大鼠膽汁中黃芩苷代謝物的分離、純化及其對肝癌細(xì)胞HepG2增殖的影響研究

朱亞南 張碩 張敏 孟小夏 楊七妹 湯磊 張榮平 高秀麗

摘 要 目的：從大鼠膽汁中分離純化黃芩苷的代謝物，并研究其對肝癌細(xì)胞HepG2增殖的影響。方法：取6只SD大鼠，麻醉后進(jìn)行膽管插管，待大鼠清醒后，灌胃給予黃芩苷（168 mg/kg），收集灌胃給藥后24 h的膽汁樣品1，經(jīng)處理后，采用高效液相色譜法進(jìn)行初步分析;另取5只SD大鼠，同上述方法麻醉、插管后，灌胃給予黃芩苷（400 mg/kg），并收集灌胃給藥后48 h的膽汁樣品2，經(jīng)處理后，采用半制備型高效液相色譜法對代謝物進(jìn)行分離純化;采用紫外光譜、紅外光譜、質(zhì)譜、核磁共振技術(shù)并結(jié)合其理化性質(zhì)對分離得到的代謝物進(jìn)行鑒定;采用MTT法及高內(nèi)涵細(xì)胞成像分析法研究代謝物對HepG2細(xì)胞增殖的影響。結(jié)果：黃芩苷通過膽汁主要代謝成代謝物1和代謝物2，經(jīng)分離純化后分別鑒定為千層紙素A-7-O-β-D-葡萄糖醛酸苷和黃芩素6-O-β-D-葡萄糖醛酸苷。MTT法結(jié)果顯示，代謝物2對HepG2細(xì)胞具有顯著的增殖抑制作用，其半數(shù)抑制濃度（IC50）為90 ?g/mL;高內(nèi)涵細(xì)胞成像分析法結(jié)果顯示，在一定濃度下，代謝物2可能通過改變HepG2細(xì)胞線粒體分布及膜通透性從而抑制細(xì)胞增殖（代謝物1的藥理活性已有報道，本研究略去）。結(jié)論：成功分離并鑒定出2個黃芩苷的膽汁代謝物，其中代謝物2黃芩素6-O-β-D-葡萄糖醛酸苷對HepG2細(xì)胞具有顯著的增殖抑制作用。

關(guān)鍵詞 黃芩苷;代謝物;千層紙素A-7-O-β-D-葡萄糖醛酸苷;黃芩素6-O-β-D-葡萄糖醛酸苷;分離純化;高內(nèi)涵細(xì)胞成像分析;肝癌細(xì)胞HepG2

ABSTRACT? ?OBJECTIVE： To isolate and purify baicalin metabolites from rat bile， and to study its effect on the proliferation of liver cancer HepG2 cells. METHODS： Totally of 6 SD rats were collected， anesthetized and then intubated with bile ducts. They were given baicalin （168 mg/kg） intragastrically after the rats were awake as well as the bile sample 1 was collected during 24 h after intragastric administration. After processed， bile sample 1 was preliminarily analyzed by HPLC. Another 5 SD rats were anesthetized and intubated in the same way as above， and then given baicalin intragastrically （400 mg/kg）. The bile sample 2 was collected during 48 h after intragastric administration. After processed， the bile sample 2 was isolated and purified by semi-preparative HPLC. The isolated metabolites were identified by using UV， IR， MS and NMR， as well as based on physical and chemical properties. MTT method combined with high content cell imaging analysis system was used to study the effect of the metabolites on the proliferation of HepG2 cells. RESULTS： Baicalin was mainly metabolized into metabolite 1 and metabolite 2 through bile. After isolation and purification， they were identified as oroxylin A-7-O-β-D-glucuronide and baicalein 6-O-β-D-glucuronide. The results of MTT assay showed that the metabolite 2 had a significant inhibitory effect on the proliferation of HepG2 cells， and its IC50 was 90? ? ? ?g/mL; the results of high content cell imaging analysis showed that at a certain concentration metabolite 2 may inhibit proliferation by changing the mitochondrial distribution and membrane permeability of HepG2 cells （studies on the pharmacological activities of metabolism 1 had been reported， it was skipped in this study）. CONCLUSIONS： In this study， two baicalin bile metabolites were successfully isolated and identified， of which baicalein 6-O-β-D-glucuronide has a significant inhibitory effect on the proliferation of HepG2 cells.

