全 文 ：生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第 20卷 第 2期
2008年 4月
Vol. 20, No. 2
Apr., 2008
螺旋藻藻蓝蛋白光敏作用的研究进展
范 敏1，王雪青1*，段开红2，庞广昌1
(1天津市食品与生物技术重点实验室，天津商业大学生物技术与食品科学学院，天津 300134；
2内蒙古农业大学生物工程学院，呼和浩特 010018)
摘　要：螺旋藻是一种广泛养殖的丝状体蓝藻。从螺旋藻中提取的藻蓝蛋白具有抗肿瘤和增强免疫等
多种生物学功能，作为光敏剂，藻蓝蛋白可应用于肿瘤治疗。本文阐述了藻蓝蛋白的结构、光动力
疗法的原理和藻蓝蛋白光敏作用的研究进展，并介绍了藻蓝蛋白在光动力疗法中的应用现状与前景。
关键词：螺旋藻；藻蓝蛋白；光动力疗法；光敏剂
中图分类号：Q949.225; Q946.1　　文献标识码：A
Progress of the studies on photosensitization from Spirulina phycocyanin
FAN Min1, WANG Xue-qing1*, DUAN Kai-hong2, PANG Guang-chang1
(1 Tianjin Key Laboratory of Food Biotechnology, College of Biotechnology and Food Science, Tianjin University of
Commerce , Tianjin 300134, China; 2 College of Bioengineering, Inner Mongolia
Agricultural University, Huhhot 010018, China)
Abstract: Phycocyanin extracted from Spirulina possesses many kinds of biological functions including the
effects of antitumor and enhancing the immunity, etc. The phycocyanin may be used as a prosperous photo-
sensitizer and possibly applied to the photodynamic therapy of cancers. The structure, photosensitization of
phycocyanin and the principles of photodynamic therapy were mainly reviewed. And the application status
and prospects of the photodynamic therapy of the phycocyanin are introduced.
Key words: Spirulina; phycocyanin; photodynamic therapy; photosensitizer
文章编号 ：1004-0374(2008)02-0283-04
收稿日期：2007-12-24；修回日期：2008-02-28
基金项目：天津市科技攻关项目(06YFGZNC04200);
天津市科委应用基础重点项目(043804211)
*通讯作者： Email: wxqing@tjcu.edu.cn
螺旋藻(Spirulina)属蓝藻门念珠藻目颤藻科，
是一种丝状多细胞螺旋形原核藻类生物。在地球上
已有 35亿年的历史，是现存最古老的植物之一。它
具有蛋白含量高、繁殖速度快等特点，已在全世界
尤其在我国广泛养殖，来源丰富。藻蓝蛋白
(phycocyanin, PC)在螺旋藻中的含量高，是螺旋藻
细胞中重要的光合作用天然色素，在光合作用中能
