人參莖葉總皂苷的人腸內(nèi)細(xì)菌生物轉(zhuǎn)化△

馬麗媛，王洪平，楊秀偉

北京大學(xué) 藥學(xué)院 天然藥物學(xué)系/天然藥物及仿生藥物國家重點實驗室，北京 100191

傳統(tǒng)中藥人參Ginseng Radix et Rhizoma系五加科多年生草本植物人參PanaxginsengC.A.Mey.的干燥根和根莖，其主要成分為人參皂苷(ginsenoside)[1]，具有延緩衰老、抗疲勞、保護(hù)肝臟和心血管系統(tǒng)、抗應(yīng)激、抗誘變、抗癌、抗糖尿病、抗氧化、抗炎等藥理作用[2]。研究表明，人參莖葉總皂苷[3-7]與人參根和根莖總皂苷[1，8]具有類似的達(dá)瑪烷型三萜皂苷組成，因此，人參莖葉總皂苷有廣闊的開發(fā)利用前景。在長期的臨床實踐中，中藥形成了以口服為主的給藥途徑，其化學(xué)成分吸收進(jìn)入系統(tǒng)循環(huán)之前往往要在腸道菌群的作用下活性化，才能更好地發(fā)揮作用，這一機(jī)制的闡明為基于中藥化學(xué)成分體內(nèi)生物轉(zhuǎn)化尋找新藥先導(dǎo)化合物開辟了新途徑[9]。人參莖葉皂苷經(jīng)甘蔗鐮孢Fusariumsacchari轉(zhuǎn)化后可生成稀有抗腫瘤活性皂苷[10]；經(jīng)塔賓曲霉菌Aspergillustubingensis轉(zhuǎn)化可生成稀有人參皂苷Rh4(ginsenoside Rh4)及其苷元[11]。本實驗采用液相色譜-電噴霧離子源-四極桿-飛行時間質(zhì)譜法(LC-ESI-Q-TOF-MS)研究人參莖葉總皂苷的人腸道細(xì)菌生物轉(zhuǎn)化，為源于人參莖葉皂苷的現(xiàn)代中藥定向研究提供理論和實驗依據(jù)。

1 材料

1.1 儀器

1290型超高效液相色譜儀(配有1290系列二元泵、在線脫氣機(jī)、自動進(jìn)樣閥和柱溫箱)、Q-TOF 6540型質(zhì)譜儀[配有安捷倫AJS電噴霧離子源(ESI)、Agilent MassHunter工作站]、Agilent ZORBAX RRHD Eclipse Plus C18型色譜柱(100 mm×3 mm，1.8 μm，配有Phenomenex Security GuardTMULTRA保護(hù)柱)均購于安捷倫公司；Mettler XS105DU型十萬分之一電子天平(瑞士Mettler-Toledo公司)；Advantage A10型制水機(jī)(美國Millipore公司)；KQ5200型超聲波清洗儀(功率：200 W，頻率：40 kHz，昆山市超聲儀器有限公司)；質(zhì)譜級乙腈、甲醇和甲酸購于美國Fisher科技公司。

1.2 試藥

人參莖葉采自吉林省集安人參種植場，由吉林省中醫(yī)中藥研究院中藥研究所李龍云研究員鑒定為五加科人參PanaxginsengC.A.Mey.的莖葉。

人源腸內(nèi)菌叢培養(yǎng)基、胰蛋白胨、朊胨、消化血清粉、酵母浸膏、牛肉膏、牛肝浸出粉均購于北京市海淀區(qū)微生物培養(yǎng)基制品廠；硫代乙醇酸鈉(廣西新港化工廠)；L-半胱氨酸鹽酸鹽(第二軍醫(yī)大學(xué)政祥醫(yī)用科學(xué)實業(yè)服務(wù)部)；可溶性淀粉(成都宏博有限公司)；磷酸二氫鉀、氯化鈉、葡萄糖購于北京化工廠。

