芹菜中的化學成分及對生殖系統影響的研究進展

張友源,孫勝楠,金少瑾,朱云峰,徐翠翠,馬 鶯,2,盧衛紅,2,*

(1.哈工大機器人(山東)智能裝備研究院 生物健康工程研究所,山東濟南 250200; 2.哈爾濱工業大學化工與化學學院,黑龍江哈爾濱 150090)

芹菜(ApiumgraveolensL.)屬傘形科(Apiaceae)一年或者兩年生植物，主要分布于溫帶地區,約有20種,我國僅有2種,分別為旱芹(A.graveolensL.)和細葉旱芹(A.leptophyllumL)。旱芹在我國南北各省區均有栽培,供作蔬菜，果實可提取芳香油,分布于歐洲、亞洲、非洲及美洲;細葉旱芹主要產地為江蘇、福建、臺灣和廣東等省,為外來種,分布于美洲、大洋洲、日本、馬來西亞和印度尼西亞的爪哇,藥用以旱芹為佳,是藥食同源品種[1]。隨著人們生活水平和健康意識的提高,芹菜的消費和潛在價值不斷得到開發和利用。芹菜中的生物活性成分可以用于醫藥和化工行業[2]。芹菜不僅含有維生素、胡蘿卜素、蛋白質和纖維素等營養物質,同時黃酮類化合物和揮發油等含量也很豐富[3]。隨著對芹菜研究日益深入,芹菜中的化學成分被不斷被發現,芹菜所獨有的生物活性和藥食同源價值也越來越引起關注。

生殖是人類繁衍生息和文明繼代的基礎,兩性健康是生殖的必要條件,高質量的生殖是衡量社會文明與發展的重要標準。越來越多的研究發現日常飲食與生活習慣對生殖健康有很大影響[4]。明確日常飲食對生殖的影響,是提高生育水平的重要途徑。

1 芹菜化學成分及其功效

芹菜中的化學成分種類十分豐富,主要包括黃酮類化合物、揮發油和其他成分,黃酮類成分和揮發油屬于芹菜中的主要生物活性成分[5]。

1.1 黃酮類化合物

黃酮類化合物[6-7]是芹菜中主要的次生代謝產物之一,主要包括黃酮和糖基黃酮兩種。芹菜中的黃酮主要有芹菜素、山奈酚、槲皮素和異鼠李素[8]等。糖基黃酮主要包括芹菜苷、3′-甲氧基芹菜苷[9],柯伊利素-7-O-葡萄糖苷和木犀草苷[10]等。不同構型的類黃酮化合物生物活性存在差異。黃酮類化合物的主要活性有抗氧化、抗炎、抗腫瘤和心血管保護作用[11-12]。在生物系統中,脂質過氧化反應與許多病理狀態有密切的聯系,具體表現如下:

1.1.1 抗氧化 自由基的生成會導致細胞老化和損傷方面[13]。通過DPPH(1,1-二苯基-2-三硝基苯肼)法檢測從芹菜葉或者是芹菜莖中分離得到的黃酮均可以減少羥自由基的產生,降低脂質體LPX的強度[14]。同時還可以顯著降低MAO-a活性和脂質過氧化反應,抑制大腦中超氧陰離子和谷胱甘肽過氧化物酶活性,進一步防止因額葉和波狀體中的神經元因過氧化而導致的抑郁癥的發生[15]。

1.1.2 抗炎 芹菜素抑制PMA誘導的A549細胞促炎細胞因子和AP-1因子的表達,從而達到抗炎的作用[16]。木犀草素通過阻斷小鼠肺泡巨噬細胞NF-kb和AP-1激活途徑抑制炎癥相關基因的表達,繼而達到抗炎的效果[17]。