KEYWORDS? ?Baicalin; Metabolite; Oroxylin A-7-O-β-D-glucuronide; Baicalein 6-O-β-D-glucuronide; Isolation and purification; High content cell imaging analysis; Liver cancer HepG2 cells

黃芩是唇形科植物黃芩（Scutellaria baicalensis Georgi）的干燥根，味苦、性寒，歸肺、心、肝、膽、大腸經(jīng)，在我國的應(yīng)用已有上千年的歷史，具有清熱燥濕、瀉火解毒、止血、安胎等功效[1]。黃芩中主要含有黃酮及其苷類、萜類化合物和揮發(fā)油等成分[2]。其中，屬于黃酮類化合物的黃芩苷作為黃芩最主要的有效成分，在黃芩中的含量為9%～14%[3]。近年來，隨著對黃芩苷的深入研究，發(fā)現(xiàn)其具有保肝、利膽、抗菌、抗炎、抗腫瘤、抗糖尿病、抗病毒和抗氧化等藥理作用[4-8]。

已有研究表明，黃芩苷進(jìn)入大鼠體內(nèi)后，先在腸道菌群分泌的β-葡萄糖醛酸苷酶（GUS）作用下水解為其苷元黃芩素，然后在肝部位經(jīng)尿苷二磷酸葡萄糖醛酸轉(zhuǎn)移酶（UGT）作用轉(zhuǎn)化成黃芩苷及其他代謝物后主要經(jīng)膽汁排泄[9]。另有研究發(fā)現(xiàn)，黃芩苷可抑制肝癌細(xì)胞HepG2的增殖，具有濃度和時間的依賴性，并可誘導(dǎo)HepG2細(xì)胞的凋亡[10-12]。但黃芩苷經(jīng)肝代謝產(chǎn)生的代謝物對肝是否具有毒副作用尚不清楚。因此，本研究首先使用高效液相色譜法初步確定了黃芩苷在膽汁中的主要代謝物，然后利用半制備型高效液相色譜法分離純化主要代謝物，并鑒定其結(jié)構(gòu);采用MTT法及高內(nèi)涵細(xì)胞成像分析法分析代謝物對HepG2細(xì)胞增殖的影響，以期為黃芩苷及其代謝物后續(xù)研究提供試驗基礎(chǔ)。

1 材料

1.1 儀器

UltiMate 3000型超高效液相色譜-TSQ、Quantum型三重四極桿串聯(lián)質(zhì)譜（MS）儀（美國Finnigan 公司）;UV 2700型紫外可見分光光度計（日本島津公司）;FT-IR型紅外光譜（IR）儀（美國賽默飛公司）;JE-OL-ECS-400MHz型核磁共振（NMR）波譜儀（日本電子株式會社）;1100型半制備型高效液相色譜儀（美國安捷倫科技有限公司）;N-1300S型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（長春樂鏷科技有限公司）;CKX53型倒置顯微鏡（奧林巴斯中國有限公司）;MCO-18AC型二氧化碳培養(yǎng)箱（日本松下公司）;Allegra BHR型超高速冷凍離心機(jī)（美國Beckman公司）;VIBRAX VXR basic型自動漩渦振蕩儀（德國IKA公司）;D101型氮吹儀（杭州藍(lán)焰科技有限公司）;2XZ-1型旋片式真空泵（浙江黃巖黎明實業(yè)有限公司）;AB104-N Mettler型電子天平（瑞士梅特勒-托利多儀器有限公司）;800TS型酶標(biāo)儀（美國Bio-tek公司）; BBS-V800型超凈工作臺（蘇州凈化設(shè)備總廠）;Operetta型高內(nèi)涵細(xì)胞成像分析系統(tǒng)（美國Perkin Elmer有限公司）。

