天竺葵屬植物揮發性成分和生物活性的研究進展

朱佳敏,顧珂如,趙琳靜*,曹婷葦,沈凡妮,許會菡,李琦,馮美卿

1(上海工程技術大學 化學化工學院,上海,201620)2(上海雷允上藥業有限公司,上海,201401)3(復旦大學 藥學院,上海,201203)

天竺葵屬(Pelargonium)是牻兒苗科(Geraniaceae)多年生宿根草本亞灌木或灌木植物,原產南非及其附近國家,具有如玫瑰、薄荷、檸檬、肉豆蔻、生姜等多樣化氣味[1-2]。幾個世紀以來,非洲土著居民使用天竺葵治療腹瀉、腹痛、胃炎、普通感冒、上呼吸道感染、結核病、皮膚傷口感染、淋病等[3]。19世紀90年代末期,天竺葵因在結核病治療上引人注目的功效被歐洲人引進栽培[4-5],后傳入美國,現在世界范圍內均有種植。自20世紀50年代開始,我國對個別種類天竺葵開展引種栽培和繁殖,主要包括家天竺葵、盾葉天竺、香葉天竺葵、菊葉天竺葵、馬蹄天竺葵等品種,分布于云南、四川、貴州、浙江、福建等地區。

天竺葵屬植物的化學成分包括萜類、有機酸、肉桂酸衍生物、黃酮(醇)、單寧、香豆素(苷)、甾醇和生物堿等[6]。近年來,天竺葵的活性成分表現出良好的開發前景和商業價值。德國研制的天竺葵根提取物EPs?7630(Umckaloabos?)對急性支氣管炎、扁桃體咽炎、鼻竇炎和普通感冒的治療效果在多年臨床試驗中得到證實。南非開發的天竺葵提取物Linctagon?對流感和感冒也具有治療作用,且安全性好。此外,一些含有天竺葵成分的保鮮劑和包裝制品等被成功開發并應用于食品領域。

芳香植物揮發性成分因其獨特的化學結構和功效,一直是國內外植物研究和產品開發的重點和熱點[7-8]。天竺葵揮發油是由數十種甚至數百種次生代謝產物組成的復雜混合物,具有廣泛的生物活性和良好的應用前景。本文系統總結了近年來從天竺葵屬植物提取的揮發性化合物及其在抗菌、抗病毒、抗炎、抗氧化、抗腫瘤、緩解焦慮抑郁等方面的作用,并歸納了其在醫藥及食品保鮮、包裝及加工技術領域的應用進展,以期為該藥食兩用植物資源的進一步研究和合理開發利用提供理論依據。

1 揮發性成分

芳香植物中絕大部分的揮發性化學成分來自3個前體,即莽草酸途徑和醋酸-丙二酸途徑的酚類化合物、脂肪酸衍生物和類異戊二烯[9-11],不同的生物合成途徑構成了物質結構多樣性的基礎。揮發油的主要成分通常是萜類化合物及其衍生物,其次是芳香族和脂肪族化合物。

天竺葵揮發性成分在很大程度上取決于其基因型、生長環境和農業種植條件、采收時間等。國內外研究人員通過氣相色譜-質譜法,對多種天竺葵屬植物的揮發性成分進行了分析,主要包括香葉天竺葵(Pelargoniumgraveolens)[12-23]、玫瑰天竺葵(PelargoniumroseumB.Br)[24-28]、波旁天竺葵(PelargoniumasperumBourbon)[25,29]及豆蔻天竺葵[Pelargoniumodoratissimum(L.) L’Her.ex Ait][30]等。所鑒定的揮發性成分主要為萜(系)類,以單萜及其氧化物為主,還有少量的倍半萜和二萜。此外,還存在(烯)酮類、醇類、酯類、烴類、苯丙素及雜環類物質,具體如表1所示。其中,多種萜類化合物為天竺葵屬植物的典型成分[31-37]。

