環(huán)黃芪醇的應(yīng)用及結(jié)構(gòu)修飾的研究進(jìn)展＊

楚治良，高春芳，劉 欣，張 靜，郭宇冰，韓 靜

環(huán)黃芪醇屬于環(huán)菠蘿烷型四環(huán)三萜類化合物，分子式為C30H50O5，目前報(bào)道可以通過黃芪甲苷制得［1］。 2009 年，VALENZUELA 課題組［2］報(bào)道了環(huán)黃芪醇可以激活端粒酶的活性延緩細(xì)胞衰老，這一特有的藥理學(xué)活性，使環(huán)黃芪醇成為藥物學(xué)家們研究的熱點(diǎn)。該文對(duì)環(huán)黃芪醇的應(yīng)用及結(jié)構(gòu)修飾相關(guān)研究進(jìn)行了總結(jié)，為開展環(huán)黃芪醇類衍生物的藥理學(xué)活性研究提供理論依據(jù)。

1 環(huán)黃芪醇醫(yī)學(xué)生物學(xué)作用

1.1 抗衰老作用衰老是機(jī)體隨年齡增長(zhǎng)各組織和器官功能發(fā)生退行性變的結(jié)果，是必然的生命過程。研究表明，細(xì)胞內(nèi)端粒體的縮短可引起細(xì)胞衰老［3］，那么激活細(xì)胞內(nèi)的端粒酶，就可以延長(zhǎng)端粒長(zhǎng)度，增加細(xì)胞分裂次數(shù)，從而減緩衰老［4，5］。環(huán)黃芪醇是現(xiàn)今唯一發(fā)現(xiàn)的端粒酶激活劑，具有很好的抗衰老作用［6］。 2012 年，曹艷玲等［7］采用 D-半乳糖致小鼠衰老模型，對(duì)環(huán)黃芪醇抗衰老作用機(jī)制進(jìn)行了科學(xué)探究，結(jié)果表明環(huán)黃芪醇具有很好的抗小鼠衰老作用，其作用機(jī)制可能與提高總超氧化物歧化酶活性和總抗氧化能力，降低丙二醛含量，增加羥脯氨酸含量有關(guān)。2014年，WEISS等［8］在 20名藥物實(shí)驗(yàn)志愿者中評(píng)價(jià)了環(huán)黃芪醇在抗衰老方面的有效性和耐受性，結(jié)果顯示20名藥物實(shí)驗(yàn)志愿者服用含有環(huán)黃芪醇的制劑后，可以顯著減少他們可見的衰老跡象。

1.2 抑制腹主動(dòng)脈瘤作用腹主動(dòng)脈瘤通常是指腹主動(dòng)脈呈瘤樣，是一種退行性疾病，慢性炎癥是其最主要的致病因素。2019年，Wang等［9］采用彈力蛋白酶誘導(dǎo)小鼠腹主動(dòng)脈法建立腹主動(dòng)脈瘤小鼠模型，對(duì)環(huán)黃芪醇抑制腹主動(dòng)脈瘤的作用機(jī)制進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，環(huán)黃芪醇通過下調(diào)MAPKs信號(hào)通路發(fā)揮抑制腹主動(dòng)脈瘤的作用，從而減弱氧化、炎癥、VSMC表型轉(zhuǎn)換、細(xì)胞凋亡和MMPs的表達(dá)，增加彈性蛋白的生物合成。

1.3 抗炎和抗氧化應(yīng)激作用氧化應(yīng)激是機(jī)體內(nèi)氧化與抗氧化二者失衡的結(jié)果，氧化應(yīng)激可以誘發(fā)炎癥反應(yīng)，炎癥也可誘發(fā)氧化應(yīng)激反應(yīng)。2015年ZHAO等［10］報(bào)道了，環(huán)黃芪醇可以抑制活性氧自由基關(guān)聯(lián)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)，主要通過調(diào)節(jié)AMPK活性，抑制TXNIP/NLRP3炎性小體的活化，從而抑制炎癥和減少細(xì)胞凋亡，改善內(nèi)皮功能障礙。2017年SUN等［11］報(bào)道了，環(huán)黃芪醇具有重要的抗炎作用，主要是通過抑制淋巴細(xì)胞的活化、增殖和細(xì)胞因子的表達(dá)，這種效果可能與降低細(xì)胞內(nèi)鈣離子的超負(fù)荷有關(guān)。

