石杉型三萜類化合物及其生物活性研究進展

周文昊，董秋竹，成 飛，徐康平*

1.中南大學湘雅藥學院，湖南 長沙 410013

2.湖南省中醫藥研究院中藥研究所，湖南 長沙 410013

石杉型三萜是一類結構特殊的五環三萜，其基本骨架由A、B、C、D、E 5 個環駢合而成，其中C環為七元環，偶有開環，且其C-14/C-15 之間常存在一個雙鍵，環上含有7 個角甲基或其氧化形式，C-3 位和C-21 位多含連氧取代基（圖1）。第1 個石杉型三萜由Inubushi 等[1]從蛇足石杉Lycopodiumserratum(Thunb.)var.thunbergiiMakino 中分離得到，因此而得名；后來人們又從石松科等植物中分離得到大量石杉型三萜類化合物，現代藥理研究表明這類化合物具有抗腫瘤、抗菌、抗炎、抑制膽堿酯酶等廣泛的生物活性。本文對自1964年至今分離得到的石杉型三萜類化合物的結構類型、藥理活性、生源途徑及波譜學特征進行歸納總結，以期為該類化合物的進一步研究提供參考。

圖1 山芝烯二醇的結構Fig.1 Structure of serratenediol

1 結構類型

石杉型三萜類化合物分為一般結構和特殊結構2 大類型。一般結構石杉型三萜保持其基本的五元環骨架結構，根據環上氧連接官能團的數量多少可以分為二醇類、三醇類和多醇類。特殊結構類型的石杉型三萜結構多樣，主要有三萜苷類、開環類、環氧類、失碳類、D 環為五元環類以及一種新的立體構型（D/E 環順式駢合）的石杉型三萜，見表1。

表1 石杉型三萜類化合物的植物來源Table 1 Plant origin of serratene triterpenoids

續表1

續表1

續表1

續表1

1.1 二醇類（1～34）

二醇類石杉型三萜一般在C-3 位及C-21 位有羥基取代，C-14/C-15 位為雙鍵。該類化合物以serratenediol（1）為代表，最早在1964年由日本學者Inubushi 等[1]從蛇足石杉中分離得到，很可能是C 環為七元環的石杉型三萜中最原始的一類化合物。另外，也有少數C-13/C-14 位成雙鍵的情況（10，26～29），還存在一些C-3 或C-21 位羰基取代的二醇類三萜，其中Tanaka 等[5]從松科植物Picea jezoensisvar.jezoensis中分離得到的serrat-14-ene-3,21-dione（7）C-3 及C-21 位均被氧化為羰基。此外，該類型三萜C-3 或C-21 位也可以醚或酯的形式存在（11～29），還有極少數與芳環成酯（31～34），本文將這2 類化合物仍歸入此類。二醇類石杉型三萜的化學結構見圖2。

圖2 二醇類石杉型三萜的化學結構Fig. 2 Chemical structures of diols substituted serratene triterpenoids

1.2 三醇類（35～66）

三醇類石杉型三萜是指含3 個氧接官能團的一類化合物，與二醇類三萜相同的是其C-3 及C-21 位通常為羥基或其酯取代。該類三萜C-14/C-15 位若為雙鍵，則環上C-24 或C-29 位常被含氧官能團取代，如化合物lycoclavanol（35）的C-24 位為羥甲基[18]，化合物serrat-14-en-3β,21β,29-triol（39）則為C-29 位被氧化[21]。同時也有C-16 位被氧化為羰基而成α,β 不飽和酮結構，如16-oxoserratenediol（42）[24]。倘若結構中不含雙鍵，則其C-14 位常有羥基取代，取代羥基相對構型可為α（41）也可為β（40）[22-23]。另外目前僅有1 個從松科植物Picea jezoensisvar.jezoensis中分離得到的三醇類化合物 21αmethoxyserrat-13-ene-3,15-dione（47）為雙鍵位于C-13/C-14 位，羰基位于C-15 位[5]。三醇類石杉型三萜的化學結構見圖3。

圖3 三醇類石杉型三萜的化學結構Fig.3 Chemical structures of triols substituted serratene triterpenoids