以近乎100%的高效率把光能优先地传递给光系统Ⅱ。
PC 具有提高人体免疫力，促进动物血细胞再生，
抑制某些癌细胞等作用。同时 PC是一种无毒副作
用的理想光敏剂[1,2]。
光动力疗法(photodynamic therapy，PDT)是通
过光敏剂、光和分子氧在病灶区联合产生的理化作
用诱生的生物效应实现治疗目的。涉及的临床应用
范围广泛，包括肿瘤以及许多其他非肿瘤性的疾
病，如动脉粥样硬化、类风湿性关节炎等的诊断与
治疗[4]。PDT的核心问题是光敏剂。PC无毒副作
用，而且是一种很好的营养品，在人体内代谢快，
因而可成为一种新型的光敏剂。
1　藻蓝蛋白的结构和理化特性
PC的相对分子质量一般在30k左右，由两个相
对分子质量大小不同的 α和 β亚基等摩尔组成，亚
基相对分子质量都在 15k左右，在天然条件下，两
种亚基通常形成(αβ)3或(αβ)6聚合体形式[4,5]。每种
亚基是由脱辅基蛋白(apoprotein)和开链四吡咯结构
284 生命科学 第20卷
的色基组成，色基通过硫醚键与脱辅基蛋白的半胱
氨酸残基交联。P C 仅含有一种色基，即藻蓝素
(phycocyanobilin, PCB)。PCB属胆三烯类化合物，
此类化合物有两个主要吸收峰，一个在紫外区；一
个在可见区。天然的 PC在 α−84、β−84和 β−155
位上均共价结合 PCB[5-7]。PC具有的光敏特性，可
能与 PC的分子结构有关，其开链四吡咯化合物结
构见图 1，与卟啉类似 [ 8]。
分离纯化的水溶性 PC在溶液中呈蓝色，并发
出紫色荧光。殷钢等[9]研究表明，钝顶螺旋藻藻蓝
蛋白的紫外 -可见光光谱中在波长 278nm、360nm
和 620nm处有特征吸收峰。彭卫民等[10]用紫外 -可
见分光光度计测得钝顶螺旋藻藻蓝蛋白的最大可见
吸收峰为 620nm，并用荧光分光光度计测得其在室
温下荧光发射峰在 645处。
2　光动力学疗法
2.1　光动力学作用原理　光动力疗法的基础是生物
光动力敏化作用。机体接受光敏剂一定时间后，肿
瘤组织摄取和存留的光敏剂较多，经特定波长的光
照射，光敏剂吸收光并将吸收的光能转给周围的氧
分子，使它成为活性氧物质(reactive oxygen species，
ROS)，破坏组织和细胞中的多种生物大分子，最
终引起肿瘤细胞死亡，达到治疗目的。ROS产生
的机理是：无光照时，光敏剂分子处于基态 S 0，
基态光敏剂吸收光子的能量后，经单重态 S1(寿命
很短只有 10-9到 10-6秒)系间窜跃到三重态 T，受光
激发的三重态敏化剂可进行以下两种形式的反应[11,12] ：
第一种形式是经过氢原子或电子转移，直接同底物
或溶剂反应，形成自由基或自由基离子，后者可与
氧作用产生氧化产物，此型反应叫Ⅰ型(TypeⅠ)反
应；第二种形式是将能量转移给分子氧，形成单线
态氧(1O2 )。1O2是高活性的氧化剂，可使底物被氧
化，此型反应叫Ⅱ型(TypeⅡ)反应。有时也出现从
敏化剂到氧的电子转移，给出氧化了的敏化剂和O2·-，
这个过程属于Ⅱ型反应，过去常被定义为Ⅰ型反
应。Ⅰ型和Ⅱ型反应可同时出现，两者的比例受敏
化剂、底物、氧浓度以及敏化剂同底物的结合程度
的影响。光敏化反应的示意图见图 2。
PDT 治疗肿瘤的作用机制很复杂，概括起来主
要有 3种作用机制[13,14] ：首先，PDT生成的 ROS成
分特别是单线态氧能够直接杀死肿瘤细胞(诱导细胞
凋亡或坏死) ；其次，PDT能够激活机体的抗肿瘤
免疫反应；再次，PDT还能够损伤与肿瘤相关的
脉管系统，破坏肿瘤内微血管引起肿瘤细胞缺氧致
使肿瘤缺血性死亡。肿瘤细胞死亡是诸多影响最终
的综合结果。对于肿瘤的长期控制和治疗，所有这
些机制都是必需的。
与传统的化学疗法、手术疗法和放射疗法相
比，PDT有下述优点[11，15] ：相对的非侵入性治疗，
可以准确定位目标肿瘤组织，治疗比较彻底，无
痛；可协同性，复发率低，对多数较早期的癌症
