漢麻黃酮類成分研究進展

姜 碩，萬 璐，許哲祥，閆佳佳，鄭春英

（1黑龍江大學(xué)農(nóng)業(yè)微生物技術(shù)教育部工程研究中心，哈爾濱 150500；2黑龍江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院/黑龍江省普通高校微生物重點實驗室，哈爾濱 150080）

0 引言

漢麻(Cannabis sativa L)，又稱大麻、火麻、寒麻等，是桑科(Moraceae)大麻屬(Cannabis)的一年生草本植物[1]。其干燥成熟果實為收載于《中國藥典》的火麻仁[2]，是典型的藥食同源功能性保健品，具有潤腸通便等藥用價值[3]；其莖和稈芯中含有豐富的大麻纖維，可以用于紡織、造紙等[4]；其花序、葉片中生物活性物質(zhì)，可以用于食品、藥品以及化妝品等領(lǐng)域[5]。此外，漢麻作為一種生態(tài)友好型農(nóng)用經(jīng)濟作物[6]，可以豐富土壤有機質(zhì)，減少化肥投入[7]，對農(nóng)藥具有吸附特性，有利于農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展[8]。

隨著國內(nèi)外學(xué)者對漢麻研究的深入，發(fā)現(xiàn)其生物活性成分非常復(fù)雜。據(jù)報道，現(xiàn)已從漢麻植株中分離出500多種化合物[9]，主要包括大麻酚類化合物、多酚、有機酸、生物堿、萜類以及黃酮等[10]。其中，大麻酚類化合物是被人們廣泛研究的明星化合物[11]。但由于漢麻中一些大麻酚類化合物，如四氫大麻酚等具有成癮性，存在潛在應(yīng)用風(fēng)險[12]。而黃酮類化合物作為一種非成癮性成分，具有抗腫瘤[13]、抗菌[14]、抗炎[15]等多種生物活性。研究表明，適量攝入黃酮類成分可以顯著降低癌癥、肝硬化以及心血管等疾病發(fā)病率，具有潛在的研究及開發(fā)前景[16]。因此，本研究就漢麻黃酮類成分相關(guān)研究進展進行綜述，旨在為了解漢麻黃酮類成分的生物合成以及高效利用奠定基礎(chǔ)。

1 漢麻黃酮類化合物結(jié)構(gòu)及合成途徑

1.1 漢麻中黃酮類化合物及結(jié)構(gòu)

黃酮類化合物是一類由C6-C3-C6組成的具有許多生物活性的天然多酚類物質(zhì)[17]，這類化合物一般以游離狀態(tài)或者與糖結(jié)合成糖苷的狀態(tài)[18]存在于植物體內(nèi)，是一種尤為重要的植物次生代謝產(chǎn)物[19]。黃酮類化合物作為廣泛分布在天然產(chǎn)物中的生物活性物質(zhì)，在漢麻中的含量也較為豐富[20]。現(xiàn)代研究表明，從漢麻中共分離出26種黃酮類化合物，主要結(jié)構(gòu)類型包括黃酮、黃酮醇等[21]，部分重要黃酮類化合物的名稱及結(jié)構(gòu)見表1。在這些黃酮類化合物中，山奈酚、牡荊素以及芹菜素等為常見的黃酮苷元結(jié)構(gòu)，可以與葡萄糖、鼠李糖等以O(shè)-苷鍵或C-苷鍵的形式，進一步形成不同的漢麻黃酮苷類化合物[22]，其中，大麻黃素A、大麻黃素B為漢麻特征性黃酮成分[23]。

表1 黃酮類化合物名稱及結(jié)構(gòu)

