植物天然甾體化合物研究進展

陳 碩,王崇川,朱德強,周愛萍,劉新利*

1.齊魯工業(yè)大學(山東省科學院) 生物工程學院 山東省微生物工程重點實驗室,山東 濟南 250353;2.山東博士倫福瑞達制藥有限公司,山東 濟南 250101

天然甾體化合物的存在十分普遍,是具有重要作用的一類化合物。它們在結(jié)構(gòu)上相同的特征是具有環(huán)戊烷多氫菲的基礎(chǔ)骨架,也被稱為甾核。按照在甾體母核17位上連接的側(cè)鏈不同,我們將天然甾體分成多個種類,包括強心苷類、甾體皂苷類、植物甾醇類等。

通過研究發(fā)現(xiàn),這幾類天然甾體化合物主要在植物莖葉、水果和谷物中提取出來,主要的生物活性包括抗癌、抗腫瘤、心臟疾病治療以及降低膽固醇和消炎止咳等[1]。天然甾體化合物領(lǐng)域的科研,促進了相關(guān)學科的發(fā)展,并且對于醫(yī)學及制藥方面也有很深的影響。

1 強心苷類化合物

1.1 強心苷類的結(jié)構(gòu)特點

強心苷指通過強心苷元和糖縮合得到的產(chǎn)物,存在于被子植物中。強心苷的結(jié)構(gòu)通常以甾體母核為苷元,C17位連接不飽和內(nèi)酯環(huán),C3位連接糖基[2]。結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 強心苷結(jié)構(gòu)圖

強心苷的命名是由于它具有“強心”作用?！皬娦摹弊饔镁褪侵复祟惢衔锟梢蕴岣咝募〉氖湛s功能,從而使心臟的機能增強、心率減慢。在臨床上主要被用作治療心臟方面的疾病,例如節(jié)律障礙和充血性心力衰竭等。

1.2 強心苷類藥物的提取

強心苷在植物界分布比較廣泛,主要存在于夾竹桃科、玄參科、百合科等10多個科的100多種植物中,通過對目前已有的研究成果分析發(fā)現(xiàn),強心苷常存在于一些有毒的植物中,如毒毛旋花子、毛花洋地黃、黃花夾竹桃、鈴蘭和海蔥等植物。

強心苷在植物體中主要存在于花、葉、種子、鱗莖、樹皮和木質(zhì)部等組織器官中。由于在植物中有水解苷類的酶于強心苷共存,因此原生苷常被酶水解生成多種次生苷,使結(jié)構(gòu)類似的強心苷數(shù)目增多,給提取分離強心苷帶來一定困難。

從毛花洋地黃等植物中可以提取出2種強心苷類甾體藥物,分別是洋地黃毒苷以及地高辛(圖2)。這2種甾體藥物可以說是治療心臟病最具有歷史的藥物[3]。在200多年前就作為治療心臟病的藥物應用在臨床,即使到了現(xiàn)在也依然是首選的基礎(chǔ)藥物之一。

圖2 (1)洋地黃毒苷 R=H;(2)地高辛R=OH

從藤苦參中也可以提取出多種強心苷類化合物,例如杠柳苷元(圖3)、洋地黃毒苷以及相關(guān)的糖苷類物質(zhì)[4]。Zhu等[5]在藤苦參中提取了30個相關(guān)化合物,研究了其中23個物質(zhì)的結(jié)構(gòu)并歸納了強心苷類成分的質(zhì)譜裂解規(guī)律。Luo等[6]通過UV-Vis得到各個地區(qū)采集到的藤苦參里強心苷含量,約為2.07 mg/g。最好的產(chǎn)地是廣西,最好的采摘時間是年末10月到12月,因為在此時,強心苷的含量最高。

