炭角菌屬次生代謝產物及藥理活性研究進展＊

韓海燕，段應策，彭 爽，祁建釗，劉成偉，2＊＊

（1. 東北林業大學生命科學學院 哈爾濱 150040；2. 黑龍江省酶與類酶工程重點實驗室 哈爾濱 150040；3. 西北農林科技大學化學與藥學院 咸陽 712100）

炭角菌屬（Xylaria）屬于子囊菌門（Ascomycota）炭角菌亞綱（Xylariomycetidae）炭角菌目（Xylariales）炭角菌科（Xylariaceae）中一種藥用真菌，它是一大類炭角菌的總稱。目前發現炭角菌屬擁有300 多個種，主要分布于溫帶、熱帶和亞熱帶地區[1]。

黑柄炭角菌（Xylaria nigripes），別名烏靈參，是名貴的藥用真菌。據四川《中藥志》記載，烏靈菌具有“補心腎、治失眠”的記述。烏靈菌粉具有補腎健腦，養心安神的作用，已在臨床上得到了廣泛的應用[2]。以烏靈菌粉制造的“烏靈膠囊”收錄于《中華人民共和國藥典》，被國家確定為“一類新藥”“中藥保護品種”進入國家醫保目錄，是用于治療焦慮、抑郁和失眠等病癥的唯一單方型中藥制劑[3]。烏靈菌是從我國珍稀藥用真菌中分離獲得的菌種，屬子囊菌科、炭角菌屬。炭角菌的石油醚和氯仿提取物（50 μg·mL-1）能夠抑制SPCA-1 增殖，誘導SPCA-1 細胞發生早期凋亡，激活P53、Caspase-3 和Bax 抗腫瘤標志蛋白表達上升以及抑制抗凋亡蛋白Bcl-2 的表達，表現出良好的抗腫瘤活性[4]。通過小鼠戊巴比妥鈉閾劑量（閾下劑量）催眠試驗和急性毒性試驗，發現縱條紋炭角菌（Xylaria striata）的子實體具有協同戊巴比妥鈉催眠的作用，高劑量組能顯著提高小鼠入睡率，延長睡眠時間，縮短睡眠潛伏期，證實該菌具有明顯的改善睡眠活性，可用于失眠癥的治療[5]。翁等報道了水溶性黑柄炭角菌肽能明顯降低鄰苯三酚自氧化速率，對羥自由基有極強的清除能力，對DPPH 自由基清除率隨濃度增加而增加，具有明顯的抗氧化作用[6]。研究表明，炭角菌是天然產物的豐富來源，能夠產生大量結構多樣的次級代謝產物，包括細胞松弛素、萜類、生物堿、非核糖體肽類和聚酮類等化合物[7]。

近年來，國內外對炭角菌的研究逐漸深入，在化學成分、藥理作用及其作用機制等方面取得一定研究進展，表明炭角菌有著巨大的研究價值和開發應用前景。闡明化學組成是中藥藥效研究和臨床應用的重要基礎，本文通過查閱并整理近5 年來國內外文獻資料，對炭角菌的次生代謝產物及生物活性研究進行概括總結，為后續相關研究提供參考。

1 炭角菌屬中的次生代謝產物

1.1 細胞松弛素

細胞松弛素類化合物是炭角菌屬真菌代謝產物的主要類型之一（圖1-圖2），其典型結構特征是以高度可替的氫化異吲哚環和一個大環連接，具有抗腫瘤、抗菌等活性。Chen 等從Xylariasp. SOF11 中分離得到一個cytochalasin P 的19,20 環氧化細胞松弛素cytochalasin P1（1），其對人腫瘤細胞SF-268 和MCF-7的細胞毒性較強（IC50分別為1.37和0.71 μM）[7]。Wang等從Xylariasp.HNWSW-2 發酵液中分離得到一個細胞松弛素衍生物xylarisin B（2）[8]。2 個具有5/6/6/6 稠合四環骨架的細胞松弛素curtachalasins A（3）和B（4），顯示出對Microsporum gypseum弱抗真菌活性[9]；隨后又從Xylaria cf.curta乙酸乙酯提取物和大米培養基中分別得到3 個具有獨特雙環[3.3.1]內酰胺結構的細胞松弛素curtachalasins C-E（5-7）[10]和11個細胞松弛素衍生物curtachalasins F-P（8-18）[11]。值得注意的是，化合物18 具有一個獨特的5/6/6/7 稠合環結構，化合物5對耐氟康唑的白念珠菌顯示出明顯的抗性逆轉活性，化合物8 對B 細胞增殖有明顯的選擇性抑制作用（IC50值為2.42 μM），化合物17 對T 細胞增殖有明顯的選擇性抑制作用（IC50值為12.15 μM）。隨后在同一菌株中又分離到2 個帶有氧橋的11 元大環細胞松弛素Cytochalasins D1（19）和C1（20）[12]和5個細胞松弛素（21-25）[13]。此后又通過優化Xylaria cf. curta的發酵條件，分離得到一個具有獨特6/7/5/6/6 多環稠合骨架的細胞松弛素xylarichalasin A（26），其對人類癌細胞系MCF-7（IC50值為6.3 μM）和SMMC-7721（IC50值為8.6 μM）顯示出較強的細胞活性，而對其他細胞的毒性較弱[14]，這為抗癌藥物的研究提供了新的先導物。在生物活性指導下，Han 等從Xylariasp. XC-16 中分離得到細胞松弛素epoxycytochalasin Z17（27），epoxycytochalasin Z8（28）和epoxyrosellichalasin（29）[15]。Wang 等的生物活性研究表明，細胞松弛素curtachalasin Q（30）在體外和體內也表現出顯著的抗腫瘤活性[16-17]。Noppawan 等從Xylariasp.SWUF08-37中分離到一個細胞松弛素xylochalasin（31），具有弱的細胞毒性[18]。Hinterdobler 等從Xylariasp. WH2D4 中分離得到1 個5/6/5/8 環的細胞松弛素lagambasine A（32）和3 個5/6/11 環的細胞松弛素lagambasine B-D（33-35）[19]。

