天竺葵屬植物揮發(fā)性成分和生物活性的研究進(jìn)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(shù)大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院,上海,201620)2(上海雷允上藥業(yè)有限公司,上海,201401)3(復(fù)旦大學(xué) 藥學(xué)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(chǎn)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(gè)世紀(jì)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(jié)核病、皮膚傷口感染、淋病等[3]。19世紀(jì)90年代末期,天竺葵因在結(jié)核病治療上引人注目的功效被歐洲人引進(jìn)栽培[4-5],后傳入美國,現(xiàn)在世界范圍內(nèi)均有種植。自20世紀(jì)50年代開始,我國對個(gè)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(qū)。

天竺葵屬植物的化學(xué)成分包括萜類、有機(jī)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(xiàn)出良好的開發(fā)前景和商業(yè)價(jià)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(yàn)中得到證實(shí)。南非開發(fā)的天竺葵提取物L(fēng)inctagon?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(fā)并應(yīng)用于食品領(lǐng)域。

芳香植物揮發(fā)性成分因其獨(dú)特的化學(xué)結(jié)構(gòu)和功效,一直是國內(nèi)外植物研究和產(chǎn)品開發(fā)的重點(diǎn)和熱點(diǎn)[7-8]。天竺葵揮發(fā)油是由數(shù)十種甚至數(shù)百種次生代謝產(chǎn)物組成的復(fù)雜混合物,具有廣泛的生物活性和良好的應(yīng)用前景。本文系統(tǒng)總結(jié)了近年來從天竺葵屬植物提取的揮發(fā)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(yī)藥及食品保鮮、包裝及加工技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展,以期為該藥食兩用植物資源的進(jìn)一步研究和合理開發(fā)利用提供理論依據(jù)。

1 揮發(fā)性成分

芳香植物中絕大部分的揮發(fā)性化學(xué)成分來自3個(gè)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(gòu)成了物質(zhì)結(jié)構(gòu)多樣性的基礎(chǔ)。揮發(fā)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(fā)性成分在很大程度上取決于其基因型、生長環(huán)境和農(nóng)業(yè)種植條件、采收時(shí)間等。國內(nèi)外研究人員通過氣相色譜-質(zhì)譜法,對多種天竺葵屬植物的揮發(fā)性成分進(jìn)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(fā)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(huán)類物質(zhì),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(fā)性成分

2 生物活性

2.1 抗菌抗病毒作用

2.1.1 抗細(xì)菌作用

天竺葵對一些常見的細(xì)菌病原體的生長有抑制作用,包括葡萄球菌屬[38]細(xì)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(fā)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(jié)果表明天竺葵揮發(fā)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(qiáng)。JARADAT等[42]也報(bào)道了從巴勒斯坦種植的天竺葵葉片中提取的揮發(fā)性成分對MRSA生長抑制作用甚至超過氨芐西林和環(huán)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(dú)立的危險(xiǎn)因子。IBRAHIM等[43]使用微孔稀釋法評估了天竺葵揮發(fā)油對H.pylori的抑制作用,結(jié)果表明,天竺葵揮發(fā)油體外抑制H.pylori的最小抑制質(zhì)量濃度為15.63 μg/mL;天竺葵揮發(fā)油與克拉霉素聯(lián)用可顯著增強(qiáng)對H.pylori的抑制能力。

2.1.2 抗真菌作用

天竺葵揮發(fā)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(fā)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(fā)油中含有香茅醇及香葉醇成分有關(guān)。MAHBOUBI 等[44]也考察了6個(gè)香葉天竺葵揮發(fā)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(chǎn)自不同國家天竺葵揮發(fā)油的抗真菌作用進(jìn)行了比較,并開發(fā)了含有此類天然抑菌成分的水凝膠納米乳劑,研究發(fā)現(xiàn),相比空白對照,含有香葉天竺葵揮發(fā)性成分的水凝膠納米制劑顯示出更高的抗真菌活性,被認(rèn)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(biāo)準(zhǔn)化的治療方法,重癥治療非常具有挑戰(zhàn)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(fù)制和細(xì)胞致病性,可用于COVID-19的預(yù)防和早期治療[46]。此外,EPs?7630對一些呼吸道病毒如季節(jié)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(fù)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(fù)制[47]。天竺葵屬植物揮發(fā)性成分對呼吸道病毒的抑制作用值得進(jìn)一步關(guān)注。

