茶資源在生物醫學領域的應用

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1茶的主要成分

多酚物質是一類具有三元黃烷環結構的化合物，廣泛存在于多種植物的果、籽、皮和葉中，發揮著重要的生物功能并調控自然生態系統中植物-凋落物-土壤循環過程的交互作用。由于這些從植物中提取的物質，早期廣泛用于將動物皮轉變為皮革的制革工藝中，故又名植物單寧。多酚化合物可進一步分為兒茶素（黃烷醇類）、黃酮、黃酮醇、花青素及酚醛等，它們為人類食用或飲用的茶、咖啡、水果汁、葡萄酒和蔬菜等提供芳香和澀感等風味，其所產生的對人類健康的多種積極有益效應與多酚的化學結構和化學活性緊密相關，這反應在各種多酚化合物清除自由基或與Fe3+、Cu2+、Zn2+、Cr3+等金屬的絡合以避免產生自由基的抗氧化性研究上，但多酚苯環上相鄰2個或3個羥基的化學活性也使多酚類物質易于發生氧化作用，從而增加了多酚類物質結構的復雜性。茶葉中的多酚類物質（簡稱茶多酚）含量豐富，可達茶葉干重的30%。兒茶素類（Catechins）是茶多酚的主體，其組成包括表兒茶素（Epicatechin,EC），沒食子兒茶素（Gallatecatechin,GC），表兒茶素沒食子酸酯（Epicatechingallate,ECG）,表沒食子兒茶素沒食子酸酯（Epigallocatechingallate,EGCG），表沒食子兒茶素（Epigallocatechin,EGC）和沒食子兒茶素沒食子酸酯（Gallocatechingallate,GCG）等多酚化合物。鑒于其存在幾何和旋光異構體以及易氧化和制茶的發酵過程中的復雜反應性，茶多酚實際是一類組成非常復雜、具有不同分子量和極性與結構差異很大的多元酚的混合物，在茶葉加工過程中氧化形成具有苯并卓酚酮結構的茶黃素類化合物以及結構更為復雜的茶紅素類化合物。由于兒茶素類物質結構的復雜性和多酚的反應活性，其分離、純化和結構的確認一直是國內外相關領域學者持續關注的研究課題；而對茶多酚化合物的生物活性相關的抗氧化性、細胞分子生物學以及基于腫瘤動物模型開展的抑制癌癥發生等方面的研究，更為茶的多種健康有益效應提供了科學依據。

2茶的健康有益效應

作為一種歷史悠久的飲品，茶的健康有益效應受到廣泛的關注，并逐漸被賦予科學的內涵。事實上，已有研究揭示，食用茶多酚或飲用茶水后，在血液和尿液中可檢測到與攝取量關聯的多酚或代謝物的濃度。目前，國內外已開展了大量的流行病調查統計研究，豐富的資料顯示飲茶具有多種健康有益效應，這些健康有益效應不僅吸引了廣泛的基礎生物醫學研究，而且相關基于茶水或其主要健康有益組分開展的細胞和動物實驗為進一步認識茶的健康有益效應提供了科學依據，并推動了茶資源在生物醫學上的應用研究。

2.1癌癥的預防

迄今為止，相關的細胞和動物實驗都證實：茶葉及其提取物均具有防癌抗癌的功效。癌癥需要蛋白水解酶以侵入細胞并形成轉移，而這些酶中最關鍵的就是尿激酶（Urokinase,uPA），uPA能降解細胞外基質，激活多種基質金屬蛋白酶，引發腫瘤細胞的侵襲、擴散和轉移,在惡性腫瘤的侵襲轉移過程中發揮著極其重要的作用。一般而言，uPA在多種惡性腫瘤中均呈高表達。小鼠動物實驗的研究揭示,抑制uPA的表達可以減少癌癥小鼠的腫瘤尺寸，乃至使癌癥小鼠完全痊愈，如阿米洛利就是一種尿激酶的有效抑制劑，但其使用伴隨有毒副作用；對比的實驗數據也證明，茶多酚尤其是茶多酚中的EGCG能通過抑制酶的活性和阻斷信號傳導通路，可有效阻止腫瘤細胞的增殖，促進其凋亡，進而可抑制腫瘤細胞的侵襲、血管化發展和轉移，因此，雖然EGCG相比阿米洛利對uPA的抑制作用要低，但其無毒副作用，加大其用量或提升其生物利用度，有望產生積極的預防或治療效果。目前，茶資源在口腔癌癥的預防上已取得積極的進展，Tsao等的研究揭示,綠茶提取物可通過阻止血管生成，產生抑制口腔癌前病變的效果,并且這一效應具有與綠茶提取物使用劑量呈依賴關系。