圖1 細胞松弛素類化合物的結構(1-15)

圖2 細胞松弛素類化合物的結構（16-35）

1.2 萜類衍生物

萜類化合物是天然產物中化學結構最豐富的類群，它們多具有良好的生物活性，是藥物開發的寶庫。炭角菌屬代謝產物中含有豐富的萜類化合物（圖3-圖4）。Chang等從X.nigripes的發酵液中分離得到6個艾里莫酚烷型（eremophilane-type）倍半萜類化合物nigriterpenes A-F（36-41），其中化合物38 能夠抑制NO 的產生和iNOS、COX-2 蛋白的表達，表明X.nigripes具有潛在的抗炎作用[20]。Yang 等先后從Xylaria polymorpha（Pers.: Fr.）的發酵液乙酸乙酯提取物中分離得到5 個drimane-type 倍半萜polymorphines A-B（42-43）和xylariaines A-C（44-46），化合物43 表現出抗乙酰膽堿酯酶和α-葡糖苷酶抑制活性[21-22]。Tchoukoua 從Xylaria sp.V-27 中分離得到一個艾里莫酚烷型倍半萜13,13-dimethoxyintegric acid（47），其對RBL-2H3 細胞脫顆粒具有抑制作用[23]。在生物活性指導下，Han 等從Xylariasp. XC-16 中分離得到一個松香烷型二萜hydroxyldecandrin G（48），其對小麥芽伸長具有明顯的抑制作用（IC50值為23.6 μM），比參考的草甘膦（42.3 μM）更強，表明其具有作為天然除草劑的潛力[12]。Liang 從Xylariasp. GDG-102 中分離得到一個艾里莫酚烷型倍半萜xylareremophil（49）[24]。Chen 等從X. longipesHFG1018 培養物中分離得到18個去甲基異海松烷型二萜xylarinorditerpenes A-R（50-67），xylarinorditerpenes A-P 具有18 或19-去甲基異海松烷型骨架，而化合物65 和67 具有18,19-雙去甲基異海松烷型骨架，化合物51-54、58、63、68 和69顯示出免疫抑制活性[25]。隨后，又分離得到2 個具有獨特籠狀雙環[2.2.2]辛烷的異海松烷型二萜xylarilongipins A 和B（68-69）[26]。Knowles 等通過共培養Aspergillus fischeri（NRRL 181） 和Xylaria flabelliformis（G536），分離得到一個新的雜萜Wheldone（70），其對乳腺癌、卵巢癌和黑色素瘤細胞具有細胞毒活性[27]。Tang 等從Xylariasp 分離出一個三萜皂苷Mannosylxylarinolide（71）[28]。 Chen 等 從Xylaria papulis分離出2 個海松烷型二萜糖苷xylapapusides A（72）和B（73），化合物72 對NO 具有較強的抑制作用，Emax值為34.3 μM[29]。Zhou 等從Xylaria hypoxylon分離得到7 個異海松烷二萜糖苷 hypoxylonoids A-G（74-80）[30]。