續(xù)表1

續(xù)表1

1.2 黃酮類化合物生物合成途徑

1.2.1 漢麻中黃酮類化合物生物合成途徑 黃酮類化合物普遍分布于植物的根系、葉片、花序以及種子中，主要在細胞質(zhì)中合成，經(jīng)轉(zhuǎn)運后，進入液泡中實現(xiàn)大量累積[28]。因此，黃酮類化合物的生物合成途徑廣泛存在于植物體內(nèi)，對于植物抵抗不良環(huán)境因素影響發(fā)揮重要的作用[29]。目前，苯丙烷途徑是黃酮類化合物生物合成的通用途徑，其具體合成途徑見圖1[30]。首先，在苯丙氨酸解氨酶(PAL)、肉桂酸-4-羥基化酶(C4H)以及4-香豆酰-CoA連接酶(C4L)的作用下，將苯丙氨酸轉(zhuǎn)化為香豆酰-CoA；其次，香豆酰-CoA在查爾酮合酶(CHS)的作用下，與P-香豆酰-CoA及丙二酰-CoA生成查爾酮，進而在查爾酮異構(gòu)酶(CHI)的作用下生成二氫黃酮——柚皮素；最終，柚皮素作為其他黃酮類成分的合成前體化合物，在不同種類酶的作用下，進一步通過各種特定的分支合成途徑，分別生成槲皮素、山奈酚以及花青素等黃酮類化合物。因此，植物黃酮類化合物的生物合成途徑有利于通過微生物轉(zhuǎn)化等技術(shù)來定向高效生產(chǎn)黃酮類成分[31]。

圖1 漢麻黃酮類化合物生物合成途徑

1.2.2 大麻黃素A和大麻黃素B生物合成途徑 據(jù)報道，Barrett等[32]首次從漢麻中分離得到大麻黃素A(cannflavins A)和大麻黃素B(cannflavins B)，經(jīng)鑒定其結(jié)構(gòu)中含有異戊二烯基，為漢麻的特征性黃酮類成分。目前，雖然黃酮類化合物的生物合成途徑已經(jīng)在幾種植物中得到了廣泛研究，但在漢麻中的這一過程鮮有報道[33-34]。

直到2019年，Kevin等[25]通過使用系統(tǒng)基因組學(xué)和生物化學(xué)相結(jié)合的方法，研究發(fā)現(xiàn)關(guān)于大麻黃素A和大麻黃素B的生物合成，是經(jīng)漢麻黃酮生物合成途徑的特定分支點進行的，其中心黃酮必須在黃酮B-環(huán)的3'-位置被甲氧基化以及A-環(huán)的6-位置被異戊烯基化，其具體合成途徑見圖2。與此同時，從漢麻中鑒定得到一種烯丙基轉(zhuǎn)移酶(CsPT3)，可以催化香葉基二磷酸(GPP)或烯丙基二磷酸(DMAPP)對甲基化黃酮——金圣草黃素進行特異性加成，從而分別產(chǎn)生大麻黃素A和大麻黃素B。此外，進一步研究表明，在漢麻基因組中編碼的O-甲基轉(zhuǎn)移酶(CsOMT21)可以將木犀草素轉(zhuǎn)化為金圣草黃素，兩者均在漢麻葉中大量積累。并且，這2種獨特的酶的鑒定代表了漢麻總黃酮途徑的一個分支，為漢麻黃酮的合成提供了一種可控制的代謝工程策略，從而為生產(chǎn)這2種藥用相關(guān)的漢麻特征性黃酮類化合物提供理論依據(jù)。

圖2 大麻黃素A和大麻黃素B生物合成途徑[25]

2 漢麻黃酮類化合物生物活性

黃酮類化合物具有獨特的酶調(diào)節(jié)系統(tǒng)，且結(jié)構(gòu)存在差異性和多樣性，因此，在植物中表現(xiàn)出多種生物活性，可以作為運輸植物生長素的調(diào)節(jié)劑以及植物與病原體相互作用的介質(zhì)[35]。此外，在一些動物模型中，各種植物黃酮已被證實具有抗氧化、抗腫瘤等特性[36-37]。現(xiàn)代研究表明，漢麻中黃酮類成分與其他植物中的黃酮類成分類似，具有抗腫瘤、抗抑郁以及神經(jīng)保護等良好的生物活性[38]。此外，還可以作為單味藥及其復(fù)方中藥的主要生物活性成分，從而為中藥的研究和應(yīng)用提供理論依據(jù)[39]。目前，漢麻黃酮類化合物的生物活性已成為熱點研究問題。

2.1 植物雌激素

植物雌激素是非甾體多酚類植物的代謝產(chǎn)物，由于它們與17 β-雌二醇的結(jié)構(gòu)相似，具有與雌激素受體結(jié)合的能力，因此它們可以發(fā)揮雌激素作用。而黃酮類化合物作為重要的次生代謝產(chǎn)物，在漢麻植物的生長發(fā)育等方面發(fā)揮著重要的作用，其結(jié)構(gòu)與E2存在相似性，顯示出較強的雌激素活性[40]。現(xiàn)代研究表明，適量食用黃酮類植物雌激素可以在預(yù)防與雌激素有關(guān)的癌癥（如乳腺癌，前列腺癌等）中發(fā)揮作用，并且對絕經(jīng)期綜合征、骨質(zhì)疏松癥以及心血管疾病也具有顯著功效[41]。