圖3 杠柳苷元

從杠柳屬植物中一共可以分離出18個強心苷類化合物,其中大多數(shù)的類型為甲型強心苷。1990年Hu等[7]從黑龍骨中鑒定得到了2個之前沒有報道過的成分,將它們分別命名為滇杠柳苷元和滇杠柳苷。圖4為目前已有的此類化合物的骨架類型和結(jié)構(gòu)。該屬植物里,研究得到的強心苷結(jié)構(gòu)及骨架如圖4。

圖4 杠柳屬植物中強心苷類骨架類型結(jié)構(gòu)

80年代,中國科研工作人員[8]從南葶藶子里提取出5種強心苷成分,分別為:毒毛旋花子配基、伊夫單苷、葶藶苷(圖5)、伊夫雙苷和糖芥苷。

圖5 葶藶苷

Wen等[9]通過UPLC-QTOF/MS,對黃花夾竹桃枝所含化合物進行分離鑒定,發(fā)現(xiàn)其中包括了6種強心苷類,分別為黃花夾竹桃黃夾苷B、黃夾次苷D、黃花夾竹桃次苷甲、黃夾臭蟻醛苷、黃花夾竹桃次苷乙以及單乙酰次苷乙。

1.3 強心苷類化合物的活性機理

研究表明強心苷抗腫瘤的機制主要包括直接的細胞毒作用以及特異性結(jié)合Na+/K+-ATP從而調(diào)節(jié)細胞的增殖、肥大、分化和存活以及腫瘤細胞凋亡等多種生理、病理過程。常見的強心苷類化合物的活性機理如表1。

表1 強心苷類化合物的活性機理

2 甾體皂苷類化合物

2.1 甾體皂苷類的結(jié)構(gòu)特點

甾體皂苷在天然產(chǎn)物中的地位非常重要,具有止咳、鎮(zhèn)靜、抑菌、抗癌、解熱等多種功效,是合成甾體激素的重要原料,可以作為藥物中間體發(fā)揮藥用作用,在制備消炎、鎮(zhèn)痛、腦血管、避孕藥物中被廣泛應用[16]。從植物原料中獲取甾體皂苷類化合物的方法,首先是用甲醇或含水乙醇進行提取,在把醇浸膏懸浮于在水中,通過正丁醇來萃取,最后獲取總皂苷[17]。

甾體皂苷的結(jié)構(gòu)由兩部分組成,包括糖以及苷元。苷元有27個碳,可以在百合、石蒜以及薯蕷科里找到。很多中藥里也含有這種成分,比如天門冬和七葉一枝花等。甾體皂苷的基本結(jié)構(gòu)是螺甾烷,包括螺甾烷醇型(圖6)、異螺甾烷醇型(圖7)、呋甾烷醇型(圖8)和變形螺甾烷醇型。另外,甾體皂苷的皂苷元通常是螺甾醇,單羥基通常位于第3位,若F環(huán)裂開,就變成了呋甾醇。可以通過酸水解和光譜確定具體種類。

圖6 螺甾烷醇型 圖7 異螺甾烷醇型

圖8 呋甾烷醇型

2.2 不同植物甾體皂苷類化合物的提取

2.2.1 百合科

(1)重樓

重樓屬植物系百合科(Liliaceae),在全球已知的有24種,主要生長在亞洲和歐洲的熱、溫帶區(qū)域,目前在中國發(fā)現(xiàn)了19種,大多數(shù)生長于我國的偏遠地區(qū),例如貴州、四川和云南等。甾體皂苷在重樓植物中的地位十分重要,有文獻記載的種類高達12種。其中包括4種螺甾烷結(jié)構(gòu),分別為螺甾烷醇型(spirostanol)、異螺甾烷醇型(isosprirostanol)、呋甾烷醇型(furostanol)和變形螺甾烷醇型(pseudospirostand)。Wu等[18]在滇重樓里提取得到含有C-5和C-8位環(huán)二氧結(jié)構(gòu)的甾體皂苷,可以用來治療鼻咽癌。

