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基因组学与应用生物学, 2011 年, 第 30 卷, 第 30 篇 doi: 10.5376/gab.cn.2011.30.0030
收稿日期: 2011年05月16日 接受日期: 2011年06月08日 发表日期: 2011年07月18日
引用格式(中文):
董浩等, 2011,植物中多甲氧基黄酮的分离、检测及其药理学作用,基因组学与应用生物学(online), Vol.30 No.30 pp.1194-1201 (doi: 10.5376/gab.cn.2011.30.0030)
引用格式(英文):
Dong et al., 2011, Isolation, detection and pharmacological effect of polymathoxyflavones in plant, Jiyinzuxue Yu Yingyong Shengwuxue (Genomics and Applied Biology), Vol.30 No.30 pp.1194-1201 (doi: 10.5376/gab.cn.2011.30.0030)
多甲氧基黄酮是一类广泛存在于芸香科柑橘属植物中的天然黄酮类化合物,在抗癌、抗炎、抗氧化、抗诱变、抗病原微生物、抗动脉粥样硬化以及调节糖脂代谢等方面表现出重要的生物活性,具有极高的医药和营养价值,日益受到国内外学者和医药企业的关注。本文简要介绍了近年来关于多甲氧基黄酮物质的化学组成、分离检测方法、药理活性、作用机理及其在生物机体内的药代动力学等研究的近期进展,为开展多甲氧基黄酮的深入研究提供参照参考。
多甲氧基黄酮(polymethoxyflavones, PMFs)是指在黄酮的2-苯基色原酮(flavone)结构基础上携带有两个或多个甲氧基而成的一类天然黄酮类化合物,具有低极性和平面结构。由于分子结构中甲氧基取代位置和数目的不同,PMFs类化合物也包含有不同的种类。如川陈皮素(nobiletin, 5,6,7,8,3’,4’,-六甲氧基黄酮)、红橘素(tangeretin, 5,6,7,8,4’-五甲氧基黄酮)、橙黄酮(sinensetin,3’,4’,5,6,7-五甲氧基黄酮)和3’,4’,3,5,6,7,8-七甲氧基黄酮、以及携带有羟基的3-羟基-3’,4’,5,6,7,8-六甲氧基黄酮(natsudaidain)、5-羟基-4’,6,7,8-四甲氧基黄酮和5,6-二羟基-4’,7-二甲氧基黄酮等(季忆等, 2010, 中国中医药信息杂志, 17(11): 105-107)。PMFs广泛存在于芸香科(Rutaceae)柑橘属(Citurs)植物中,如:芸香科川橘(Citrus nobilis Lour.)果皮,酸橙(C. aurantium L.)果皮,柑橘(C. reticulata Blanco)叶、茎等,以及陈皮(Pericarpium Citri Reticulatae)、青皮(Pericarpium Citri Reticulatae Viriole)、橘红(Exocarpium Citri Rubrum)、佛手(Fructus Citri Sarcodactylis)和枳实(Fructus Aurantii Immaturus)等药材中(Li et al., 2009)。
近年来,揭示该类化合物抗癌、抗炎、抗氧化、抗诱变(Lai et al., 2007; Tang et al., 2007)、抗病原微生物、抗动脉粥样硬化及调节糖代谢和脂代谢等的生物活性研究越来越深入。本文主要从分离检测方法、药理作用以及药代动力学等方面对PMFs的研究进展进行简要介绍。
1 PMFs的分离和检测
1.1提取分离
PMFs的提取通常采用甲醇或乙醇等有机溶剂对植物材料浸泡萃取,然后在真空或冷冻等条件下对提取液过滤浓缩,再通过己烷、乙酸乙酯、甲醇等有机试剂和薄层色谱法、高效液相色谱法(high-performance liquid chromatography, HPLC) (Ye et al., 2011)或离子交换树脂法(Raman et al., 2005)对提取物中的混合物进行分离,获得组成与含量不尽相同的提取产物。
