花椒麻素的生物功能研究進展

牛 博，龐廣昌*，魯丁強*

（天津市食品生物技術重點實驗室，天津商業大學生物技術與食品科學學院，天津 300134）

花椒麻素是從花椒中提取的長鏈多不飽和酰胺化合物。這些烷酰胺天然產物特征是其鏈的D端存在3 個共軛雙鍵。盡管學者們早已對花椒麻素進行了研究，但直到1955年 才鑒定出第一個特征性結構化合物，即α-山椒素[1-3]。 花椒麻素是花椒果皮中最重要的呈麻化合物，長期以來其一直受到醫藥和有機合成領域學者的關注，直到在 過去的幾年中，才有學者研究出克級規模合成花椒麻素的方法[4]。

隨著現代社會食物供給能力的大幅提高，不健康的生活方式（特別是高脂、高糖的飲食結構和超負荷的營養攝入）會導致肥胖、糖尿病、高膽固醇、高脂血癥等慢性病的高發。據統計，患有這類由代謝紊亂引起的 基礎性疾病的人群，在新型冠狀病毒疫情中，發病率、重癥率和死亡率均較高[5-6]。肥胖、糖尿病、高血脂癥等基礎性疾病已成為人類亟待解決的重大健康問題：一方面人們需要改善自身飲食結構、提高身體素質；另一方面尋找安全有效的天然植物化合物（如花椒麻素、辣椒素和姜辣素等）作為藥膳輔助治療也成為代謝性疾病防控領域的研究熱點。

目前，花椒麻素生理功能的研究主要集中在鎮痛、對腸蠕動的影響、抗癌、減肥和降血糖等方面[7-10]，然而生理功能研究中使用的花椒麻素多為粗提物或混合物，尚未開展臨床研究。因此，本文重點綜述了花椒麻素的結構、理化性質、呈味機理和生物活性作用，以期對花椒麻素結構與生理功能進行全面評價，并對開展臨床實驗研究其對機體代謝的影響及作用機制提供參考。

1 花椒麻素的結構、理化性質和呈味機理

花椒麻素是從花椒中提取的一系列酰胺類化合物，也稱為花椒酰胺。迄今為止，已從花椒果皮中分離并鑒定出超過25 種花椒麻素[11-14]，包括α-山椒素、β-山椒素、γ-山椒素、δ-山椒素及其衍生物等。花椒麻素通常有兩個或多個共軛雙鍵，高度不飽和且呈麻味[15]。隨著現代分離檢測技術和化學合成技術的發展，新的花椒麻素不斷涌現，羥基-α-山椒素首先由Yasuda等[16]從日本花椒中分離并標識，其為具有4 個雙鍵的順式構型，是花椒果皮中最早分離出來的花椒麻素和食物中最主要誘發獨特刺痛感（麻味）的化合物。此后，Koo等[17]發現花椒麻素引起麻味的關鍵結構（圖1）除了基礎的最小結構單元，還應至少有以下3 個特征中的2 個：1）R為羥基；2）與酰胺羰基的擴展共軛n＝2；3）順式烯烴的碳鏈長度大于2。Sugai等[18]將這種獨特麻味具體分為3 種：灼燒、刺痛和麻木，其研究指出β-山椒素和羥基-β-山椒素這兩種全反式花椒麻素并非“無刺激”，而是表現出麻木感，且α-、γ-、δ-山椒素均在感覺上有灼燒感，而含有羥基的同系物（羥基-α-山椒素、羥基-β-山椒素）均有麻木感 （表1），并且這幾種花椒麻素產生的灼燒感與辣椒素（熱系數＝1000000）相差至少10 倍。

圖 1 花椒麻素引起麻味的關鍵結構[17]Fig. 1 Key structure of sanshools responsible for the numb taste[17]

表 1 花椒麻素及其同系物的感覺[4]Table 1 Sensory characteristics of sanshool and its homologues[4]

