刺五加化學成分藥動學特性及其體內代謝過程研究進展

張宇航,邱智東,傅超美,高 寒,張欣舒,常百金,賈艾玲,,*

(1.長春中醫藥大學藥學院,中藥有效成分省部共建教育部重點實驗室,吉林長春 130117;2.長春中醫藥大學藥學院,吉林長春 130117;3.成都中醫藥大學藥學院,四川成都 611137)

刺五加為五加科植物刺五加(Acanthopanaxsenticosus(Rupr.et Maxim.)Harms)的干燥根和根莖或莖,廣泛分布于中國東北地區,其味辛、微苦、溫[1]。始載于《神農本草經》,在《本草綱目》中提出,刺五加能“補中益氣,堅筋骨,強意志,久服輕身耐老”,列為上品[2]。刺五加作為藥食兩用植物,由于其豐富的營養價值,目前已開發出刺五加茶等養生保健品[3]。現代藥理研究表明,刺五加在改善心肌缺血[4]、抗應激[5]、抗氧化[6]、抗炎[7]、抗疲勞[8]、降血脂[9]等方面具有廣泛應用。

本文借助中藥分子機制綜合數據庫(Traditional Chinese Medicines Integrated Database,TCMID,http://www.megabionet.org/tcmid/),共檢索到39種刺五加成分,從專業化學數據庫(http://www. organchem. csdb.cn.)中得到66種刺五加化學成分,其中10種與TCMID數據庫重復,同時通過查閱大量文獻,共檢索到241種刺五加化學成分[10]。可見刺五加化學成分的復雜多樣決定了其藥動學特性,即藥物通過多種途徑進入體內的吸收、分布、代謝、排泄等過程。近年來,隨著科學技術的快速發展及國內外學者對刺五加化學成分研究的不斷深入,越來越多的學者將目光對準了刺五加藥動學及體內代謝過程的探索。本文通過歸納總結,綜述了刺五加化學成分體內過程研究進展,為刺五加在制劑處方、工藝設計及合理用藥等方面提供較為全面和客觀的數據參考。

1 藥動學特性研究

1.1 刺五加苷類成分藥動學特性研究

苷類成分是刺五加中的主要活性物質[11],包括刺五加苷B(紫丁香苷)、刺五加苷E和三萜皂苷等,它們在根中的含量約為0.6%～0.9%,在莖中含量相對較高約占0.6%～1.5%[12],其中2015版《中國藥典》中規定,紫丁香苷的含量不得少于0.050%。苷類成分在體內通常會轉化成苷元發揮其藥理作用,而苷元具有親脂性,更容易在胃腸道中吸收。Song等[13]采用超高效液相色譜-串聯質譜法(UHPLC-MS/MS)對大鼠灌胃(ig)刺五加提取物,對刺五加中22-α-hydroxychiisanogenin、chiisanogenin、(1R,11α)1,4-epoxy-11-hrdroxy-3,4-secolupane-20(30)-ene-3,28-dioic acid和22-α-hydroxychiisanoside四種三萜類成分進行藥動學研究,發現給藥0.5 h后,均達到最大血藥濃度(Cmax),范圍在(139±36)～(248±50) ng/mL之間,半衰期(T1/2)在4.84～13.9 h之間,說明給大鼠ig刺五加提取物后,這四種成分能在胃中迅速吸收并在大鼠血漿中消除。龍啟福等[14]采用高效液相色譜法(HPLC)通過靜脈給藥(iv)的方式,給大鼠iv紫丁香苷(10 mg/kg)并研究其藥動學過程。運用二室模型進行參數計算,Cmax在0.50～30.00 μg/mL范圍內,平均駐留時間(MRT0-t)為5.98±0.16 h,藥物自中央室向周邊室分布的T1/2α約為2 h,由中央室消除的T1/2β約為3 h,藥-時曲線下面積(AUC0-t)為127.48±12.02 μg·h/mL。AUC反應了藥物在體內的吸收程度[15],AUC越大,提示紫丁香苷在體內有較高的利用度。范惠霞等[16]采用液相色譜-質譜法(LC-MS/MS)對比了刺五加注射液和紫丁香苷、刺五加苷E及異嗪皮啶3種單體成分在大鼠體內的藥代動力學特征。對大鼠分別iv刺五加注射液和3種單體成分。結果顯示,在同等劑量下,刺五加注射液與3種單體成分具有不同的藥動學參數。提示iv給藥后,通過血液循使藥物環到達全身,3種活性成分的體內藥動學行為可能會因刺五加注射液中所含其他成分的影響而發生改變。Ma等[17]采用同樣的方法,對口服給藥刺五加提取物和口服單一成分刺五加苷B和刺五加苷E進行對比,并對其體內過程進行藥代動力學研究。結果表明,口服單一成分的AUC顯著升高,口服刺五加苷B和刺五加苷E后,絕對生物利用度分別為3.30%±0.63%和3.82%±0.86%。此外口服給藥刺五加提取物后,在刺五加苷E中發現了肝腸循環。Zhou等[18]建立小鼠輻射損傷模型,給小鼠ig刺五加提取物,采用HPLC方法比較正常組與模型組中刺五加苷B和刺五加苷E的藥動學行為。研究表明,正常組刺五加苷B和刺五加苷E的Cmax分別為(1.70×102±7.41)、(2.07×103±6.61×102) ng/mL,模型組Cmax分別為(2.12×102±1.97101)、(2.11×103±5.93×102) ng/mL,兩組達峰時間(Tmax)均為0.5 h左右。從Tmax和Cmax結果可知,這兩種活性物質在短時間內對輻照小鼠的生理活動有很大的調節作用。上述研究發現,刺五加苷類成分的研究多是通過給刺五加提取物或刺五加注射液的形式,但中藥制劑成分復雜,只對其單一成分進行體內藥代動力學研究還存在一定的局限性。因此對于刺五加提取物或注射液中的其他成分以何種機制影響有效成分的體內藥動學行為,有待進一步研究與證實。

