細辛化學成分和藥理作用的研究進展及其質量標志物的預測分析

張 瑜,張 紅,李 寧,陳 娟

陜西省中醫藥研究院,西安 710003

細辛為馬兜鈴科植物北細辛AsarumheterotropoidesFr.Schmidt var.mandshuricum(Maxim.)Kitag.、漢城細辛AsarumsieboldiiMiq.var.seou1enseNakai或華細辛AsarumsieboldiiMiq.的干燥根和根莖[1],產于山東、安徽、浙江、江西、河南、湖北、陜西、四川等地[2]。細辛性溫,味辛,歸心、肺、腎三經,具有解表散寒、祛風止痛等功效,用于治療痰飲喘咳、風寒感冒、風濕痹痛等癥,已有2 000多年的藥用歷史[3]。研究發現細辛揮發油類成分含量最大,還富含木脂素類、黃酮類等成分[4]。但現行國家標準中,細辛以揮發油類和細辛脂素為指標的液相色譜測定,不能全面有效地控制其質量。本文利用PubMed、PubChem、CNKI、TCMSP等數據庫,對其化學成分和藥理作用進行綜述,基于質量標志物quality marker(Q-Marker)確定的基本原則,對細辛的Q-Marker進行預測分析,以期為細辛的質量標準完善和后續深入研究提供思路。

1 化學成分

1.1 揮發油類

細辛中揮發油類化合物種類眾多,其中包括萜類、醇類、酯類、酰胺類、咪唑類、類固醇類、呋喃類、醛類、糖苷類、酸類、酮類、苯基類、吡唑類等,也是細辛鎮咳平喘、鎮靜、麻醉、抗抑郁、解熱鎮痛、抗炎等的主要活性物質[3-10],具體見表1(1～85屬于萜類化合物,86～123屬于芳香族化合物,124～163脂肪族化合物,164～168屬于其他類化合物),其中典型化合物結構見圖1和2。

圖1 細辛揮發油中典型萜類化合物的化學結構

圖2 細辛揮發油中典型芳香族、脂肪族和其他類化合物的化學結構

表1 細辛中揮發油類化合物

1.2 非揮發油類

細辛非揮發油類化合物主要包括木脂素類、脂肪酸類、黃酮及苷類、多糖類等。木脂素類,是細辛中第二大類成分,具體見表2(1～7屬于雙環氧木脂素類化合物,8～11屬于單環氧木脂素類化合物,12和13屬于降木脂素類化合物,14～17屬于其他類化合物),其中典型化合物結構見圖3。該類化合物具有多種藥理作用,主要發揮抑菌作用。其中,L-細辛脂素具有抗菌和抗病毒作用;L-芝麻脂素具有抗炎和抗病毒作用[11]。細辛中脂肪酸類種類多,以十八酸含量高為主[3],具體見表3(1屬于中鏈脂肪酸,2～8屬于長鏈脂肪酸),其中典型化合物結構見圖4。黃酮及苷類,以柚皮素和山柰酚較為多見[11],具體見表4(1屬于二氫黃酮醇類化合物,2屬于二氫黃酮類化合物,3和4屬于苷類化合物),其中典型化合物結構見圖5。多糖類,也作為細辛藥理作用的活性物質,以半乳糖醛酸含量高為主[3]。除上述外,細辛中還有其他類化合物,包括氨基酸和甾體類等[3]。

圖3 細辛中典型木脂素類化合物的化學結構

圖4 細辛中典型脂肪酸類化合物的化學結構

圖5 細辛中典型黃酮及苷類化合物的化學結構

表3 細辛中脂肪酸類化合物

表4 細辛中黃酮及苷類化合物

2 藥理作用

2.1 抗菌

細辛中揮發油成分對鏈格孢霉、木霉、聚多曲霉、黃青霉等多種霉菌有抗菌作用,對表皮葡萄球菌、佛魯特丙酸桿菌、黃體微球菌、杰克棒狀桿菌和干燥棒狀桿菌有明顯的抑菌作用,同時對黃曲霉、黑曲霉、土曲霉等霉菌和多種真菌、革蘭陽性菌、枯草桿菌及傷寒桿菌等具有殺菌作用,其中甲基丁香酚和黃樟醚含量較高[12-14]。非揮發性成分中的左旋細辛脂素、左旋芝麻脂素和卡枯醇對金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、白色念珠菌,肺炎克雷伯菌、銅綠假單胞菌均有抑菌作用,可能是通過直接作用于人體細胞,阻擋病毒侵襲,提高機體免疫力[15]。

