青蒿素的合成與應用研究綜述

于德鑫,劉乃仲,何 帥,石 敏,張艷芬

(菏澤學院,山東 菏澤 274015)

1 青蒿素的發現

青蒿素是我國藥學家屠呦呦受東晉葛洪《肘后備急方》“青蒿絞汁服”的啟發，首創低沸點溶劑提取法從傳統中藥青蒿中提取并自主研發的一種抗瘧疾特效藥。1975年，通過多位科學家化學結構分析、光譜解析等方法確定了青蒿素的分子式為C15H22O5，是一種含有過氧基團的倍半萜內酯1。這些研究結果收錄于《青蒿素的化學研究》，并在1980年“青蒿素”國際會議上，得到了國內外專家的高度認可，為基于青蒿素的藥物治療研究奠定了基礎。

2 青蒿素的制備方法

2.1 化學合成

早在1983年國外的化學家Hofheinz W等2通過化學研究發現了青蒿素的化學合成方法，以(-)-2-異薄勒醇為原料，利用光氧化反應引進氧基得到中間體，再經過環合反應合成了最終產物。合成倍半萜內酯，主要有兩個限速步驟：倍半萜母核的折疊和環化；含過氧橋的倍半萜內酯的形成程。1986年，我國科學家周維善以R-(+)-香茅醛為原料合成了青蒿素(合成過程如圖1所示)。但由于合成步驟繁瑣，總收率較低，甚至不到1%，尚未實現工業化的可行性測評3。

2.2 生物合成

青蒿素存在于中草藥青蒿的花葉中，莖中不含有，是一種含量非常低的萜類化合物，生物合成途徑非常復雜。目前可通過三種方式進行青蒿素的生物合成，一是通過對控制青蒿素合成的關鍵酶進行調控，添加生物合成的前體來增加青蒿素的含量；二是激活關鍵酶控制的基因，大幅度增加青蒿素的含量；三是利用基因工程手段改變關鍵基因，以增強它們所控制酶的作用效率4。但生物合成過程中，青蒿素的含量受光照、外源激素、芽分化等生理生態因子的影響很大，溫度對于生物合成也有極大影響，通過試驗研究發現，青蒿幼苗在40℃條件下，處理36 h后，青蒿素的質量分數提高到最大為68%5。除青蒿之外，其它植物也可以合成青蒿素， 2011 年研究人員從煙草中合成青蒿素6。此方法與傳統化學方法相比，所用的化學試劑大大減少，有利于環境的保護，且該生物合成方法的受體為煙草，在我國較為廣泛，因此原料來源較為豐富，但不足的是用煙草合成青蒿素過程中的某些反應基質并不清楚，還有待開發，但該合成方法仍有較好的工業應用前景。

2.3 提取純化

分離純化工藝主要有溶劑外加能量協助提取法、提取重結晶法、超臨界CO2萃取法和溶劑提取層析法 7。溶劑提取重結晶法一般采用的溶劑汽油法，乙醇法和堿水提取酸沉淀法進行生產，此類方法明顯增加了青蒿素植物的有效利用率。堿水提取酸沉淀法：取一定量的青蒿枝葉干粉加入乙醇攪拌浸提，得到乙醇提取液，減壓干燥，將其溶于乙醚-水兩相溶液中，分別得到青蒿素和青蒿酸。此種方法的青蒿酸收率達到90%，青蒿素的提取率為57%。乙醇法8：取一定量的青蒿枝葉干粉，用稀乙醇浸泡24 h，得到乙醇提取液，將其注入連續萃取裝置，再用含苯和乙酸乙酯的溶劑汽油萃取，得到醇相和萃取相，醇相可循環使用，萃取相用活性炭脫色，過濾，回收溶劑，然后得到濃溶液，再冷卻結晶得到青蒿素粗晶物，再用乙醇重結晶得到青蒿素成品。此方法有收率較高，成本較低，步驟較少，操作簡單，安全等優點。溶劑汽油法：取一定量的青蒿枝葉干粉，用8-10倍120號溶劑汽油浸泡3次，得到溶劑汽油提取液，再減壓濃縮并放置結晶，得青蒿素粗品，用少量120號溶劑汽油多次洗滌，50%乙醇醇結晶2-3次，最終得到青蒿素白色針晶。此種方法工藝步驟簡便，容易大批量生產使用。溶劑提取層析法有三種提取方法，分別是丙酮-硅膠柱層析法、低沸汽油-超短粗型球狀擴孔硅膠層析法、乙烷提取-乙烷/乙腈-硅膠柱層析法，都已經申請了專利。 趙兵9等對超聲波用于強化石油醚提取青蒿素做過實驗研究，超聲波強度、處理時間、處理間歇次數、攪拌時間等都對提取率有一定影響。在20 kHz、90 W超聲波、50℃、單次作用時間20 min后再攪拌10 min的條件下，提取率最高為83%。韓偉10等人通過化學研究發現利用微博輔助提取法(MAE)，選用6#抽提溶劑油(一種無色透明液體，不含四乙基鉛，硫和芳烴含量較低的有機溶劑)，以120目黃花高粉末為原料，通過高效液相色譜法(HPLC)分析，發現青蒿素的提取率可達到84.01%。