由于植物材料的不同,具体提取方法往往不同,如回流提取法(杨武亮等, 2006),借助索氏提取器的索氏提取法(李煌和张梦云, 2008),使用强碱性溶液(如Ca(OH)2饱和溶液)为提取剂的石灰水提取法(傅善权等, 2008),以及微波辅助萃取法、超声法和渗漉法等。其中,石灰水提取法中的强碱性试剂有可能引起黄酮类物质转变为与之相对应的查耳酮衍生物,可通过添加酸溶液消除这一影响。而微波提取法与索氏提取、超声波萃取法相比虽然具有较高的效率,但相对更为耗时,且适用范围有限(Ding et al., 2007)。
1.2薄层色谱法(thin-layer-chromatography, TLC)和气相色谱法(gas chromatography, GC)检测
薄层色谱属于固-液吸附色谱,是一种用于快速分离和定性分析少量物质的实验方法。薄层色谱法早在上世纪60年代即用于黄酮类物质的分析,包括橘皮苷、橙皮素、柚皮苷和柚橘黄素在内的多种黄酮类化合物都通过薄层色谱法进行了分离(Greenham et al., 2003)。薄层色谱法因其设备简单、操作方便且上样量少等优点已成为PMFs分析鉴定中最为常用的方法之一。缺点是其分离效果不甚理想,需同其他分离方法配合使用(González-Molina et al., 2010)。
气相色谱法由于分析难度较大,且反应所需时间较长、检测结果准确度较低等缺点,在PMFs的分析检测中应用较少,但在一些报道中,一种与质谱联用的高温高分辨率的气相色谱(HT-HR GC-MS)使用能耐受400℃高温的毛细管柱可对植物提取物中的橙皮苷进行分析(González-Molina et al., 2010)。
1.3紫外-分光光度法
PMFs类分子母核都含有苯环,因此在紫外区会产生较强吸收。利用不同的PMFs物质甲氧基取代位置不同造成的紫外吸光强度差异,可在特定波长下测定待测物的光吸收值,通过待测物之间或与标准品的比对,达到检测分离产物中所需成分的目的。我国学者傅善权等人(2008)即以紫外分光光度法对中药枳实壳中总黄酮进行测定,测得了其中柚皮苷的相对含量。该方法简便、稳定且重复性也较好。
1.4高压液相色谱法(high-performance liquid chromatography, HPLC)分析技术
HPLC是以结合在硅胶柱上的特定基团(如: 亲水的C18或C8等)作固定相,通过紫外/可见光检测器或二极管/光敏二极管阵列检测器检测光吸收值(González-Molina et al., 2010),显示待测物的光吸收峰。实验表明柑桔类水果果汁中包括川陈皮黄素、橙黄酮和3’,4’,3,5,6,7,8-七甲氧基黄酮在内的PMFs都可在330nm波长下通过HPLC得到分离(Green et al., 2007)。
随着研究技术的不断进步,多种HPLC衍生技术也得到了广泛应用,例如:反相高效液相色谱法(reversed phase HPLC)、手性高效液相色谱法(chiral HPLC)、超临界流体色谱法(supercritical fluid chromatography, SFC)、高速反流色谱法(high-speed counter-current chromatography, HSCCC) (Wang et al., 2005)、半制备高效液相色谱法(semi-preparative HPLC) (Ko et al., 2010)以及以高效液相色谱与质谱串联法(LC-MS)为代表的各种二维色谱系统等。
1.5 毛细管电泳法(capillary electrophoresis, CE)
毛细管电泳法以溶液中的不同物质在电场作用下具有不同的电泳迁移率为基础,具有快速、高效、分辨率高、样品和试剂消耗量少、毛细管柱清洗容易和柱寿命长且适用性广等特点,可用于不同的柑桔类样品中橙皮苷、柚皮苷、川陈皮素等化合物的分离测定(Wu et al., 2007),在PMFs类物质的检测和分析中具有很高的应用价值。