對照品人參皂苷Rh20(G-Rh20)[5]、G-Rf2、G-Re[7]、3β，6α，12β，25-四羥基-達(dá)瑪-20(22)E-烯-6-O-α-L-吡喃鼠李糖基-(1→2)-β-D-吡喃葡萄糖苷(THDRG)[6]、G-Rh14[4]、G-Rd[7]、G-Rh15[4]、G-F2[7]、G-Rh4和G-Rg5[6]均由本課題組從人參莖葉總皂苷中分離鑒定；20(S)-G-Rg2、20(R)-G-Rg2、20(S)-G-Rh1、20(S)-25-hydroxy-protopanaxatriol[20(S)-25-OH-PPT]、20(R)-G-Rh1、20(R)-25-hydroxy-protopanaxatriol[20(R)-25-OH-PPT]、G-F1、G-Rh19、20(R)-G-Rh19、G-Rg6、20(22)E-G-F4、G-Rk3、20(S)-G-Rg3、20(R)-G-Rg3、G-Rh16、20(S)-PPT、20(R)-PPT、G-Rk1、20(S)-G-Rh2、20(R)-G-Rh2、異G-Rh3(Iso-G-Rh3，98)[12]和3β，12β，24S-三羥基-達(dá)瑪-20(22)E，25-二烯-3-O-β-D-吡喃葡萄糖苷(ginsenoslaloside-I，THDG)[13]從人參莖葉總皂苷的NaOH水解產(chǎn)物中分離鑒定；20(S)-25-OH-原人參二醇[20(S)-25-OH-PPD][14]從人參莖葉總皂苷的硫酸水解產(chǎn)物中分離鑒定；G-Rg1、G-Rf、三七皂苷-R2(NG-R2)、G-Rb1、G-Rc和G-Rb2從人參根和根莖[15]或紅參[16]中分離鑒定；G-CK從人參果中分離得到[17]。以上各對照品純度經(jīng)液相色譜-質(zhì)譜法(LC-MS)測定均大于98%。

2 方法

2.1 人參莖葉總皂苷的制備

人參莖葉粗粉及總皂苷按照專利方法制備[18]。取干燥的人參莖葉粗粉(15 kg)，用水煎煮3次，加水量依次為原料的20、15、10倍量，分別提取3、2、1.5 h。合并煎煮液，濾過，減壓濃縮，加入 3倍量95%乙醇水溶液，沉淀雜質(zhì)，上清液用活性炭脫色，回收乙醇，得提取物(2.625 kg)。將提取物于10倍量水中溶解，加入氯化鈉使其達(dá)到飽和后進(jìn)行鹽析，靜止過夜，濾得沉淀，即為人參莖葉總皂苷(210 g)。

2.2 厭氧培養(yǎng)基(GAM)和人腸內(nèi)菌叢的制備

2.2.1GAM配制 準(zhǔn)確稱取胰蛋白胨10 g、朊胨10 g、消化血清粉13.5 g、酵母浸膏5 g、牛肉膏2.2 g、牛肝浸出粉1.2 g、葡萄糖3 g、磷酸二氫鉀2.5 g、氯化鈉3 g、可溶性淀粉5 g、L-半胱氨酸鹽酸鹽0.3 g和硫代乙醇酸鈉0.3 g，加入適量蒸餾水，用恒溫磁力攪拌器使其充分溶解并定容至1000 mL，用1 mol·L-1NaOH水溶液調(diào)pH為7.1～7.2，即為GAM。

2.2.2人腸內(nèi)菌叢的制備 人腸內(nèi)菌叢制備按標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程[19]進(jìn)行。取10號自封袋，充滿氮氣，置換自封袋內(nèi)的氣體，擠壓出氣體后再通入氮氣。如此重復(fù)2次，再次充滿氮氣，將健康志愿者一次排出的所有糞便裝入自封袋，封口并用手?jǐn)D壓自封袋使糞便均質(zhì)化。通過厭氧箱的置換倉將糞便轉(zhuǎn)移至厭氧無菌操作條件下，取糞便3～5 g，放入到200 mL加熱沸騰并立即冷卻的GAM中(250 mL具塞錐形瓶)，通入氮氣去除空氣，加塞封口。置厭氧培養(yǎng)箱中，37 ℃下培養(yǎng)24 h；從250 mL具塞錐形瓶中取出菌液1 mL，加至已裝有滅菌GAM的具塞錐形瓶中，37 ℃活化培養(yǎng)24 h，取出，置于4 ℃冰箱中保存，即為人腸內(nèi)菌混合菌叢。