2.2 抗腫瘤

Guo等[42]從漢麻葉中分離得到大麻黃素A、大麻黃素B以及4’-甲氧基葒草素等黃酮類化合物。為了研究其抗腫瘤活性，將不同的黃酮類化合物分別處理MCF-7、A549、HepG2和HT-29細胞，并進行細胞生長抑制試驗。結(jié)果表明，大麻黃素A和4’-甲氧基葒草素可通過抑制細胞增殖、誘導(dǎo)細胞凋亡而顯示出廣譜的細胞毒性，是治療乳腺癌的潛在抗腫瘤藥物；而大麻黃素B可依據(jù)細胞類型，對癌細胞系顯示出選擇性抑制作用。上述研究結(jié)果為開發(fā)漢麻黃酮類成分作為食品、藥品以及保健品等提供理論依據(jù)。

2.3 抗瘧原蟲及抗利什曼蟲

Radwan等[24]從高效漢麻品種中分離得到大麻黃素C、金圣草黃素以及6-異戊烯基芹菜素等黃酮類化合物，并且研究發(fā)現(xiàn)金圣草黃素和6-異戊烯基芹菜素為首次從漢麻中報道。為了研究其抗瘧原蟲及抗利什曼蟲活性，將不同的黃酮類化合物分別進行抗瘧疾活性和抗利什曼蟲活性實驗。結(jié)果表明，大麻黃素C具有中等抗利什曼蟲活性，其IC50值為17.0 μg/mL；大麻黃素A具有強抗利什曼蟲活性，其IC50值為4.5 μg/mL；而6-異戊烯基芹菜素對于兩種惡性瘧原蟲P.falciparum(D6 clone)和P.falciparum(W2 clone)均具有強抗瘧疾活性，其IC50值分別為2.8 μg/mL和2.0 μg/mL。上述研究結(jié)果為開發(fā)抗瘧疾和抗利什曼蟲藥物奠定基礎(chǔ)。

2.4 抗抑郁

據(jù)報道，漢麻具有抗抑郁作用，其主要活性成分為大麻二酚[43]。此外，從天然植物中提取的黃酮類化合物在許多細胞和動物研究中也具有抗抑郁作用，可以顯著緩解抑郁癥引起的焦慮和失眠等癥狀[44]。研究表明，單胺氧化酶是單胺神經(jīng)遞質(zhì)分解的關(guān)鍵酶，當(dāng)體內(nèi)單胺氧化酶活性受到抑制時，對于治療抑郁癥存在顯著功效[45]。由于黃酮類化合物與合成的單胺氧化酶抑制劑在結(jié)構(gòu)上存在一定的相似性，芹菜素、木犀草素等黃酮類化合物和槲皮素等黃酮醇類化合物均具有調(diào)節(jié)單胺氧化酶活性的作用，可作為有效的抗抑郁藥物[46]。而漢麻中同樣含有芹菜素、木犀草素等黃酮類成分，但往往易被人們忽視。因此，后續(xù)關(guān)于漢麻抗抑郁藥物的研發(fā)，可以考慮將漢麻黃酮類化合物單獨使用或與大麻二酚協(xié)同使用，以用于開發(fā)抗抑郁藥物。

2.5 神經(jīng)保護

Carly等[47]等將大麻黃素A等3種黃酮類化合物作用于神經(jīng)元PC12細胞，通過采用MTT法以及熒光細胞染色等方法對其進行測定。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，大麻黃素A對β淀粉樣蛋白介導(dǎo)的神經(jīng)毒性具有神經(jīng)保護作用，主要與抑制β淀粉樣蛋白原纖維化有關(guān)。漢麻黃酮類化合物的功效本身可能會進一步引導(dǎo)對于阿爾茨海默癥神經(jīng)退行性變的研究。然而，異戊二烯基黃酮類化合物通常表現(xiàn)出相對強的神經(jīng)毒性，在體外許多常見黃酮類化合物中未觀察到。上述結(jié)果有利于開發(fā)漢麻黃酮創(chuàng)新型藥物。此外，有研究表明，漢麻中黃酮類成分對于大麻素存在一定調(diào)控作用[48]。