2.1.4 協(xié)同抗菌作用

天竺葵揮發(fā)性成分及其他藥物或化學(xué)成分具有協(xié)同抗菌作用。KAFA等[48]研究發(fā)現(xiàn)香葉天竺葵揮發(fā)油和多黏菌素抗生素之間的協(xié)同活性,香葉天竺葵揮發(fā)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(shù)測試的細(xì)菌菌株中顯示出強(qiáng)烈的協(xié)同活性。TERLIZZI等[49]研究發(fā)現(xiàn)含有天竺葵、Justiciaadhatoda和N-乙酰基-L-半胱氨酸組合的抗菌活性,發(fā)現(xiàn)該天然成分組合對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌具有很強(qiáng)的長期抑菌活性,這與天竺葵抗氧化活性有關(guān),能夠作為一種創(chuàng)新的藥用植物衍生策略,用于管理基于氧化應(yīng)激和微生物的疾病。此外,頭狀天竺葵揮發(fā)油與氟康唑或玫瑰草(Cymbopogonmartini)揮發(fā)油合用具有協(xié)同抗真菌作用,分級抑菌濃度指數(shù)≤0.5[50]。

2.2 抗炎作用

天竺葵屬植物傳統(tǒng)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(xì)胞水平的研究表明,香葉天竺葵揮發(fā)油能顯著影響脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)誘導(dǎo)的RAW264.7炎癥細(xì)胞模型中白細(xì)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(dá)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(fā)現(xiàn)天竺葵揮發(fā)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(chǎn)生炎癥介質(zhì)白三烯。BOUKHATEM等[52]也報(bào)道了天竺葵揮發(fā)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(wěn)定細(xì)胞膜作用,可抑制炎癥介質(zhì)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(bào)道的一項(xiàng)針對兒童的單盲隨機(jī)對照研究發(fā)現(xiàn),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(tǒng)綜述了8項(xiàng)隨機(jī)對照試驗(yàn)結(jié)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(guān)的哮喘發(fā)作,且具有良好的安全性和耐受性。

天竺葵與傳統(tǒng)中藥黃連聯(lián)合用藥,在改善呼吸系統(tǒng)炎癥方面有顯著作用。MIN等[55]研究發(fā)現(xiàn),天竺葵-黃連混合配方對卵白蛋白激發(fā)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(biāo)有顯著影響,有望作為新的治療劑或作為包括哮喘在內(nèi)的各種過敏性和炎癥性呼吸系統(tǒng)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(nèi)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(chǎn)生,抑制LPS誘導(dǎo)的RAW 264.7炎癥細(xì)胞中的NF-κB信號,表現(xiàn)出抗炎作用;此外,該組合對角叉菜膠誘導(dǎo)的爪急性水腫大鼠模型中的爪腫脹、浸潤性炎癥細(xì)胞、肥大細(xì)胞脫粒、炎癥因子COX-2、iNOS和 TNF-α等表達(dá)有顯著抑制作用。因此,對天竺葵和黃連協(xié)同抗炎作用的研究可能有助于更好理解炎癥反應(yīng)調(diào)節(jié)的分子機(jī)制。