2.3 人參莖葉總皂苷的人腸內(nèi)細(xì)菌生物轉(zhuǎn)化及其產(chǎn)物萃取

準(zhǔn)確稱取人參莖葉總皂苷80 mg，用二甲基亞砜400 μL充分溶解。在厭氧培養(yǎng)箱內(nèi)，向3只(標(biāo)記為1～3號瓶)100 mL具塞錐形瓶內(nèi)分別加入GAM 40 mL，向1、2號瓶內(nèi)各加入菌液1 mL，再向1、3號瓶內(nèi)加入人參莖葉總皂苷溶液200 μL。1～3號瓶分別標(biāo)記實驗組、空白組和對照組。瓶口用封口膜密封，轉(zhuǎn)移至搖床，在37 ℃、100 r·min-1條件下培養(yǎng)48 h。上述實驗平行進(jìn)行3次。培養(yǎng)結(jié)束后，加入乙酸乙酯滅活，用等體積乙酸乙酯萃取3次，再用等體積正丁醇萃取2次，合并萃取液，減壓濃縮，得到轉(zhuǎn)化產(chǎn)物萃取樣品。

2.4 供試品溶液制備

取2.1項下人參莖葉總皂苷1 mg，用甲醇1 mL充分溶解；取2.3項下每個處理轉(zhuǎn)化產(chǎn)物萃取樣品，分別用甲醇5 mL充分溶解。各待測樣品分析前在10 000×g離心10 min。用0.22 μm微孔濾膜濾過，作為供試品溶液。

2.5 對照品溶液制備

精密稱取各對照品適量，用甲醇溶解，配制成對照品儲備液。分別精密吸取各對照品儲備液適量，配制成各對照品質(zhì)量濃度為50～200 ng·mL-1的混合對照品溶液。

2.6 分析條件

2.6.1HPLC條件 Agilent 1290型液相色譜儀，流動相為水(A)-乙腈(B)，梯度洗脫(0～2 min，80%～70%A；2～18 min，70%～10%A)，檢測波長為203 nm，柱溫為45 ℃，進(jìn)樣量為1 μL，體積流量為0.8 mL·min-1，分流比為1∶1。

2.6.2MS條件 AJS ESI源，負(fù)離子模式；干燥氣溫度為300 ℃；干燥氣體積流量為5 L·min-1；霧化氣壓力為241.33 kPa；鞘氣溫度為400 ℃；鞘氣體積流量為12 L·min-1；毛細(xì)管電壓為3500 V；噴嘴電壓為1500 V；毛細(xì)管出口電壓為280 V。

2.7 分析物數(shù)據(jù)庫的建立和數(shù)據(jù)處理

2.7.1分析物數(shù)據(jù)庫的建立 依據(jù)中藥系統(tǒng)藥理學(xué)數(shù)據(jù)庫與分析平臺(traditional Chinese medicine systems pharmacology database and analysis platform，TCMSP，http：//lsp.nwu.edu.cn/tcmsp.php)、天然產(chǎn)物詞典(dictionary of natural product，http：//www.chemnetbase.com)數(shù)據(jù)庫和文獻(xiàn)檢索人參莖葉的化學(xué)成分，并結(jié)合ChemSpider、PubChem、ChemBook數(shù)據(jù)庫化合物信息，建立人參莖葉的化學(xué)成分信息庫，包括化合物的名稱、分子式、相對分子質(zhì)量和CAS號等。

2.7.2數(shù)據(jù)處理 將LC-ESI-Q-TOF-MS采集的原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入分析軟件進(jìn)行碎片和相對分子質(zhì)量匹配，根據(jù)高分辨質(zhì)譜信息對其分子式進(jìn)行推導(dǎo)，偏差不得大于5×10-6，推導(dǎo)可能的裂解碎片，最終確定分析物。