此外,毛细管电泳法也可用于立体异构体之间的分离(González-Molina et al., 2010),例如柑橘类水果果汁中柚皮苷、柚皮芸香甙、橙皮苷、新橙皮苷和圣草枸橼苷等差向异构体之间的分离(Aturki and Sinibaldi, 2003)。而将毛细管电泳与HPLC结合的毛细管电色谱法(CEC) (Desiderio et al., 2005)则可以更有效的用于非极性组分的分离,且耗时更少。
1.6核磁共振(nuclear magnetic resonance, NMR)
核磁共振技术和多种二维核磁共振技术(COSY, NOESY, HMQC and HMBC)常以三甲基硅烷(TMS)作为内部参数(IS) (Johann et al., 2007),可用于PMFs组分的结构分析与鉴定。芸香科陈皮中的川陈皮黄素、橙黄酮、3,’,4’,3,5,6,7,8-七甲氧基黄酮等(Wang et al., 2007) PMFs组分以及这些物质在小鼠尿液和粪便中的代谢产物(Wang et al., 2005)都通过1H NMR,13C NMR (Ko et al., 2010)和2D NMR技术得到了鉴别。
2 PMFs的药理作用
2.1抗炎作用
PMFs的重要生物学功能之一便是其抗炎活性,研究表明PMFs能够有效地抑制包括诱导性一氧化氮合酶(iNOS)和NADPH氧化酶(Murakami et al., 2000; Choi et al., 2007a)在内的多种与炎症反应有关的酶类,后者会产生NO和超氧阴离子等自由基,而这些自由基的生成往往与炎症的发生相关。
另外,Imada等(2008)以胶原诱发的关节炎小鼠(CIA小鼠)为模型,研究了川陈皮素的抗炎活性,其结果表明川陈皮素在小鼠体内以及体外培养的人成纤维细胞中均能抑制关节炎类疾病中造成软骨损伤的重要决定因子ADAMTS-4 mRNA的表达,有效防止CIA小鼠中软骨的损伤,起到抗关节炎的作用。Chen等(2007)则证明在人肺癌细胞系中,红橘素和川陈皮素可以抑制信号蛋白p38MAPK、JNK、P13K的磷酸化和转录因子NF-kB的活化,进而抑制由白细胞介素-1β诱发的环加氧酶(COX-2)的表达,抑制炎症的发生。而Choi等(2007b)和Ci等(2010)揭示出,在鼠巨噬细胞系RAW 264.7细胞中,川陈皮素可以有效抑制转录因子NF-kB的DNA结合活性和细菌脂多糖诱发的活性氧产生,表现出一定的抗炎活性。
2.2抗癌活性
许多在生物体内外进行的相关研究揭示出PMFs具有抗癌活性,PMFs可以通过封闭转移灶、抑制癌细胞流动、诱导细胞凋亡、抗扩增(Du and Chen, 2010)和诱发选择性的细胞毒性(Li et al., 2009)等方式在癌症起始阶段(Thomas, 2007; Hecht, 2002)及癌症发展阶段(Thomas, 2007)起到抑制癌症的作用。
Morley等(2007)以体外培养的乳腺癌和结肠癌细胞系为研究对象,证明川陈皮素和红橘素可以诱发细胞周期停止于G1期,因而具有抗癌细胞增殖的活性。Hirata等(2008)则证明川陈皮素可以抑制THP-1单核细胞系中转录因子NF-kB、AP-1和Sp1对核蛋白的结合活性,从而显著降低由细菌脂多糖(LPS)诱发的组织因子的表达水平。Kim等(2010)证明富含PMFs的柚叶提取物可以诱导HeLa宫颈癌细胞中抗细胞凋亡因子Bcl-2表达水平的降低,并增加促凋亡因子Bax的表达,诱发Caspase依赖性的线粒体途径和死亡受体途径,促进细胞凋亡,因而具有抗癌活性。香风草甙是一种分离自柑橘类水果的黄酮物质,Hung等(2010)证明在体外培养的人肺腺癌细胞系中,香风草甙能够激活由死亡受体(Fas/Fas配体)介导的细胞凋亡途径,从而抑制癌细胞的增殖;而在模型小鼠体内,香风草甙则可以有效延缓肿瘤组织的增生。
2.3糖代谢调节