1.3 多醇類（67～145）

多醇類統指含有4 個及以上含氧取代基的石杉型三萜類化合物，氧取代官能團一般為羥基、羰基、羧基及醛基等，本文將這些取代基成酯的化合物仍然歸入此類。多醇類化合物環上取代基數量及結構的多樣性使其為石杉型三萜各類型中數量最多的一類化合物。部分多醇類化合物結構同上述二醇類及三醇類化合物相似的是雙鍵位于C-14/C-15 位；還有一部分該類化合物含α,β 不飽和酮結構（C-14/C-15/C-16）；另外有部分多醇類三萜結構中不含不飽和鍵，但其C-14 或C-15 位被羥基取代；比較特殊的是有少量化合物在除C-3、C-14、C-15、C-16、C-21、C-24、C-29 位被氧代外，如Yan 等[46]從扁枝石松中分離得到一系列羥基位于C-20、C-27 位的五羥基甚至六羥基取代型三萜，如 14α,15α,20β,21β,24,27α,29-heptahydroxyserrat-3-one（110）和3β,14α,15α,20β,21β,24,27α,29-octahydroxyserratane（111），Deng 等[47]從玉柏石松中分離得到的C-20 位羥基乙酯化合物3β,19α-dihydroxy-20β-acetate-serrat-14-en-21β-ol（113）在C-19 位還有羥基取代，另有3 個由石松得到的化合物（107～109）C-12 位均被羥基取代[45]，這都豐富了石杉型三萜類化合物的結構多樣性。多醇類石杉型三萜的化學結構見圖4。

圖4 多醇類石杉型三萜的化學結構Fig.4 Chemical structures of multi-alcohols substituted serratene triterpenoids

1.4 三萜苷類（146～153）

目前已分離得到的石杉型三萜各類型化合物共計180 余種，但對石杉型三萜苷類的研究仍非常欠缺。到目前為止，僅有8 個3β-葡萄糖苷類化合物在20世紀90年代于石松科植物中被發現。不管是從苷元的類型還是成苷方式，亦或是連糖的數量和類型而言，三萜苷類化合物的繼續研究都具有重要的意義。三萜苷類石杉型三萜的化學結構見圖5。

圖5 三萜苷類石杉型三萜的化學結構Fig.5 Chemical structures of serratene triterpenoid glycosides

1.5 開環類（154～163）

開環類化合物的結構特征是七元環（C 環）裂開，C-8 位常有羥基或羰基取代，C-14 位與C-27 位成雙鍵或失去C-27 位碳直接與羥基相連，A 環或E環連有羥基。該類化合物以芒柄花萜醇（154）為代表[52]，其在石松科及松科植物中都有發現，為開環類三萜的常見化合物。較為特殊的是從石松中發現的26-nor-7(9)-lactone-α-onocerin（162）B 環為七元內酯環[19]，這種類型的開環三萜也是首次從石松中分離得到。開環類石杉型三萜的化學結構見圖6。

圖6 開環類石杉型三萜的化學結構Fig.6 Chemical structures of seco-serratene triterpenoids

1.6 環氧類（164～174）

環氧類石杉型三萜是指含有分子內含有氧環結構的一類特殊化合物。目前已分離得到的該類化合物分子中的氧環位置有3 處，其一是位于C 環，C-26 角甲基與C-14 直接由氧原子相連（172～174）。Bhutani 等[58]從紅櫻草中分離得到3 個新型三萜類化合物均屬于該類型。另外2 種氧環位于D 環中不同位置，分別在C-14/15（164～168）及C-13/C-14（169～171），其中 14β,15β-epoxyserratan-3β,21β,29-triol（168）源于蛇足石杉[21]，其他化合物則只報道于松科植物。環氧類石杉型三萜的化學結構見圖7。

圖7 環氧類石杉型三萜的化學結構Fig.7 Chemical structures of epoxy-serratene triterpenoids

1.7 失碳類（175～180）

失碳類在石杉型三萜中較為少見，在松科植物Pinus montícola和Picea jezoensisvar.hondoensis中分別發現了C-22 位失1 個碳原子的3β-methoxy-22αmethyl-norserrat-14-en-21-one（175）和29-nor-3αmethoxyserrat-14-en-21-one（176）[26,59]。另外，Zhou等[60]從扁枝石松中分離得到4 個C-23 位失碳的石杉型三萜（177～180）。失碳類石杉型三萜的化學結構見圖8。

圖8 失碳類石杉型三萜的化學結構Fig.8 Chemical structures of nor-serratene triterpenoids

1.8 D/E 環順式駢合類（181～183）

常規的石杉型三萜5個環均為反式駢合（圖4），而Zhou 等[60]從扁枝石松中分離得到3 個D 環/E 環順式駢合的石杉型三萜（181～183）。通過比較碳譜數據發現，它們的C-13、C-28、C-30 位碳化學位移與已報道的存在顯著性差異，進一步通過計算化學手段確證了這種新的立體構型的存在，更加豐富了石杉型三萜結構的多樣性。目前，這種類型的石杉型三萜報道的僅3 個，有待深入發掘。D/E 環順式駢合類石杉型三萜的化學結構見圖9。