目前，學者們對于花椒麻素產生的這種獨特麻味持兩種觀點：一是經體外實驗證明，羥基-α-山椒素可通過激活瞬時受體電位香草酸亞型1（transient receptor potential vanilloid type 1，TRPV1）和瞬時受體電位（transient receptor potential A1，TRPA1）通道，引起感覺神經元去極化，使Ca2+流入細胞內，產生內向電流，大腦從而感受到辛麻[17-19]；另一觀點是這種體感神經元的激活是由羥基-α-山椒素阻斷雙孔鉀通道（twopore-domain potassium channels，KCNK）3、KCNK9和KCNK18引起的[20]。此外，值得注意的是，具有酰胺順式雙鍵的花椒麻素味道極刺鼻[21-23]。

花椒麻素是一種白色晶體，易溶于熱的乙醇和乙酸乙酯等多種有機溶劑，微溶于乙醇和水，常溫下極不穩定，在-20 ℃的石油醚中可迅速結晶析出。羥基-α-山椒素在紫外線下會異構化為羥基-β-山椒素，這也解釋了四川花椒隨時間的延長而失去其獨特刺痛感、同時又保持其麻木感的原因。花椒麻素短時間暴露于干燥的空氣中即可發生劇烈的氧化或聚合反應，分解形成深色的黏稠膏狀化學物質，但是其發生聚合反應的機制尚不清楚。由于花椒麻素結晶體在干燥的空氣環境中易發生變色，一般將其密封保存在充入氮氣的安瓿瓶中[24]。

2 花椒麻素的生物活性作用

在中國古代，花椒就已被納入傳統醫學和草藥中，用于治療疾病。隨著現代生物學的發展，發現花椒主要的生物學功能來源于花椒麻素。然而，對于這些觀察到的生物學功能產生的原因仍有待研究。很多生物學研究，特別是與抗菌活性相關的研究，都是使用花椒果實中的精油，這種粗提物很難明確地表現花椒麻素的生物活性或闡明其結構與功能的關系。

花椒麻素中這些多不飽和脂肪酸酰胺具有明顯的疏水性，因此很容易假定它們僅適用于局部或“直接接觸”應用。然而，這些化合物在口服后可以在血液中達到治療效果的濃度，這表明花椒麻素是可以治療人類系統性疾病的。

花椒麻素具有廣泛的藥理作用，包括消炎和鎮痛作用、抗氧化、抗腫瘤、降血糖、殺蟲作用和抗菌作用等（表2）。

表 2 花椒麻素及其同系物的生物學功能[4,8,15]Table 2 Biological functions of sanshool and its homologues[4,8,15]

2.1 鎮痛作用

花椒麻素的生物學活性研究主要集中于其對神經系統的影響。早期的研究只是簡單地將其對口腔的感覺特性稱為“刺激性”，但現在至少有3 種獨特的體感與花椒麻素有關（灼燒、刺痛和麻木（鎮痛））[25-28]。Pereira等[29]發現，使用粗提的花椒麻素可以減輕由福爾馬林和辣椒素引起的疼痛，而且花椒麻素粗提物對抑制乙酸引起的小鼠扭體反應效果明顯[30]。涂抹花椒可以減輕牙痛，但將花椒麻素直接作用于口腔會引起強烈的麻刺感。已有研究試圖探索這種看似矛盾的作用機理和分子機制，Tsunozaki等[31]的體外研究表明，花椒麻素可能是通過抑制Aδ機械痛覺感受器上的電壓門 Na+通道的興奮從而達到鎮痛效果，但尚未在臨床研究上得到證實。

從理論上講，如果花椒麻素僅是結合TRPV1并發揮刺激性的作用，那么TRPV1通道的開放應該與花椒麻素呈劑量依賴性，或使痛覺過敏，若關閉該離子通道，則不可能起到鎮痛的作用。這種雙向調節功能表明還存在其他調節或關閉TRPV1通道的途徑。

