藥用紫草醌類化合物及其藥理活性研究進展

廖 梅，吳凌鳳，姜宏梁

1嘉應學院醫學院，梅州 514031；2華中科技大學同濟藥學院，武漢 430030

藥用紫草為紫草科(Boraginaceae)多年生草本植物，始載于《神農本草經》，列為中品，藥用其根部。作為紫草入藥的有紫草屬(Lithospermum)，軟紫草屬(Arnebia)和滇紫草屬(Onosma)中多種植物[1,2]，其中擬紫草屬植物新疆紫草Arnebiaeuchroma(Royle)Johnst(軟紫草)，內蒙紫草ArnebiaguttataBunge(黃花軟紫草)和紫草屬植物紫草Lithospermumerythrorhizonsieb.et zucc.(硬紫草)是我國藥用紫草的主要來源。歷屆中國藥典(1990年、1995年、2000年版)中均收錄了以上3種植物作為紫草入藥，然而自2005版開始將硬紫草除去，只保留了前兩者作為《中國藥典》收錄的基原植物。紫草味苦，性寒。有涼血、活血、解毒和透疹的功能，主治血熱毒盛、斑疹紫黑、麻疹不透、瘡瘍、濕疹和水火燙傷等癥。現代藥理學證明，藥用紫草在許多難治性疾病如腫瘤、艾滋病、過敏性紫癜、銀屑病[3]等顯現出非常好的療效，已引起國內外學者的廣泛關注，在資源、植物化學、藥理學等方面的研究正逐漸深入[4]。

藥用紫草的化學成分分為脂溶性和水溶性兩大部分，其中脂溶性的醌類化合物為其主要活性成分，包括紫草素類、紫草素二聚體、紫草呋喃類、苯醌類及苯酚類。本文就近年來藥用紫草的醌類化合物及其藥理活性進行了綜述，為該藥材及近緣植物資源的進一步研究和開發提供參考。

1 紫草素類

1.1 抗腫瘤活性

紫草素類化合物包括紫草素或其對映異構體阿卡寧以及它們與小分子羧酸的成酯衍生物，其本質為羥基萘醌類化合物，同時紫草素類成分也是紫草科植物專屬的特征性成分，到目前為止，僅在該科植物中報道過。早在1922年，日本化學家Majima和Kuroda首次以酯的形式從硬紫草中分離得到紫草素類化合物，并闡明紫草素具有5，8-二羥基-1，4萘醌的結構[5]。到了1936年，德國科學家Brockmann更正并最終確立了紫草素的現有結構，提出硬紫草中存在兩種旋光異構體：紫草素和阿卡寧[6]。直到1961年，Arakawa發現紫草素在水溶液中經臭氧和過氧化氫分解，產生蘋果酸二甲酯，繼而轉化變為D(+)-蘋果酰胺,從而確定紫草素為R構型，阿卡寧則為S構型[7](見圖1)。此后，有學者通過圓二色譜和手性HPLC的方法測定了紫草素與阿卡寧的比例，并發現兩者在不同植物種屬中的比例并非恒定不變[8,9]。