此外,ASGARIRAD 等[57]制備了天竺葵脂質(zhì)體凝膠,發(fā)現(xiàn)對燒傷大鼠模型的傷口愈合有明顯促進(jìn)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(jié)果表明天竺葵葉和花總提物的抗氧化能力強(qiáng)于其他組織;進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)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(fā)性成分的抗氧化作用有明顯影響。WEI等[59]報(bào)道,相比常規(guī)水蒸氣蒸餾法,采用酶解-微波提取法得到的天竺葵揮發(fā)油對DPPH和ABTS陽離子自由基均具有更強(qiáng)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(nèi)研究方面,MARMOUZI等[60]采用單細(xì)胞動物梨形四膜蟲細(xì)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(zhì)過氧化產(chǎn)物標(biāo)記物丙二醛水平,評價(jià)了香葉天竺葵等單方及復(fù)方揮發(fā)油的抗氧化作用,香葉天竺葵揮發(fā)油能有效減少氧化應(yīng)激和亞硝化應(yīng)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(shí)降低丙二醛含量,增強(qiáng)抗氧化狀態(tài)。

芳香植物通過水蒸氣蒸餾法得到的揮發(fā)性成分經(jīng)過油水分離器分層,其中油層部分為揮發(fā)油,水層部分為純露[61]。任洪濤等[14]比較了香葉天竺葵揮發(fā)油和純露的抗氧化活性,發(fā)現(xiàn)純露對DPPH自由基和·OH的清除能力強(qiáng)于揮發(fā)油,這與兩者揮發(fā)性成分的組成及含量差異有關(guān);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(yīng)激是糖尿病大血管病變的發(fā)病機(jī)制之一,對于研發(fā)能夠預(yù)防糖尿病并發(fā)癥的藥物具有非常重要的意義。BASHKIN等[62]通過對41種植物進(jìn)行抗糖尿病和抗氧化雙重功能的篩選發(fā)現(xiàn),天竺葵屬表現(xiàn)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(qiáng)自由基清除活性,因而,可作為糖尿病患者的膳食補(bǔ)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(bào)道了香葉天竺葵揮發(fā)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(fā)油的抗氧化特性可提供光保護(hù)效果,用于藥妝和防曬配方中以保護(hù)皮膚免受曬傷。LOHANI等[64]發(fā)現(xiàn),天竺葵葉揮發(fā)油具有顯著NO清除活性(85.15%),對DPPH自由基的清除效果與標(biāo)準(zhǔn)抗氧化劑相當(dāng)(IC50=18.02 μg/mL),具有減少或預(yù)防氧化應(yīng)激的潛力,可用于護(hù)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(shí)了天竺葵揮發(fā)油乙醇脂質(zhì)體抗衰老潛力和光保護(hù)作用。

2.4 抗腫瘤作用

許多研究報(bào)道了天竺葵屬植物成分的體外和體內(nèi)抗腫瘤活性。IZUEGBUNA等[66]發(fā)現(xiàn),小花天竺葵對急性白血病細(xì)胞U937和 Jurkat有明顯毒性,與之前PEREIRA等[67]的研究結(jié)果一致,來自天竺葵的活性成分具有顯著抗白血病細(xì)胞增殖作用,明顯優(yōu)于陽性對照藥物5-氟尿嘧啶。EL-GARAWANI等[32]通過生物標(biāo)志物測定、形態(tài)學(xué)觀察、實(shí)時(shí)熒光定量PCR、免疫細(xì)胞化學(xué)及流式細(xì)胞周期分布分析,揭示了天竺葵油和茴香油聯(lián)合抑制人乳腺癌細(xì)胞MCF-7的機(jī)制可能與2種揮發(fā)油中含有活性成分的協(xié)同作用誘導(dǎo)細(xì)胞周期停滯和細(xì)胞凋亡有關(guān),而天竺葵油和茴香油組合物對正常人外周血淋巴細(xì)胞無顯著毒性。REN等[68]研究了天竺葵等植物揮發(fā)油對MCF-7細(xì)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(diào)節(jié)乳腺癌細(xì)胞中AMPK/mTOR 通路抑制腫瘤進(jìn)展的機(jī)制。此外,YU等[69]報(bào)道了天竺葵油主要活性成分香茅醇可通過上調(diào) TNF-α、RIP1/RIP3和下調(diào) caspase-3/caspase-8 活性,致非小細(xì)胞肺癌細(xì)胞NCI-H1299壞死性凋亡。此外,研究還發(fā)現(xiàn)香茅醇能有效抑制BALB/c裸鼠腹腔注射NCI-H1299,4周后產(chǎn)生的皮下腫瘤。

