环黄芪醇的应用及结构修饰的研究进展＊

楚治良，高春芳，刘 欣，张 静，郭宇冰，韩 静

环黄芪醇属于环菠萝烷型四环三萜类化合物，分子式为C30H50O5，目前报道可以通过黄芪甲苷制得［1］。 2009 年，VALENZUELA 课题组［2］报道了环黄芪醇可以激活端粒酶的活性延缓细胞衰老，这一特有的药理学活性，使环黄芪醇成为药物学家们研究的热点。该文对环黄芪醇的应用及结构修饰相关研究进行了总结，为开展环黄芪醇类衍生物的药理学活性研究提供理论依据。

1 环黄芪醇医学生物学作用

1.1 抗衰老作用衰老是机体随年龄增长各组织和器官功能发生退行性变的结果，是必然的生命过程。研究表明，细胞内端粒体的缩短可引起细胞衰老［3］，那么激活细胞内的端粒酶，就可以延长端粒长度，增加细胞分裂次数，从而减缓衰老［4，5］。环黄芪醇是现今唯一发现的端粒酶激活剂，具有很好的抗衰老作用［6］。 2012 年，曹艳玲等［7］采用 D-半乳糖致小鼠衰老模型，对环黄芪醇抗衰老作用机制进行了科学探究，结果表明环黄芪醇具有很好的抗小鼠衰老作用，其作用机制可能与提高总超氧化物歧化酶活性和总抗氧化能力，降低丙二醛含量，增加羟脯氨酸含量有关。2014年，WEISS等［8］在 20名药物实验志愿者中评价了环黄芪醇在抗衰老方面的有效性和耐受性，结果显示20名药物实验志愿者服用含有环黄芪醇的制剂后，可以显著减少他们可见的衰老迹象。

1.2 抑制腹主动脉瘤作用腹主动脉瘤通常是指腹主动脉呈瘤样，是一种退行性疾病，慢性炎症是其最主要的致病因素。2019年，Wang等［9］采用弹力蛋白酶诱导小鼠腹主动脉法建立腹主动脉瘤小鼠模型，对环黄芪醇抑制腹主动脉瘤的作用机制进行了研究。结果表明，环黄芪醇通过下调MAPKs信号通路发挥抑制腹主动脉瘤的作用，从而减弱氧化、炎症、VSMC表型转换、细胞凋亡和MMPs的表达，增加弹性蛋白的生物合成。

1.3 抗炎和抗氧化应激作用氧化应激是机体内氧化与抗氧化二者失衡的结果，氧化应激可以诱发炎症反应，炎症也可诱发氧化应激反应。2015年ZHAO等［10］报道了，环黄芪醇可以抑制活性氧自由基关联的内质网应激反应，主要通过调节AMPK活性，抑制TXNIP/NLRP3炎性小体的活化，从而抑制炎症和减少细胞凋亡，改善内皮功能障碍。2017年SUN等［11］报道了，环黄芪醇具有重要的抗炎作用，主要是通过抑制淋巴细胞的活化、增殖和细胞因子的表达，这种效果可能与降低细胞内钙离子的超负荷有关。

1.4 抗病毒作用目前研究表明［12］，端粒酶活性的降低会引起机体免疫力的下降，因此激活T细胞中端粒酶的活性可以提高机体抗病毒能力。FAUCE等［13］报道了，通过环黄芪醇干预艾滋病病毒（HIV）携带者的CD8阳性T淋巴细胞，可以适度地延迟端粒短缩，促进细胞增殖，增强细胞因子和趋化因子的产生，从而提高其抗病毒活性。并且FAUCE等人首次证明了，以端粒酶为基础的治疗方法，可以增强机体免疫功能，从而直接解决慢性病毒感染的患者，由于端粒丢失引起免疫功能下降的问题。YUNG等［14］的研究也证明环黄芪醇可以通过激活端粒酶，促进HIV感染者的CD8阳性T淋巴细胞的增殖。

1.5 抗高血脂作用高血脂是由于体内血脂水平过高所引发的一种疾病，目前已经严重影响人民的健康水平，因为它可以诱发多种疾病如冠心病、高血压、动脉粥样硬化、胰腺炎等。2014 年，WANG 等［15］报道了环黄芪醇具有抑制脂肪形成的功能，并对抑制脂肪形成的机制进行了探究。他们发现环黄芪醇可以刺激3T3-L1前脂肪细胞的钙动员，通过提高细胞内钙离子浓度，达到抑制脂肪细胞分化的重要作用。从而证明了环黄芪醇是一种潜在的治疗肥胖和高血脂症的候选方案。