2.2心血管疾病的預防

除了具有防癌抗癌的功效之外，茶中的有效成分還具有預防心血管疾病的功效。2013年美國營養學會《美國臨床營養》雜志發表了“飲茶與心血管疾病風險”的文獻分析文章，這篇涉及57篇文獻的分析結果表明飲茶有助于降低中風等心血管疾病的發生。綠茶中的主要多酚化合物兒茶素，是通過多種機制來發揮血管的保護作用，主要包括抗氧化、抗高血壓、抗炎、抗增殖、抗血栓以及降脂作用。有研究表明每天喝1~2杯紅茶可抑制由銅離子誘發的低密度脂蛋白（LDL）的氧化，而飲用綠茶可以增加生育酚和β胡蘿卜素的濃度，從而抑制巨噬細胞介導的LDL的氧化，均可降低患動脈粥樣硬化的危險性。Raederstorff等采用高脂飲食喂養Wistar大鼠，研究了EGCG對大鼠血脂水平的影響，結果表明用含1％EGCG的飲食喂養的大鼠，其TC和LDL水平顯著降低，而血漿中甘油三酯以及高密度脂蛋白（HDL）水平卻沒有顯著性改變。Inami等在40名健康志愿者的身上就兒茶素對血漿中氧化修飾的LDL的影響進行了研究，4周后發現兒茶素組中氧化修飾的LDL水平明顯降低。馮磊光等對100例高血脂癥及血液流變學異常的患者進行了研究，患者服用茶色素1個月后，其血液的血漿黏度、低切黏度和纖維蛋白原都明顯降低。同時，兒茶素可以抑制二磷酸腺苷、提高卵磷脂膽固醇脂酰基轉移酶（LCAT）的活性和HDL水平，調節脂蛋白和載脂蛋白水平，加速膽固醇代謝以及促進膽固醇排泄來調節總膽固醇代謝等，同時可以降血脂。這些研究結果都表明茶及其有效成分對血管功能有著廣泛的健康有益效應。

2.3結石的預防

結石是人體病理性礦化導致的一種常見疾病，飲茶對結石的預防具有積極的效果。1998年發表在《AnnalsofinternalMedicine》的研究報道稱，在81093個年齡40~86歲的女士自愿者中，每天飲用一杯茶水，得結石病的風險下降了8%；而男士得結石病的幾率更下降到14%。2006年在《JournalofEndourology》雜志發表了題為“綠茶對尿道結石形成的影響：體內和體外實驗研究”，分別采用NRK-52E細胞培養和小鼠動物實驗評價了草酸鹽的毒性以及不同濃度茶主要健康有益組分EGCG的抗草酸毒性和飲用綠茶對小鼠形成腎結石的影響。研究結果表明，茶的EGCG可抑制草酸鹽產生的細胞毒性，小鼠喂食綠茶后，可抑制草酸引發產生自由基，降低尿中草酸的排泄以及γ-谷氨酰轉肽酶和N-乙酰氨基的活性，產生抑制尿道結石的效果。人體結石是一種病理性礦化形成的鈣鹽，其礦物質相中70％～80％的組成為草酸鈣鹽，其中能聚集長大形成結石的草酸鈣主要是一水草酸鈣。二水草酸鈣與細胞上皮組織的粘附性差，常隨排尿而排出體外。由于茶葉含有草酸，故一般認為茶為結石患者的禁忌物，但上述流行病學調查結果以及細胞和動物實驗結果均表明，飲茶具有抑制結石形成的功效。2010年發表的綠茶提取物調控草酸鈣結晶的研究論文，從結晶學的角度闡述了綠茶抑制人體結石形成的原因，受到了學界和社會的廣泛關注。