1.2 藥品與試劑

黃芩苷對照品（陜西昊辰生物科技有限公司，批號：HQ190916，純度：≥98%）;聚乙二醇400（PEG400，廣東西隴化工有限公司，批號：141025）;5-氟尿嘧啶（5-FU，美國Sigma公司，批號：0598）;胎牛血清（批號：1809249）、DMEM培養(yǎng)基（批號：8119220）、胰蛋白酶消化液（批號：25200-056）、二甲基亞砜（DMSO，批號：821D031）、青霉素-鏈霉素溶液（批號：20181222）、磷酸鹽緩沖液（PBS，批號：20181217）、MTT（批號：1015D059）均購自北京索萊寶科技有限公司;Bobo-3膜通透性染料（批號：QC217869）、DAPI核染料（批號：QC217870）、線粒體綠色熒光探針（批號：QC217868）均購自美國Thermo Fisher Scientific公司;乙腈、甲醇為色譜純，乙酸乙酯為分析純，水為純凈水。

1.3 動物

SD大鼠，雄性，體質(zhì)量（300±20） g，購自貴州醫(yī)科大學(xué)實驗動物中心，動物使用許可證號：SYXK（黔）2018-0001。大鼠嚴(yán)格按照實驗動物護(hù)理和使用指南飼養(yǎng)，將大鼠飼養(yǎng)在室溫（22±2） ℃和濕度（55±5）%的環(huán)境中，光照12 h循環(huán)，自由飲水。本實驗所涉及動物的相關(guān)操作均在貴州醫(yī)科大學(xué)實驗動物倫理委員會的批準(zhǔn)下進(jìn)行，并嚴(yán)格遵循相關(guān)準(zhǔn)則。

1.4 細(xì)胞

肝癌細(xì)胞HepG2購自中國科學(xué)院典型培養(yǎng)物保藏委員會昆明細(xì)胞庫，在第5次傳代后用于后續(xù)試驗。

2 方法與結(jié)果

2.1 大鼠膽汁中黃芩苷代謝物的初步分析

2.1.1 色譜條件 參考本課題組前期研究方法[13]進(jìn)行試驗，色譜柱為Diamosil C18（250 mm×4.6 mm，5 μm）;流動相為0.2%磷酸水溶液-甲醇-乙腈溶液（60 ∶ 22 ∶ 18，V/V/V）;流速為1 mL/min;柱溫為40 ℃;檢測波長為275 nm;進(jìn)樣量為20 ?L。

2.1.2 黃芩苷對照品溶液的制備 精密稱取適量的黃芩苷對照品，用甲醇溶解并定容至10 mL量瓶中，即得質(zhì)量濃度為10 mg/mL的黃芩苷對照品溶液，于4 ℃下保存，備用。

2.1.3 大鼠膽汁樣品的處理 取6只SD大鼠，經(jīng)水合氯醛麻醉大鼠，行膽管插管[14]。待大鼠清醒后，灌胃給予黃芩苷溶液[168 mg/kg，根據(jù)黃芩苷在茵梔黃軟膠囊（主要活性成分為黃芩苷）中的用量換算而得]。持續(xù)收集大鼠24 h的膽汁，作為膽汁樣品1，備用。取100 μL大鼠膽汁樣品1于5 mL的離心管中，加入0.5 mol/L鹽酸溶液50 μL，渦旋混合30 s，加入乙酸乙酯2 mL，振蕩10 min進(jìn)行萃取，在4 ℃下以4 000 r/min離心10 min后，取上清液于40 ℃下氮?dú)獯蹈?，加甲?00 μL復(fù)溶，再在4 ℃下以12 000 r/min離心10 min后，取上清液，備用。

2.1.4 黃芩苷膽汁代謝物初步分析 取大鼠空白膽汁、大鼠空白膽汁+黃芩苷對照品、大鼠灌胃給藥后的膽汁各適量，按“2.1.3”項下方法處理后，再按“2.1.1”項下色譜條件進(jìn)樣分析。結(jié)果，黃芩苷經(jīng)過膽汁代謝后，除原型外，主要產(chǎn)生2個代謝物（分別為代謝物1和代謝物2），其中黃芩苷、代謝物1與代謝物2的保留時間分別為8.0、11.2、13.4 min，色譜圖詳見圖1。