1.6 抗抑郁作用抑郁是心境低落为主要临床特征的一种疾病，严重者可以出现幻觉、妄想等精神疾病。 2014年，IP课题组［16］报道了，环黄芪醇可以诱导初级神经元细胞和PC12细胞内的端粒酶活性和环磷腺苷效应元件结合蛋白的激活。通过实验鼠口服环黄芪醇7 d的体内实验，验证了环黄芪醇具有缓解抑郁症的效果。同时，IP等人还指出，环黄芪醇可以促进新生儿角质层细胞的增殖，有助于伤口的愈合。

1.7 治疗慢性肾功能衰竭的作用慢性肾功能衰竭是指各种原因造成的肾实质性损伤，导致氮质代谢产物潴留、酸碱平衡和水电解质平衡紊乱等表现的临床综合征。张贵民等［17］采用腺嘌呤灌胃的方法制作大鼠慢性肾衰竭模型，探索环黄芪醇对治疗慢性肾衰的有效性。结果显示，患有慢性肾衰竭的大鼠，经过28 d服用环黄芪醇药物后，尿量及尿蛋白明显减少，肌酐、尿素氮含量显著降低，贫血以及电解质紊乱症状得以纠正，并且肾脏重量减轻。从而证明了，环黄芪醇对慢性肾功能衰竭具有很好的治疗效果。

1.8 辅助抗肿瘤和抑制肺纤维化的作用周先礼等［18］通过建立小鼠H22肝癌和S180肉瘤模型，探索环黄芪醇对化疗药物5-氟尿嘧啶的增效作用。结果显示，在采用5-氟尿嘧啶治疗小鼠H22肝癌和S180肉瘤的过程中，加用环黄芪醇后，可明显提高了5-氟尿嘧啶的抑瘤效果，并且环黄芪醇可以明显降低5-氟尿嘧啶所致的不良反应。JOURDAN等［19］通过建立特发性纤维化小鼠模型，探究环黄芪醇对小鼠肺纤维化的影响。结果表明，环黄芪醇可以抑制小鼠肺纤维化的进程，并且减少小鼠肺中衰老细胞的堆积。

2 环黄芪醇结构修饰的研究

2.1 化学修饰法化学修饰法是通过化学反应对中药单体的化学结构进行修饰改造的方法。通过化学修饰法对中药单体进行结构改造，可以获得一些新结构化合物，将有助于开发有价值的新药［20］。目前报道对环黄芪醇结构修饰的化学方法主要有开环反应、氧化反应和乙酰化反应。

1987年KITAGAWA等［21］第一次报道了通过环烷烃的开环反应制得环黄芪醇开环衍生物的方法。采用的实验方法是以环黄芪醇为原料，加入到含有甲醇、硫酸的水溶液中，加热回流5 h，冷却至室温，加入适量碳酸氢钠水溶液中和反应，再加入一定量的乙酸乙酯萃取，无水硫酸镁干燥有机相，并减压浓缩，最后通过柱色谱法纯化残留物，制得环黄芪醇开环衍生物黄芪醇（1），收率为60%。如图1所示。

图1 环黄芪醇通过开环反应制得黄芪醇（1）

哈利等［22］以环黄芪醇为原料，吡啶为溶剂，氧化铬为氧化剂制得环黄芪醇的3，6，16-三酮衍生物（2）。如图 2所示。

图2 环黄芪醇通过氧化反应制得环黄芪醇3，6，16-三酮衍生物（2）

环黄芪醇的乙酰化反应比较特殊，不同的反应条件可得到不同的乙酰化产物。KITAGAWA等［21］以环黄芪醇为原料，醋酸酐和吡啶组成的溶液为溶剂，在5℃的条件下，搅拌10 h，制得环黄芪醇乙酰化衍生物（3），如图 3 所示。 此后，哈利等［22］又报道了，以环黄芪醇为原料，二氯甲烷为溶剂，三乙胺和三甲基乙酰氯为添加剂，在0℃条件下，搅拌过夜，制得环黄芪醇的3-羟基乙酰化衍生物（4）和环黄芪醇的16-羟基乙酰化衍生物（5）。如图3所示。

图3 环黄芪醇的乙酰化反应

2.2 微生物转化法微生物转化法是利用微生物在生长代谢过程中体内或体外会产生一些酶系，通过这些酶系对化合物的结构进行修饰改造的方法［23］，通俗地讲，就是利用微生物将一种化合物转化为另一种化合物的合成方法［24］。微生物转化法具有条件温和、绿色、效率高和区域选择性好等优点，一直是药物学家们研究的热点。目前微生物转化法已经成为改造中药单体化学结构的重要方法，对开发天然药物具有重要意义。