圖9 D/E 環順式駢合石杉型三萜的化學結構Fig.9 Chemical structures of serratene triterpenoids with cis-parallel D/E rings

1.9 其他類（184～189）

除了以上的8 類石杉型三萜外，還從松科植物Picea jezoensisvar.jezoensis中分離得到2 個D 環為五元環及C-3/C-21 位羥基取代型三萜[61]，從石松科植物石松中發現了同樣結構的C-3/C-21/C-24 位氧代化合物[55]。水龍骨科多足蕨屬植物歐亞多足蕨中還報道了2 個無氧接官能團的Δ13-14和Δ14-15的其他類型三萜[54]。另從水龍骨科的伏石蕨中發現了C 環為七元內酯環的8α,14β-epoxyonocerane（189）[63]。其他類石杉型三萜的化學結構見圖10。

圖10 其他類石杉型三萜的化學結構Fig.10 Chemical structures of other serratene triterpenoids

2 藥理活性

目前國內外學者對石杉型三萜的研究大多集中于化學結構方面，對不同結構石杉型三萜的藥理活性研究不夠深入。而且研究結果顯示同種結構類型石杉型三萜的活性也不盡相同，其活性與結構相關性尚無規律可循。目前對于石杉型三萜的活性研究主要集中于抗腫瘤和細胞毒方面，偶有關于抑制膽堿酯酶、抑制β 位淀粉樣前體蛋白裂解酶1（βsite amyloid precursor protein cleaving enzyme1，BACE-1）、抑制白色念珠菌分泌型天冬氨酸蛋白酶、抗增殖、抗菌、抗炎等作用的研究。

2.1 抗腫瘤作用

石杉型三萜類化合物的抗腫瘤作用一直以來深受廣大研究者關注。Tanaka 等[57,64]評價分離自松科植物的系列石杉型三萜類化合物對12-O-十四烷酰佛波醇-13-醋酸酯誘導的Epstein-Barr 病毒早期抗原（EBV-EA）激活的體外抑制作用，結果發現所有化合物均對EBV-EA 的激活有顯著的抑制作用。繼而對其中2 個活性最好的化合物54、170 進行體內抑制小鼠皮膚癌試驗，結果顯示化合物170 具有良好的抗腫瘤活性。針對上述實驗結果，Tanaka 等[64-65]還對石杉型三萜類化合物抗腫瘤活性的構效關系進行了初步探討，以及進一步推測部分抗腫瘤促進因子活性得益于C 環是七元環的柔性結構，C-13/C-14 之間的氧環也有助于增強該類化合物抗腫瘤促進因子活性。此外，C-29 或C-30 位的醛基也可增強石杉型三萜類化合物的抗腫瘤作用。

Yamaguchi 等[66]首次使用改良大鼠多器官癌變模型研究化合物16 對以二乙基亞硝胺、1,2-二甲基肼、N-丁基-N-(4-羥丁基)亞硝基胺、N-甲基亞硝基脲、N-亞硝基二異丙醇胺5 種致癌物預處理的大鼠內臟器官和組織的潛在化學預防作用。結果表明化合物16 在肺癌的發生發展過程中具有顯著的抑制作用，其機制可能與抑制細胞增殖和解毒系統的活化有關，但確切機制還需要進一步研究。

2.2 細胞毒作用

Wei 等[23]對由垂穗石松中分離得到的5 個多羥基和開環三萜類化合物運用宮頸癌HeLa-/-細胞壞死和凋亡2 種細胞死亡模型進行了活性實驗。結果表明3 個21β-OH 取代化合物41、70、71 顯示出較好的細胞毒作用，其中化合物70 的半數最大效應濃度（median effect concentration，EC50）值為（0.28±0.13）μmol/L，低于陽性對照藥阿霉素的（1.40±0.07）μmol/L，且其是通過細胞凋亡的途徑發揮細胞毒作用的。而21α-OH 取代的化合物72 和開環類化合物155 則沒有活性。

Wittayalai 等[31]研究了源自馬尾杉中的石杉型三萜化合物分別對人膽管癌HuCCA-1 細胞、人肺癌A549 細胞、人肝癌HepG2 細胞以及急性淋巴細胞白血病MOLT-3T 淋巴細胞的細胞毒作用。研究結果顯示2 個多醇酯類化合物125、126 及1 個二醇類化合物2 對MOLT-3T 淋巴細胞有一定的細胞毒作用。