3 結(jié)果與分析

3.1 對照品的結(jié)構(gòu)表征

對照品溶液在負(fù)離子模式下的LC-ESI-Q-TOF-MS總離子流圖見圖1，化合物信息見表1，部分化合物結(jié)構(gòu)見圖2。

圖1 對照品溶液總離子流圖

40個對照品可分為PPD型和原人參三醇(PPT)型。其中，屬于PPT型的有化合物1、5、7、9、20、23、24、27、33、35、36、38、41、45、50、59、63、65～67、73、76、80、82和83；屬于PPD型的有化合物30、34、39、51、74、77、78、88、89、91～95和98。這2個類型化合物的苷元具有特征性的質(zhì)譜碎片，易于識別[20]。在負(fù)離子檢測模式下，明顯可見分子結(jié)構(gòu)中丟失葡萄糖基(mz162)、鼠李糖基(mz146)、阿拉伯糖基或木糖基(mz132)的碎片及mz475.3為PPT的碎片等。

表1 LC-MS負(fù)離子模式各分析物的質(zhì)譜數(shù)據(jù)

續(xù)表1

續(xù)表1

續(xù)表1

續(xù)表1

圖2 人參達(dá)瑪烷型三萜對照品及其人參莖葉中部分達(dá)瑪烷型三萜類的化學(xué)結(jié)構(gòu)

3.2 人參莖葉總皂苷化學(xué)結(jié)構(gòu)的表征

負(fù)離子模式下人參莖葉總皂苷總離子流圖見圖3。通過與對照品比對和數(shù)據(jù)解析，共確定83個化合物，定性結(jié)果見表1。沒有檢測到人參根或紅參中存在的齊墩果酸型人參皂苷，但檢測到人參根中不存在的奧柯梯隆(ocotillol)型皂苷，如擬人參皂苷F11(pseudo-G F11，13)[21-23]和20(R)-擬人參皂苷F11[20(R)-pseudo-G F11，14][23]。與人參根中的皂苷相比[20，24]，人參莖葉總皂苷中含有更多低極性的人參皂苷和/或人參達(dá)瑪烷型三萜，如20(S)-G-Rh1(36)、20(R)-G-Rh1(41)、G-F1(50)、20(S)-G-Rg3(77)、20(R)-G-Rg3(78)、20(S)-G-Rh2(94)和20(R)-G-Rh2(95)。此外，人參莖葉總皂苷中還含有大量的異構(gòu)體，如相對分子質(zhì)量為782的化合物24、40、44、59、71、75和79，相對分子質(zhì)量為784的化合物20、21、33、64、74、77和78，相對分子質(zhì)量為800的化合物1、7、10、13、14、25、37、46、52和55等。因此，人參莖葉皂苷復(fù)雜體系中含有更多低極性人參皂苷和/或人參達(dá)瑪烷型三萜，或稀有人參皂苷(rare ginsenoside)，更易于吸收進(jìn)入體循環(huán)。

注：A.人參莖葉總皂苷+培養(yǎng)基；B.培養(yǎng)基+人腸內(nèi)菌液；C.人參莖葉總皂苷甲醇溶液；D.人參莖葉總皂苷的人腸內(nèi)菌轉(zhuǎn)化產(chǎn)物。圖3 人參莖葉總皂苷及其人腸內(nèi)細(xì)菌轉(zhuǎn)化產(chǎn)物L(fēng)C-ESI-Q-TOF-MS總離子流圖