圖1 紫草素和阿卡寧的結構

至今已從不同種屬藥用紫草中分離到30多種紫草素類化合物(見表 1)。從結構上看，這類成分都具有羥基萘醌母核，都含有異己烯側鏈，差別在于其旋光性、側鏈中羥基的位置和酰基的不同。紫草素及其衍生物作為紫草的主要有效成分，已經被證實具有抗腫瘤、抗菌、抗病毒、抗炎、促進傷口愈合、抗血栓、抗甲狀腺功能亢進、抗免疫功能低下、降血糖、保肝護肝等多種生物活性，特別是其抗腫瘤作用，已被大量研究所證實[10-13]，引起了學術界的廣泛關注，其中，又以紫草素(1)的抗腫瘤活性研究報道最多。紫草素的抗腫瘤機制涉及多個靶點，包括誘導細胞凋亡、誘導細胞壞死、抑制拓撲異構酶、抑制蛋白酪氨酸激酶、抗腫瘤血管生成、影響腫瘤細胞信號傳遞等一系列的化學預防和治療途徑[14,15]。近年來，國內外學者對紫草素衍生物的抗腫瘤活性和作用機制研究越來越深入。例如：乙酰紫草素(2)通過誘導細胞自噬、程序性死亡和靶向m-TOR/PI3K/Akt信號通路抑制口腔癌順鉑耐藥細胞系KB-R細胞的腫瘤發生[16]，也能通過ROS介導的Caspase激活誘導HepG2 cell肝癌細胞凋亡[17]。異丁酰紫草素(4)能顯著抑制人結腸癌細胞增殖，誘導早期凋亡，改變細胞的周期分布[18]。另有研究顯示異丁酰紫草素、α-甲基丁酰紫草素(7)、異戊酰紫草素(6)和β,β-二甲基丙烯酸紫草素(8)對黑色素瘤細胞SBcl2、WM35、WM9和白血病細胞株U937、WM164、Jurkat、Molt4、CCRF-CEM等腫瘤細胞表現生長抑制活性，抑制c-MYC的表達，影響AKT、ERK1/2和SAPK/JNK的磷酸化，其活性均高于紫草素[19]。β，β-二甲基丙烯酰紫草素對人肺癌A549[20]、人結腸癌HCT-116[21]、胃癌SGC-7901[22]、SMMC-7721[23]等腫瘤細胞顯示體內或體外生長抑制活性。β-羥基異戊酰紫草素(13)對U937 和肺癌細胞DMS 114 等具有抑制作用[24]，對人絨毛膜癌細胞株BeWo具有誘導細胞凋亡的作用[25]。本課題組在LC-MS/MS技術的指導下從新疆紫草二氯甲烷部位系統分離并鑒定了19個紫草素類化合物，體外抗腫瘤活性篩選結果顯示，各化合物對A549、HCT116、HepG2、HeLa細胞體外增值均有不同程度的抑制作用，其中紫草素、1-methoxyacetylshikonin、α-甲基丁酰紫草素對A549的IC50分別為1.10、1.30和0.74 μmol/L，抗腫瘤活性明顯，具有較好的開發利用前景。LC-MS/MS進一步分析發現藥用紫草中至少存在73種該類成分，有待進一步深入挖掘。

1.2 抗菌活性

文獻報道紫草素類化合物對多種細菌表現抗菌活性[26-28]。紫草素對多種常見菌株包括革蘭陽性菌、革蘭陰性菌以及真菌顯示出抗菌作用，對金黃色葡萄球菌、大腸埃希菌、白色念珠菌、蠟狀芽孢桿菌、沙門氏菌、傷寒桿菌等的生長有顯著抑制作用，抗菌能力與左氧氟沙星相當[29]。紫草素及其衍生物對于具有 NorA 外泵蛋白的多藥耐藥金葡菌菌株、標準金黃色葡萄球菌、耐甲氧西林金葡菌株的耐藥菌株、大腸桿菌、枯草桿菌等具有明顯抑制作用[30]；在一項以生物活性為導向的提取分離實驗中顯示乙酰阿卡寧及乙酰紫草素、異戊酰紫草素、α-甲基丁酰阿卡寧及α-甲基丁酰紫草素，異丁酰阿卡寧和β,β-二甲基丙烯酰紫草素(8)，對耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA)和耐萬古霉素腸球菌(F935、CKU-17)表現抑菌活性[27]。它們抗MRSA的最低抑菌濃度為1.56～3.13 μg/mL，作用強于紫草素和阿卡寧(MIC=6.25 μg/mL)，抗F935和CKU-17的活性也優于紫草素和阿卡寧。研究表明紫草素對抗MRSA的作用機制與肽聚糖的親和力、細胞膜的通透性、以及ATP結合盒(ABC)轉運蛋白活性有關[26]。以上研究表明紫草素及其衍生物作為一種潛在而有效的天然抗生素，具有極大的開發利用前景。