表1 常見天竺葵屬植物中的揮發性成分

2 生物活性

2.1 抗菌抗病毒作用

2.1.1 抗細菌作用

天竺葵對一些常見的細菌病原體的生長有抑制作用,包括葡萄球菌屬[38]細菌,如金黃色葡萄球菌(Staphylococcusaureus)、表皮葡萄球菌(Staphylococcusepidermidis)、木糖葡萄球菌(Staphylococcusxylosus)等以及肺炎克雷伯菌[39]、流感嗜血桿菌(Haemophilusinfluenzae)、腦膜炎奈瑟菌(Neisseriameningitidis)[40]等。OMAR等[41]用肉湯稀釋法考察了天竺葵揮發油對大腸桿菌(EscherichiacoliO157∶H7) ATCC 93111、鼠傷寒沙門氏菌(Salmonellatyphimurium) ATCC 14028、耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(methicillin-resistantStaphylococcusaureus, MRSA) ATCC 43300和蠟樣芽孢桿菌(Bacilluscereus)ATCC 33018的抑菌能力,結果表明天竺葵揮發油對上述致病菌均顯示出良好抑制作用,對MRSA的抑制作用最強。JARADAT等[42]也報道了從巴勒斯坦種植的天竺葵葉片中提取的揮發性成分對MRSA生長抑制作用甚至超過氨芐西林和環丙沙星。

幽門螺桿菌(Helicobacterpylori)感染是引起上消化道一系列疾病的獨立的危險因子。IBRAHIM等[43]使用微孔稀釋法評估了天竺葵揮發油對H.pylori的抑制作用,結果表明,天竺葵揮發油體外抑制H.pylori的最小抑制質量濃度為15.63 μg/mL;天竺葵揮發油與克拉霉素聯用可顯著增強對H.pylori的抑制能力。

2.1.2 抗真菌作用

天竺葵揮發性成分具有良好的體外抗真菌活性。徐雨生等[18]研究表明,香葉天竺葵揮發油對白色念珠菌(Candidaalbicans)的抑制作用顯著,抑菌圈直徑為(11.55±1.53) mm,可能與揮發油中含有香茅醇及香葉醇成分有關。MAHBOUBI 等[44]也考察了6個香葉天竺葵揮發油樣本對31株臨床來源C.albicans的體外抑制作用。DOS SANTOS等[45]對產自不同國家天竺葵揮發油的抗真菌作用進行了比較,并開發了含有此類天然抑菌成分的水凝膠納米乳劑,研究發現,相比空白對照,含有香葉天竺葵揮發性成分的水凝膠納米制劑顯示出更高的抗真菌活性,被認為在治療陰道念珠菌病方面有良好前景。

2.1.3 抗病毒作用

新冠肺炎疫情目前還沒有標準化的治療方法,重癥治療非常具有挑戰性。最近的臨床和體外研究顯示,從天竺葵根中提取富含多酚的天然藥物EPs?7630能夠有效抑制特定冠狀病毒毒株的復制和細胞致病性,可用于COVID-19的預防和早期治療[46]。此外,EPs?7630對一些呼吸道病毒如季節性甲型流感病毒株(H1N1、H3N2)、呼吸道合胞病毒、人類冠狀病毒、副流感病毒和柯薩奇病毒的復制有抑制作用,但不影響高致病性甲型禽流感病毒 (H5N1)、腺病毒或鼻病毒的復制[47]。天竺葵屬植物揮發性成分對呼吸道病毒的抑制作用值得進一步關注。

2.1.4 協同抗菌作用

天竺葵揮發性成分及其他藥物或化學成分具有協同抗菌作用。KAFA等[48]研究發現香葉天竺葵揮發油和多黏菌素抗生素之間的協同活性,香葉天竺葵揮發油具有良好的抗菌效果(5～20 μL/mL),并且能與迷迭香精油在大多數測試的細菌菌株中顯示出強烈的協同活性。TERLIZZI等[49]研究發現含有天竺葵、Justiciaadhatoda和N-乙酰基-L-半胱氨酸組合的抗菌活性,發現該天然成分組合對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌具有很強的長期抑菌活性,這與天竺葵抗氧化活性有關,能夠作為一種創新的藥用植物衍生策略,用于管理基于氧化應激和微生物的疾病。此外,頭狀天竺葵揮發油與氟康唑或玫瑰草(Cymbopogonmartini)揮發油合用具有協同抗真菌作用,分級抑菌濃度指數≤0.5[50]。