1.2 刺五加黃酮類成分藥動學特性研究

刺五加中黃酮類成分是其另一大活性成分,廣泛存在于刺五加葉中,在刺五加中含量高達30%[19],主要包括金絲桃苷、槲皮素及蘆丁等。其在植物體內主要以兩種方式存在,一種是游離的形式,另一種形式則是與糖結合形成苷。王曉劍等[20]采用HPLC方法給大鼠iv金絲桃苷(12 mg/kg),測定其在血漿中的濃度。AUC為200.23±4.40 μg/mL·min,表明其在體內生物利用度較高。艾國等[21]采用同樣的方法比較了給大鼠ig、iv金絲桃苷后大鼠體內的藥動學行為。經研究發現,金絲桃苷(25 mg/kg)ig給藥后,AUC為4.11±0.37 mg/L·h,血漿清除速率(CL)為5.66±0.73 L/kg·h,iv給藥后,金絲桃苷的AUC升高,CL降低。通過計算,得到其絕對生物利用度為26.0%,與iv給藥相比,ig給藥后吸收速度更快。朱紅崗等[22]也采用相同的方法測定了給大鼠ig槲皮素(50 mg/kg)后其在血漿中的濃度。結果表明,Cmax為2.033±0.41 μg/mL,Tmax為0.5 h,Cmax偏低可能是槲皮素不易溶于水,導致其難以被胃腸道黏膜吸收。簡勇等[23]運用LC-MS/MS方法對比了刺五加葉黃酮滴丸和脂質體兩種劑型對大鼠體內藥動學行為的影響。大鼠給藥后,其主要活性物質金絲桃苷的Cmax分別為(254.12±9.2)、(349.34±12.5) μg/L,MRT分別為(0394.56±90.26)、(640.35±84.26) min。由此可見,刺五加葉黃酮脂質體在體內的吸收效果比滴丸好,降解速度慢,生物利用度高。Tan等[24]采用超高效液相色譜-質譜法(UPLC-MS)給大鼠iv金絲桃苷,分析其在血漿中的藥動學行為。結果表明,當給藥劑量為2 mg/kg時,AUC(0-t)為383.07±138.83 μg/mL·min,AUC(0-∞)為386.89±138.02 μg/mL·min,T1/2為264.96±145.80 min,其結果與高劑量組相似,但T1/2不同,提示劑量高低可能是影響金絲桃苷體內代謝的原因。綜上,對于刺五加中黃酮類成分的研究多為液質聯用法,且其準確性、靈敏性、重現性較好,為刺五加黃酮類成分藥動學研究提供了一定的方法參考。但通過實驗數據可知,刺五加黃酮類成分血藥濃度相對較低,推測其可能被腸道菌群轉化為代謝產物進而吸收入血,導致在血液中未檢測到其原形藥物。因此關于刺五加黃酮類成分的藥代動力學研究,特別是吸收機制及其體內代謝后活性成分的研究,對刺五加的開發、利用具有十分重要的意義。