1.3 抗病毒活性

紫草對單純皰疹病毒、乙型肝炎病毒、人類乳頭瘤病毒、帶狀皰疹病毒及甲型肝炎病毒等均有抗病毒作用[31-33]。關于紫草抗病毒的有效成分尚未達成共識，目前認為發揮作用的主要是紫草素及其衍生物。研究表明紫草素具有抗腺病毒的作用，作用方式是抑制腺病毒的復制，其機制可能與減少細胞凋亡、抑制腺病毒六鄰體蛋白表達有關，該結果提示紫草素具有成為天然、高效、低毒的抗腺病毒藥物的潛力[34]。Luo等[35]采用血細胞凝集反應及細胞病變法研究左旋紫草素的抗副流感病毒作用，結果顯示其在實驗所用的質量濃度范圍內毒性較低，且具有一定的體外抗副流感病毒的作用。這一研究結果為紫草素的抗病毒作用又增添了新的內容，也為其在臨床上的進一步廣泛應用提供了有價值的實驗依據。Cocchi等[36]研究了紫草素對趨化因子受體功能和HIV-1復制的影響，結果顯示，紫草素在納摩爾濃度下能夠抑制單核細胞的趨化性。在巨噬細胞中，紫草素還能顯著下調HIV-1輔助受體CCR5的表達和mRNA水平。此外，紫草素還能抑制人外周血單個核細胞中多藥耐藥病毒株和兒科臨床 HIV 分離株的復制，IC50為96～366 nmol/L；紫草素還有效抑制單核細胞/巨噬細胞中HIV Ba-L分離株的復制，IC50為470 nmol/L，提示紫草素發揮抗HIV-1作用與其干擾趨化因子受體的表達和功能有關。因此，紫草素作為天然存在的低分子量泛趨化因子受體抑制劑，有望開發為新型抗HIV治療劑。

1.4 抗炎活性

紫草、紫草素及其衍生物治療燒燙傷、濕疹、銀屑病、過敏性紫癜、關節炎、靜脈炎、婦科炎癥、急性肺損傷、重癥急性胰腺炎伴肺損傷或肝損傷、局部腦缺血等多種疾病的實驗研究正逐步深入，多認為其抗炎機制與NF-κB、IL-1β、IL-6、TNF-α、NO、CCR、COX-2、IL-22、IL-17等密切相關[37]。例如：紫草素、乙酰紫草素、β，β-二甲基丙烯酰紫草素的抗炎作用可能是通過抑制LPS刺激的RAW 264.7細胞ERK磷酸化，下調NF-kappaB的活化，從而抑制iNOS蛋白的表達[38]；亦能通過TLR4介導的信號通路活化NF-κB，抑制IL-1β、IL-6、TNF-α和NO的分泌，并促進IL-10的分泌[39,40]，降低巨噬細胞中高遷移率族蛋白的表達；或者封鎖NF-κB-P65從細胞質到細胞核的易位，抑制炎癥反應相關酶體活性[41]等途徑發揮抗炎療效；此外，紫草素還可以抑制IL-22介導的細胞增殖以及抑制角質形成細胞分泌促炎性反應因子S100A7、S100A8，從而減輕炎性反應[42]。