2.2 大鼠膽汁中黃芩苷代謝物的分離純化及鑒定

本研究在前期試驗基礎(chǔ)上建立半制備型高效液相色譜法進(jìn)行黃芩苷代謝物的分離純化。

2.2.1 色譜條件 色譜柱為Agilent ZORBAX SB-C18（250 mm ×9.4 mm，5 ?m）半制備型高效液相色譜柱;流動相為0.03%三氟乙酸水溶液-甲醇-乙腈溶液（66 ∶ 21 ∶ 13，V/V/V）;流速為3 mL/min;柱溫為40 ℃;檢測波長為275 nm;進(jìn)樣量為40 ?L。

2.2.2 黃芩苷代謝物的分離純化 取5只大鼠，經(jīng)水合氯醛麻醉后，同“2.1.3”項下方法麻醉、插管，待大鼠清醒后，灌胃給予黃芩苷溶液（400 mg/kg，根據(jù)前期實驗中大鼠的最大耐受劑量換算而得，為增加膽汁中代謝物含量所以增加了灌胃劑量）。持續(xù)收集大鼠48 h的膽汁，作為膽汁樣品2，于-20 ℃儲存，備用。每次取100 ?L膽汁樣品2，加入0.5 mol/L鹽酸50 ?L渦旋混合40 s，再加2 mL乙酸乙酯，振蕩萃取10 min后，在4 ℃下以4 000? ? r/min離心10 min，取上清液于氮?dú)庀麓蹈?。重?fù)上述操作，將所有膽汁樣品富集，最后得到粗品78.59 mg。將富集得到的粗品用一定量甲醇稀釋成質(zhì)量濃度為19.64 mg/mL的溶液，再以12 000 r/min離心10 min后，取上清液40 ?L，按“2.2.1”項下色譜條件進(jìn)行分離純化。試驗過程中一直將收集餾分的容器置于冰水浴中保持化合物的穩(wěn)定，再將收集的餾分混合，使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀將溶劑揮干，得到代謝物1（保留時間為37.5 min） 8.51 mg、代謝物2（保留時間為44 min）11.52 mg。半制備型高效液相色譜圖詳見圖2。

2.2.3 黃芩苷代謝物的結(jié)構(gòu)鑒定 采用紫外光譜（UV）、IR、MS、NMR技術(shù)并結(jié)合其理化性質(zhì)對黃芩苷代謝物1、2進(jìn)行鑒定，結(jié)果如下。

代謝物1：淡黃色無定形粉末，易溶于甲醇和DMSO。ESI-MS m/z：461.08[M+H]+，459.31[M-H]-，分子式為C22H20O11。熔點(diǎn)：192～194 ℃。UV [max][λMeOH]nm（log ε）：245 sh（4.02），272（4.41），310（4.17）; 沒有觀察到代謝物1的NaOAc紫外光譜變化;[max][λMeOH+AlCl3]nm（log ε）：251 sh（4.01），283（4.39），331（4.23）。IR（KBr）：3 455 cm-1（OH），1 735 cm-1（COOH），1 657 cm-1（共軛C=O），? ? 1 613 cm-1（芳香C=C）。1H-NMR（400 MHz，DMSO- d6）δ：3.77（3H，s，C6-OCH3），5.35（1H，d，J=7.0），7.07（1H，s，C3-H），7.12（1H，s，C8-H），7.59（3H， m，C3′，4′， 5′- H），8.01（2H， m， C2′， 6′-H），12.82（1H， s，C5-OH）。13C-NMR（100 MHz，DMSO-d6） δ：163.6（C-2），104.8（C-3），182.3（C-4），152.6（C-5），132.6（C-6），156.3（C-7），94.2（C-8），152.4（C-9），105.9（C-10），130.5（C-1′），126.2（C-2′6′），129.2（C-3′5′），131.9（C-4′），66.2（OCH3），99.3（C-1?），72.9（C-2?），75.8（C-3?），71.2（C-4?），75.3（C-5?），170.0（C-6?）。上述數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)方法[15]報道一致，故推測代謝物1為千層紙素A-7-O-β-D-葡萄糖醛酸苷，其結(jié)構(gòu)式詳見圖3A。