1.3 刺五加香豆素及其苷類成分藥動學特性研究

異嗪皮啶是一類香豆素類成分,主要分布于刺五加根及根莖中。有文獻報道,異嗪皮啶在體內會發生二次吸收現象[25]。Sun等[26]采用HPLC與固相萃取相結合的方法比較給大鼠ig刺五加提取物和異嗪皮啶后的藥動學行為。結果表明,刺五加提取物(0～4 h)和異嗪皮啶的Cmax分別為(7.33±0.71)、(6.56±0.10) μg/mL,Tmax分別為0.19 h和0.31 h,給藥4 h后刺五加提取物中異嗪皮啶濃度迅速增加,刺五加提取物比單體給藥效果更好。提示可能是因為游離的異嗪皮啶與前體結合,進而顯示出更高的生物利用度。盧芳等[27]采用超高液相色譜-飛行時間質譜法(UPLC-TOF/MS)和腦內微透析技術分析了不同劑量給帕金森病模型的大鼠ig異嗪皮啶(10和20 mg/kg)后腦內的藥動學行為。結果表明,不同劑量給藥后,Cmax分別為(26.38±89.69)、(1471.30±163.10) ng/mL,Tmax均為15 min,AUC(0-∞)分別為(16245.54±3446.15)、(41395.40±6180.62) ng·min/mL。研究發現,高劑量組Cmax和AUC明顯高于低劑量組,說明其具有一定的藥物依賴性。而與正常組相比,Cmax和AUC都顯著增加,Tmax值穩定,說明異嗪皮啶能夠迅速透過血腦屏障。通過上述研究發現,在病理狀態下,異嗪皮啶進入體內過程發生了改變,為今后刺五加臨床應用提供了科學參考。

綜上,對刺五加化學成分的藥代動力學研究主要集中在刺五加苷B、刺五加苷E、異嗪皮啶、金絲桃苷幾個單體化合物,對于其他成分研究的報道相對較少。Song等[28]采用LC-MS/MS方法研究了給大鼠ig刺五加提取物后,血漿中四種木脂素類成分的藥動學行為。采用非室模型計算,發現在給藥1.94～2.83 h之間,四種物質均達到了Cmax,Tmax分別為2.5、1.9、2.2、2.8 h,由此可知,四種物質口服給藥后均具有相似的吸收和分布。Zhang等[29]采用PreADMET程序和ACD/I-Lab 2.0.軟件計算藥物在體內吸收、分布、代謝、排泄(absorption,distribution,metabolism,excretion,ADME)性質,對其相似度進行預測,研究表明,刺五加中刺五加苷B、E,異嗪皮啶等化學成分的藥理作用可能是由其體內代謝產物所引起的,而非其天然形式,推測它們可能具有成為活性先導化合物的潛力。從這些角度來看,應該更多地關注藥物在體內的代謝狀態和代謝產物活性。

2 體內過程

2.1 吸收

根據現代藥理學理論,只有當藥物被吸收到人體系統中時,才能發揮其藥效物質基礎[30]。口服給藥是臨床中最常見的給藥方式,其中藥物的口服生物利用(OB)度決定了其是否有效。

刺五加中某些化學成分可能在腸道吸收后產生首過效應,從而對OB值產生影響[31]。譚曉斌等[32]建立了大鼠胃腸道吸收模型,采用在體腸單向灌流方法,研究刺五加苷B在大鼠胃腸道的吸收情況。結果表明刺五加苷B在腸道各區段均有吸收,但經腸道酶降解后,吸收能力從高到低依次為十二指腸>空腸>回腸>結腸。提示刺五加苷B被降解可能不只是吸收的原因,其OB值低還可能是因為腸道酶的代謝。賈媛等[33]也采用相同的模型研究金絲桃苷的腸吸收情況,結果顯示金絲桃苷在大鼠體內能被完全吸收,具有良好的穩定性,其表觀吸收速率常數(Peff)按十二指腸、空腸、結腸、回腸的順序依次升高。李劍惠等[34]采用在體腸循環方法考察槲皮素納米乳在體腸吸收情況。結果表明,槲皮素在腸道的吸收能力按回腸>結腸>空腸>十二指腸的順序依次降低,其吸收過程呈一級動力學過程,且小腸下段的吸收優于小腸上段。同時,借助中藥數據庫分析平臺(Traditional Chinese Medicine Systems Pharmacology Database and Analysis Platform,TCMSP,http://tcmspw.com/index.php)檢索了幾種刺五加主要化合物的OB值(見表1)。從表中可知,刺五加中幾種主要化學成分具有良好的類藥性(DL≥0.18),但OB值(≥30%)相對較低。因此,可以通過改變其給藥途徑來增強生物利用度,這也為刺五加新劑型的研發提供了一個新的方向。

表1 刺五加主要化學成分的口服生物利用度分析Table 1 Oral bioavailability analysis of main chemical components of AS