另外，紫草素對某些特異性的炎癥模型如急性肺損傷[43]、膠原性關節炎[44]、類風濕性關節炎[45]、缺血性腦血管損傷[46]亦表現很好的保護作用。

研究表明紫草素可顯著降低急性肺損傷(ALI)小鼠體內PBMC促炎癥因子TNF-α、IL-1β、IL-8的產生和中性粒細胞的浸潤，減輕病理學改變，減輕肺水腫，降低肺組織勻漿中的MPO活性和NO濃度，使肺組織中iNOS、COX-2和核蛋白中NF-κB水平下降，提示紫草素對LPS誘導的ALI具有保護作用，其機制可能與紫草素抑制NF-κB、iNOS和COX-2有關[43]。一項探討紫草素對晚期膠原性關節炎的作用研究顯示紫草素能夠免疫干預已發病的膠原性關節炎小鼠，降低關節炎評分，阻止軟骨破壞，其機制可能為紫草素通過抑制Th1細胞因子的表達發揮抗炎癥作用[44]。此外，紫草素可通過抑制COX-2 mRNA基因表達，減少炎癥性細胞因子的產生而發揮其對類風濕關節炎的免疫抗炎作用，這為開發紫草素成為COX-2抑制劑提供實驗基礎[45]。紫草素在缺血性腦血管病中發揮神經保護作用的機制可能為下調TLR4、p-p38MAPK、NF-κB、TNF-α、MMP-9的表達，上調claudin-5的表達，改善血腦屏障滲透性[46]。在一項探討紫草素對單側輸尿管梗阻性腎病誘導的小鼠纖維化模型的治療作用和潛在調控機制研究中，結果顯示紫草素治療后，腎功能改善，病理染色顯示腎小管損傷明顯改善，纖維化減少；免疫印跡結果顯示紫草素能夠抑制TGF-β/Smad信號通路中關鍵蛋白Smad 3活化，上調Smad 7表達，而TGF-β和長鏈非編碼Erbb4-IR的基因表達均呈現劑量依賴性下降，提示紫草素可有效減輕腎臟纖維化，其機制可能與調節Smad3/Erbb4-IR軸相關[47]。

1.5 其它活性

紫草素及其衍生物還表現一些其它藥理活性。在一項考察乙酰紫草素，異丁酰紫草素和β-羥基異戊酰紫草素(13)對人膽固醇酰基轉移酶(hACAT)的抑制活性研究，發現異丁酰紫草素對hACAT-2的抑制活性(IC50=57.5 μM)強于hACAT-1，而乙酰紫草素和β-羥基異戊酰紫草素對hACAT-1和hACAT-2的抑制活性均很弱，而紫草素衍生化后活性較強[48]。Gwon等[49]采用高脂飲食喂養C57BL/6J小鼠建立動物肥胖模型，研究發現硬紫草乙醇提取物能減輕肥胖小鼠體重、白脂肪組織重量、血清甘油三酯和總膽固醇水平和肝臟脂質水平，并減少促進脂肪生成的基因表達；而乙酰紫草素(2)能抑制脂肪細胞分化，減少3T3-L1細胞內成脂轉錄因子的表達。Chen等[50]研究顯示紫草素對于Aβ25-35誘導的阿爾茲海默病細胞(AD)具有保護作用，可以有效減少細胞凋亡，增加細胞活力，改善線粒體功能。同時還可以抑制AD細胞內ROS的累積，減少氧化應激導致的細胞死亡，可作為預防和治療AD的神經保護候選物。Singh等[51]從亞歷山大軟紫草Arnebiahispidissima中分離得到teracrylshikonin(9)、乙酰紫草素、arnebin-5(19)和arnebin-6(20)并發現它們對前列腺素的生物合成有抑制作用。

2 紫草素二聚體類

早在1949年，Toribara等[52]在水解歐紫草Alkannatinctoria的阿卡寧提取物時發現阿卡寧/紫草素二聚體存在，它們與阿卡寧的單聚物有不同的理化性質，如顏色變深、光學活性消失、分子量變大、無升華現象。然而直到近代，Assimopoulou和Spyros等[53,54]開始采用空間排阻色譜和HPLC-DAD-MS對紫草素/阿卡寧的聚合物進行分析并分離到一個二聚物，初步確定了其化學結構。迄今已報道了4個此類化合物，分別為6-(11′-deoxyalkannin)-alkannin/shikonin(含兩個非對映異構體)、6-(11′-deoxyalkannin)-alkannin/shikonin acetate、6-(11′-deoxyalkannin)-alkannin/shikoninβ，β-dimethylacrylate(29～31)。結構研究顯示它們只是側鏈上11′-C簡單地與另一萘醌結構母核的6-C相連，2個單體間未成環。

此外，文獻檢索表明還存在另一類紫草素二聚體。1994年，Piccione等[55]采用紫草素經人體腸細菌Bacteroidesfragillissubsp.Thetaotus生物轉化之后得到四個新的紫草素二聚體shikometabolins A-D(32～35)。此后，我國學者Yang等[56]從硬紫草Lithospermumerythrorhizon提取物中分離得到shikometabolin A(32)、shikometabolin E(36)和shikometabolin F(37)，并發現他們具有明顯的神經氨酸酶抑制活性。本課題組LC-MS/MS分析研究表明新疆紫草、內蒙紫草和硬紫草中均存在紫草素二聚體類化合物[57,58]。以上研究表明紫草素二聚體類化合物在經過高溫、光照或生物轉化時有可能發生聚合，提示該類成分可能不穩定，紫草藥材應選擇適當的儲存條件。