圖3 萜類化合物的結構（36-48）

圖4 萜類化合物的結構（49-80）

1.3 生物堿類衍生物

生物堿類化合物是一種含氮元素的化合物，具有結構多樣性和廣泛的生物活性。從炭角菌屬代謝產物中也分離出一些具有抗菌、殺線蟲和抑制血栓形成活性的生物堿化合物（圖5）。Lei 等從Xylaria striata子實體的乙醇提取物中分離得到一個具有獨特的5/6/6/5/6 五環骨架的細胞松弛素生物堿xylastriasan A（81）[31]，生物活性實驗表明其具有較好的抑菌作用和一定的殺線蟲活性[32]。Li 等先后從X.longipes中分離得到4 個生物堿xylaridines A-D（82-85）[33-34]，其中化合物82 具有一個5/6/6/5/5 的稠合環骨架。Hu 等從X.nigripes（KL.）SACC子實體中分離得到3 個麥角生物堿xylanigripones A -C（86-88）[35]。Luo 等從Xylariasp.的發酵產物中分離得到2 對非對映異構的生物堿xylarins A-D（89-92），其中化合物89和90是首次發現的具有5/6/5-5/6 多環骨架的化合物，它是由二氫苯并呋喃酮單元和異吲哚啉單元組成，并且xylarins A 具有顯著的抑制血栓形成的作用[36]。

圖5 生物堿類化合物的結構

1.4 非核糖體肽類化合物

非核糖體肽類化合物（nonribosamal peptides,NRPs）是一種具有復雜多樣的結構，并且具有廣泛的生物活性的肽類化合物，該類化合物往往是抗菌、抗病毒、抗炎以及免疫抑制等藥物的重要來源。近幾年，從炭角菌屬代謝產物中也分離出一些具有抗菌作用的非核糖體肽類化合物（圖6）。Xu 等從Xylariasp.(GDG-102)中分離得到2個新的環五肽xylapeptides AB（93,94）[37]，化合物93是第一個具有L-高脯氨酸的環五肽化合物，其對枯草芽孢桿菌和蠟樣芽孢桿菌表現出較強的抑制作用（MIC 值為12.5 μg·mL-1）。Noppawan 等從Xylariasp. SWUF08-37 中分離得到一個環五肽pentaminolarin（95），其對HT29 和HCT116 人結腸癌細胞系表現出微弱的抑制作用（IC50值分別為32 和38 μM）[18]。利用代謝組學技術，Ibrahim 等從X.ellisiisp.nov.中發現了八個含脯氨酸的環狀非核糖體多肽ellisiiamides A-H（96-103），只有ellisiiamides AC 被純化，而ellisiiamide D-H 的結構來自LC-MS 的分析[38]。

圖6 非核糖體肽類化合物的結構

1.5 聚酮類化合物

聚酮類化合物是由聚酮合成酶（polyketide Synthases，PKS）合成的一類具有結構復雜多樣性和廣泛生物活性的化合物，已成為新藥開發的重要來源。近年來除了從炭角菌屬代謝產物中分離出細胞松弛素類、萜類、生物堿類化合之外，還分離出一些聚酮類化合物（圖7）。Brown 等從X. polymorpha子實體中分離得到3 個新的聚酮化合物xylaral B-D（104-106）[39]。Li 等從X.longipes液體培養基中分離得到一個新的聚酮化合物longipone A（107），其對HL-60、A549、MCF-7和SW480人癌細胞系顯現出中度的細胞毒性[40]。

圖7 聚酮類化合物的結構

1.6 苯及內酯類化合物

Chang 等從X. nigripes的發酵液中分離得到一個苯酚化合物2-hydroxymethyl-3-pentylphenol（108）[41]。Zheng 等從Xylaria sp. GDG-102 中分離得到一個具有抗菌活性的苯肽衍生物xylarphthalide A（109）[42]。Guo等從Xylariasp.SC1440固體培養基中分離得到2 個新的γ-吡喃酮xylaropyrones B (110)和C (111)[43]。Wang等從X.feejeensis乙酸乙酯提取物中分離得到一個新的α-吡喃酮衍生物annularin C（112）[44]。Tchoukoua 等從X.curta92092022 的乙酸乙酯提取物中分離得到一個內酯(3aS,6aR)-4,5-dimethyl-3,3a,6,6a-tetrahydro-2Hcyclopenta [b]furan-2-one（113）[45]。Chen 等 從Xylariasp. hg1009 中分離得到6 個新的內酯化合物xylariahgins A-F（114-119）[46]。Zheng 等 從Xylariasp.GDG-102 中分離得到一個新的內酯6-heptanoyl-4-methoxy-2H-pyran-2-one（120），其對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌均有抑制作用，MIC 值為50 μg·mL-1[47]。Wang 等從X.feejeensis乙酸乙酯提取物中分離得到一個10 元內酯macrolide（121），具有明顯的抑制破骨細胞分化的活性[48]。苯及內酯類化合物的結構見圖8。