2010年KUBAN等［25］首次运用短刺小克银汉霉（C.blakesleeana）NRRL 1369对环黄芪醇的生物转化进行了探究。结果表明，短刺小克银汉霉NRRL 1369通过催化环黄芪醇C-9，19位上环丙烷环的开环和甲基迁移产生新的环黄芪醇衍生物（6）。转化情况如图4所示。

图4 短刺小克银汉霉NRRL1369生物转化环黄芪醇

2013年KUBAN等［26］又运用小丛壳菌属（G.fusarioides）ATCC 9552和细菌分支杆菌属（Mycobacterium sp.）NRRL 3805 对环黄芪醇的生物转化进行了研究，其中小丛壳菌属ATCC 9552主要催化环黄芪醇的脱氢反应和氧化开环反应，生成两种环黄芪醇的羟基化产物（7、8）。转化过程如图5所示。细菌分枝杆菌属NRRL 3805主要催化环黄芪醇的氧化反应，生成一种环黄芪醇的氧化产物（9）。转化过程如图5所示。最终得出结论这两种真菌能够催化环黄芪醇的羟基化反应，并同时伴有脱氢化反应、环化反应和Baeye-Villiger氧化反应。

2012年 YANG等［27］采用雅致小克银汉霉（Cunninghamella elegans） AS 3.1207、 总状共头霉（Syncephalastrum racemosum）AS 3.264和矛束霉（Doratomyces stemonitis）AS 3.1411 三种真菌对环黄芪醇的生物转化进行探究。其中雅致小克银汉霉AS 3.1207可以催化环黄芪醇的羟基化反应生成7种环黄芪醇羟基化衍生物（6、11-15）。如图6所示。

总状共头霉AS 3.264主要通过催化一个复杂的重排反应，然后形成特殊的三萜类骨架，使得环黄芪醇C-19位被不同的侧链取代。该实验制得8种环黄芪醇衍生物（6、11、16-21）。转化情况如图7所示。

图5 小丛壳菌属ATCC 9552和细菌分枝杆菌属NRRL 3805生物转化环黄芪醇

图6 雅致小克银汉霉AS 3.1207生物转化环黄芪醇

图7 总状共头霉AS 3.264生物转化环黄芪醇

矛束霉AS 3.1411可以催化环黄芪醇C-3位羟基的羰基化反应，生成3种环黄芪醇羰基化衍生物（6、22、23）。 转化情况如图 8 所示。

通过三种真菌对环黄芪醇的生物转化进行探究，最终获得了15种环黄芪醇类衍生物，其中有12种为新结构化合物，并且这些化合物都经过核磁共振氢谱、碳谱和质谱的结构确认。为探索环黄芪醇类衍生物的药用价值提供了丰富的材料。

2018 年 LIN 等［28］采用总状毛霉（Mucor racemosus）AS 3.20对环黄芪醇的生物转化进行探究。通过对产物的结构分析，推断总状毛霉AS 3.20可能催化环黄芪醇的扩环化反应和环氧化反应，最终制得7种环黄芪醇衍生物（20-21、24-28）。生物转化过程如图9所示。并且，LIN等对最终制得的环黄芪醇衍生物（20-21、24-28）进行了活性研究，发现大多数环黄芪醇衍生物在浓度为50 mol时，可以明显地延长秀丽隐杆线虫的生存时间。

图8 矛束霉AS 3.1411生物转化环黄芪醇

图9 总状毛霉AS 3.20生物转化环黄芪醇

综上所述，环黄芪醇是黄芪甲苷的苷元，具有很好的抗衰老、抑制腹主动脉瘤、抗炎、抗氧化应激、抗病毒、抗高血脂、抗抑郁、治疗慢性肾功能衰竭、辅助抗肿瘤和抑制肺纤维化等作用。由此可见，环黄芪醇具有广泛的临床应用前景。但是，目前对环黄芪醇在体内的代谢过程、药动学和药效学等相关研究还存在许多空白，因此环黄芪醇的研究仍需不断探索，以期制备成药物。通过生物转化或化学修饰的方法可以制得多种环黄芪醇衍生物，为开发新药提供了丰富的材料。同时，笔者发现，环黄芪醇衍生物的制备方法和生物活性的相关报道非常有限，因此加强其结构修饰方面的研究和结构修饰后产物活性的研究，将成为环黄芪醇研究与利用的一个重要方向。同时，也为其他三萜皂苷类化合物的研究提供一个新的思路。