3 紫草呋喃類

課題組前期研究表明紫草呋喃類成分為呋喃對苯二酚類衍生物，比紫草素類成分的極性稍大，在各種屬紫草根中含量低微，目前僅在硬紫草和新疆紫草中分離得到過[59]。早在1982年，日本學者Yoshizaki等[60]就從硬紫草Lithospermumerythrorhizon根中分離得到了5個紫草呋喃類化合物shikonofurans A-E(39～43)，沒有報道其活性數據。直到2005年Choi等[61]報道shikonofurans E具有微弱的單胺氧化酶抑制活性(IC50=59.1 μM)，而同等條件下乙酰紫草素和紫草素的抑制活性相對較強(IC50分別為10.0和13.3 μM)。此后，Ji等[62]研究發現shikonofuran D、shikonofuran E、shikonofuran C對唾液酸糖基水解酶GH 33和GH 34顯示較強抑制活性，其中shikonofuran E對GH33的活性最強(IC50=0.24 μM)。酶動力學實驗顯示它們均為競爭性、可逆性的弱結合抑制劑。2019年，Ahn等[63]從硬紫草Lithospermumerythrorhizon根中分離得到一個新的呋喃對苯二酚衍生物shikonofuran J(44)以及已知化合物shikonofuran D和shikonofuran E。結果顯示它們均能抑制TNF-α誘導的HaCaT細胞中IL-6的產生，其中shikonofuran D和shikonofuran E的抑制作用較強，其IC50值分別為13.5和6.0 μM，并能顯著降低IL-6基因表達。Shikonofuran E對TNF-α預處理的角質形成細胞具有毒性(<50%，40 μm)。Cao等[64]研究發現shikonofuran E在脂多糖刺激的RAW 264.7巨噬細胞中能通過下調MAPK和NF-κB信號通路發揮抗炎作用。

4 其他混源萜類

Dong等[65]從昆明紫草Onosmapaniculatum甲醇提取物中分離到4個新的萘醌類化合物shikometabolin G(38)以及naphthofuranin A-C(45～47)，其中化合物46、47對NO的生成具有良好抑制作用(IC50=0.4～16.5 μM)，提示它們具有潛在的抗炎作用。Yao等[66]從新疆紫草Arnebiaeuchroma中分離出幾個單萜苯酚及苯醌類化合物(48～51)。Wang等[67]從新疆紫草Arnebiaeuchroma根中分離到7個對苯二酚類化合物(52～59)。并評價了各化合物對人肝癌細胞系SMMC-7721、HepG2、QGY-7703和HepG2/ADM的細胞毒性，結果顯示各化合物對各細胞均顯示一定細胞毒性，其中化合物55、56、59活性顯著。

圖2 紫草素類化合物的結構骨架

表1 藥用紫草中已分離得到的醌類化合物

續表1(Continued Tab.1)

編號No.R化合物Compound參考文獻Referrence105,8-dihydroxy-2-(4-methyl-6-oxo-5,6-dihydro-2H-pyran-2-yl)-[1,4]naphthoquinoneOnosmaechioides[77]11AngelylshikoninEchiumitalicumL.[78]12TigloylshikoninLithospermumerythrorhizon[79]13β-羥基異戊酰紫草素或β-羥基異戊酰阿卡寧Lithospermumerythrorhizon[48]Arnebiaeuchroma[24,25]14β-Acetoxy-isovalerylshikoninorβ-acetoxy-isovalerylalkanninArnebiagutatta[69]Arnebiaeuchroma[69]Lithospermumerythrorhizon[69]15BenzoylshikoninMoltkiopsisciliata[80]16AnthraquinoneILithospermumerythrorhizon[81]17β,β-Dimethylacryl-hydroxyalkanninArnebiaeuchroma[82]18Acetylarnebin-2Onosmaheterophylla[83]19Arnebin-5Arnebiahispidissima[51]20Arnebin-6Arnebiahispidissima[51]21DeoxyshikoninorDeoxyalkanninLithospermumerythrorhizon[84]Arnebiagutatta[69]22AlkannanLithospermumerythrorhizon[85]23AnhydroalkanninArnebiaeuchroma[86]