圖8 苯及內酯類化合物的結構

1.7 其他

除了上述類型的化合物之外，研究者們還從炭角菌屬代謝產物中分離鑒定出了一些其他類型的化合物，包括甾體類、脂肪酸類等（圖9）。Li 等從Xylariasp.固體培養基中分離得到甾醇化合物(24R)-22, 23-dihydroxy-ergosta-4,6,8(14)-trien-3-one 23-beta-Dglucopyranoside (122)和xylarester (123)，化合物122 對MCF-7 細胞表現出細胞毒性[49]。Sirirath 等從Xylaria allantoideaSWUF76中分離得到一個腦苷酯allantoside（124）[50]。Sun 等從Xylariasp.C-2 中分離得到一個脂肪酸(2E, 4E, 6S) -6-hydroxydeca-2, 4-dienoic acid（125）[51]。權等從Xylariasp.HNWSW-2發酵產物中分離鑒定了7 個異香豆素類化合物（126-132），化合物126 具有較強的抗線蟲活性[52]。 Yu 等通過將Penicillium crustosum PRB-2和Xylariasp. HDN13-249共培養，從中分離到4 個新化合物penixylarins A-D（133-136），penixylarins C顯示出抗結核的作用[53]。

圖9 其他類化合物的結構

2 討論與結論

中藥是活性天然產物的重要來源，許多中藥種類由于具有顯著的生物活性已被開發成保健品和藥品，如人參、黨參、三七等。雖然關于中藥來源的天然產物的研究報道持續開展，但是從炭角菌屬分離得到的次級代謝產物在藥物開發和生產中的研究較少。

近年來從炭角菌屬真菌代謝產物中發現了細胞松弛素、萜類、生物堿類、非核糖體肽類和聚酮類等多種新的化合物。其中，細胞松弛素類化合物在炭角菌次級代謝產物中占主導地位，并具有一定的細胞毒性，這類化合物的存在可能是炭角菌起到抗癌作用的主要原因，同時也為抗癌藥物的研究提供了新的先導化合物。為進一步開發炭角菌屬中細胞松弛素類化合物的藥用價值，需要對其抗癌活性的作用機制進行深入研究。我國是抗菌藥物使用大國，但是病原菌耐藥性的形成越來越嚴重，這就迫切需要開發新的抗菌藥物。來源于中藥抗菌物質的發現，為開發新的抗菌藥物提供了新的廣闊的來源。通過對炭角菌屬次級代謝產物研究發現，炭角菌中存在一些具有顯著抗菌作用的生物堿類、非核糖體肽類、酯類等次級代謝產物，這為抗菌藥物的開發提供了新的思路。此外，還從炭角菌中分離出一些具有抗乙酰膽堿酯酶和對α-葡糖苷酶具有抑制作用的萜類化合物，這為糖尿病的藥物開發的來源提供了新的選擇。但是本研究發現，雖然炭角菌屬真菌的種類比較多，但是關于炭角菌屬真菌的次級代謝產物、藥理活性、發育育種等研究主要集中在黑柄炭角菌中，而對其他的屬的真菌的研究比較少。盡管黑柄炭角菌的發酵產品烏靈膠囊已批準上市，但是關于其具體的藥效成分還沒有明確，可能的原因是：①其次級代謝產物的中類比較多，比較難確定到底是哪一個或者哪些化合物是其具體的藥效成分；②不清楚到底是單一的成分的藥理作用起作用，還是多個化合物的多個生物活性的協同作用起到的作用，這個是不清楚的；③其次級代謝產物的生物活性的研究主要集中在抗菌、抗炎以及抗癌的體外實驗，缺乏更加系統深入的體內作用機制的研究，很難確定藥物在體內的作用結合位點。因此，為進一步開發炭角菌屬的藥用價值，不僅需要對炭角菌屬中的次級代謝產物進行分離鑒定，更關鍵的是對具有顯著生物活性的化合物的作用機制進行更加深入的研究。

綜上所述，近年來從炭角菌屬真菌代謝產物中發現了細胞松弛素、萜類、生物堿類、非核糖體肽類和聚酮類等多種新的化合物，這些化合物具有抗菌、抗腫瘤、抗氧化和抗炎等多種生物學功能，揭示了炭角菌屬是發現活性天然產物的重要來源。針對炭角菌代謝產物中活性突出并且其生物毒性較低或無毒性的化合物，加大對其作用機制的深入研究將有利于對其保健品、藥品以及農藥等的相關研發，對于炭角菌藥物的開發應用具有重要意義。隨著人們對健康的重視，對藥用炭角菌的需求量大大增加，但是自然界中炭角菌資源少、產量低，且人工栽培炭角菌技術不完善，今后進一步完善藥用炭角菌的人工栽培技術和借助現代分子生物學方法對炭角菌屬真菌種類進行研究，對于炭角菌屬真菌資源的開發和利用具有較高的價值。