1.4 抗病毒作用目前研究表明［12］，端粒酶活性的降低會(huì)引起機(jī)體免疫力的下降，因此激活T細(xì)胞中端粒酶的活性可以提高機(jī)體抗病毒能力。FAUCE等［13］報(bào)道了，通過環(huán)黃芪醇干預(yù)艾滋病病毒（HIV）攜帶者的CD8陽(yáng)性T淋巴細(xì)胞，可以適度地延遲端粒短縮，促進(jìn)細(xì)胞增殖，增強(qiáng)細(xì)胞因子和趨化因子的產(chǎn)生，從而提高其抗病毒活性。并且FAUCE等人首次證明了，以端粒酶為基礎(chǔ)的治療方法，可以增強(qiáng)機(jī)體免疫功能，從而直接解決慢性病毒感染的患者，由于端粒丟失引起免疫功能下降的問題。YUNG等［14］的研究也證明環(huán)黃芪醇可以通過激活端粒酶，促進(jìn)HIV感染者的CD8陽(yáng)性T淋巴細(xì)胞的增殖。

1.5 抗高血脂作用高血脂是由于體內(nèi)血脂水平過高所引發(fā)的一種疾病，目前已經(jīng)嚴(yán)重影響人民的健康水平，因?yàn)樗梢哉T發(fā)多種疾病如冠心病、高血壓、動(dòng)脈粥樣硬化、胰腺炎等。2014 年，WANG 等［15］報(bào)道了環(huán)黃芪醇具有抑制脂肪形成的功能，并對(duì)抑制脂肪形成的機(jī)制進(jìn)行了探究。他們發(fā)現(xiàn)環(huán)黃芪醇可以刺激3T3-L1前脂肪細(xì)胞的鈣動(dòng)員，通過提高細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度，達(dá)到抑制脂肪細(xì)胞分化的重要作用。從而證明了環(huán)黃芪醇是一種潛在的治療肥胖和高血脂癥的候選方案。

1.6 抗抑郁作用抑郁是心境低落為主要臨床特征的一種疾病，嚴(yán)重者可以出現(xiàn)幻覺、妄想等精神疾病。 2014年，IP課題組［16］報(bào)道了，環(huán)黃芪醇可以誘導(dǎo)初級(jí)神經(jīng)元細(xì)胞和PC12細(xì)胞內(nèi)的端粒酶活性和環(huán)磷腺苷效應(yīng)元件結(jié)合蛋白的激活。通過實(shí)驗(yàn)鼠口服環(huán)黃芪醇7 d的體內(nèi)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了環(huán)黃芪醇具有緩解抑郁癥的效果。同時(shí)，IP等人還指出，環(huán)黃芪醇可以促進(jìn)新生兒角質(zhì)層細(xì)胞的增殖，有助于傷口的愈合。

1.7 治療慢性腎功能衰竭的作用慢性腎功能衰竭是指各種原因造成的腎實(shí)質(zhì)性損傷，導(dǎo)致氮質(zhì)代謝產(chǎn)物潴留、酸堿平衡和水電解質(zhì)平衡紊亂等表現(xiàn)的臨床綜合征。張貴民等［17］采用腺嘌呤灌胃的方法制作大鼠慢性腎衰竭模型，探索環(huán)黃芪醇對(duì)治療慢性腎衰的有效性。結(jié)果顯示，患有慢性腎衰竭的大鼠，經(jīng)過28 d服用環(huán)黃芪醇藥物后，尿量及尿蛋白明顯減少，肌酐、尿素氮含量顯著降低，貧血以及電解質(zhì)紊亂癥狀得以糾正，并且腎臟重量減輕。從而證明了，環(huán)黃芪醇對(duì)慢性腎功能衰竭具有很好的治療效果。

1.8 輔助抗腫瘤和抑制肺纖維化的作用周先禮等［18］通過建立小鼠H22肝癌和S180肉瘤模型，探索環(huán)黃芪醇對(duì)化療藥物5-氟尿嘧啶的增效作用。結(jié)果顯示，在采用5-氟尿嘧啶治療小鼠H22肝癌和S180肉瘤的過程中，加用環(huán)黃芪醇后，可明顯提高了5-氟尿嘧啶的抑瘤效果，并且環(huán)黃芪醇可以明顯降低5-氟尿嘧啶所致的不良反應(yīng)。JOURDAN等［19］通過建立特發(fā)性纖維化小鼠模型，探究環(huán)黃芪醇對(duì)小鼠肺纖維化的影響。結(jié)果表明，環(huán)黃芪醇可以抑制小鼠肺纖維化的進(jìn)程，并且減少小鼠肺中衰老細(xì)胞的堆積。

2 環(huán)黃芪醇結(jié)構(gòu)修飾的研究

2.1 化學(xué)修飾法化學(xué)修飾法是通過化學(xué)反應(yīng)對(duì)中藥單體的化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行修飾改造的方法。通過化學(xué)修飾法對(duì)中藥單體進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造，可以獲得一些新結(jié)構(gòu)化合物，將有助于開發(fā)有價(jià)值的新藥［20］。目前報(bào)道對(duì)環(huán)黃芪醇結(jié)構(gòu)修飾的化學(xué)方法主要有開環(huán)反應(yīng)、氧化反應(yīng)和乙酰化反應(yīng)。