2.2 抗炎作用

天竺葵屬植物傳統上被用來減輕皮膚炎癥,常被用于消除暗瘡,改善傷口感染等。細胞水平的研究表明,香葉天竺葵揮發油能顯著影響脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)誘導的RAW264.7炎癥細胞模型中白細胞介素-1β(interlukin-1β,IL-1β)和腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)等炎癥因子的表達水平,且具有劑量依賴性,其高劑量組的抗炎效果與地塞米松組相近[18]。此外,AL-MIJALLI等[51]發現天竺葵揮發油對脂氧合酶有良好的抑制活性,其半抑制濃度(half inhibition concentration, IC50)為39.31 μg/mL,該酶主要用于催化脂肪酸氧化并產生炎癥介質白三烯。BOUKHATEM等[52]也報道了天竺葵揮發油及其活性成分香茅醇均有很好的抗炎作用,IC50分別為4.63和0.74 mg/mL,具有穩定細胞膜作用,可抑制炎癥介質釋放。

上呼吸道感染是人類病毒引起的以上呼吸道炎癥為特征的疾病。G?K?E等[53]報道的一項針對兒童的單盲隨機對照研究發現,與安慰劑組相比,天竺葵可有效改善單純性上呼吸道感染兒童的干咳、打噴嚏癥狀,并減輕咳嗽頻率,可作為治療上呼吸道感染的輔助用藥,能有效減輕疾病的癥狀。CAREDDU等[54]系統綜述了8項隨機對照試驗結果,證明天竺葵對急性支氣管炎、急性扁桃體咽炎和急性呼吸道感染兒童和青少年的癥狀均有顯著緩解作用,減少了可能相關的哮喘發作,且具有良好的安全性和耐受性。

天竺葵與傳統中藥黃連聯合用藥,在改善呼吸系統炎癥方面有顯著作用。MIN等[55]研究發現,天竺葵-黃連混合配方對卵白蛋白激發的哮喘小鼠模型具有劑量依賴性的有益作用,對各種炎癥和過敏性指標有顯著影響,有望作為新的治療劑或作為包括哮喘在內的各種過敏性和炎癥性呼吸系統疾病的藥物成分。同樣, PARK等[56]也研究了天竺葵和黃連組合物的體外、體內抗炎作用, 該藥物組合通過減少NO、前列腺素 E2、TNF-α、IL-1β和 IL-6等促炎因子產生,抑制LPS誘導的RAW 264.7炎癥細胞中的NF-κB信號,表現出抗炎作用;此外,該組合對角叉菜膠誘導的爪急性水腫大鼠模型中的爪腫脹、浸潤性炎癥細胞、肥大細胞脫粒、炎癥因子COX-2、iNOS和 TNF-α等表達有顯著抑制作用。因此,對天竺葵和黃連協同抗炎作用的研究可能有助于更好理解炎癥反應調節的分子機制。

此外,ASGARIRAD 等[57]制備了天竺葵脂質體凝膠,發現對燒傷大鼠模型的傷口愈合有明顯促進作用,與磺胺嘧啶銀組和陰性對照組相比,天竺葵治療組的燒傷面積最小。

