胞生長刺激作用，而在大鼠產生的圓形全層皮膚傷口體內試驗中則發現1.25%的藻藍素顯示出明顯提升傷口組織癒合的能力；並有研究推估角質細胞 (keratinocytes) 的刺激是螺旋藻粗萃取物可能提升傷口修復過程的一種機制，且從螺旋藻粗萃取物分離而來的鈣藻膠 (calcium spirulan, Ca-SP)，可能與透過內源性鹼性纖維母細胞生長因子 (basic fibroblast growth factor, BFGF) 以及血管內皮損傷修復過程中血管內皮細胞的增殖相關13。
肆、目前藻藍素之應用與市場
已知藻藍素在許多國家中已被作為食品以及化妝品製造工業的天然添加物，如在口香糖、乳製品、果凍及口紅、眼線膏中當作著色劑，並朝向取代化學合成品之目標研發中。還可作為生物醫學研究試驗中的螢光標記物 (phycofluor probes) 而應用在免疫診斷 (immunodiagnostics) 上14。另外在健康食品 (health food) 的市場中，更是普遍被許多生技公司開發，且列為主打商品在市場上大量行銷中。近年來，一些大型藻類 (例如：紅藻門、綠藻門和褐藻門) 的醫療應用範圍已囊括外傷敷料的領域，如藻類敷料 (alginates hydrofibers) 等15。
伍、結論
目前已經歷數百年探究之陸地天然物資源，至今仍舊無法滿足人類許多預防與治療疾病藥物的研發。更艱困的狀況是當今人類已經面臨陸地資源即將有開發殆盡之慮，儼然藥物開發重點對象已經漸漸轉移到具豐富多樣且特殊演化的海洋生物資源上頭。已有許多回顧性文獻支持上述論點，指出海洋生物體內所含之化學物質確實與陸地生物所含化學成分有相當顯著的差異，而這些多樣性的化合物將成為藥物研發的重要基礎及來源。目前國內有關藻然素之研究著重於螺旋藻培養條件之建立、產量與穩定度之提升，分離純化後的結構與活性間關係 (structure - activity relationship, SAR)，及抗氧化、抗發炎等保健功效等，而抗腫瘤 (anti-tumor) 以及促傷口癒合功效之研究則較為少見，故更值得引發興趣，而進一步去探究。
Biotechnological And Applications of C-phycocyanin
Yu-Hong Shen1, Shu-Juan Su1, Li-Chai Chen2
Division of Pharmacy, Zuoying Branch of Kaohsiung Armed Forces General
Hospital1Department of Pharmacy and Graduate Institute of Pharmaceutical Technology, Tajen University2
Abstract
C-phycocyanin is a phycobiliprotein that has been recently reported to exhibit a variety of pharmacological properties. The present paper reviews the literature on recent studies uses algae and Spirulina platensis. The paper covers the latest development on the biotechnological applications of C-phycocyanin. Their application as the component of antibacterial, antioxidant, anti-inflammation, immune enhancing, anti-tumor and wound healing effect discussed. This review describes recent findings about the potential industrial applications in diagnostics, foods, cosmetics, and pharmaceutical industries to showcase the immense competence of microalgal uses as apotential and promising source of novel compounds.
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