Yan等[46]采用磺酰羅丹明B 方法檢測扁枝石松中一系列的C-27 位連有羥基的多醇類石杉型三萜對白血病K562/S 細胞和對阿霉素抵抗的K562/R 細胞的細胞毒作用，結果表明化合物132 能夠顯著抑制這2種細胞的增殖，半抑制濃度（half maximal inhibitory concentration，IC50）值分別為7.08、7.76 μmol/L。

Zhang 等[19]采用MTT 法研究石松（伸筋草）中石杉型三萜類化合物對A549、HepG2、MCF-7 細胞的細胞毒作用，結果顯示開環類化合物157 對MCF-7 細胞的細胞毒活性較好，其IC50為6.13 μg/mL，另外4 個化合物則對HepG2 細胞的細胞毒作用較為明顯，IC50值為2.28～7.17 μg/mL。

2.3 抑制膽堿酯酶及BACE-1 作用

有研究表明開環類化合物154 具有較好的乙酰膽堿酯酶抑制作用，其IC50值為5.2 μmol/L[67]。對從垂穗石松中分離得到的石杉型三萜類成分進行體外乙酰膽堿酯酶、丁酰膽堿酯酶及BACE-1 抑制活性的評價，結果表明化合物58 對乙酰膽堿酯酶抑制的IC50值為0.91 μmol/L，化合物124 對丁酰膽堿酯酶抑制的IC50值僅有0.42 μmol/L，化合物45則顯示出更強的BACE-1 抑制活性，其IC50值為0.23 μmol/L[25]。從扁枝石松中分離得到的10 個三醇類化合物卻沒有膽堿酯酶抑制活性，但是具有BACE-1 抑制活性[20]。以上這些活性研究結果提示石杉型三萜類化合物具有治療阿爾茨海默病的潛在活性，但其活性研究仍需進一步探索。

2.4 抑制白色念珠菌分泌型天冬氨酸蛋白酶作用

Zhang 等[35]對分離自石松科垂穗石松屬植物垂穗石松中的10 個石杉型三萜類化合物做了抑制白色念珠菌分泌型天冬氨酸蛋白酶的活性實驗，發現其中1 個五羥基三萜酸類化合物74 具有很強的天冬氨酸蛋白酶抑制活性，其IC50值為20.0 μg/mL。

2.5 抗菌作用

2017年有學者研究了松科植物赤松中的3 個石杉型三萜類化合物14、55、56 對引起瘧疾的原生動物、細菌和真菌等的抑制作用，發現它們均有一定的抗菌及抗增殖活性[28]。

2.6 抗炎作用

Jo 等[68]發現石杉型三萜類化合物87 能夠通過細胞外調節蛋白激酶途徑抑制環氧化酶-2、誘導型一氧化氮合酶、核因子-κB 的表達，減少白細胞介素-1β、白細胞介素-8、一氧化氮等炎癥因子的產生，改善炎癥水平。

3 生源途徑

由于多種石松科植物及松科植物都含有芒柄花萜醇，因此Tsuda 等[69]推測石杉型三萜類化合物可能源于芒柄花萜醇的單質子化反應。此種生源轉化假設延續了幾十年，直至2017年Saga 等[70]成功克隆了石松中一種新的onoceroid合酶基因，該基因與先前鑒定的芒柄花萜醇合酶顯示出高度的序列同一性。這才在基因水平上確定石杉型三萜合成的前體物質是芒柄花萜醇前體而不是一直推測的芒柄花萜醇。

2,3,22 ,23-環氧角鯊烯經環化反應后失質子得到前體物質芒柄花萜醇前體，其環化后得到化合物A，化合物A 可發生脫氫反應得到C 環開環的芒柄花萜醇。同時化合物A 也可進行環化反應而使C 環閉環得到化合物B。化合物B 通過脫去C-15 位質子即可得山芝烯二醇，而發生水解反應即得山芝三醇。山芝烯二醇是C-14/C-15 位雙鍵的代表化合物，山芝三醇則是C-14 位羥基取代的代表化合物，具體生源途徑見圖11。

圖11 石杉型三萜類化合物的生源途徑Fig.11 Biosynthesis pathway of serratene triterpenoids

4 NMR 波譜學特征

常規的石杉型三萜類化合物5 個環之間均為反式駢合（化合物181～183 除外），其中C 環為七元環，偶有開環，D 環既有雙鍵結構也有非雙鍵結構，環上常有氧接官能團。基于這2 類化合物的結構特征，它們的核磁共振（NMR）數據也具有其相應的譜學特征。本文對這2 種構型的石杉型三萜類化合物的NMR 特征進行了歸納總結。