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

2.5 緩解焦慮抑郁作用

調(diào)節(jié)情緒是天竺葵的傳統(tǒng)用途之一。ABOUHOSSEINI TABARI等[71]通過高架十字迷宮、敞箱試驗(yàn)和強(qiáng)迫游泳試驗(yàn),考察腹腔注射不同劑量天竺葵揮發(fā)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(fā)油能顯著增加小鼠開放臂進(jìn)入次數(shù)和停留時(shí)間,提高敞箱試驗(yàn)中小鼠行為學(xué)得分,降低小鼠強(qiáng)迫游泳不動時(shí)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(qū)90位在校大學(xué)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(fā)現(xiàn)0.5%天竺葵精油是最佳單方精油之一。

3 應(yīng)用

天竺葵屬植物揮發(fā)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(yī)藥、食品等領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景。表2列舉了已申請專利保護(hù)的含天竺葵揮發(fā)油的組合物、制品及其應(yīng)用情況。一些含有天竺葵揮發(fā)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(jīng)、關(guān)節(jié)疼痛以及過敏性鼻炎等疾病癥狀。同時(shí),含有天竺葵揮發(fā)油的襯墊、包裝袋、包裝薄膜、保鮮紙、微囊等制備技術(shù)在食品保鮮、包裝及加工領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用,可用于防止生鮮水產(chǎn)品和肉品等在生產(chǎn)、運(yùn)輸、貯藏、銷售等過程的微生物污染,減少脂質(zhì)過氧化反應(yīng),改善生物活性成分穩(wěn)定性,延長貨架期。含有天竺葵揮發(fā)油的制品還可增強(qiáng)食品適口性,顯著提高食品品質(zhì)。此外,KUJUR等[73]也報(bào)道了一種含有天竺葵揮發(fā)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(fēng)險(xiǎn),提高玉米的儲藏安全,顯著延長玉米保質(zhì)期。

表2 含有天竺葵揮發(fā)油的組合物、制品及其用途

4 總結(jié)與展望

天竺葵屬植物揮發(fā)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(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注,并在醫(yī)藥和食品領(lǐng)域表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。然而,由于天竺葵揮發(fā)性成分結(jié)構(gòu)復(fù)雜,當(dāng)前研究大多無法揭示其功效成分與生活活性之間的關(guān)系,量效關(guān)系不夠明確,大部分揮發(fā)性成分的安全性研究缺乏,限制了其臨床應(yīng)用。其次,關(guān)于天竺葵揮發(fā)性成分的生物活性研究目前還大多處于效應(yīng)層面,深入的分子機(jī)制研究很少,已有研究報(bào)道的機(jī)制比較單一,無法系統(tǒng)反映天竺葵復(fù)雜成分多靶點(diǎn)、多途徑的網(wǎng)絡(luò)作用機(jī)制。

未來天竺葵揮發(fā)性功效成分的研究可以有以下幾個(gè)方向:(1)通過系統(tǒng)生物學(xué)研究方法,如代謝組學(xué)或轉(zhuǎn)錄組學(xué)等,從分子和基因轉(zhuǎn)錄水平深入研究其作用機(jī)制,并結(jié)合網(wǎng)絡(luò)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(xié)同作用的療效和機(jī)制;(2)探索天竺葵揮發(fā)性成分在其它領(lǐng)域的潛在臨床價(jià)值;(3)通過微囊化或新型納米技術(shù)[73],提高天竺葵揮發(fā)油穩(wěn)定性,以利于進(jìn)一步應(yīng)用;(4)進(jìn)一步開發(fā)基于天竺葵活性成分的功能性食品,增加食物風(fēng)味并提升其健康益處?？傊?天竺葵屬芳香植物的功能研究與產(chǎn)品開發(fā)目前尚處于初級階段,隨著大健康產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,該領(lǐng)域的未來發(fā)展前景廣闊、潛力巨大。