2.2 分布

有效成分吸收入血后,隨著血液循環系統在體內移動,最終到達與生物靶標相互作用的靶標部位[35]。化合物大多在體內循環中處于自由狀態,然后被分配到外周系統的不同部分,從而發揮潛在作用[36]。

以單體形式給藥,刺五加中苷類、黃酮類成分在體內的分布相似,主要分布在肝腎中,其有效成分的分布與刺五加歸經所屬的臟腑大致相同,推測歸經可能與有效成分在所屬臟腑的高度分布有關。Feng等[37]研究了給大鼠iv刺五加注射液(8.0 mL/kg)后體內分布情況。結果表明,其在體內分布廣泛,刺五加苷E的濃度分布依次為肝>腎>脾>心,刺五加苷B的濃度分布依次為腎>肝>心。脾中只有刺五加苷E分布,而刺五加苷B和刺五加苷E在肝腎中濃度最高,說明其主要代謝器官為肝、腎。艾國等[21]給大鼠ig金絲桃苷(25 mg/kg)后研究其在組織內的分布情況。結果表明,給藥0.5 h后,藥物可快速分布到組織中,其中以胃、腸中質量分數最高,其次是腎、肝、肌肉、肺、心,在腦、子宮、脾、睪丸中質量分數較低。吳東方等[38]給大鼠ig槲皮素(10 mg/kg)后,觀察其在血漿和組織中的分布情況。結果表明,槲皮素在組織中分布廣泛,其濃度分布依次為胃>肝>腎>心>肺>脾,但未在肌肉及大腦中檢測到。

2.3 代謝

口服給藥的體內過程是極其復雜的,在此過程中,會發生生物轉化和代謝反應,從而產生多種代謝產物[35]。而對鑒定體內化合物代謝途徑及代謝產物的信息是闡明有效成分并了解其潛在作用的重要內容。

2.3.1 腸道菌群代謝 在胃腸道吸收之前,大多數藥物成分可能由腸道細菌轉化而來。因此,研究人類腸道菌群對成分代謝的影響,對于理解生物學效應也具有重要意義[39]。孫敏等[40]給大鼠ig刺五加有效部位,通過大鼠糞便和腸道內容物觀察其腸道菌群代謝情況。結果表明,在給藥12 h內,刺五加苷B和刺五加苷E能夠被完全代謝,而綠原酸和異秦皮啶未發生代謝。劉樹民等[41]采用HPLC和UPLC-MS的方法研究刺五加苷B和刺五加苷E在大鼠體外腸道菌群中的代謝情況。研究發現,給藥24 h后,刺五加苷B被完全代謝,刺五加苷E只有48%被代謝。而在血清中也均未檢測到刺五加苷B、E的原型成分,這可能與其代謝產物直接入血有關。說明血清藥物化學在體內闡明有效成分及其代謝產物方面發揮了重要作用[42]。Zhang等[43]采用超高液相色譜-四級桿-飛行時間質譜技術(UPLC-QTOF-MSAS)分析了大鼠體內刺五加葉提取物代謝過程。發現其主要化學成分由糖苷組成,包括黃酮類糖苷,三萜類糖苷等。然而,這些具有水溶性的糖苷不容易在腸中被吸收,并且生物利用度較低。提示這些糖苷可能通常被水解成活性苷元,然后被腸道菌群吸收[44]。

2.3.2 肝臟代謝 藥物代謝主要在肝臟內進行,肝臟中含有大多數的代謝活性酶,主要存在于肝細胞微粒體中,加上其高血流量,也使之成為藥物代謝最重要的器官。而細胞色素P450酶系(CYP450)是肝臟代謝最主要的I相反應酶。刺五加中某些化學成分會通過影響CYP450活性,進而影響藥物藥代動力學的改變,從而導致藥效的變化。畢云楓等[45]對大鼠肝微粒體CYP450中異嗪皮啶的代謝產物進行研究。采用LC-MS/MS及特異性抑制劑探針方法共鑒定出了5種代謝產物,最佳代謝時間為2 h。Song等[13]在對刺五加三萜類化合物進行藥代動力學研究時還發現,三萜類成分CH-1和CH-2在平均血漿濃度-時間曲線中顯示出較小的雙峰,表明肝纖維化循環可能參與其吸收過程,也可能是通過它們的代謝轉化而引起的。