1.1.3 抗腫瘤 芹菜中的化學成分具有抗腫瘤的作用。芹菜素脂質體-酪氨酸抑制劑作為組合藥物可以誘導肺癌細胞(A549)G2期阻滯,通過末端脫氧核苷酰轉移酶介導的DUTP nick-e協同促進癌細胞凋亡[18]。芹菜素可以提高蛋白激酶CK2的活性,調節轉錄子Ikaros的表達平衡,防止因T細胞發育受阻導致胰腺癌的發生[19]。

1.1.4 保護心腦血管 芹菜素降低冠狀動脈血流中肌酸激酶(CK)和乳酸脫氫酶(LDH)水平,可降低心肌梗死面積,改善心率,通過調控JAK2/STAT3的磷酸化來降低心肌缺血再灌注損傷[20]。芹菜素能夠調節2型糖尿病大鼠糖和脂代謝,改善血管功能障礙[21]。

1.2 揮發油

揮發油是具有特殊氣味的植物中的天然復合物質,廣泛用于食品、化妝品和醫藥工業[22-23],其主要成分包括萜烯類化合物、酚類化合物、酯類和芳香族化合物[24-25]。

1.2.1 芹菜揮發油的分布及種類 Hamrounisellami等[26]對旱芹葉、莖、根的揮發油進行了提取和比較,結果表明:旱芹葉中揮發油和香氣提取物的比例最高,其次是莖和根。不同品種芹菜揮發油的化合物種類及百分比存在差異[27-28](表1)。旱芹和細葉旱芹中揮發油的種類及其含量存在很大區別,旱芹揮發油中占比例最大的是檸檬烯(31.15%)和β-瑟林烯(22.28%)[27],細葉旱芹的揮發油中占比例最大的是γ-萜品烯(41.6%)和1-甲基-2-異丙基苯(27.80%)[28]。

表1 芹菜揮發油中化合物及所占百分比Table 1 Chemical compounds and percentageof celery essential oil

1.2.2 避蟲抑菌 芹菜精油對谷蠹有明顯的毒性作用,24 h后對50%昆蟲種群的致死濃度(LC50)為53.506 μL/L[29]。Benelli等[30]對芹菜精油的生物防治作用進行了研究,發現芹菜揮發油對五葉庫蚊、家蠅、斜紋夜蛾和非洲棉葉蟲斜紋夜蛾等有很好的防治效果。Khalil等[31]發現旱芹精油對大腸埃希菌、支氣管敗血性博德桿菌和金黃色葡萄球菌均表現為優秀的生物活性;進一步研究表明,芹菜葉精油是清除自由基活性的天然抗氧化劑。旱芹菜籽提取物對多種病原微生物,特別是革蘭氏陽性菌有良好的抑制作用[32]。

1.2.3 保護心腦血管 丁基苯酞是芹菜揮發油中的一種有益于心腦血管疾病恢復的化合物[33],動物實驗表明,丁基苯酞能夠促進微血管生成,增加缺血區的腦血流量、改善微循環,解除微血管痙攣,縮小局灶性腦缺血后的梗死面積,對缺血性腦卒中所致腦損傷的多個病理環節有阻斷作用,提高膽堿乙酞基轉移酶的活性,抑制神經細胞凋亡,繼而防止老年癡呆[34-36]。丁基苯酞(商品名為恩必普)是我國第三個擁有自主知識產權的化學藥物,也是世界上專門用于治療腦血管病的化學新藥。

1.3 其他成分

芹菜中含有大量的膳食纖維,膳食纖維根據水溶特性可以分為水溶性膳食纖維和非水溶性膳食纖維。芹菜中的膳食纖維含量高達79.5%,其中不溶性膳食纖維占69.0%[37],膳食纖維能促進有益腸道細菌的生長和活性。通過選擇性刺激有益細菌如乳桿菌和雙歧桿菌在結腸中的生長和活性,對宿主產生有益的影響,從而改善宿主的健康[38]。Mudgil、Mongeau等[39-40]發現芹菜中的膳食纖維可以改善小鼠的腸道功能,食物中增加膳食纖維增加可以促進總脂肪排泄。芹菜中的主要化學成分還包括脂肪酸、香豆素、多糖和萜類等化學成分[41-42]。