代謝物2：淡黃色無定形粉末，易溶于甲醇和DMSO。ESI-MS m/z：447.09[M+H]+，445.11[M-H]-，分子式為C21H18O11。熔點(diǎn)：195～197 ℃。UV [max][λMeOH]nm（logε）：271（4.33），318（4.01）;[max][λMeOH+NaOAc]nm（logε）：267（4.35），362（3.99）;[max][λMeOH+AlCl3]nm（logε）：254（3.98），282（4.31），334（4.36）。IR（KBr）：3 370 cm-1（OH），1 739 cm-1（COOH），1 657 cm-1（共軛C=O），1 626cm-1（芳香C=C）。1H-NMR（400 MHz，DMSO-d6）δ：5.01（1H，d，J=7.5），6.67（1H，s，C8-H），6.97（1H，s，C3-H），7.61（3H，m，C3′，4′，5′-H），8.05（2H，m，C2′，6′-H），10.62（1H，s，C7-OH），13.03（1H，s，C5-OH）。13C-NMR（100 MHz，DMSO-d6）δ：163.3（C-2），104.2（C-3），182.2（C-4），153.0（C-5），128.0（C-6），157.5（C-7），94.4（C-8），152.5（C-9），104.5（C-10），130.7（C-1′），126.4（C-2′6′），129.1（C-3′5′），132.0（C-4′），103.6（C-1?），73.5（C-2?），76.0（C-3?），71.2（C-4?），75.6（C-5?），170.1（C-6?）。上述數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)方法[15]報道一致，故推測代謝物2為黃芩素6-O-β-D-葡萄糖醛酸苷，其結(jié)構(gòu)式詳見圖3B。

2.3 代謝物2對HepG2細(xì)胞增殖的影響考察

已有研究證實代謝物1（千層紙素A-7-O-β-D-葡萄糖醛酸苷）與黃芩苷具有相似的藥理活性[16]，但筆者未見國內(nèi)外有關(guān)代謝物2（黃芩素6-O-β-D-葡萄糖醛酸苷）的藥理活性報道?；诖耍P者使用MTT法和高內(nèi)涵細(xì)胞成像分析法考察了代謝物2對HepG2細(xì)胞增殖的影響。

2.3.1 MTT法檢測代謝物2對HepG2細(xì)胞增殖的影響 參考相關(guān)文獻(xiàn)方法[17]，取對數(shù)生長期的HepG2細(xì)胞，以5×103個/200 ?L的密度接種于96孔板，將細(xì)胞分為代謝物2低、中、高質(zhì)量濃度組（45、90、180 ?g/mL）和空白對照組（等體積不含藥的DMEM培養(yǎng)基）、5-FU組（陽性對照，30 ?g/mL），每組設(shè)5個復(fù)孔，常規(guī)培養(yǎng)24 h后，再換用無血清的DMEM培養(yǎng)基繼續(xù)培養(yǎng)24 h使細(xì)胞同步化;分別加入對應(yīng)濃度的藥物孵育24 h;吸棄培養(yǎng)基，每孔加入無血清的DMEM培養(yǎng)基100 ?L和5? ?mg/mL的MTT溶液10 ?L，繼續(xù)培養(yǎng)4 h，加入150 μL DMSO低速振蕩10 min溶解結(jié)晶。采用酶標(biāo)儀在490 nm波長處測定吸光度（OD）值，重復(fù)3次，計算HepG2細(xì)胞的增殖抑制率：增殖抑制率=[1-（OD試驗組-OD空白對照組）/（OD陽性對照組-OD空白對照組）]×100%;并根據(jù)概率法[18]計算代謝物2和5-FU的半數(shù)抑制濃度（IC50）。各組HepG2細(xì)胞增殖抑制率測定結(jié)果詳見表1。

由表1可知，與空白對照組比較，5-FU組和代謝物2低、中、高質(zhì)量濃度組細(xì)胞增殖抑制率均顯著升高（P<0.05或P<0.01），表明代謝物2對HepG2細(xì)胞具有顯著的增殖抑制作用。根據(jù)概率法計算得5-FU、代謝物2對HepG2細(xì)胞的IC50分別為30、90 ?g/mL。