2.3 抗氧化作用

ALONSO等[58]通過DPPH自由基、ABTS陽離子自由基清除能力和鐵還原/抗氧化能力(ferric reducing/antioxidant power,FRAP)等方法,考察了天竺葵根、莖、葉、花等5種組織提取物抗氧化能力,結果表明天竺葵葉和花總提物的抗氧化能力強于其他組織;進一步實驗表明,相比其它極性部位,天竺葵葉和花的乙酸乙酯部位對ABTS陽離子自由基的 IC50值最低。此外,提取方法不同對天竺葵揮發性成分的抗氧化作用有明顯影響。WEI等[59]報道,相比常規水蒸氣蒸餾法,采用酶解-微波提取法得到的天竺葵揮發油對DPPH和ABTS陽離子自由基均具有更強清除能力,通過β-胡蘿卜素漂白法評估的抗氧化活性也更高。體內研究方面,MARMOUZI等[60]采用單細胞動物梨形四膜蟲細胞,通過檢測抗氧化酶如超氧化物歧化酶、過氧化氫酶活性以及脂質過氧化產物標記物丙二醛水平,評價了香葉天竺葵等單方及復方揮發油的抗氧化作用,香葉天竺葵揮發油能有效減少氧化應激和亞硝化應激,提高超氧化物歧化酶與谷胱甘肽過氧化物酶活力的同時降低丙二醛含量,增強抗氧化狀態。

芳香植物通過水蒸氣蒸餾法得到的揮發性成分經過油水分離器分層,其中油層部分為揮發油,水層部分為純露[61]。任洪濤等[14]比較了香葉天竺葵揮發油和純露的抗氧化活性,發現純露對DPPH自由基和·OH的清除能力強于揮發油,這與兩者揮發性成分的組成及含量差異有關;香葉天竺葵純露主要以水溶性更大的萜醇類、萜酮類成分為主,而水溶性較小的萜烯酯類和萜烯類成分的相對含量較低。

氧化應激是糖尿病大血管病變的發病機制之一,對于研發能夠預防糖尿病并發癥的藥物具有非常重要的意義。BASHKIN等[62]通過對41種植物進行抗糖尿病和抗氧化雙重功能的篩選發現,天竺葵屬表現出最高的抗糖尿病和抗氧化活性,不僅對α-淀粉酶有明顯抑制作用,且具有強自由基清除活性,因而,可作為糖尿病患者的膳食補充劑,并且可以作為新的、天然的抗糖尿病候選藥物的來源。此外,BEN ELHADJ ALI等[63]也報道了香葉天竺葵揮發油對α-淀粉酶的抑制作用以及對DPPH自由基和ABTS陽離子自由基清除作用。

芳香植物揮發油的抗氧化特性可提供光保護效果,用于藥妝和防曬配方中以保護皮膚免受曬傷。LOHANI等[64]發現,天竺葵葉揮發油具有顯著NO清除活性(85.15%),對DPPH自由基的清除效果與標準抗氧化劑相當(IC50=18.02 μg/mL),具有減少或預防氧化應激的潛力,可用于護膚方案,通過其抗氧化特性減緩皮膚老化。LOHANI[65]也通過體外抗氧化研究證實了天竺葵揮發油乙醇脂質體抗衰老潛力和光保護作用。

2.4 抗腫瘤作用

許多研究報道了天竺葵屬植物成分的體外和體內抗腫瘤活性。IZUEGBUNA等[66]發現,小花天竺葵對急性白血病細胞U937和 Jurkat有明顯毒性,與之前PEREIRA等[67]的研究結果一致,來自天竺葵的活性成分具有顯著抗白血病細胞增殖作用,明顯優于陽性對照藥物5-氟尿嘧啶。EL-GARAWANI等[32]通過生物標志物測定、形態學觀察、實時熒光定量PCR、免疫細胞化學及流式細胞周期分布分析,揭示了天竺葵油和茴香油聯合抑制人乳腺癌細胞MCF-7的機制可能與2種揮發油中含有活性成分的協同作用誘導細胞周期停滯和細胞凋亡有關,而天竺葵油和茴香油組合物對正常人外周血淋巴細胞無顯著毒性。REN等[68]研究了天竺葵等植物揮發油對MCF-7細胞活力、增殖、遷移和侵襲的可能影響,揭示了天竺葵油通過調節乳腺癌細胞中AMPK/mTOR 通路抑制腫瘤進展的機制。此外,YU等[69]報道了天竺葵油主要活性成分香茅醇可通過上調 TNF-α、RIP1/RIP3和下調 caspase-3/caspase-8 活性,致非小細胞肺癌細胞NCI-H1299壞死性凋亡。此外,研究還發現香茅醇能有效抑制BALB/c裸鼠腹腔注射NCI-H1299,4周后產生的皮下腫瘤。

