药用紫草醌类化合物及其药理活性研究进展

廖 梅，吴凌凤，姜宏梁

1嘉应学院医学院，梅州 514031；2华中科技大学同济药学院，武汉 430030

药用紫草为紫草科(Boraginaceae)多年生草本植物，始载于《神农本草经》，列为中品，药用其根部。作为紫草入药的有紫草属(Lithospermum)，软紫草属(Arnebia)和滇紫草属(Onosma)中多种植物[1,2]，其中拟紫草属植物新疆紫草Arnebiaeuchroma(Royle)Johnst(软紫草)，内蒙紫草ArnebiaguttataBunge(黄花软紫草)和紫草属植物紫草Lithospermumerythrorhizonsieb.et zucc.(硬紫草)是我国药用紫草的主要来源。历届中国药典(1990年、1995年、2000年版)中均收录了以上3种植物作为紫草入药，然而自2005版开始将硬紫草除去，只保留了前两者作为《中国药典》收录的基原植物。紫草味苦，性寒。有凉血、活血、解毒和透疹的功能，主治血热毒盛、斑疹紫黑、麻疹不透、疮疡、湿疹和水火烫伤等症。现代药理学证明，药用紫草在许多难治性疾病如肿瘤、艾滋病、过敏性紫癜、银屑病[3]等显现出非常好的疗效，已引起国内外学者的广泛关注，在资源、植物化学、药理学等方面的研究正逐渐深入[4]。

药用紫草的化学成分分为脂溶性和水溶性两大部分，其中脂溶性的醌类化合物为其主要活性成分，包括紫草素类、紫草素二聚体、紫草呋喃类、苯醌类及苯酚类。本文就近年来药用紫草的醌类化合物及其药理活性进行了综述，为该药材及近缘植物资源的进一步研究和开发提供参考。

1 紫草素类

1.1 抗肿瘤活性

紫草素类化合物包括紫草素或其对映异构体阿卡宁以及它们与小分子羧酸的成酯衍生物，其本质为羟基萘醌类化合物，同时紫草素类成分也是紫草科植物专属的特征性成分，到目前为止，仅在该科植物中报道过。早在1922年，日本化学家Majima和Kuroda首次以酯的形式从硬紫草中分离得到紫草素类化合物，并阐明紫草素具有5，8-二羟基-1，4萘醌的结构[5]。到了1936年，德国科学家Brockmann更正并最终确立了紫草素的现有结构，提出硬紫草中存在两种旋光异构体：紫草素和阿卡宁[6]。直到1961年，Arakawa发现紫草素在水溶液中经臭氧和过氧化氢分解，产生苹果酸二甲酯，继而转化变为D(+)-苹果酰胺,从而确定紫草素为R构型，阿卡宁则为S构型[7](见图1)。此后，有学者通过圆二色谱和手性HPLC的方法测定了紫草素与阿卡宁的比例，并发现两者在不同植物种属中的比例并非恒定不变[8,9]。

图1 紫草素和阿卡宁的结构

至今已从不同种属药用紫草中分离到30多种紫草素类化合物(见表 1)。从结构上看，这类成分都具有羟基萘醌母核，都含有异己烯侧链，差别在于其旋光性、侧链中羟基的位置和酰基的不同。紫草素及其衍生物作为紫草的主要有效成分，已经被证实具有抗肿瘤、抗菌、抗病毒、抗炎、促进伤口愈合、抗血栓、抗甲状腺功能亢进、抗免疫功能低下、降血糖、保肝护肝等多种生物活性，特别是其抗肿瘤作用，已被大量研究所证实[10-13]，引起了学术界的广泛关注，其中，又以紫草素(1)的抗肿瘤活性研究报道最多。紫草素的抗肿瘤机制涉及多个靶点，包括诱导细胞凋亡、诱导细胞坏死、抑制拓扑异构酶、抑制蛋白酪氨酸激酶、抗肿瘤血管生成、影响肿瘤细胞信号传递等一系列的化学预防和治疗途径[14,15]。近年来，国内外学者对紫草素衍生物的抗肿瘤活性和作用机制研究越来越深入。例如：乙酰紫草素(2)通过诱导细胞自噬、程序性死亡和靶向m-TOR/PI3K/Akt信号通路抑制口腔癌顺铂耐药细胞系KB-R细胞的肿瘤发生[16]，也能通过ROS介导的Caspase激活诱导HepG2 cell肝癌细胞凋亡[17]。异丁酰紫草素(4)能显著抑制人结肠癌细胞增殖，诱导早期凋亡，改变细胞的周期分布[18]。另有研究显示异丁酰紫草素、α-甲基丁酰紫草素(7)、异戊酰紫草素(6)和β,β-二甲基丙烯酸紫草素(8)对黑色素瘤细胞SBcl2、WM35、WM9和白血病细胞株U937、WM164、Jurkat、Molt4、CCRF-CEM等肿瘤细胞表现生长抑制活性，抑制c-MYC的表达，影响AKT、ERK1/2和SAPK/JNK的磷酸化，其活性均高于紫草素[19]。β，β-二甲基丙烯酰紫草素对人肺癌A549[20]、人结肠癌HCT-116[21]、胃癌SGC-7901[22]、SMMC-7721[23]等肿瘤细胞显示体内或体外生长抑制活性。β-羟基异戊酰紫草素(13)对U937 和肺癌细胞DMS 114 等具有抑制作用[24]，对人绒毛膜癌细胞株BeWo具有诱导细胞凋亡的作用[25]。本课题组在LC-MS/MS技术的指导下从新疆紫草二氯甲烷部位系统分离并鉴定了19个紫草素类化合物，体外抗肿瘤活性筛选结果显示，各化合物对A549、HCT116、HepG2、HeLa细胞体外增值均有不同程度的抑制作用，其中紫草素、1-methoxyacetylshikonin、α-甲基丁酰紫草素对A549的IC50分别为1.10、1.30和0.74 μmol/L，抗肿瘤活性明显，具有较好的开发利用前景。LC-MS/MS进一步分析发现药用紫草中至少存在73种该类成分，有待进一步深入挖掘。