2.2 抗過敏

細辛中黃酮類、揮發油類(甲基丁香酚;3,4,5-三甲氧基甲苯;2,4,6-三甲氧基甲苯)、木脂素類(卡枯醇;芝麻素;細辛脂素;柄果脂素)和烷烴類化學成分能夠通過抑制鼻上皮細胞骨膜素和人嗜酸細胞活化趨化因子3的表達,降低血清組胺和特異性免疫球蛋白E的含量,減少鼻組織中嗜酸性粒細胞、肥大細胞及杯狀細胞的數量,從而減輕小鼠的鼻厚度,有效緩解過敏性鼻炎[16]。研究發現,細辛酮能夠通過減輕炎癥浸潤、黏液產生和氣道高反應性癥狀,保護小鼠免受過敏性哮喘[17]。

2.3 鎮痛抗炎

細辛抗炎作用可能與環氧化酶-2(cyclooxygenase-2,COX-2)和COX-1、誘導型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase,iNOS)、絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)14、T-細胞激活連接蛋白(linker for activation of T-cell,LAT)重組蛋白4H、過氧化物酶體增殖物激活受體等8個靶點相關,其中COX-2最為關鍵,與5種特征成分(細辛脂素、芝麻素、細辛素、甲基丁香酚和黃樟醚)均存在相互作用,其中細辛脂素和芝麻素抑制COX-2活性,黃樟醚和細辛素作用于iNOS、COX-1和LAT4H靶點,甲基丁香酚作用于COX-1和LAT4H靶點[18,19]。Zhang等[20]報道,細辛能夠降低COX-2、iNOS和脂氧合酶的表達,緩解小鼠耳腫脹情況,采用綜合多體系方法推測細辛抗炎作用的標志物是L-細辛素、黃樟醚及乙烯基愈創木酚。Zhang等[21]報道細辛提取物可抑制核因子-κB(nuclear factor-κB,NF-κB)和MAPK信號通路,降低小鼠后爪腫脹、關節炎指數、脾臟指數以及血漿中腫瘤壞死因子-α、白細胞介素-1β和白細胞介素-6(interleukin-6,IL-6)的表達水平,顯著緩解關節炎癥狀。細辛中芝麻素可降低紫外線誘導的iNOS和COX-2的過表達,抑制核因子的轉位,從而降低小鼠皮膚中白細胞介素-1、i-NOS和NF-κB等的表達水平,表明其具有抗炎活性[22]。此外,芝麻素還通過調控潰瘍性結腸炎小鼠結腸中Nrf2信號通路,活化蛋白激酶B/細胞外信號調節激酶信號通路,從而起到保護作用[23]。

2.4 鎮咳平喘

研究發現,細辛揮發油中萜類成分(α-蒎烯和1,8-桉葉素)具有止咳平喘的藥理作用,揮發油類(甲基丁香酚)和多糖類(細辛多糖)成分也表現出明顯止咳平喘作用,這些與抗炎和抗氧化機制密切相關[24]。

2.5 抗氧化

細辛中揮發油類成分具有較強的抗氧化活性,表現為2,2-聯氮-二(3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸)二銨鹽自由基和2,2-二苯基-1-苦酰肼自由基清除活性高[14]。此外,木脂素類成分芝麻素通過調控谷胱甘肽過氧化物酶保護細胞免受氧化應激損傷[22],減少成纖維細胞內活性氧的產生,減輕無毛小鼠炎癥、表皮增生、膠原蛋白降解和皺紋形成,具有作為皮膚保護劑用于抗光損傷和護膚產品的潛力[23]。