3.3 人參莖葉總皂苷的人腸內(nèi)菌轉(zhuǎn)化產(chǎn)物分析

按2.6項下條件對人參莖葉總皂苷的人腸內(nèi)菌轉(zhuǎn)化產(chǎn)物進(jìn)行分析，負(fù)離子模式下的總離子流色譜圖見圖3。通過與對照品比對和數(shù)據(jù)解析，共確定67個化合物，定性結(jié)果見表1。檢出了在人參莖葉總皂苷組分中沒有檢出的15個化合物，分別為20(S)-25-OH-PPT(38)、20(R)-25-OH-PPT(45)[25]、G-O(60)[26-28]、絞股藍(lán)皂苷Ⅸ(61)、絞股藍(lán)皂苷ⅩⅦ(69)[28]、25-OH-G-Rh2(70)[29]、20(22)E-G-Rg9(71)[30]、G-Rs3(84)、20(R)-G-Rs3(86)[31]、G-Mc(85)、G-Y(87)[32]、G-Mx(90)[28]、20(S)-25-OH-PPD(92)[25]、G-CK(93)、G-CK異構(gòu)體(96)[33]。這些化合物可能是由人參莖葉中的某些人參皂苷經(jīng)人腸內(nèi)細(xì)菌作用轉(zhuǎn)化而來。通過對比分析人參莖葉總皂苷及其人腸內(nèi)細(xì)菌轉(zhuǎn)化產(chǎn)物，發(fā)現(xiàn)PPD型皂苷主要有2條生物轉(zhuǎn)化途徑，其中最主要的途徑為G-CK(93)的轉(zhuǎn)化途徑。在人參莖葉總皂苷的提取離子流圖(EIC)中未見G-CK(mz621.5)的峰，但在轉(zhuǎn)化后的產(chǎn)物中出現(xiàn)，且信號較強(圖4)。轉(zhuǎn)化后的產(chǎn)物中亦明顯可見絞股藍(lán)皂苷ⅩⅦ(69，mz945.5)的峰(圖4)。同時結(jié)合絞股藍(lán)皂苷ⅩⅦ(69)、G-Mc(85)、G-Y(87)和G-Mx(90)的分子結(jié)構(gòu)，初步推測了PPD型皂苷轉(zhuǎn)化為G-CK的途徑(圖5)。

注：A.G-CK；B.絞股藍(lán)皂苷ⅩⅦ。圖4 人參莖葉總皂苷及其人腸內(nèi)細(xì)菌轉(zhuǎn)化產(chǎn)物中G-CK及絞股藍(lán)皂苷ⅩⅦ離子色譜圖

圖5 人腸道細(xì)菌作用下PPD型皂苷轉(zhuǎn)化為G-CK的途徑

此外，在EIC中，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化后的產(chǎn)物中G-Rg3、G-Rk1和G-Rg5的含量也顯著升高(圖6)。因此，推測PPD型皂苷的另外一條轉(zhuǎn)化途徑是通過轉(zhuǎn)變?yōu)镚-Rg3來進(jìn)行的，其可能的轉(zhuǎn)化途徑見圖7。

注：A.G-Rg3；B.G-Rk1和G-Rg5。圖6 人參莖葉總皂苷及其人腸內(nèi)細(xì)菌轉(zhuǎn)化產(chǎn)物中G-Rg3、G-Rk1和G-Rg5離子色譜圖

圖7 人腸道細(xì)菌作用下PPD型皂苷轉(zhuǎn)化為G-Rg3的途徑

人參PPT型皂苷的人腸內(nèi)細(xì)菌轉(zhuǎn)化途徑則較為簡單，G-Rh1(mz637.5)、G-Rk3、G-Rh4(mz619.5)以及PPT(mz475.5)的含量均較轉(zhuǎn)化前有了顯著的提高(圖8)，推測其可能的轉(zhuǎn)化途徑見圖9。

人參皂苷C-17側(cè)鏈的C-24和C-25雙鍵發(fā)生水合反應(yīng)可生成25-OH化合物。對于側(cè)鏈飽和的化合物，通過對各產(chǎn)物峰的指認(rèn)，發(fā)現(xiàn)該類型化合物最終產(chǎn)物為20(S/R)-25-OH-PPT或20(S/R)-25-OH-PPD，其可能的轉(zhuǎn)化途徑見圖10。

人參皂苷C-17側(cè)鏈含有2個雙鍵的化合物在人腸內(nèi)細(xì)菌轉(zhuǎn)化產(chǎn)物中也被檢測到，如20(22)E-G-Rg9(71)。在水參加工為紅參過程中，已知G-Rf可轉(zhuǎn)化為20(22)E-G-Rg9、20(22)Z-G-Rg9、20(22)E-25-OH-G-Rg9等，后者脫水又產(chǎn)生20(22)E-G-Rg9，為這類化合物的產(chǎn)生途徑提供了有益參考。如G-Rb1首先失去C-20糖鏈，轉(zhuǎn)化為G-Rg3，后者C20-OH與C21脫水轉(zhuǎn)化為C-17側(cè)鏈含有2個雙鍵的G-Rk1，或C20-OH與C22脫水轉(zhuǎn)化為C-17側(cè)鏈含有2個雙鍵的G-Rg5(圖7)[2]。