可达到根治目的；无总剂量限制可以重复给药；整
个治疗过程不会或只带来很小的疤痕；操作相对方
便并且副作用很小等。近 20年来 PDT疗法治癌的
研究已经取得了令人瞩目的成就[14]，但当前有待解
决的问题是找到一种对肿瘤组织有较高亲和力，方
便给药，对皮肤毒副作用小的光敏剂。
2.2　光敏剂　光动力疗法的提出、发展及应用都
是随着相关光敏剂的发展而逐渐完善的。这领域中
常用的光敏剂是一种能吸收和重新释放特定波长光
的卟啉类分子，具有四吡咯基结构。光敏剂可以选
择性地富集在特定的组织，在紫外或可见光的激发图1　藻蓝素的结构[8]
图 2　光敏化Ⅰ型与Ⅱ型反应的示意图[12]
285第2期 范 敏，等：螺旋藻藻蓝蛋白光敏作用的研究进展
下能产生光动力效应而破坏靶细胞。理想的光敏剂
必须满足以下的条件[16,17] ：(1)对肿瘤细胞比对正常
细胞有更强的亲和力，因而主要在病灶部位富集；
(2)吸收光后高效产生自由基或活泼态氧，从而实现
对肿瘤细胞的杀伤；(3) 能从正常组织内迅速清除，
毒副作用小或无；(4) 所需的光波长范围能最大限度
穿透组织到深层；(5) 纯度高。目前临床应用的血
叶琳类衍生物只能用于浅表层的肿瘤，对肿瘤靶体
的选择性有限以及由于代谢慢而导致严重的光敏副
作用。高效、低毒选择性好的新型光敏剂成为人们
大力寻求的目标。C-藻蓝蛋白(C-PC)是首先证明有
光动力功能的藻胆蛋白。1989年，美国专利介绍
应用C-PC作为光敏剂处理动脉粥样硬化的离体实验
和移植肿瘤的动物实验，报道了 C-PC对血管内的
硬化斑具有显著的清除作用，对移植癌细胞有显著
的杀伤效果。采用 DMPO作为自旋捕集剂，经电
子自旋共振自旋捕集技术(ESR-spin trapping)可以明显
观察到CP的氧饱和水溶液中能形成O2·-和 ·OH [18,19]。
PC的太阳光光敏反应较弱,引起皮肤光毒性也就相对
较小。在治疗波长也有很强的吸收，而在其他的波
长则相对吸收较弱或没有吸收。实验证明其光敏杀
伤肿瘤细胞作用强。所以，比较适合开发成新型光
敏药物，用于肿瘤光动力治疗。
3　藻蓝蛋白的光敏作用
3.1　PC光敏作用实验研究　早在 1988年，Morcos[20]
用含 0.25mg/mL PC处理小鼠骨髓培养细胞，经
514nm激光照射 300J /cm2 ，发现细胞存活率仅
15%，而单纯采用激光照射或PC处理的细胞存活率
达 69%或 71%。1995年，蔡心涵等[21]分别采用浓
度为 100µg/mL、50µg/mL和 25µg/mL的 PC1640培
养液处理大肠癌细胞株HR-8348，用波长为 630nm
的脉冲铜激光照射细胞。培养 24h后用MTT法测得
细胞存活率分别为 22.1％、37.6％和 89.7％，各不
同浓度间 P值均<0.001，有良好的线性关系。证明
PC的确具有光敏作用。1995 年，蔡心涵等[22]用
S180 移植瘤小鼠，分别以 PC 注射(2mg)和口服
(20mg)，再经铜激光照射瘤体 15d，有效率分别为
50％和 53％，与仅照激光 /不加 PC和不照射光 /不
加 PC的对照组比较，均具显著差异，而注射与口
服组间则无差异。通过照射前后瘤重的比较，可得
与空白对照组比肿瘤生长速度明显减缓。
3.2　PC色素肽光敏作用实验研究　黄蓓等[23]从螺
旋藻中提取 PC用胰酶进行酶解分离出三种色素肽,
用MTT法及吖啶橙染色法检测色素肽对体外培养的
小鼠肉瘤细胞 S180及荷瘤小鼠 PDT作用效果：(1)
对 S180细胞生存率影响的研究结果：色素肽 CCP1
－ CCP3三个片断均有较好的 PDT作用效果，明显
强于C-PC聚集态对肿瘤细胞的杀伤力。从CCP1－
CCP3酶解片断之间比较看来，CCP1与CCP3的PDT
的杀伤效果占优势：在 100µg/mL浓度时，对 S180
细胞生存率的影响为 19.8%－ 23%，CCP2较弱；
在 100µg/mL浓度时，对肿瘤细胞生存率影响为 54.