2.3.2 高內(nèi)涵細(xì)胞成像分析法分析代謝物2對HepG2細(xì)胞增殖的影響 取對數(shù)生長期的HepG2細(xì)胞，以1×104個/mL的密度接種于多聚賴氨酸包被的96孔板，將細(xì)胞分為空白對照組和代謝物2低、中、高質(zhì)量濃度組（45、90、180 ?g/mL），每組設(shè)3個復(fù)孔，常規(guī)培養(yǎng)24 h后，分別加入對應(yīng)濃度的含藥培養(yǎng)基培養(yǎng)24 h。于培養(yǎng)結(jié)束前0.5 h，取出96孔板，輕輕移去上清液，每個孔加入60 ?L活細(xì)胞染液（包括Bobo-3膜通透性染料、DAPI核染料和線粒體綠色熒光探針），繼續(xù)培養(yǎng)0.5 h進(jìn)行染色;染色后吸棄染液，加入100 ?L/孔的4%多聚甲醛固定液，室溫放置20 min進(jìn)行固定;再吸棄固定液，使用清洗液100 ?L/孔清洗后吸棄，加入100 ?L/孔的透化液，室溫避光孵化20 min進(jìn)行透化;然后吸棄透化液，用清洗液清洗3次后，加入100 ?L/孔的封閉液，室溫培養(yǎng)20 min;吸棄封閉液，用清洗液清洗3次后，加入高內(nèi)涵細(xì)胞成像分析系統(tǒng)。設(shè)置系統(tǒng)激發(fā)/光發(fā)射波長為358/461 nm檢測DAPI染色的核通道，570/603 nm檢測膜通透性，490/516 nm檢測線粒體分布，觀察代謝物2對HepG2細(xì)胞數(shù)量的影響，并記錄細(xì)胞核面積變化、線粒體分布[用熒光強(qiáng)度值（F）表示，數(shù)值越大表示線粒體分布越廣]和Bobo-3膜通透性（用F值表示，數(shù)值越大表示膜通透性越強(qiáng)）[17]的變化。各組細(xì)胞高內(nèi)涵細(xì)胞成像結(jié)果詳見圖4，高內(nèi)涵分析參數(shù)結(jié)果詳見表2。

由圖4及表2可知，空白對照組細(xì)胞核形態(tài)完整，細(xì)胞膜通透性低，線粒體分布正常，未觀察到明顯的凋亡特征。與空白對照組比較，代謝物2低、中、高質(zhì)量濃度組細(xì)胞數(shù)量顯著減少（P<0.05或P<0.01）;代謝物2高質(zhì)量濃度組細(xì)胞核面積顯著降低（P<0.05）;代謝物2低質(zhì)量濃度組細(xì)胞的線粒體分布、膜通透性均顯著增加（P<0.01），而高質(zhì)量濃度組細(xì)胞的線粒體分布顯著減少（P<0.05），中濃度組細(xì)胞膜通透性顯著降低（P<0.05）。這提示在一定濃度下，代謝物2可能通過改變細(xì)胞線粒體分布及膜通透性影響細(xì)胞增殖。

3 討論

本研究基于半制備型高效液相色譜法從大鼠膽汁中分離純化出黃芩苷的代謝物1和2，經(jīng)過UV、IR、MS和NMR技術(shù)與其理化性質(zhì)分別鑒定為千層紙素A-7-O-β-D-葡萄糖醛酸苷和黃芩素6-O-β-D-葡萄糖醛酸苷;同時，研究了代謝物2對HepG2細(xì)胞增殖的影響，這為黃芩苷代謝物分離純化提供了新的方法，并為其定性定量研究提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

目前，關(guān)于黃芩苷等黃酮類藥物的研究越來越多地關(guān)注其活性代謝物，黃芩苷的活性代謝物也是其發(fā)揮體內(nèi)療效的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。本研究首次使用高內(nèi)涵細(xì)胞成像分析系統(tǒng)，從細(xì)胞數(shù)量、細(xì)胞核面積、線粒體分布及細(xì)胞膜通透性等方面研究了代謝物2對HepG2肝癌細(xì)胞增殖的抑制作用，結(jié)果表明，在一定濃度下，代謝物2可能主要通過改變肝癌細(xì)胞的線粒體分布及膜通透性來抑制HepG2肝癌細(xì)胞的增殖。

綜上所述，本研究成功分離并鑒定出2個黃芩苷在大鼠膽汁中的代謝物，其中黃芩素6-O-β-D-葡萄糖醛酸苷對HepG2細(xì)胞具有顯著的增殖抑制作用，但其作用機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。

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（收稿日期：2019-10-17 修回日期：2020-01-06）

（編輯：唐曉蓮）