4.1 γ-gauche 效應對石杉型三萜類化合物δC的影響

γ-gauche 效應是指結構中電負性基團使α、β 碳原子的化學位移移向低場，而使γ 碳原子的化學位移移向高場的現象。γ-gauche 效應一般常見于鏈烴中，但在六元環固定椅式構象中也會存在。這種現象表現為取代基位于直立鍵（a 鍵）時，與γ 位豎鍵氫之間存在C-1、C-3 的空間擠壓作用，化學位移較取代基位于平伏鍵（e 鍵）時移向高場，見圖12。

圖12 γ-gauche 效應Fig.12 γ-Gauche effects

石杉型三萜類化合物C-3、C-21 位等常有羥基取代，羥基構型的變化導致該類化合物常常存在差向異構體，γ-gauche 效應可用于判斷石杉型三萜差向異構體中取代基的構型。通過分析比對13C-NMR數據可發現每對差向異構體中碳原子的化學位移存在一定數值的差異，且δC差異是由OH 構型的變化引起的。以3-OH 異構為例，3-OH 為β 構型時，其位于平伏鍵（e 鍵），C-1、C-5 的化學位移不受γ效應影響。反之，3-OH 為α 構型時，其位于直立鍵（a 鍵），相較于β 構型而言，該OH 會與H-1 和H-5 在空間位置上相互接近，存在排斥作用，使得電子云密度偏向各自的碳原子，從而增加了屏蔽效應，使γ-C（C-1、C-5）向高場移動，化學位移減小約5[12,35,38,40,44]。類似地，21-OH 異構中其為β 構型即處于直立鍵（a 鍵）時，C-17、C-19 受γ-gauche效應影響，向高場移動，化學位移減小約4[21,36,39,40,55]。因此在石杉型化合物結構鑒定時，γgauche 效應可輔助判斷差向異構體的3-OH 及21-OH 構型。

4.2 27-OH 取代對石杉型三萜類化合物δC 的影響

對于C-27 無羥基取代的化合物而言，其C-27的特征亞甲基信號（δC55 左右）常作為石杉型三萜類化合物的一個重要的判別標準[42]。而對于27-OH石杉型三萜類化合物，C-27 由亞甲基被氧化為連氧次甲基后，其化學位移發生變化。到目前為止，僅報道過27-OH 為α 構型的4 個tohogenol 型石杉型三萜類化合物，其化學位移均在80 以上[46]。以上結果可為石杉型三萜類化合物的基本類型及相應結構特征提供參考。

4.3 D/E 環順式駢合的石杉型三萜類化合物

與一般石杉型三萜化合物不同的是，在化合物181～183 中，它們的D 環與E 環變為了順式駢合，這種立體構型與齊墩果烷型三萜類化合物一致。這2 種構型的石杉型三萜類化合物的差別具體表現在C-13、C-28 和C-30 位上。Zhou 等[60]研究發現，當D 環與E 環順式駢合時（以化合物181 為例，圖13），H-13 和H-30 在空間上十分接近，由于擠壓作用而導致H-13 的電子云密度偏向C-13、H-30 的電子云密度偏向于C-30，使得C-13 和C-30 周圍的電子云密度增大，屏蔽效應增強，化學位移分別降低了約13、16。相反，H-28 與H-29 的空間擠壓作用消失，屏蔽效應減弱，C-28 的化學位移升高了約10。這種新的立體構型的發現提示該類化合物在結構上還存在著更多的可能性，也為后續的結構解析提供了借鑒和指導。

圖13 化合物181 的γ-gauche 效應Fig.13 γ-Gauche effects of compound 181

5 結語

本文較為全面地綜述了石杉型三萜類化合物的結構及相關藥理活性的研究現狀，并基于現有研究推導了其可能的生源合成途徑，且對其波譜學特征進行了淺顯的表征。自20世紀60年代至今，石杉型三萜類化合物的結構研究豐富了其化學成分多樣性，且該類成分在生源合成途徑中相關基因和酶的發現也為其在生物合成領域中的研究提供了參考和指導。但是石杉型三萜類化合物相關藥理活性的研究仍遠遠滯后，較少涉及深入的機制研究；同時有關生物合成的研究也相對較少。基于目前研究取得的結果及存在的不足，期望今后對石杉型三萜類化合物的研究涉及多領域、多方向，發現更多結構新穎、生物活性顯著的天然產物。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突