(2)知母

知母又名毛知母,嘗起來比較苦,屬寒。知母可以祛熱去火,具有清熱瀉火、解渴除煩等作用[19]。通過實驗我們發(fā)現(xiàn),知母根莖里皂苷占6%[20]。由于皂苷元母核結(jié)構(gòu)的區(qū)別,知母皂苷大多數(shù)都是螺甾或者呋甾型。黃彬彬[21]通過無水乙醇提取、重結(jié)晶和柱層析等方法將10種化合物從知母的非濕潤根莖里提取出來,通過NMR、MS等方式一共得到其中9個的結(jié)構(gòu),例如知母皂苷AⅣ、知母皂苷Ⅰ、知母皂苷BⅢ和知母皂苷AⅠ。

(3)麥冬

麥冬是百合科麥冬的塊根。在中國,麥冬的分布遍及各地,最大的產(chǎn)地包括浙江和四川等。不同區(qū)域產(chǎn)出的麥冬,我們將它們分別命名為川麥冬、杭麥冬和湖北麥冬[22]。遲宇昊等[23]利用回流、酶、超聲或者動態(tài)逆流等多種提取法,在麥冬里提取得到大約70種甾體皂苷,大部分是螺甾烷醇型甾體皂苷,一小部分是呋甾烷醇型甾體皂苷。

2.2.2 薯芋科

在中國,薯芋皂苷元的分布十分廣泛,大部分的薯芋科植物中都能發(fā)現(xiàn)薯芋皂苷的存在(圖9)。在60余種薯芋科植物中,穿山龍和盾葉薯芋可作為主要原料提取薯芋皂苷元。Jun等[24]將盾葉薯芋根莖部位作原料,通過日常研究通用的酸水解法,在其中分離得到純度高的甾體皂苷元。

圖9 薯芋皂苷元

研究人員從黃藥子中發(fā)現(xiàn)了幾種化合物,例如薯芋次苷甲和薯芋皂苷元等。文獻[25]研究,云南產(chǎn)出的師宗的黃獨,含1.69%的薯芋皂苷元。墨西哥的黃獨塊莖中有大概0.45%的薯芋皂苷元;巴西的黃獨株芽里,薯芋皂苷元含量為5.77%[26]。

2.3 甾體皂苷類藥物的活性機理

甾體皂苷具有很高的藥理活性。很多種中草藥的有效成分之一就是甾體皂苷。這些甾體皂苷對癌癥、糖尿病、心血管系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)等都具有藥理作用。如表2。

表2 甾體皂苷類活性機理

3 植物甾醇類化合物

3.1 植物甾醇類的結(jié)構(gòu)特點

天然植物甾醇廣泛分布在大自然中,主要源自植物油和一些加工物。在植物油的脫臭餾出物里,甾醇占據(jù)了主要地位,另外在谷物及其副產(chǎn)品堅果中也能被發(fā)現(xiàn),我們?nèi)粘Ｊ秤玫墓咧幸埠行〔糠值闹参镧薮?。大多?shù)植物油中都能發(fā)現(xiàn)甾醇,含量高的植物油種類主要包括米糠油和一些谷物胚芽油,幾乎所有植物油里都含有占比極高的無甲基甾醇,含量達到了總甾醇的70%。其次,一些中草藥植物里甾醇也常被發(fā)現(xiàn),像是蒲黃、黃荃和人參等[34]。

植物甾醇的種類有很多,比如β—谷甾醇(圖10)、菜油甾醇(圖11)、菜籽甾醇(圖12)、豆甾醇(圖13),另外還有燕麥甾醇、菠菜甾醇、麥角甾醇(圖14)等。如圖所示,R基為甲基的植物甾醇有菜籽甾醇和菜油甾醇,R基為乙基的植物甾醇有谷甾醇和豆甾醇,而這兩類之間的區(qū)別則是有無位于側(cè)鏈的雙鍵。