2.3.3 體內代謝 藥物在體內發生代謝反應分為兩個階段,I相代謝反應通過氧化、還原和水解向母體藥物分子添加一些極性官能團,例如-OH、-COOH、-NH2等,II相代謝反應是使藥物分子與體內內源性化合物結合而產生的暴露的極性功能基團,如葡萄糖醛酸、硫酸、甘氨酸等[35]。由此推測,刺五加中所含有的多種糖苷,包括甾體苷、酚苷、香豆精苷、木脂素苷等[46],當其進入機體后,常會在腸道中將糖基脫掉,進而轉化為苷元而發揮其藥理活性[47]。

Yamauchi等[48]采用LC-MS/MS方法檢測了給小鼠ig刺五加葉提取物后其在血漿及大腦皮層的代謝情況。結果表明,在血漿和大腦皮層中均能檢測到刺五加苷B、刺五加苷C1、刺五加苷M和刺五加苷A1,由于提取物中本身含有這些化合物,推測其可能是以原型吸收入血并轉移至大腦而沒有發生代謝。同時有研究發現,給大鼠ig刺五加葉提取物后在大鼠血漿中檢測出了刺五加苷C3和刺五加苷B,未在大腦中檢出,但在大腦中檢測到了綠原酸、蘆丁、金絲桃苷等。推測大鼠和小鼠的血腦屏障作用不同,可能會產生不同的藥理學結果[35]。孫強等[49]采用UPLC-Q-TOF-MS方法及數據自動處理技術研究給大鼠ig刺五加提取物后血漿和膽汁中的代謝產物。結果表明,刺五加苷D未以原型形式發生代謝,在大鼠血漿和膽汁中分別檢測到了其代謝產物和二次代謝產物。提示刺五加苷D在體內可能是通過葡萄糖醛酸化和去甲基化的形式被代謝。Sun等[50]采用UHPLC-Q-TOF方法對刺五加莖的化學成分進行分析,共分析出115種化合物,其中體內的41種化合物,有7種是原型化合物,34種為代謝產物。并利用LC-MS技術對大鼠血清中刺五加苷B和刺五加苷E的代謝過程進行研究。結果顯示,在血清中未檢測到其原型物質,而是檢測到了其葡萄糖全酸化后的代謝產物。

3 總結與展望

從大量文獻中不難發現,專門針對刺五加的化學成分及其生化相互作用的研究起步相對較晚,大多數是在20世紀90年代以后興起的[51]。近年來,隨著刺五加化學成分研究的不斷深入,化學成分結構越來越清晰,進而對其化學成分的體內過程研究也成了新的關注點,ADME研究也更好的闡明了刺五加化學成分的藥代動力學性質[31]。但通過上述研究表明,目前對于刺五加化學成分的體內代謝過程主要集中在少部分單體成分的研究上,而中藥和中藥制劑的有效成分復雜,不能用單一成分來反映藥物在機體內的藥動學特征,因此面對刺五加體內藥代動力學的研究時,應該引入新的思路與方法。

3.1 傳承經典-整體觀角度下的刺五加體內代謝研究

中藥的研究是基于中醫藥理論的指導下所開展的,對于中藥化學成分的研究應該遵循中醫整體觀。基于“中藥多組分整合藥代動力學研究”方法,在研究中藥體內代謝過程時,把中醫藥理論和用藥特點有機結合,從整體上闡明中藥的復雜成分[52]。中藥代謝研究的基礎是化學成分的研究,很多研究還通過建立數據庫去分析中藥的復雜體系[53]。在針對刺五加多成分藥物代謝研究中,應尋求一種整體方法來科學地驗證刺五加是否具有可辨別的藥理作用。通過更嚴格和現代的科學方法確定其基本功能,作為驗證其傳統用途的主要依據[51]。同時針對刺五加臨床應用的特點,進行“顯效形式”、“疊加作用”的藥效物質基礎研究[54]。

3.2 守正創新-多學科交叉融合推動中藥現代化發展

由于中藥多成分、多靶點、協同作用的影響,阻礙了中藥現代化的發展,而中藥的復雜性對其體內藥效物質基礎也產生重要影響。在研究體內代謝的過程中,與現代技術的結合很好地解決了中藥成分復雜、有效成分含量低、干擾成分多等分析難點[55]。隨著科學技術的飛速發展,具有多反應監測功能的三級四極桿質譜技術在中藥代謝及藥代動力學的相關研究中起著重要作用[56]。同時質譜聯用技術也得到了廣泛應用,如微透析-質譜聯用技術、高效液相-質譜聯用技術等也為藥物體內代謝的研究帶來了新的方法。近年來,隨著網絡藥理學的興起,對新藥的研究提供了新的思考與認識[57],藥代動力學預測和網絡藥理學技術已被成功整合并應用于分子網絡層面的中藥和分子式機理的解釋。毋庸置疑,科學技術的創新必將為刺五加化學成分體內過程的研究提供新的方向。