Xiao Sa等[32]通過對4 種辛辣物質（姜辣素、大蒜素、辣椒素和花椒麻素）和5 種鎮痛化合物的結構分析，闡明了酰胺基及其類似基團在CB2變構調節中的重要性以及鎮痛機理。該研究表明，花椒麻素等辛辣物質化合物的酰胺基能夠通過與內源性CB結合，激活細胞內G蛋白/磷脂酰肌醇-3-激酶（phosphatidylin-ositol-3-kinase，PI3K）/磷脂酰肌醇二磷酸（phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate，PIP2）信號通路，上調細胞內PIP2水平，PIP2通過與類香草醛激活劑競爭而結合TRPV1近端C末端區域中的特定磷脂酰肌醇位點，從而關閉已打開的TRPV1通道并將其穩定在靜止閉合狀態，發揮鎮痛作用（圖2）。這種雙向調節很可能是類香草酸激活劑或其他激活劑通過與TRPV1通道的PIP2位點結合而打開TRPV1通道，導致Ca2+流入，引起去極化，從而產生辛辣和疼痛的感覺。而花椒麻素通過激活CB2受體/G蛋白/PI3K/PIP2信號通路而上調細胞內PIP2的水平，從而關閉TRPV1通道并產生鎮痛作用。

花椒麻素是否僅通過對CB2受體的變構調節配體調節TRPV1通道開/關狀態的分子機制有待進一步進行分子生物學驗證，細胞內PIP2的合成/分解途徑對TRPV1通道狀態的影響也需要更深入的探討。

圖 2 花椒麻素鎮痛的作用機理Fig. 2 Analgesic mechanism of sanshool

2.2 對腸蠕動的影響

食用花椒可以顯著提高腸蠕動和結腸活動。在傳統的日本草藥大建中湯中，花椒果皮是主要成分之一，這種草藥在治療各種胃病和腸道問題上有很大的療效[33-34]。體內實驗表明，羥基-α-山椒素和羥基-β-山椒素可使腸道平滑肌細胞收縮、誘導結直腸運動增強和排便率提高[35-37]。 此外，在小鼠模型中，γ-山椒素被證明可以改善腸道運輸能力。但不同的花椒麻素是通過不同機制發揮作用的，Ohno等[38]研究發現γ-山椒素通過激活TRPA1誘導促進腸道蠕動。而Kubota等[39]則揭示了羥基-α-山椒素誘導的結腸收縮并不是刺激TRPA1或TRPV1的結果，而很可能是通過阻斷KCNK9引起的。雖然作用機理可能不同， 但口服羥基-α-山椒素和γ-山椒素均表現出顯著的劑量依賴性[39-40]。此外，直接食用這些花椒麻素可能引起消化道內特定部位的收縮，這可能暗示了以上兩種作用途徑是同時存在的，表明花椒麻素可以與消化過程中涉及的不同細胞類型和組織環境相互作用[41]。

2.3 對糖尿病的輔助治療作用

1型和2型糖尿病是由胰島素抵抗或缺乏胰島素分泌引起的復雜和多方面的代謝紊亂。CB在很多生理過程中起重要作用，包括葡萄糖介導的胰島素分泌和T細胞 活化[42]。針對1型和2型糖尿病的研究，在已知的CB受體中，CB1和CB2似乎是目前最有潛力的藥物靶點。當前的研究假設是，選擇性激活CB2受體同時抑制CB1受體的天然化合物是治療1型糖尿病的潛在治療方案。從其他植物中分離的結構相似的酰胺基類化合物對CB2和CB1受體均表現出極強的親和力，這解釋了酰胺基化合物與消炎能力的關系，Dossou等[43]研究發現，羥基-α-山椒素和四氫花椒素是CB2受體有效的選擇性拮抗劑，且后者表現出更大的選擇性拮抗能力，而羥基-β-山椒素是最有效的CB1受體拮抗劑。全反式異構體δ-山椒素是CB2受體的強激動劑（半最大效應濃度為41.7 nmol/L），同時 又是CB1受體的強拮抗劑，可作為治療1型糖尿病的候選藥物。但在目前的研究中，尚未明確花椒麻素中的哪些特征結構能有效激活或拮抗CB2和CB1。另外，由于缺乏完善的對CB2/CB1激動或拮抗活性的臨床研究，人工合成花椒麻素的結構/功能比較研究也受到阻礙，同樣地，其他花椒麻素對CB2結合親和力的研究也存在類似不確定的結構/功能關系[44-46]。