2 芹菜對生殖系統的影響

芹菜中的化學成分不斷被開發,生物活性也逐漸被發掘,其中芹菜對生殖系統的影響日益受到關注[43]。兩性健康以及生育問題是人類繁衍生息的關鍵所在,近期的研究表明芹菜對兩性生殖系統表現為不同的生物活性作用[43]。

2.1 對性激素的影響

性激素作為性器官成熟、副性征發育及維持性功能的主要物質,對生殖系統的發育和成熟有很大的作用。性激素主要有雌激素、孕激素和雄激素,性激素并存于兩性中,激素的差異不在于性別差異,而在于兩性中的荷爾蒙濃度和類固醇激素受體的定量差異表達[44]。性激素的濃度和類固體激素受體的表達是性發育的基礎[45],性激素的調控主要受到下丘腦-垂體-性腺軸的調節[46],芹菜通過調節激素轉化與合成的前體物質濃度來調控性激素濃度。同時芹菜中的化學物質還可以修復外界因素造成的激素水平紊亂[47]。

旱芹中的有效成分可以直接影響激素的合成與水平。用旱芹提取物對雄性小鼠進行灌胃處理,實驗組促黃體生成素水平明顯低于對照組和安慰劑組,病例組卵泡刺激素和睪酮水平與對照組比較無顯著性差異[48]。同時對于外界因素造成的激素水平失衡,芹菜中的化學成分也有一定的修復作用。Madkour[47]在觀察鄰苯二甲酸二(2-乙基)己酯DEHP對睪丸的損傷時發現,注射芹菜籽油可以恢復因為DEHP損傷而導致睪酮、FSH、LH和雌二醇等激素的水平,得出芹菜籽油可以減少DEHP所致睪丸的損傷。進一步研究芹菜中的化學成分是通過下丘腦-垂體-性腺軸調節激素水平,對處于發情期的大鼠進行側腦室分別注射芹菜素和絨毛膜促性腺激素HCG以及兩者混合物的處理,用放射免疫法測定血清、卵巢組織和垂體組織中卵泡刺激素FSH、促黃體生成素LH、雌二醇E2以及孕激素P的含量,實驗結果表明芹菜素確實對小鼠的生殖軸有調節作用,芹菜素抑制腺垂體FSH和LH的分泌，從而抑制卵巢雌二酮E2和孕激素P的分泌,證實芹菜素確實對小鼠的生殖軸有調節作用[49]。同時處理濃度雄性大鼠垂體-性腺軸有劑量依賴性的負效應[50]。此外還有研究發現,芹菜素可以作用于激素調節關鍵酶進而調節激素分泌。芹菜素可以抑制17β-羥基類固醇脫氫酶的活性[51],17β-羥基類固醇脫氫酶是一類NAD(P)H/NAD(P)+依賴的氧化還原酶,其主要功能是參與性激素的代謝,為性激素合成過程中最后步驟的催化酶,催化性激素C17位上的酮基和醇基之間的還原和氧化反應,使低生物活性的雌酮(E1)、雄烯二酮(A2)與高生物活性的雌二醇(E2)、睪酮(T)之間相互轉化[52]。

2.2 對生殖器官的影響

2.2.1 雄性生殖器官 芹菜對雄性生殖系統的影響主要表現在兩個方面，包括對生殖器官的保護作用和對生精系統的影響。對生殖器官的保護作用主要體現在對生殖器官癌癥的防治作用和對生殖器官損傷修復作用。