近几年的一些研究证据表明PMFs组分除了抗炎和抗癌活性外,还具有调节糖代谢和脂代谢的作用。Lee等(2010)、Menichini等(2010)、Miyata等(2011)分别以不同的模型小鼠为研究对象,揭示出糖尿病小鼠体内常伴随有高血糖症状,且会对胰岛素产生耐受性(Judy et al., 2010),也即对胰岛素的敏感性下降,进而引发高胰岛素血症等并发症。而以川陈皮素和红橘素为代表的PMFs组分,可以增强白色脂肪组织和肌肉中多种葡萄糖载体(Glut1, Glut4) (Lee et al., 2010)和脂联素(Miyata et al., 2011) (即脂肪连接蛋白, 一种促进胰岛素敏感性的因子)的表达水平,加强脂联素的胞外分泌,同时抑制促胰岛素耐受性因子MCP-1 (Lee et al., 2010; Miyata et al., 2011)的分泌,从而降低血液中血糖水平,改善糖尿病小鼠的高血糖症状及对胰岛素产生的耐受性。
另有一些研究证据表明,川陈皮素和红橘素还可以抑制α-淀粉酶和α-葡糖苷酶(Menichini et al., 2010)的活性,加强过氧化物酶体增生激活受体PPARα和PPARγ (Li et al., 2006)的表达水平。后二者是两种核转录因子,能够在脂质、脂蛋白和葡萄糖的体内代谢以及许多炎症反应中发挥作用。从而揭示出PMFs组分在调节糖代谢和抗糖尿病具有潜在应用价值。
2.4脂代谢调节
PMFs类物质脂代谢的功能常常与糖代谢的调节协同进行。例如:由柑桔中分离得到的PMFs组分能有效抑制肿瘤坏死因子TNF-α、血清干扰素INF-γ、人白介素IL-1β和IL-6等多种因子的表达,进而抑制脂肪细胞生成因子的产生,同时增加脂联素和肝脏中PPARα和PPARγ蛋白的表达水平(Li et al., 2006),以抑制肝脏细胞中胆固醇的合成,降低血液、肝脏和心脏中甘油三酯和胆固醇的含量。而脂联素和PPARα、PPARγ在糖代谢的调节过程中也发挥着重要作用,借此可将脂代谢与糖代谢过程联系起来。
还有研究发现,川陈皮素能够降低血液中低密度脂蛋白(LDLs)和极低密度脂蛋白(VLDLs) (Aptekmann and Cesar, 2010)的循环浓度,并可激活由cAMP信号途径介导的级联放大过程而加速脂肪细胞的分化和脂解(Saito et al., 2007),同时还能刺激已经分化的脂肪细胞发生脂解作用(Ko et al., 2010; Huang et al., 2009)。红橘素则可以降低血液中胆固醇和三酰甘油的浓度(Parmar and Kar, 2007),调节一些脂肪生成相关基因的表达水平,例如:肌动蛋白2基因、辅酶A去饱和酶基因、乙酰辅酶A羧化酶基因、以及脂肪酸转运蛋白基因和甘油二酯酰基转移酶基因(Lee et al., 2011)等,从而抑制脂肪细胞的形成,具有改善高甘油三酯血症的功效,在防止动脉粥样硬化(Auclair et al., 2009)等心血管疾病方面也有着很高的利用价值。
2.5抗病原微生物活性
过去的一些研究证据表明黄酮类化合物具有抗病原微生物的活性(Tripoli et al., 2007; Tim Cushnie and Lamb, 2005)。后来证实PMFs类化合物也具有类似的功能,例如可以强烈抑制由细菌脂多糖诱发的肿瘤坏死因子TNF-a的表达(Manthey et al., 1999);橙皮苷可以抑制疱疹病毒、脊髓灰质炎病毒、合胞体病毒的感染和复制过程(Kaul et al., 1985);川陈皮素则能抑制鼠伤寒沙门氏菌的感染活性(Kawaguchi et al., 2004)。