體內研究表明，花椒麻素可以改善胰腺功能障礙、蛋白代謝紊亂和鏈脲佐菌素誘導的糖尿病大鼠的糖脂 代謝[47-49]。其作用機制可能是通過上調或下調體內關鍵酶（如磷酸烯醇丙酮酸羧化激酶、葡萄糖激酶和葡萄糖-6-磷 酸酶）的表達水平來抑制糖異生作用，減少肝糖元的輸出；同時通過激活CB2受體并抑制CB1受體來修復胰島功能，促進胰島素分泌。這些結果進一步證明，盡管花椒麻素具有疏水性，但仍具有治療全身性（但非治療性）疾病的重要潛力。在體內/體外研究中多使用幾種花椒麻素的混合物，應該進一步研究單一分離成分并表征其相應的有益生物學特性。

2.4 減肥功效

肥胖被認為是一種慢性代謝性疾病，肥胖是由于能量消耗和攝入不平衡而引起的過多的脂肪和體質量。營養學家認為肥胖與高脂肪的飲食、缺乏運動和遺傳學有關[50-51]。

肥胖會引起脂質代謝紊亂。在臨床上，肥胖癥患者和高脂血癥通常表現為總膽固醇、甘油三酯、低密度脂蛋白-膽固醇水平的增加和高密度脂蛋白-膽固醇水平下降。呂嬌[52]的研究結果表明，花椒麻素干預可以降低高脂飲食大鼠的總膽固醇、甘油三酯和低密度脂蛋白-膽固醇含量，并增加高密度脂蛋白-膽固醇含量。

花椒麻素的減肥機制是多方面的。一方面，花椒麻素通過激活TRPV1受體，進一步激活AMP依賴的蛋白激酶/沉默信息調節因子1信號通路，從而降低鏈脲佐菌素誘導的糖尿病模型鼠血清和肝臟中甘油三酯和游離脂肪酸含量，并促進葡萄糖轉運蛋白的轉運，提高體內葡萄糖轉運速率[10]；另一方面，通過激活胰島素/胰島素樣生長因子1-蛋白激酶B-雷帕霉素靶蛋白途徑促進蛋白質合成，以及通過泛素-蛋白酶體途徑抑制骨骼肌中的蛋白質分解代謝。此外，羥基-α-山椒素可能通過上調過氧化物酶體增殖劑激活受體（peroxisome proliferators-activated receptors，PPAR）γ表達來調節高脂狀態下的脂質代謝并減少氧化應激。同時，羥基-α-山椒素還能上調載脂蛋白E 的表達，并促進脂蛋白的代謝和轉化。

此外，越來越多的證據表明氧化應激與肥胖、脂肪肝、高脂血癥和動脈硬化的發展密切相關。Wang Li等[53]的研究表明，羥基-α-山椒素可以上調肝臟組織中還原型谷胱甘肽和超氧化物歧化酶的水平，并降低丙二醛的含量，證實羥基-α-山椒素可以降低肝組織中的氧化應激 水平。羥基-α-山椒素不僅顯著減緩了高脂喂食大鼠的體質量增加，還減少了其腹部內臟脂肪含量。此外，羥基-α-山椒素給藥可以顯著改善高脂喂養大鼠的脂肪肝程度。