2.6 抗抑郁

據報道,細辛提取物有效地抑制了應激小鼠的抑郁樣行為反應,增加大腦促腎上腺皮質激素釋放因子和酪氨酸羥化酶(tyrosine hydroxylase,TH)的表達,減少5-羥色胺的表達,可能是通過激活血清素系統,并抑制大腦中促腎上腺皮質激素系統和兒茶酚胺系統,其中關鍵成分主要包括甲基丁香酚、十五烷、2,3,5-三甲氧基甲苯、4-(氯甲基)環己烯、肉豆堿、芝麻素、2-羥基-4,5-亞甲二氧基苯丙酮等[25]。

2.7 調節神經系統

大量文獻報道,β-細辛醚對神經系統疾病具有潛在治療優勢,包括輕度認知功能障礙、腦卒中、帕金森病和癲癇等,具體地,β-細辛醚通過激活大鼠重組與合成通路相關蛋白,明顯改善腦組織梗死體積和皮層神經元凋亡情況[26]。此外,β-細辛醚與左旋多巴聯合通過增強紋狀體中多巴胺脫羧酶、兒茶酚-O-甲基轉移酶、TH和多巴胺的表達水平,對帕金森病大鼠起到神經保護作用[27]。

2.8 調節心血管系統

細辛揮發油類化合物具有保護血管內皮、抗血小板、抗血栓并降血壓等對心血管有益的藥理作用,其中β-細辛醚能夠抑制心肌肥厚重要基因,改善血液流變性,增強血管內皮細胞活性,有效預防心肌缺血、心梗及心肌肥厚等;丁香酚也具有保護心肌細胞、降壓和抗心律失常作用[28]。Yang[29]研究發現,細辛通過干預血液影響心血管重塑再生與動脈粥樣硬化,有效緩解高血壓疾病,其中涉及白細胞介素信號通路、絲裂原活化蛋白激酶信號通路等,關鍵化合物包括芝麻素、谷甾醇、山柰酚、水鬼蕉賓堿和隱品堿等。

3 毒性作用

馬兜鈴科植物多含有菲骨架,具有腎毒性、致癌和細胞毒性作用。細辛作為2020版中國藥典[1]收錄的馬兜鈴科植物,毒性作用頗具爭議,一方面因為其毒性低于馬兜鈴屬其他植物,大多由于高劑量給藥造成的[30],另一方面細辛中含有的馬兜鈴酸Ⅰ具有腎毒性、致癌和致肝損傷等作用,需進行限量檢測[31],但也有稱細辛中所含馬兜鈴酸成分的腎毒性作用很低[32]。據報道,細辛的毒性來源于其揮發油類化合物,其中甲基丁香酚具有肝臟毒性;黃樟醚也具有肝臟毒性,并易誘發癌變和呼吸麻痹[33];細辛醚通過抑制髓質呼吸神經元神經傳遞,易造成急性呼吸障礙[34],還會造成嚴重肝損傷[35]、過敏性休克、重型哮喘和喉頭水腫等[36]。Cao[37]研究發現,細辛中黃樟醚、甲基丁香酚、馬兜鈴酸、細辛酮、3,5-二甲氧基甲苯和苯衍生物等對中樞神經系統、腎臟及肝臟器官均有毒性作用。最新研究發現,從細辛根中分離到兩個新的含1,2-oxazin-6-ones結構的菲類化合物,1 μM的菲惡嗪類化合物就可誘導成人神經細胞瘤細胞核凝結和Caspase家族3/7激活,表明該化合物是一種強的神經元細胞凋亡誘導劑[38]。