6%。从对细胞直接伤害方面来看，CCP3最强，在
浓度范围 25－ 100µg/mL，CCP3本身对 S180细胞
杀伤效力为 41%－ 31.8%，而 CCP1在同样浓度范
围仅为 98.2%－ 60.8%。(2)移植瘤抑制作用：在激
光照射剂量为 120J/cm2，光敏剂在瘤体旁注射量为
50µg/个(瘤体)，瘤体大小在直径为 0.5－ 0.7cm范
围内，CCP1和 CCP3在照射后 7d的抑瘤率分别为
46%和 81%。CCP3因含有小分子量的 PCB色素肽
其杀伤效果最强，CCP1抑瘤率小于 50%。
3.3　PC与其他藻胆蛋白光敏性质的比较实验　李冠
武等[24]比较了藻红蛋白(phycocer ythr i n，PE )、
PC、别藻蓝蛋白(allophycocyanin，APC)三种藻胆
蛋白和血卟啉衍生物的光毒性。各光敏剂分子在碘
钨灯的辐照和太阳光照射下，对细胞的杀伤能力与
各光敏剂总的光吸收成正相关。光敏剂血卟啉衍生
物(HPD)、光敏素Ⅱ(PhotofrinⅡ)与藻胆蛋白之间
的差异没有理论上那么大，但实验基本能够反映藻
胆蛋白的光敏毒性相对于HPD和 PhotofrinⅡ 要小
得多。结果和理论分析均证明 PE的太阳光光敏毒
性较其他 2种藻胆蛋白要强，但较血卟啉衍生物要
弱得多。在 3种藻胆蛋白中，APC的太阳光毒性最
小。此外，实验结果远较理论分析得到的差别要
小，这可能与各自在溶液中的微环境有关，包括对
氧气的溶解度、光敏剂分子的聚集态程度以及对光
照发热的性质等未明了的因素有关。
4　展望
20世纪70年代中期以来，墨西哥、美国、日本、
以色列、中国等都已相继建立了螺旋藻生产工厂。据
统计，1983年世界螺旋藻的年产量为1 000t，1994年
已达到 2 000t左右，翻了一番，近年来产量逐渐增
加。螺旋藻含有极其丰富的营养成分，被联合国粮
农组织推荐为“人类明天最理想的食品”，其蛋白
质含量高达 50%－ 70%，是一种极好的蛋白源, 而
其中PC的含量可达细胞干重的25%－ 28%。 PC是
286 生命科学 第20卷
螺旋藻中重要的活性物质，国内外研究表明，螺旋
藻及其活性成分在功能性食品、药物研究与开发方
面有着广阔的应用前景[25]。用PC作为肿瘤光动力治
疗的光敏剂，资源丰富，价格便宜。因此，PC作
为光敏剂将在光动力疗法中展现良好的应用前景。
[参　考　文　献]
[1] 曾繁杰, 林启山, 朱立平. 红藻芸紫菜中R-藻蓝蛋白的分
离和特性.生物化学与生物物理学报, 1992, 24(6): 545-55
[2] Glazer AN. A macromolecular complex optimized for light
energy transfer. Biochim Biophys Acta, 1984, 768:29-51
[3] 田媛媛. 应用光动力治疗肿瘤.国际学术动态, 2005, 1: 19
[4] 易国良, 蒋丽金. 藻蓝蛋白生物合成的模型反应. 化学学
报, 1991, (49): 94-7
[5] 王广策, 邓 田, 曾呈奎. 藻胆蛋白的研究概况(Ⅰ)-藻胆
蛋白的种类与组成. 海洋科学, 2000, 24(2): 22-5
[6] 王广策, 邓 田, 曾呈奎. 藻胆蛋白的研究概况(Ⅱ)-藻胆
蛋白的结构及其光谱特性.海洋科学, 2000, 24(3): 19-21
[7] Anil K, Padyana S. Ramakumar.Lateral energy transfer model
for adjacent light-harvesting antennae rods of C-phycocyanins.
Biochim Biophys Acta, 2006, 1757: 161-5
[8] 张文雄, 梁 宏, 覃海错, 等. 螺旋藻中藻蓝素的提取研究.
精细化工, 1999, 6: 40-2
[9] 殷 钢, 李 晖, 何清华, 等. 螺旋藻中藻胆蛋白和多糖的分
离纯化及产品特性. 精细化工, 1999, 2: 10-3
[10] 彭卫民, 商树田, 傅友兰, 等. 钝顶螺旋藻藻胆蛋白性质
的研究.中国农业大学学报, 1999, 4(增刊) : 35-8
[11] Ackroyd R, Kelty C, Brown N, et.al.The history of
photodetection and photodynamic therapy.Photochem
Photobiol, 2001, 74: 656-69
[12] Foote CS. Definition of typeⅠ and typeⅡ photosensiti-
zeoxidation. Photochem Photobiol, 1991, 54: 659
[13] 章申峰, 龚兴国. 光动力疗法对肿瘤的作用机制及其影响
因素. 细胞生物学杂志, 2005, 27: 395-9
[14] 翟　燕, 韩光范. 光动力学疗法治癌光敏剂的研究进展.