2.5 抗癌作用

多項研究表明，花椒果實、葉子、樹皮和根的提取物可發揮顯著的抗癌活性。如花椒的提取物可阻斷P21激活激酶/G1/S-特異性周期蛋白-D1途徑以及I型神經纖維瘤病的發生[54]。雖然已有很多學者研究花椒麻素治療癌癥的潛力，但是大多數僅限于對各種腫瘤細胞系的體外研究。如花椒果實的提取物可以抑制3 種不同人類癌細胞系（DLD-1、HepG2和Caco-2）的增殖并通過依賴應激活化蛋白激酶途徑誘導自噬，這與先前對α-山椒素誘導人肝癌HepG2細胞凋亡的研究結果相一致[55]。花椒果實提取物中，除α-山椒素、羥基-α-山椒素和其他花椒麻素外，還有幾種成分可能與所觀察到的促凋亡活性有關。應該指出的是，花椒果實提取物的抗癌活性并不是普遍的，除對正常腸細胞外，A549、MCF-7和WiDr等腫瘤細胞均未受其影響。

盡管這些體外研究清楚地表明某些花椒麻素對特定的癌細胞具有顯著的抑制作用，但癌癥是一種多因素導致的惡性疾病，將真正的抗癌活性歸因于花椒麻素仍為時過早，需要更多可靠的體內研究來驗證。

2.6 其他作用

花椒麻素除上述用途外，已在世界范圍內被用作傳統的抗炎藥物，但仍缺乏有關花椒麻素抗炎作用的詳細臨床研究。Wang Yuan等[56]證明了多種花椒麻素可以通過減少脂多糖刺激RAW264.7細胞中一氧化氮的產生來抑制炎癥。在研究花椒麻素口感的同時，Bader等[57]還研究其對唾液分泌的影響。有趣的是，引起口腔感覺變化的結構差異與促唾液分泌的差異相同。如顯示出刺痛和麻醉作用的含順式烯烴的羥基-α-山椒素會引起大量流涎，而令人感覺麻木的全反式同類物羥基-β-山椒素卻對唾液產生沒有顯著影響。

花椒提取物的抗寄生蟲活性已有大量研究，盡管花椒的果皮、葉子提取液均有一定的抗寄生蟲特性，但Navarrete等[58]認為α-山椒素是唯一起到驅蟲功效的花椒麻素，其能夠顯著減少綿羊感染的腸道線蟲卵數，且α-山椒素最早報道的生物學活性之一是其對普通家蠅的殺蟲特性。Tang Xinke等[59]的研究表明，施加花椒麻素能夠保護水稻幼苗免受除草劑和殺蟲劑的破壞，使水稻幼苗正常生長。

多種天然多不飽和脂肪酸酰胺在解決包括瘙癢、濕疹和皺紋在內的多種皮膚問題中已有悠久的歷史。因此，將花椒麻素用于治療皮膚病和美容有很廣闊的商業前景。已有化妝品將花椒提取物加入組成配方中測試其止癢效果[60]。來自其他植物屬的類似烷酰胺CB2配體 均對皮膚病有治療作用，表明花椒麻素的清爽特性和抗皺效果很可能和CB1、CB2的高親和力相關[8]。

3 結 語

近年來，關于花椒麻素的生理作用已有大量研究，其研究結果雖然表現出了良好的應用前景，但未來對花椒麻素的研究仍有3 個方面的挑戰：1）針對花椒麻素的藥理學研究主要集中在其粗提物及制劑上，尚無足夠的證據揭示花椒麻素的藥理活性及其作用機制。2）關于花椒麻素的藥代動力學和臨床治療效果尚缺少系統研究，在細胞和分子水平上對毒性的評估也較少。3）根據目前的體內和體外研究結果，花椒麻素是呈麻味和多種藥理活性的主要活性化合物。但是由于其共軛三烯系統對氧極敏感，導致其在正常貯存條件下極其不穩定。綜上，應進一步研究高效合成花椒麻素純品及其作用機理和結構/功能關系，還應更多地關注其他成分的藥代動力學研究，并在其分子和細胞水平上進行毒性和副作用的研究，未來還有必要通過結構改性來合成更穩定的花椒麻素和其他溶劑型衍生物。