2.4茶的其他有益效應

Wang等研究綠茶中的兒茶素對身體多部位的影響，其研究結果表明：每天飲用低咖啡因、高兒茶素含量的綠茶（500~900毫克綠茶兒茶素），堅持90天可產生積極的減肥效果。文獻報道茶的健康有益效應非常廣泛，如茶多酚可以降低心臟疾病的發生。除此之外，茶黃素等有效成分還具有抗菌消炎等作用，在口腔保健以及預防骨質疏松等方面也有很大的價值。

3茶資源的應用

基于茶的健康有益效應和多酚類物質的化學活性，在茶深加工的基礎上，全價值利用茶資源受到了廣泛的關注。當前，茶資源在傳統輕化工領域的應用正不斷得以拓展，而其在健康、生物醫學和新材料等領域的研究將有望革命性地提升茶資源的價值，相關方向主要包括：基于茶健康有效成分的各類保健品、藥物、輔助增強高效藥物智能載體、組織修復用生物材料、生物傳感器以及納米功能材料和環境凈化新材料等。

3.1輕化工和健康領域

茶的深加工促進了茶產品的多樣化發展，目前已經形成了包括固態速溶茶、濃縮茶汁、茶糖果和茶糕點等產品。拓展茶資源在輕化工和健康領域的應用，涉及對茶功能成分的提取，如茶多酚、茶黃素、茶褐素、茶氨酸和茶多糖等，形成相應的精加工產品體系，以推動茶資源在食品抗氧化劑、食品功能助推劑和化妝品等方面的應用。其中，茶多酚有抗氧化、抑制和殺滅細菌等作用，在傳統輕化工領域的應用較為廣泛，如可將其用于水果和蔬菜保鮮，飲料、糕點及乳制品的生產，防止化妝品變質，延長使用時間，解除重金屬毒害等；形成的茶保健產品包括茶多酚膠囊、減肥膠囊、解酒膠囊等。針對茶多酚如EGCG抗氧化劑雖有優異的抗氧化能力，但存在脂溶性較差、生物利用度低的不足，相關的改性修飾及應用研究正發展成為利用茶資源的一個重要方向。如馮博文等對比研究了EGCG脂質體與目前食用油脂中常用的叔丁基對苯二酚（TBHQ）合成氧化劑對葵花籽油氧化穩定性的影響，氧化穩定指數法評價結果顯示，加入EGCG脂質體在一定程度上可提升葵花籽油的氧化穩定性，在葵花籽油中加入含量為200mg/kgEGCG的脂質體可獲得加入100mg/kgTBHQ的抗氧化效果。該研究表明，采用天然的茶多酚抗氧化劑，可增強葵花籽油的抗氧化性能，延長其貨架期和儲藏時間。