圖10 β—谷甾醇

圖11 菜油甾醇

圖12 菜籽甾醇

圖13 豆甾醇

圖14 麥角甾醇

本文論述的3類天然甾體化合物,立體結(jié)構(gòu)都有所不同。強心苷的甾體母核,B/C環(huán)與其他甾醇相同為反式稠合,A/B環(huán)大多為順式稠合(5β-H),C/D環(huán)均為順式稠合(C14取代基β-構(gòu)型),若為反式則無強心活性(其他甾醇C/D環(huán)為反式稠合,C14取代基α-構(gòu)型)。具體區(qū)別見表3。

表3 天然甾體化合物的結(jié)構(gòu)特點

3.2 植物甾醇類藥物的提取

劉佳等[35]在灰樹花的各個部位中提取出甾體化合物21個,大部分為麥角甾醇及其衍生物,按照結(jié)構(gòu)的不同,包括:麥角甾醇22-二烯醇型甾類;麥角甾-8,22-二烯醇型甾類;麥角甾-7,9,22-三烯醇型甾類;三羥基麥角甾烯酮型甾類;羥基麥角甾烯酮型甾類;麥角甾-7,22-二烯型甾類;過氧麥角甾烯型甾體。

馬鞭草科過江藤屬植物在國內(nèi)外能發(fā)現(xiàn)的有10種左右,在中國發(fā)現(xiàn)的只有1種,稱作過江藤,生長在長江以南地區(qū)。Yang等[36]通過研究發(fā)現(xiàn),過江藤地上區(qū)域的甲醇提取物中,含有4種化合物,分別為4′,5′-dimethoxy-benzoloxystigmasterol、豆甾醇、β-谷甾醇和γ-谷甾醇。

牛油果(油梨)是綠植鱷梨的果實,富含許多有益成分,包括維生素、礦物質(zhì)以及脂肪等。由于牛油果果實中含糖量極低,并且只有微量的膽固醇,所以它經(jīng)常被一些糖尿病人當做日常的水果和保健品。Tian等[37]通過氣相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜聯(lián)用法,發(fā)現(xiàn)了在牛油果里包含以下幾種植物甾醇:β-谷甾醇、菜油甾醇、膽固醇和豆甾醇。

葡萄籽含有良好的食用油脂,對于老人和小孩來說,也是十分有益的營養(yǎng)產(chǎn)品。Peng等[38]通過GC-MS第一次得到了葡萄籽油里植物甾醇的構(gòu)成和比例,發(fā)現(xiàn)在其中含有6種植物甾醇,有菜油甾醇、豆甾醇、β-谷甾醇、巖藻甾醇、豆甾烷醇和環(huán)木菠蘿烯醇。

3.3 植物甾醇類藥物的活性機理

植物甾醇是一種重要的天然甾體,有獨特的生物學活性及功能。對其活性機理的研究,關(guān)注點一開始是其降膽固醇的功效,之后相繼有其他方面的研究證實,植物甾醇還具有抗癌、免疫調(diào)節(jié)、消炎、抑菌等生理功能。如表4。

表4 植物甾醇類活性機理

4 結(jié)語與展望

天然甾體化合物在我們的日常生活中隨處可見,主要被人們用來消炎、解毒、防止過敏以及治愈或減輕膠原性疾病和休克等,同時它被用來解決一些內(nèi)分泌方面的問題,并且它還可以成為解決一些癌癥必不可少的輔助類藥物。當甾體化合物的甾核或者支鏈的構(gòu)造發(fā)生變化,它所展現(xiàn)的生物活性也會隨之改變,通過這種改變就可以將它用于治療各類的疾病。天然甾體化合物的來源范圍大、品類豐富、生物活性多、有多種結(jié)構(gòu),把這種富含明顯活性的化合物當成制備藥物產(chǎn)品的先導,從而開始一系列新型藥物的研發(fā)和生產(chǎn),將成為研究新型藥物領(lǐng)域具里有重大影響的一步。