續表1(Continued Tab.1)

編號No.R化合物Compound參考文獻Referrence24Lithospermidin-ALithospermumerythrorhizon[87]25Lithospermidin-BLithospermumerythrorhizon[87]261-MethoxyacetylshikoninArnebiaeuchroma[88]Echiumlycopsis[89]27OnosoneBOnosomahispidum[90]28OnosoneAOnosomahispidum[90]296-(11′-Deoxyalkannin)-alkannin/shikoninAlkannatinctoria[53]306-(11′-Deoxyalkannin)-alkannin/shikoninacetateAlkannatinctoria[53]316-(11′-Deoxyalkannin)-alkannin/shikoninβ,β-dimethylacrylateAlkannatinctoria[53]32ShikometabolinsALithospermumerythrorhizon[56]33ShikometabolinsBBacteroidesfragillis[55]

續表1(Continued Tab.1)

編號No.R化合物Compound參考文獻Referrence34ShikometabolinCBacteroidesfragillis[55]35ShikometabolinDBacteroidesfragillis[55]36ShikometabolinsELithospermumerythrorhizon[56]37ShikometabolinsFLithospermumerythrorhizon[56]38ShikometabolinGOnosmapaniculatum[65]39ShikonofuranALithospermumerythrorhizon[60],Arnebiaeuchroma[67]40ShikonofuranBLithospermumerythrorhizon[60]41ShikonofuranCLithospermumerythrorhizon[60]42ShikonofuranDLithospermumerythrorhizon[60]

續表1(Continued Tab.1)

編號No.R化合物Compound參考文獻Referrence43ShikonofuranELithospermumerythrorhizon[60],Arnebiaeuchroma[67]44ShikonofuranJLithospermumerythrorhizon[63]45NaphthofuraninAOnosmapaniculatum[65]46NaphthofuraninBOnosmapaniculatum[65]47NaphthofuraninCOnosmapaniculatum[65]48Des-O-methyllasiodiplodinArnebiaeuchroma[66]49ArnebinolArnebiaeuchroma[66]50ArnebinoneArnebiaeuchroma[66]51ArnebifuranoneArnebiaeuchroma[67][69]529,17-EpoxyarnebinolArnebiaeuchroma[67]

續表1(Continued Tab.1)

編號No.R化合物Compound參考文獻Referrence533E,9S-10-O-(1,2-diolethane)-9,17-epoxyarnebinoArnebiaeuchroma[67]54ArnebinolBArnebiaeuchroma[67]55ArnebinoneBArnebiaeuchroma[67]563E,9S-10-O-(1,2-diolethane)-9,17-epoxyarnebinoArnebiaeuchroma[67]57Meroterpenoid6Arnebiaeuchroma[67]58Meroterpenoid7Arnebiaeuchroma[67]59Meroterpenoid8Arnebiaeuchroma[67]

5 討論

藥用紫草脂溶性化學成分研究主要集中于硬紫草、新疆紫草和滇紫草屬植物，有關內蒙紫草的研究報道較少。主要成分紫草素類化合物在抗腫瘤、抑菌、抗炎、抗病毒和免疫調節方面展示了多種藥理活性。其中紫草素及其衍生物的抗腫瘤活性報道最多，又以紫草素這一單體的研究最為透徹。然而，目前對于紫草素及其衍生物的研究仍然停留在實驗室基礎研究階段，涉及初步藥效學、藥動學特性和安全性等成藥性評價方面的研究報道較少。現行中國藥典也明確規定：“藥用紫草作為外用藥，熬膏或用植物油浸泡涂擦”，紫草素及其衍生物能否作為體內制劑開發還有待繼續深入研究。因此，繼續深入開展對紫草素類成分的藥理活性篩選及其藥代動力學評價等方面的研究將具有重要意義。