除此之外,Matsuzaki等(2006)、Yamamoto等(2009)以患AD (阿尔茨海默尔)综合症的模型小鼠为研究对象,证明川陈皮素可以消除β-淀粉样蛋白(Aβ)对CaMK Ⅱ (Ⅱ型钙离子依赖性蛋白激酶)和CREB (cAMP反应结合蛋白)磷酸化的抑制,而后两种物质在修复由疾病或脑缺血引起的学习和记忆能力丧失的过程中具有重要作用,表明川陈皮素作为治疗这一类疾病潜在药物的可能性。Delaney等(2001)研究人员从橙皮油中分离获得了PMFs的混合物(川陈皮素、3’,4’,3,5,6,7,8-七甲氧基黄酮、三甲基黄芩素、红橘素、橙黄酮、5-O-去甲基川陈皮素等),用该混合物对一种雌性小鼠进行喂养,实验发现PMFs长时间、高浓度的对小鼠作用能使其NK细胞(自然杀伤细胞)的免疫活性受到抑制,但其体液免疫则不受影响,推断PMFs对动物机体有一定的免疫毒性。Yi等(2011)研究还发现川陈皮素可以调节突触传递过程,具有类似于抗抑郁症药物的活性,可作为治疗抑郁症的潜在药物。
3 PMFs的药代动力学
由于甲氧基的存在,使得PMFs成为低极性的化合物,具有较低的水溶性和较高的膜通透性,且所含甲氧基越多溶解度往往越低,跨细胞质膜的通透性也越高。表1 (Li et al., 2009)列出了用真空冷冻干燥溶解度测定法(LYSA)对PMFs的溶解度测定数据(Alsenz and Kansy, 2007)和用双层人工膜通透性测试法(PAMPA)对PMFs的通透性测得的数据(Kansy et al., 1998)。
对于特定化合物来讲,LYSA值大于200 μg/mL时表示溶解度高,在100 μg/mL到200 μg/mL之间时表示溶解度适中,小于100 μg/mL时则为低溶解性。而PAMPA值小于0.1×10-6 cm/s时表示通透性低,介于0.1×10-6 cm/s到1×10-6 cm/s之间表示通透性适中,大于1×10-6 cm/s时表示通透性较高。从表中可以看出,PMFs类物质的溶解度普遍较低,而通透性则相对较高。
在生物机体内的代谢过程中,甲氧基化使得PMFs的代谢速率与非甲氧基化的黄酮类物质相比要慢的多(Wen and Walle, 2006a; 2006b)。以川陈皮素为例,用川陈皮素和四羟黄酮同时饲喂实验小鼠(Murakami et al., 2002),在小鼠的肝脏和肾脏中测得的川陈皮素的含量远远高于四羟黄酮的含量。
因此推断,PMFs的低溶解性和高通透性及在生物体内的低代谢速率使其具有很高的吸收效率和生物利用率,因而其在生物体内的药代动力学稳定性也相对较高。
4展望
越来越多的研究表明,多甲氧基黄酮类化合物具有抗炎、抗癌、抗动脉粥样硬化等生物活性且拥有较高的生物利用率,各方面作用机制正在被逐渐阐明,其确切的生物学功能日渐被人们所认可,显示出极高的开发利用价值。
我国拥有非常丰富的芸香科(Rutaceae)柑橘属(Citrus)植物资源,传统中医因该属植物果实的干燥皮——中药陈皮性温、辛、苦,入脾和肺经,具有理气健脾、燥湿化痰等功效,在治疗脘腹胀满、嗳气泛酸、恶心呕吐、便秘或腹泻等消化系统疾病和呼吸系统疾病上已有上千年应用历史。而近年来对于PMFs各种生物学活性作用机理的揭示,不仅为传统中医医理提供了科学依据,而且进一步开发利用柑橘资源奠定了坚实的理论基础。近年来,针对PMFs的分离纯化方法已经开展了大量的研究,但就某一单体成分而言,其分离纯化技术仍需不断改进。代谢过程和代谢机制以及对于生物体特别是人体的药理作用机理也需要通过进一步的实验加以阐明,进而为PMFs物质在营养食品乃至医用药物方面的应用提供科学依据。
作者贡献
董浩、陈洪栋和赵轶君共同完成文献搜集与整理工作,文章初稿由董浩撰写,郝建国老师和贾敬芬教授主要对文章整体结构、内容编排等提供指导性建议并对正在开展的多甲氧基黄酮活性研究实验给予指导。通信作者李红民对文稿“植物中多甲氧基黄酮的分离、检测及其药理学作用”负文责并完成最后的审校定稿工作。
致谢
感谢陕西省科技厅2009年度自然科学基础研究计划项目(2009JM4024), 西部资源生物与现代生物技术教育部重点实验室开放基金, 陕西省教育厅2009年度重点实验室重点科研计划项目(09JS079)和陕西省财政厅专项资金和陕西省教育厅2009年度科学研究计划项目自然科学专项(09JK754)对本研究的资助。感谢两位匿名的同行评审人的评审意见和修改建议。
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