臨床研究也證實了天竺葵屬植物在抗腫瘤治療中的前景。一項針對 58 名化療或放療乳腺癌患者的隨機雙盲對照試驗表明,由香葉天竺葵及幾種具有免疫調節功能的傳統中草藥組成的復方制劑能顯著緩解受試者治療期間白細胞和中性粒細胞水平的降低[70]。

2.5 緩解焦慮抑郁作用

調節情緒是天竺葵的傳統用途之一。ABOUHOSSEINI TABARI等[71]通過高架十字迷宮、敞箱試驗和強迫游泳試驗,考察腹腔注射不同劑量天竺葵揮發油對模型小鼠焦慮和抑郁的改善程度。與對照組相比,天竺葵揮發油能顯著增加小鼠開放臂進入次數和停留時間,提高敞箱試驗中小鼠行為學得分,降低小鼠強迫游泳不動時間,具有明顯抗焦慮和抑郁活性。臨床研究方面,李禎[72]選取了云南地區90位在校大學生,通過抑郁自評量表等探討了芳香療法對抑郁的改善效果,發現0.5%天竺葵精油是最佳單方精油之一。

3 應用

天竺葵屬植物揮發性成分因具有的抗菌、抗氧化和氣味多樣性等生物特性,在醫藥、食品等領域有良好的應用前景。表2列舉了已申請專利保護的含天竺葵揮發油的組合物、制品及其應用情況。一些含有天竺葵揮發油的藥物組合物被制成凝膠、敷貼、乳膏、軟膏劑以及噴霧、氣霧劑等,用于治療和緩解陰道炎等婦科疾病、痛經、關節疼痛以及過敏性鼻炎等疾病癥狀。同時,含有天竺葵揮發油的襯墊、包裝袋、包裝薄膜、保鮮紙、微囊等制備技術在食品保鮮、包裝及加工領域有廣泛應用,可用于防止生鮮水產品和肉品等在生產、運輸、貯藏、銷售等過程的微生物污染,減少脂質過氧化反應,改善生物活性成分穩定性,延長貨架期。含有天竺葵揮發油的制品還可增強食品適口性,顯著提高食品品質。此外,KUJUR等[73]也報道了一種含有天竺葵揮發油的納米凝膠可用于抑制儲藏玉米中的真菌生長,降低玉米霉變風險,提高玉米的儲藏安全,顯著延長玉米保質期。

表2 含有天竺葵揮發油的組合物、制品及其用途

4 總結與展望

天竺葵屬植物揮發性成分因具有抗菌、抗炎、抗氧化、抗腫瘤和抗焦慮抑郁等多種生物活性,受到國內外研究者的廣泛關注,并在醫藥和食品領域表現出良好的應用前景。然而,由于天竺葵揮發性成分結構復雜,當前研究大多無法揭示其功效成分與生活活性之間的關系,量效關系不夠明確,大部分揮發性成分的安全性研究缺乏,限制了其臨床應用。其次,關于天竺葵揮發性成分的生物活性研究目前還大多處于效應層面,深入的分子機制研究很少,已有研究報道的機制比較單一,無法系統反映天竺葵復雜成分多靶點、多途徑的網絡作用機制。

未來天竺葵揮發性功效成分的研究可以有以下幾個方向:(1)通過系統生物學研究方法,如代謝組學或轉錄組學等,從分子和基因轉錄水平深入研究其作用機制,并結合網絡分析方法,從整體上探究天竺葵油和其代表性成分與其他藥物或成分協同作用的療效和機制;(2)探索天竺葵揮發性成分在其它領域的潛在臨床價值;(3)通過微囊化或新型納米技術[73],提高天竺葵揮發油穩定性,以利于進一步應用;(4)進一步開發基于天竺葵活性成分的功能性食品,增加食物風味并提升其健康益處。總之,天竺葵屬芳香植物的功能研究與產品開發目前尚處于初級階段,隨著大健康產業的快速發展,該領域的未來發展前景廣闊、潛力巨大。