2.2.1.1 對生殖器官癌癥的防治作用 前列腺癌是雄性常見癌癥之一,高年齡段全球發病率高達50%以上[53],并且發病年齡有逐年降低的趨勢,朱意[54]曾經檢測不同濃度和不同處理時間的芹菜素對前列腺癌細胞株(DU145)的影響,結果表明芹菜素以一種時間-劑量依賴的方式抑制前列腺癌DU145細胞的增殖,表現為濃度越高,作用時間越長,對細胞的抑制作用越強。芹菜素在10、20 μmol/L濃度下作用于 DU145 細胞24 h后,細胞的遷移能力和運動能力得到了抑制。同時,芹菜素可以抑制癌細胞內AR蛋白表達和PSA分泌減少,導致細胞生長受到抑制。此外,芹菜素處理LNCaP細胞后發現細胞周期蛋白D1、D2和E以及激活因子Cdk2、4和6表達受控,導致細胞G1期阻滯,加速前列腺癌細胞凋亡[55]。

2.2.1.2 對生殖器官損傷的修復作用 Skondras等采用靜脈注射的方式對睪丸扭轉后和切除睪后再灌注的小鼠進行處理,組織病理學和免疫組織觀察發現,處理組小鼠睪丸大部分損傷程度為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級損傷,組織學表現為輕度和中度,凋亡細胞數較對照組明顯減少，證明芹菜素對睪丸扭轉和退扭轉后睪丸缺血再灌注損傷具有保護作用[56]。芹菜素對熱致睪丸損傷有抑制作用[57],可作為睪丸熱療后退變效應的一種抑制劑,同時芹菜素還通過NF-κB途徑對丙烯腈所致大鼠亞慢性的精子損傷有保護作用[58-59]。芹菜醇提物對丙二醇引發的初級精母細胞、支持細胞和精子數量減少,具有修復和保護作用,甚至恢復到正常的生殖水平[60]。急性實驗發現,灌胃7 d后中劑量組小鼠精子密度增加,c級(非前向運動)和d級(不動)精子比例增高,精子活力和精子活率大幅度降低。交配組和恢復組各實驗亞組間精子質量參數的差異,無統計學意義。亞急性實驗中觀察到不同劑量組灌胃小鼠隨著芹菜汁濃度的增高,精子密度有降低的趨勢,高劑量組b級(慢或呆滯的前向運動)精子比例、精子活力及精子活率增加,而d級(不動)精子比例降低,小鼠精子平均路徑速度(VAP)、曲線速度(VCL)、側擺幅度明顯增大,而鞭打頻率顯著降低[61]。芹菜素會影響精子密度,同時恢復組小鼠的精子密度、精子運動狀態、精子活力及活率組內變異較小,顯示芹菜對以上指標的影響具有可恢復性[62-63]。

綜合前期的研究發現,芹菜素對于雄性生殖系統的影響主要集中在對前列腺的保護作用以及對生精系統的影響。目前研究結果表明,芹菜素可以促進前列腺癌細胞的凋亡,防止前列腺癌的發生和擴散，同時也會導致精子的密度降低,精子活力受到影響，但是這一影響具有可恢復性。芹菜素在這一潛在特性在實際應用中可以作為雄性避孕藥的備選化合物。

2.2.2 雌性生殖器官 芹菜對雌性生殖系統的影響主要體現在對卵細胞發育相關細胞的數量和質量的影響以及生殖器官的保護作用。

2.2.2.1 對卵細胞發育相關細胞的影響 Zainab等[64]研究芹菜對雌性小鼠的生殖器官時研究發現,芹菜籽乙醇提取物低濃度時(150 mg/kg)影響較大,觀察組織切片發現黃體和發育卵泡的數量和大小增加,卵巢皮質無充血,初級卵泡和次級卵泡數量較對照組增多。芹菜籽醇提物高濃度(300 mg/kg)時顯示,卵巢皮質含有較少的初級卵泡和次級卵泡,皮質細胞肥大、充血,部分皮質細胞核增厚,黃體數量減少,有大量閉鎖卵泡存在。與低濃度組相比,150 mg/kg時,除出現皮質充血征象外,還可增加卵巢髓質動脈和靜脈直徑,從而影響卵巢的血液供應。芹菜中的黃酮成分有類激素作用,以0.6、1.2 g/kg劑量的乙醇提取物,給予去卵巢雌性大鼠灌胃,用陰道涂片進行研究,并稱量正常和去卵巢雌性大鼠子宮質量。兩個劑量的對照組,提取物誘導的去卵巢大鼠子宮質量明顯增加,血漿中孕酮和雌激素總量顯著增加;另一方面,該提取物使LH和催乳素顯著減少[65]。