3.2生物醫用領域

茶資源在生物醫用領域有著廣泛的應用前景，尤其是近年來，基于茶多酚的生物醫學研究呈現出蓬勃發展的趨勢，其相關方向具體涉及深化對茶健康有益功效的認識、茶功能組分的高純提取以及對茶組分的有效功能應用和通過綠色加工技術獲得的高技術生物醫用制品等。茶多酚的藥用尤其是抑癌和抗癌受到持續的關注。2009年有關綠茶提取物預防口腔癌癥的研究表明，綠茶提取物（GTE）可以有效的預防口腔癌癥，而以綠茶提取物作為抗癌前藥的藥物研發已進入II期臨床試驗階段，并取得了積極的效果。2014年最新發表的論文報道了采用茶多酚提取物輔助增強抗癌藥物的研究工作，將EGCG與抗乳腺癌的蛋白類藥物赫賽汀（Herceptin）復合，再經聚乙二醇修飾，形成納米載藥膠束。細胞實驗和動物實驗結果表明，相比單純的蛋白抗癌藥物，由EGCG構建的納米載藥膠束具有更好的抗癌效果，在上述采用EGCG與Herceptin組裝形成載藥膠束的過程中，EGCG實際上是一種EGCG的寡聚物。事實上，在2013年就已有研究論文報道，借助茶多酚的氧化偶聯自聚，組裝形成表面孔結構豐富的環境響應性功能球，形成的中空球可廣泛用于生物染料和抗癌藥物等客體分子的智能輸送等。在這些抗癌藥物載體的研究中，茶多酚自身的抗癌前藥功效，都受到了相應的重視。可以預料這些前沿的研究，將進一步推動茶資源在生物制藥和靶向抗癌載體方面的應用。隨著社會進入老年化時代，骨質疏松癥將會是影響人類生活質量的一種常見疾病。正常狀態下，人體骨骼中的成骨細胞和破骨細胞的活動處于平衡狀態，進入老年后，破骨細胞的功能趨于活躍，這將導致骨骼變脆、骨骼量減少，引發骨質疏松癥。2015年最新發表的采用骨質疏松癥動物模型的研究揭示，茶黃素具有抑制破骨細胞的功能，可有效改善動物的骨質疏松癥狀。此外，調控人體結石的主要成份草酸鈣的體外結晶學研究也揭示，茶多酚可抑制一水草酸鈣的形成，所以茶具有預防結石形成的功效。以上涉及骨質疏松癥和結石形成的研究將有望利用茶資源開發出相關的健康用品和治療藥物，獲得預防乃至治療人體病理性礦化關聯的疾病效果。針對茶的功能組分，構建適宜的載體材料，以提高茶多酚的生物利用度，對于實現茶組分的功能效應具有重要的價值。這類茶多酚載體材料一般采用具有良好生物相容性的醫用高分子和無機材料來構建，如2008年發表的論文就報道了一類茶多酚鈣基無機載體材料的制備，該研究采用雙噴嘴技術，對鈣鹽溶液和含有茶提取物的碳酸鹽或磷酸鹽溶液進行混合成粒，形成載有茶多酚的載體材料，實現了對多類茶多酚單體較高的包封率。此外，當前發展新型的生物功能材料的研究，也是利用茶資源的另一個熱點方向。Fei等利用茶多酚組裝獲得具有核殼結構的納米材料，通過選擇采用不同的金屬元素，可獲得不同波段的自發光功能，可應用于生物影像和輸送客體物質等；2012年發表的研究報道了一種尺寸可控的、在低pH值下穩定性極佳的EGCG納米金顆粒，這些納米粒子作為抗癌藥物載體可增強藥物的抗腫瘤活性，尤其適合應用于胃腸環境。

3.3其他材料領域

利用茶多酚的化學特性，發展綠色的化學合成方法制備功能材料，進一步展示了對茶資源的全價值應用。Nadagouda等報道了在室溫下用茶提取物高效合成貴金屬納米粒子的研究，所得到的銀和鈀等納米粒子的粒徑僅為20~60nm，該技術不涉及使用表面活性劑、封端劑或有機模板等化學物質，方法簡單、環保、高效，也適宜于制備其他如金和鉑等貴重金屬納米粒子。上述方法是利用多酚物質的還原特性來高效合成金屬納米粒子，而利用其抗氧化性還可以獲得新型的高效傳感器，如結合茶EGCG的抗氧化性和單壁碳納米管（SWNT）獨特的電響應特性，就可構建出具有對活性氧響應的SWNT/EGCG復合材料，該類復合材料可潛在用作化學和生物傳感器。此外，由茶提取物組裝構建的多酚球，表面孔結構豐富，預計在環境治理、空氣凈化以及作為化工填料方面均有著良好的應用前景。

4展望

茶是一種人類長期飲用的健康飲品，茶的兒茶素類多酚物質的生物學效應以及對人體產生的積極有益效應已經過幾千年飲用歷史的驗證，非當前研發一種生物材料或藥物短短幾年或幾十年涉及基礎、臨床前和臨床使用的時間可比擬。國內眾多專注茶業的研究機構在提升我國茶質量、推動茶這一健康飲品的使用、深入研究茶多酚及其各類氧化衍生物并揭示其基礎生物醫學效應、乃至純化和應用茶多酚等方面都做了長期和系統的工作，在茶多酚純化、衍生物結構確認和流行病理學研究上所取得的成就受到國際學術界的廣泛認可。隨著當前對兒茶素類植物多酚研究的深入、現代分離純化分析水平的進步以及人工合成多酚化合物的發展，可以預見在不久的將來，基于兒茶素類植物多酚化合物的健康品、生物藥物和生物醫學材料的研究會取得突破性的進展。茶是一種再生植物，我國是茶的發源地、消費大國，也是提取茶多酚原料的出口大國，因此，利用天然可再生的茶多酚開展健康關聯保健品、藥物和生物材料的研究，具有重要的意義和價值。

作者：張懷英 任肖湘 馬曉敏 李旭東 單位：國家生物醫學材料工程技術研究中心 四川大學生物材料工程研究中心