1987年KITAGAWA等［21］第一次報(bào)道了通過環(huán)烷烴的開環(huán)反應(yīng)制得環(huán)黃芪醇開環(huán)衍生物的方法。采用的實(shí)驗(yàn)方法是以環(huán)黃芪醇為原料，加入到含有甲醇、硫酸的水溶液中，加熱回流5 h，冷卻至室溫，加入適量碳酸氫鈉水溶液中和反應(yīng)，再加入一定量的乙酸乙酯萃取，無水硫酸鎂干燥有機(jī)相，并減壓濃縮，最后通過柱色譜法純化殘留物，制得環(huán)黃芪醇開環(huán)衍生物黃芪醇（1），收率為60%。如圖1所示。

圖1 環(huán)黃芪醇通過開環(huán)反應(yīng)制得黃芪醇（1）

哈利等［22］以環(huán)黃芪醇為原料，吡啶為溶劑，氧化鉻為氧化劑制得環(huán)黃芪醇的3，6，16-三酮衍生物（2）。如圖 2所示。

圖2 環(huán)黃芪醇通過氧化反應(yīng)制得環(huán)黃芪醇3，6，16-三酮衍生物（2）

環(huán)黃芪醇的乙酰化反應(yīng)比較特殊，不同的反應(yīng)條件可得到不同的乙酰化產(chǎn)物。KITAGAWA等［21］以環(huán)黃芪醇為原料，醋酸酐和吡啶組成的溶液為溶劑，在5℃的條件下，攪拌10 h，制得環(huán)黃芪醇乙酰化衍生物（3），如圖 3 所示。 此后，哈利等［22］又報(bào)道了，以環(huán)黃芪醇為原料，二氯甲烷為溶劑，三乙胺和三甲基乙酰氯為添加劑，在0℃條件下，攪拌過夜，制得環(huán)黃芪醇的3-羥基乙酰化衍生物（4）和環(huán)黃芪醇的16-羥基乙酰化衍生物（5）。如圖3所示。

圖3 環(huán)黃芪醇的乙酰化反應(yīng)

2.2 微生物轉(zhuǎn)化法微生物轉(zhuǎn)化法是利用微生物在生長(zhǎng)代謝過程中體內(nèi)或體外會(huì)產(chǎn)生一些酶系，通過這些酶系對(duì)化合物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行修飾改造的方法［23］，通俗地講，就是利用微生物將一種化合物轉(zhuǎn)化為另一種化合物的合成方法［24］。微生物轉(zhuǎn)化法具有條件溫和、綠色、效率高和區(qū)域選擇性好等優(yōu)點(diǎn)，一直是藥物學(xué)家們研究的熱點(diǎn)。目前微生物轉(zhuǎn)化法已經(jīng)成為改造中藥單體化學(xué)結(jié)構(gòu)的重要方法，對(duì)開發(fā)天然藥物具有重要意義。

2010年KUBAN等［25］首次運(yùn)用短刺小克銀漢霉（C.blakesleeana）NRRL 1369對(duì)環(huán)黃芪醇的生物轉(zhuǎn)化進(jìn)行了探究。結(jié)果表明，短刺小克銀漢霉NRRL 1369通過催化環(huán)黃芪醇C-9，19位上環(huán)丙烷環(huán)的開環(huán)和甲基遷移產(chǎn)生新的環(huán)黃芪醇衍生物（6）。轉(zhuǎn)化情況如圖4所示。

圖4 短刺小克銀漢霉NRRL1369生物轉(zhuǎn)化環(huán)黃芪醇

2013年KUBAN等［26］又運(yùn)用小叢殼菌屬（G.fusarioides）ATCC 9552和細(xì)菌分支桿菌屬（Mycobacterium sp.）NRRL 3805 對(duì)環(huán)黃芪醇的生物轉(zhuǎn)化進(jìn)行了研究，其中小叢殼菌屬ATCC 9552主要催化環(huán)黃芪醇的脫氫反應(yīng)和氧化開環(huán)反應(yīng)，生成兩種環(huán)黃芪醇的羥基化產(chǎn)物（7、8）。轉(zhuǎn)化過程如圖5所示。細(xì)菌分枝桿菌屬NRRL 3805主要催化環(huán)黃芪醇的氧化反應(yīng)，生成一種環(huán)黃芪醇的氧化產(chǎn)物（9）。轉(zhuǎn)化過程如圖5所示。最終得出結(jié)論這兩種真菌能夠催化環(huán)黃芪醇的羥基化反應(yīng)，并同時(shí)伴有脫氫化反應(yīng)、環(huán)化反應(yīng)和Baeye-Villiger氧化反應(yīng)。