2.2.2.2 對雌性生殖器官的影響 芹菜對生殖器官的病變存在一定的防護和修復作用。人類乳頭瘤病毒(HPV)是引發人類宮頸癌的常見病毒,尤其是由HPV編碼基因E6和E7負責編碼的16型和18型屬于高危類型,芹菜素可以抑制E6與FADD和casepase8結合,繼而防止正常細胞感染病毒[66]。

芹菜對雌性生殖系統的影響發現芹菜可以保護宮頸和卵巢避免病毒感染,同時對卵細胞的生成有一定影響,具體影響與處理濃度有關系。高濃度的芹菜提取物處理會對卵細胞的生成造成負面影響,低濃度的芹菜提取物則會促進卵細胞的生成以及數量增加。

2.2.3 對生產的影響 生產的主要指標是新生兒的數量、性別比以及重量等生理指標。芹菜對生產的影響主要體現在新生兒數量及性別。

Kooti等[67]利用芹菜醇提物對雌性大鼠進行灌胃處理,同時與正常雄性大鼠進行交配繁殖,實驗組分娩新生兒數量均較對照組顯著增加,新生兒體重明顯下降,提示芹菜素對小鼠產仔數和質量有影響。Bazafkan等[68]利用芹菜水提物對雌性小鼠進行處理,結果表明:芹菜水提物的平均產仔率為100%±60%,對照組為60%±0.16%。與前期文獻報道一致,新生兒平均性別比(雄雌比)分別為1.26%±0.37%和0.81%±0.13%,新生兒中雄性比例增加。并根據數據推測該提取物含有對雌性大鼠產仔率、性別比和新生仔數有效的物質,改變了促卵泡和睪酮激素的活性,或者是改變含有Y染色體的精子的受精能力,也可能是由于降低了血清脂肪酸度水平,從而降低了子宮分泌物的酸度所致。

3 討論和展望

通過對近幾年芹菜對生殖系統研究文獻的匯總,芹菜對生殖系統的影響主要是包含對生殖器官的保護和修復作用以及對相關生殖細胞的影響。同時芹菜對雄性生殖系統影響的研究要多于對雌性生殖系統的影響,推測與芹菜的化學成分有關系,芹菜中主要化學成分為黃酮類化合物,此類化合物對于雌性的影響有類激素效果,前期實驗基礎較多。除了對前列腺系統有保護作用外,芹菜對雄性生殖系統的研究主要集中在對精子和睪丸的影響,目前多數文獻研究結論是芹菜提取物或者特種化學成分會對小鼠生精細胞和生精小管以及精子的數量、密度和活力會有影響,但是結論并不一致,多數研究結果為負面影響,少數為無顯著影響。綜合實驗步驟考慮,可能與喂養方式、喂養量以及喂養周期有關,或者是與組織處理方式以及具體操作有關。雖然芹菜對雄性生育能力的影響大部分為負面影響,但是進一步的生物機制和基因蛋白通道尚未明確,無法從更深層次的基因和蛋白的角度來判斷芹菜對生殖系統的影響,所以在接下來研究中觀察芹菜對特定生殖基因的調控以及機制研究將會是芹菜應用價值重大突破的關鍵所在。芹菜作為一種餐桌常見蔬菜,來源廣泛,群眾接受度高,但是除食用價值之外,其他保健價值并無相關產品的開發,這也很大程度上限制了芹菜銷量和價格。進一步研究和確認芹菜對生殖系統的影響及相關產品的開發,充分利用芹菜優秀的生物活性,拓展芹菜的應用價值,是十分具有經濟價值和市場價值的。