中国激光医学杂志, 2006, 1: 48-55
[15] Nyman ES, Hynninen PH. Research advances in the use of
tetrapyrrolic photosensitizers for photodynamic therapy.
Photochem Photobiol B: Biology , 2004, 73: 1-28
[16] Anstey A.Photodynamic therapy. Medicine, 2004, 12(32):
24-5
[17] 汲振余, 禹丽娜, 杨观瑞, 等. 肿瘤光动力学疗法的机制.
世界华人消化杂志, 2005, 13(15): 1879-84
[18] He JA, Hu YZ, Jiang LJ. Photodynamic action of
phycobiliproteins: in situ generation of reactive oxygen
species. Biochim Biophys Acta, 1997, 1230: 165-74
[19] Zhang SP, Xie J, Zhang JP, et.al.Electron spin resonance
studies on photosensitized formation of hydroxylradical by
C-phycocyanin from Spirulina platensis. Biochim Biophys
Acta, 1999, 1426: 205-11
[20] Morcos NC. Phycocyanin: laseractivation, cytotoxic effects,
and uptake in human atherosclerotic plaque.LaserSurgMed,
1988, 8(1): 10-7
[21] 蔡心涵, 何立明, 郑　树, 等. 藻蓝蛋白(Phycocyanin)-铜
激光对大肠癌细胞株HR-8348的杀伤效应. 肿瘤防治研
究, 1995, 22(1): 19-21
[22] 蔡心涵, 郑 树, 何立明, 等. 藻蓝蛋白用于激光治癌的研
究. 中华实验外科杂志, 1995, 12(5): 290-1
[23] 黄 蓓, 王广策, 李振刚. 藻蓝蛋白色素肽光动力学抗肿瘤
作用的实验研究. 激光生物学报, 2002, 11(3): 194-8
[24] 李冠武, 吴健谊, 陈爱云, 等. 藻胆蛋白与卟啉衍生物光敏
剂的光毒性比较. 汕头大学医学学报, 2005, 18(4): 193-9
[25] 郝 玮, 潘 凌. 螺旋藻藻蓝蛋白生理活性的研究进展. 医
学综述, 2006, 12(2): 111-3
化学所模拟生物分子螺旋结构取得新进展
在中国科学院“百人计划”项目和国家自然科学基金委的支持下，中科院化学研究所光化学院重点
实验室江华课题组与欧洲化学生物学研究所(法国)的科研人员合作在超分子自组装研究中取得了新进展，成
功地合成了一系列具有螺旋结构的喹啉酰胺寡聚物，相关研究工作发表在近期的Angew Chem Int Ed (2008,
47: 1715-8)上。
研究人员通过片段加倍合成法，成功地合成了分别含有 2,4,8个喹啉酰胺结构单元的寡聚物。这些寡
聚物通过分子内 F---NH和N---NH氢键自组装成为单、双螺旋和四螺旋超分子体系。研究表明无论是在晶
体中，还是在溶液中，这些多肽寡聚物都呈现相同的螺旋结构。研究人员还发现单螺旋必须通过增加螺
旋间的距离才能够组装成为双螺旋超分子体系，并在此基础上提出了多螺旋结构形成的弹簧伸展原理。这
和短杆菌肽(Gramicidin D)有着十分相似的自组装机理。这些研究结果为探索合成新型人工合成折叠分子及
其超分子结构提供了新途径。论文被接受后不久，Angew Chem Int Ed把该论文选为Hot Paper。
在自然界中，许多天然生物大分子都采用螺旋或多螺旋结构。近年来，设计合成人工折叠螺旋化合
物来模拟DNA和蛋白质等生命物质的结构和性质有着十分重要的意义，是超分子化学领域中一个富于挑战
性的研究课题。
摘自 http://www.cas.ac.cn
·简　讯 ·