2012年 YANG等［27］采用雅致小克銀漢霉（Cunninghamella elegans） AS 3.1207、 總狀共頭霉（Syncephalastrum racemosum）AS 3.264和矛束霉（Doratomyces stemonitis）AS 3.1411 三種真菌對(duì)環(huán)黃芪醇的生物轉(zhuǎn)化進(jìn)行探究。其中雅致小克銀漢霉AS 3.1207可以催化環(huán)黃芪醇的羥基化反應(yīng)生成7種環(huán)黃芪醇羥基化衍生物（6、11-15）。如圖6所示。

總狀共頭霉AS 3.264主要通過催化一個(gè)復(fù)雜的重排反應(yīng)，然后形成特殊的三萜類骨架，使得環(huán)黃芪醇C-19位被不同的側(cè)鏈取代。該實(shí)驗(yàn)制得8種環(huán)黃芪醇衍生物（6、11、16-21）。轉(zhuǎn)化情況如圖7所示。

圖5 小叢殼菌屬ATCC 9552和細(xì)菌分枝桿菌屬NRRL 3805生物轉(zhuǎn)化環(huán)黃芪醇

圖6 雅致小克銀漢霉AS 3.1207生物轉(zhuǎn)化環(huán)黃芪醇

圖7 總狀共頭霉AS 3.264生物轉(zhuǎn)化環(huán)黃芪醇

矛束霉AS 3.1411可以催化環(huán)黃芪醇C-3位羥基的羰基化反應(yīng)，生成3種環(huán)黃芪醇羰基化衍生物（6、22、23）。 轉(zhuǎn)化情況如圖 8 所示。

通過三種真菌對(duì)環(huán)黃芪醇的生物轉(zhuǎn)化進(jìn)行探究，最終獲得了15種環(huán)黃芪醇類衍生物，其中有12種為新結(jié)構(gòu)化合物，并且這些化合物都經(jīng)過核磁共振氫譜、碳譜和質(zhì)譜的結(jié)構(gòu)確認(rèn)。為探索環(huán)黃芪醇類衍生物的藥用價(jià)值提供了豐富的材料。

2018 年 LIN 等［28］采用總狀毛霉（Mucor racemosus）AS 3.20對(duì)環(huán)黃芪醇的生物轉(zhuǎn)化進(jìn)行探究。通過對(duì)產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)分析，推斷總狀毛霉AS 3.20可能催化環(huán)黃芪醇的擴(kuò)環(huán)化反應(yīng)和環(huán)氧化反應(yīng)，最終制得7種環(huán)黃芪醇衍生物（20-21、24-28）。生物轉(zhuǎn)化過程如圖9所示。并且，LIN等對(duì)最終制得的環(huán)黃芪醇衍生物（20-21、24-28）進(jìn)行了活性研究，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)環(huán)黃芪醇衍生物在濃度為50 mol時(shí)，可以明顯地延長(zhǎng)秀麗隱桿線蟲的生存時(shí)間。

圖8 矛束霉AS 3.1411生物轉(zhuǎn)化環(huán)黃芪醇

圖9 總狀毛霉AS 3.20生物轉(zhuǎn)化環(huán)黃芪醇

綜上所述，環(huán)黃芪醇是黃芪甲苷的苷元，具有很好的抗衰老、抑制腹主動(dòng)脈瘤、抗炎、抗氧化應(yīng)激、抗病毒、抗高血脂、抗抑郁、治療慢性腎功能衰竭、輔助抗腫瘤和抑制肺纖維化等作用。由此可見，環(huán)黃芪醇具有廣泛的臨床應(yīng)用前景。但是，目前對(duì)環(huán)黃芪醇在體內(nèi)的代謝過程、藥動(dòng)學(xué)和藥效學(xué)等相關(guān)研究還存在許多空白，因此環(huán)黃芪醇的研究仍需不斷探索，以期制備成藥物。通過生物轉(zhuǎn)化或化學(xué)修飾的方法可以制得多種環(huán)黃芪醇衍生物，為開發(fā)新藥提供了豐富的材料。同時(shí)，筆者發(fā)現(xiàn)，環(huán)黃芪醇衍生物的制備方法和生物活性的相關(guān)報(bào)道非常有限，因此加強(qiáng)其結(jié)構(gòu)修飾方面的研究和結(jié)構(gòu)修飾后產(chǎn)物活性的研究，將成為環(huán)黃芪醇研究與利用的一個(gè)重要方向。同時(shí)，也為其他三萜皂苷類化合物的研究提供一個(gè)新的思路。