4 細辛Q-Marker預測分析

4.1 基于植物親緣學及特征性成分的Q-Marker預測分析

細辛屬于馬兜鈴科細辛屬植物,該科植物約8屬,600種,主要分布于熱帶和亞熱帶地區,以南美洲較多,溫帶地區少數;我國產4屬,71種、6變種、4變型,除華北和西北干旱地區外,全國各地均有分布。該科的主要藥用成分有生物堿、揮發油及硝基菲類等[39],其中備受矚目的特征性化學成分是馬兜鈴酸,而不同馬兜鈴科植物所含的馬兜鈴酸的種類和含量一直頗具爭議,如馬兜鈴中馬兜鈴酸Ⅰ的含量很高,而細辛中馬兜鈴酸Ⅰ的含量極低或檢測不出,主要含馬兜鈴酸Ⅳa,其腎臟毒性風險可能較低[32]。細辛屬植物約90種,分布于較溫暖的地區,主產亞洲東部和南部,少數種類分布亞洲北部、歐洲和北美洲。我國有30種、4變種、1變型,南北各地均有分布,長江流域以南各省區最多。細辛屬植物種類繁多,化學成分多樣,目前從中分離或鑒定出277種化合物,以揮發油和木脂素作為主要活性成分,也是重要的化學分類學標志[40]。細辛含量高的成分是揮發油類和木脂素類,但是細辛混淆品頗多,有杜衡、鬼督郵、及己、徐長卿、白薇、白前等,和細辛成分相似度高[41,42]。大量文獻報道,細辛中甲基丁香酚、黃樟醚和3,5-二甲氧基甲苯含量最高,僅以揮發油成分或含量高成分作為特征成分,不穩定性極高[5]。Zhang[20]發現可將細辛中2-甲氧基-4-乙烯基酚、黃樟醚、3,4,5-三甲氧基甲苯和L-細辛素作為特征性成分。因此,可以將馬兜鈴酸Ⅳa、2-甲氧基-4-乙烯基酚、黃樟醚、3,4,5-三甲氧基甲苯和L-細辛素作為細辛Q-Marker的參考選項。

4.2 基于有效性的Q-Marker預測

2020年版《中國藥典》[1]記載,細辛性溫,味辛;歸心、肺、腎經;解表散寒,祛風止痛,通竅,溫肺化痰;用于治療風寒感冒,頭痛,牙痛,鼻塞流涕,鼻鼽,鼻淵,風濕痹痛,痰飲喘咳等癥。細辛除傳統功效外,現代藥理研究發現其還具有鎮靜、抗菌、降血壓、抗氧化、抑制癌細胞等作用[43,44]。辛味藥的主要化學成分以揮發油類、苷類和生物堿為主,其中細辛揮發油類參與的藥理作用有抗菌、抗過敏、鎮痛抗炎、鎮咳、抗氧化以及抗抑郁等,甲基丁香酚、黃樟醚、3,4,5-三甲氧基甲苯、2,4,6-三甲氧基甲苯、α-蒎烯、1,8-桉葉素和β-細辛醚等報道較多[9-23]。此外,細辛非揮發油類成分也具有多種藥理作用,如細辛脂素具有抗炎、抗腫瘤作用[45];左旋芝麻脂素具有抗病毒、抗氣管炎作用;胡蘿卜苷對淋巴細胞白血病有邊緣活性,具有抗氧化作用[13];β-谷甾醇有降血膽固醇、止咳、抗癌、抗炎作用等[46]。綜上,上述化合物可作為細辛Q-Marker篩選的參考選項。

4.3 基于可入血化學成分的Q-Marker預測分析

血清藥理學和藥動學研究表明,通過超高效液相和質譜聯用,在大鼠血漿中測定出N-isobutyl-2E,4E,8Z,10Z/E-dodecatetraenamide、N-isobutyl-2E,4E,8Z/E-decatrienamide、細辛脂素、芝麻素、揮發油類等細辛特征性成分[47]。通過氣相色譜-質譜方法,結合離子監測模式,測定出大鼠血漿中黃樟素和甲基丁香酚[48]。Ma等[49]建立了快速、靈敏、選擇性高的液相色譜-質譜串聯的方法,同時測定出大鼠血漿中兩種細辛提取物中的環氧呋喃木脂素(芝麻素和細辛素)的含量。目前對細辛藥動學研究較少,通過上述研究發現,細辛中揮發油類和木脂素類可能是細辛主要入血成分,可作為細辛Q-Marker篩選的參考選項。