3 分析方法

為了深入研究漢麻黃酮類成分，可靠的分析檢測方法是必不可少的。目前，關(guān)于漢麻中黃酮類成分的分析方法主要包括高效液相色譜法以及核磁共振技術(shù)。

3.1 高效液相色譜法

高效液相色譜法[49](HPLC)作為一種高效而穩(wěn)定的分析方法，目前被廣泛應(yīng)用于黃酮類成分的分離和含量檢測。Wieland等[50]采用HPLC-UV法對漢麻提取物中葒草素、牡荊素、異牡荊素、芹菜素等7種黃酮類成分進行分析。該方法靈敏、高效、準確，不僅可以為黃酮類成分的分離提供理論依據(jù)，也可為目標成分的定性、定量分析奠定基礎(chǔ)[51]；Delgado等[21]采用LCQTOF MS/MS法對17個漢麻植物品種葉子和花序甲醇提取物中的黃酮類成分進行分析。結(jié)果表明，從漢麻極性提取物中鑒定得到16種黃酮類化合物，其中有9種經(jīng)與對照品對比被證實，包括：金絲桃苷、異葒草素、牡荊素-鼠李糖苷等；Vanhoenacker[52]等采用HPLCAPI-ES-MS法對漢麻葉中牡荊素、葒草素、芹菜素-7-O-β-D-葡萄糖苷以及木犀草素-7-O-β-D-葡糖苷4種黃酮類化合物進行分析。該方法作為分析復(fù)雜樣品的有效手段[53]，目前已成為黃酮類化合物表征的重要技術(shù)[54]，具有靈敏度高、分析范圍廣、分離能力強等特點，可以廣泛應(yīng)用于食品、藥品以及保健品等諸多領(lǐng)域[55]。HPLC法分析漢麻中的黃酮成分條件見表2。

表2 HPLC法分析漢麻黃酮類成分

3.2 核磁共振技術(shù)

核磁共振技術(shù)(NMR)是黃酮類化合物結(jié)構(gòu)研究中不可缺少的一項技術(shù)，它可以完整地確定黃酮類化合物的結(jié)構(gòu)，包括識別其苷元、立體化學(xué)結(jié)構(gòu)、糖和酰化糖的性質(zhì)和位置等[56]。Mohamed[57]等采用核磁共振技術(shù)對高效品種漢麻中的有效成分進行分析。經(jīng)鑒定得到金圣草黃素、異戊烯基芹菜素等4種黃酮類化合物，其中金圣草黃素和異戊烯基芹菜素為首次從漢麻中鑒定。該方法具有易操作、分析快、可以準確測定化合物分子骨架結(jié)構(gòu)的特點，是目前廣泛應(yīng)用的結(jié)構(gòu)分析方法[58]。

4 展望

植物次生代謝產(chǎn)物會隨著不同生長發(fā)育時間而產(chǎn)生動態(tài)變化，當(dāng)化合物類型不同時，其動態(tài)積累規(guī)律也會存在差異性[59]。因此，了解黃酮類化合物在漢麻植物體內(nèi)的動態(tài)積累規(guī)律，分析與其它化合物合成的相關(guān)性，對于漢麻生長發(fā)育及其生物合成均具有一定的促進作用，綜合考慮能夠確定漢麻的最佳采收期，以期顯著提高漢麻的經(jīng)濟價值和藥用價值。

漢麻黃酮類化合物的生物合成途徑不僅受關(guān)鍵酶的催化以及轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控，同時也受漢麻植物中其它合成途徑的交叉調(diào)控。因此，了解漢麻黃酮類化合物的生物合成途徑，可以定向采用基因組學(xué)以及合成生物學(xué)等方法生產(chǎn)漢麻黃酮類化合物。同時，在了解漢麻黃酮類成分合成的過程中，有助于觀察與其它化合物的關(guān)聯(lián)性，為研究漢麻中其它活性化合物提供參考。

隨著研究技術(shù)的不斷成熟，黃酮類化合物的分析方法也日漸精湛，對于獲得高效漢麻黃酮類成分的分析方法，已逐漸成為研究的目標。因此，采用多種分析技術(shù)聯(lián)用可快速檢測黃酮類化合物，為未來獲得高效的漢麻黃酮研究方法提供了理論依據(jù)。