圖1 青蒿素的合成路線

3 青蒿素的應用

提到青蒿素，人們首先會想到它的抗瘧疾功用，WHO認為，青蒿素是治療瘧疾耐藥性效果最好的藥物，以青蒿素類藥物為主的聯合療法，也是當下治療瘧疾的最有效最重要手段。但是近年來隨著研究的深入，青蒿素其它作用也越來越多被發現和應用研究，如抗腫瘤、治療肺動脈高壓、抗糖尿病、胚胎毒性、抗真菌、免疫調節等。

3.1 抗瘧疾

瘧疾(俗稱：打擺子寒熱病)屬于蟲媒傳染病，是受瘧原蟲感染的按蟲叮咬人體后而引起的一種傳染病，長時間多次發作后出現可肝脾腫大，且伴隨貧血等癥狀。瘧疾能夠得到一定程度的治療，青蒿素功不可沒。青蒿素結構中過氧鍵具有氧化性，是抗瘧的必需基團。作用機理是青蒿素在體內產生的自由基團與虐原蛋白結合，改變瘧原蟲的細胞膜結構。自由基團與瘧原蛋白結合之后會使線粒體的雙層膜脹裂，最終脫落，導致瘧原蟲的細胞結構和功能受到破壞，同時細胞核內的染色質也會受到一定的影響。另一方面，氨基酸是構成蛋白質的基本物質，青蒿素作用后。瘧原蟲對異亮氨酸的吸收減少，導致蟲體蛋白的合成受阻11。黃花蒿不僅可以殺滅病原蟲，還具有抗血吸蟲作用、治療弓形蟲感染作用、抗卡氏肺孢子蟲作用、抗球蟲作用12等。經臨床試驗證明，青蒿素及其衍生物在治療瘧疾的過程中，并未發現特別明顯的副作用13。

3.2 抗腫瘤

惡性腫瘤是危害人類健康的第一大殺手，若不及時醫治則會危害生命安全。體外實驗表明，一定劑量的青蒿素可以使肝癌細胞、乳腺癌細胞、宮頸癌細胞等多種癌細胞的凋亡，明顯抑制癌細胞的生長。研究發現，青蒿素可以調控腫瘤細胞的周期蛋白表達，增強CKIs作用，導致腫瘤細胞周期阻滯；或者導致細胞凋亡，抑制腫瘤血管生成等來抵抗腫瘤的發生和發展14。青蒿素對白血病的治療，是通過作用在白血病細胞的細胞膜，增加膜的通透性，改變滲透壓，導致細胞內的鈣離子濃度升高，從而能激活鈣蛋白酶，使其細胞膜脹裂，同時加速促使細胞凋亡物質的釋放，增加細胞凋亡速度15-17。

3.3 治療肺動脈高壓

隨著科研人員的不斷探索，科學家們發現青蒿素對于肺動脈高壓也有一定的治療作用。肺動脈高壓(PAH)是肺動脈重構為特征和以肺動脈壓力升高到一定界限的病理生理狀態，可以是并發癥或綜合征。青蒿素用于治療肺動脈高壓：通過舒張血管降低PAH患者的肺動脈壓力，改善癥狀；Zaiman18等發現青蒿素具有抗炎作用，青蒿素及其內核物質對多種致炎因子有抑制作用，且還可以抑制炎性介質產生一氧化氮；青蒿素具有免疫調節作用；馮義柏19等通過實驗研究發現，青蒿素能夠抑制血管內皮細胞、血管平滑肌細胞的增殖，進而在PAH的治療過程中發揮著重要作用；青蒿素能夠抑制基質金屬蛋白酶的活性，從而抑制肺血管重構；青蒿素可以抑制PAH相關細胞因子的表達，進一步增強青蒿素抗血管重構作用；曹治東20等研究發現青蒿素可抑制瘢痕成纖維細胞增生和膠原量增多，進而抑

制基質ECM過度沉積的現象，因此青蒿素有助于肺動脈的重構逆轉；青蒿素的促凋亡作用，青蒿素可以促進VSMC凋亡進而逆轉血管重構。

4 小結

綜上所述，青蒿素的發展來源已久，在抗瘧疾、抗腫瘤、抗心律失常、治療肺動脈高壓、免疫調節等方面的研究發展迅速，療效顯著。但是因其植物含量較低提取困難，化學合成步驟繁瑣，導致最終收率較低，成本較高。因此，尋找適當的化學合成方法，如使用適當的中間體、反應條件、減少一些不必要的步驟等，提高合成收率，對青蒿素的進一步研究應用具有重要意義。