4.4 基于化學成分可測性的Q-Marker預測分析

確定Q-Marker的重要依據之一就是化學成分可測性,目前細辛中總揮發油和細辛脂素作為含量測定指標,總揮發油中甲基丁香酚、黃樟醚、3,5-二甲氧基甲苯和肉豆蔻醚等成分也可作為細辛質量控制指標[50]。Wen等[51]利用反相高效液相色譜和指紋圖譜測定了21批細辛中非揮發性成分含量,包括細辛脂素含量0.630 6～3.123 3 mg/g,芝麻脂素含量0.255 4～1.236 8 mg/g和卡枯醇含量0.071 4～0.469 4 mg/g,為細辛質量標準制定提供參考依據。He等[52]采用高效液相色譜測定36批細辛藥材,其中細辛脂素平均含量為0.27%,芝麻脂素平均含量為0.079%,將含細辛脂素不得少于0.25%和含芝麻脂素不得少于0.07%的限量指標作為細辛質量控制標準。此外,Chai等[53]報道將細辛中蒎烯、蒈烯、右旋龍腦、優葛縷酮、α-松油醇、草蒿腦、甲基丁香酚等揮發油類成分可作為細辛質量標準建立的參考依據。目前,建立細辛質量標準的研究較少,上述成分具備較完善的提取分離與測定技術,可作為細辛Q-Marker篩選的參考選項。

4.5 基于中藥配伍的Q-Marker預測分析

根據細辛性味歸經,配伍補益藥、收斂藥和寒涼藥居多,從而發揮不同療效。細辛常與干姜、附子、麻黃及桂枝配伍,通過調節絲裂原活化蛋白激酶通路和磷脂肌醇3-激酶(PI3K/Akt)信號通路,發揮抗抑郁作用;通過調控PI3K/Akt信號通路、MAPK信號通路、神經活性配體與受體相互作用、鈣離子信號通路等治療偏頭痛;通過調控白細胞介素信號通路和絲裂原活化蛋白激酶信號通路等,有效緩解高血壓病;通過IL-6、轉錄因子AP-1、腫瘤壞死因子、血管內皮生長因子和γ干擾素等靶點相互作用,治療類風濕關節炎,上述藥理作用可能涉及的細辛成分包括:水鬼蕉賓堿、山柰酚、芝麻素、柚皮素、谷甾醇和隱品堿等[54-56]。此外,細辛還常與干姜、五味子及半夏配伍,參與調控支氣管氣道重塑、炎癥和免疫相關關鍵通路,發揮止咳化飲作用,可能涉及的成分是甲基丁香酚、水鬼蕉賓堿、芝麻素、山奈酚、黃樟素、1,8-桉葉素、欖香素、龍腦、肉豆蔻醚和β-蒎烯等[57]。綜上,以上化學成分可作為細辛Q-Marker篩選的參考選項。

5 結語與展望

細辛作為傳統解表藥之一,在醫藥應用方面涉及廣泛。因其馬兜鈴酸成分的特殊性,細辛在應用上也飽受爭議。現階段國內外關于細辛的研究主要集中在化學成分、藥理作用和毒性作用方面,還發現新的藥理作用。但是,細辛化學成分的研究主要集中在揮發油類和少數木脂素類,對其他成分研究較少,而發揮藥效是多類成分共同作用的結果。同時,細辛質量標準建立、藥代動力學研究,以及不同基源細辛的深入挖掘等方面均缺乏理論基礎。在后續研究中,建議通過代謝組學方法研究細辛多種基源植物物質基礎的變化,深入研究其活性物質與藥效的相關性;通過臨床配伍功效的變化研究細辛添加前后成分的變化,深入解析功效與成分的相關性。在此基礎上,建立細辛質量分析和評價方法,以便建立細辛質量控制及質量溯源體系,有助于細辛的合理開發與使用。