注：A.G-Rh1；B.G-Rk3和G-Rh4；C.PPT。圖8 人參莖葉總皂苷及其人腸內(nèi)細(xì)菌轉(zhuǎn)化產(chǎn)物中G-Rh1、G-Rk3、G-Rh4和PPT離子色譜圖

圖9 人腸道細(xì)菌作用下人參皂苷的PPT轉(zhuǎn)化途徑

圖10 人參莖葉側(cè)鏈飽和型達(dá)瑪烷三萜的人腸內(nèi)細(xì)菌轉(zhuǎn)化途徑

20(S)-G-Rs3(84)和20(R)-G-Rs3(86)兩者均屬于大極性化合物，由于其含量甚微，因此在人參莖葉總皂苷中沒有檢測到。而在轉(zhuǎn)化產(chǎn)物中，隨著原型化合物的減少，可能含量相對提高，因此在產(chǎn)物中檢測到了這些化合物的存在。某些人參達(dá)瑪烷型三萜即在人參莖葉總皂苷中存在，在其人腸內(nèi)細(xì)菌轉(zhuǎn)化產(chǎn)物中亦存在，這與其沒有轉(zhuǎn)化完全和不同化合物之間的相互轉(zhuǎn)化有關(guān)[1]。人參莖葉生長在地上部分，與空氣接觸更充分，氧化態(tài)成分比地下部分更豐富、更具多樣性，與人參(地下部分)[20，24]經(jīng)炮制而成的紅參[34]類似的成分較多，稀有人參皂苷較多，相對更易吸收，生物活性更突出。

4 討論

4.1 分離條件的優(yōu)化

首先，優(yōu)化了色譜分離條件，流動相包括乙腈-水、甲醇-水、乙腈-水(含0.1%甲酸)、甲醇-水(含0.1%甲酸)，以獲得良好的分離度和電離效率，結(jié)果顯示，乙腈優(yōu)于甲醇，流動相中加入少量的甲酸雖能調(diào)節(jié)分離度，但對于低極性的人參皂苷電離效率降低。因此，本研究最終選擇乙腈-水作為流動相。在正、負(fù)離子化模式上，發(fā)現(xiàn)負(fù)離子化模式靈敏度更高、質(zhì)譜更清晰、背景噪音更低。因此，本研究最終選擇負(fù)離子化模式。對于碰撞能量，發(fā)現(xiàn)單糖苷和二糖苷在45 V效果好，三糖苷及其以上糖苷在60 V效果好。因此，本研究對每個樣品選擇45、60 V 2種碰撞能量。

4.2 人參皂苷結(jié)構(gòu)的腸內(nèi)菌生物轉(zhuǎn)化使活性成分濃度增高

圖3D與圖3C比較表明，人腸內(nèi)細(xì)菌對人參莖葉皂苷的轉(zhuǎn)化使其復(fù)雜性簡單化，使某些成分濃度升高，達(dá)到必要的有效濃度，發(fā)揮生物學(xué)作用。如G-Rb1首先失去C-20糖鏈末端葡萄糖基，轉(zhuǎn)化為G-Rd，再依次失去C-3糖鏈的2個葡萄糖基，分別轉(zhuǎn)化為G-F2和G-CK(G-Rb1→G-Rd→G-F2→G-CK)。G-CK顯示出良好的生物學(xué)活性[2]；G-Rb1→G-Rd→G-Rg3→G-Rk1或G-Rg5的轉(zhuǎn)化具有同樣的意義；此外，G-Rh1、G-Rh4、G-Rk3、PPT隨著溫孵培養(yǎng)時間的延長，含量也有增高的趨勢。

值得注意的是，25-OH-PPT或25-OH-PPD衍生物是有發(fā)展?jié)摿Φ目鼓[瘤化合物[35-37]。人腸內(nèi)細(xì)菌對人參莖葉皂苷的這種轉(zhuǎn)化，無疑增加了人參莖葉皂苷的開發(fā)利用價值。