1.2 抗菌活性

文献报道紫草素类化合物对多种细菌表现抗菌活性[26-28]。紫草素对多种常见菌株包括革兰阳性菌、革兰阴性菌以及真菌显示出抗菌作用，对金黄色葡萄球菌、大肠埃希菌、白色念珠菌、蜡状芽孢杆菌、沙门氏菌、伤寒杆菌等的生长有显著抑制作用，抗菌能力与左氧氟沙星相当[29]。紫草素及其衍生物对于具有 NorA 外泵蛋白的多药耐药金葡菌菌株、标准金黄色葡萄球菌、耐甲氧西林金葡菌株的耐药菌株、大肠杆菌、枯草杆菌等具有明显抑制作用[30]；在一项以生物活性为导向的提取分离实验中显示乙酰阿卡宁及乙酰紫草素、异戊酰紫草素、α-甲基丁酰阿卡宁及α-甲基丁酰紫草素，异丁酰阿卡宁和β,β-二甲基丙烯酰紫草素(8)，对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)和耐万古霉素肠球菌(F935、CKU-17)表现抑菌活性[27]。它们抗MRSA的最低抑菌浓度为1.56～3.13 μg/mL，作用强于紫草素和阿卡宁(MIC=6.25 μg/mL)，抗F935和CKU-17的活性也优于紫草素和阿卡宁。研究表明紫草素对抗MRSA的作用机制与肽聚糖的亲和力、细胞膜的通透性、以及ATP结合盒(ABC)转运蛋白活性有关[26]。以上研究表明紫草素及其衍生物作为一种潜在而有效的天然抗生素，具有极大的开发利用前景。

1.3 抗病毒活性

紫草对单纯疱疹病毒、乙型肝炎病毒、人类乳头瘤病毒、带状疱疹病毒及甲型肝炎病毒等均有抗病毒作用[31-33]。关于紫草抗病毒的有效成分尚未达成共识，目前认为发挥作用的主要是紫草素及其衍生物。研究表明紫草素具有抗腺病毒的作用，作用方式是抑制腺病毒的复制，其机制可能与减少细胞凋亡、抑制腺病毒六邻体蛋白表达有关，该结果提示紫草素具有成为天然、高效、低毒的抗腺病毒药物的潜力[34]。Luo等[35]采用血细胞凝集反应及细胞病变法研究左旋紫草素的抗副流感病毒作用，结果显示其在实验所用的质量浓度范围内毒性较低，且具有一定的体外抗副流感病毒的作用。这一研究结果为紫草素的抗病毒作用又增添了新的内容，也为其在临床上的进一步广泛应用提供了有价值的实验依据。Cocchi等[36]研究了紫草素对趋化因子受体功能和HIV-1复制的影响，结果显示，紫草素在纳摩尔浓度下能够抑制单核细胞的趋化性。在巨噬细胞中，紫草素还能显著下调HIV-1辅助受体CCR5的表达和mRNA水平。此外，紫草素还能抑制人外周血单个核细胞中多药耐药病毒株和儿科临床 HIV 分离株的复制，IC50为96～366 nmol/L；紫草素还有效抑制单核细胞/巨噬细胞中HIV Ba-L分离株的复制，IC50为470 nmol/L，提示紫草素发挥抗HIV-1作用与其干扰趋化因子受体的表达和功能有关。因此，紫草素作为天然存在的低分子量泛趋化因子受体抑制剂，有望开发为新型抗HIV治疗剂。

1.4 抗炎活性

紫草、紫草素及其衍生物治疗烧烫伤、湿疹、银屑病、过敏性紫癜、关节炎、静脉炎、妇科炎症、急性肺损伤、重症急性胰腺炎伴肺损伤或肝损伤、局部脑缺血等多种疾病的实验研究正逐步深入，多认为其抗炎机制与NF-κB、IL-1β、IL-6、TNF-α、NO、CCR、COX-2、IL-22、IL-17等密切相关[37]。例如：紫草素、乙酰紫草素、β，β-二甲基丙烯酰紫草素的抗炎作用可能是通过抑制LPS刺激的RAW 264.7细胞ERK磷酸化，下调NF-kappaB的活化，从而抑制iNOS蛋白的表达[38]；亦能通过TLR4介导的信号通路活化NF-κB，抑制IL-1β、IL-6、TNF-α和NO的分泌，并促进IL-10的分泌[39,40]，降低巨噬细胞中高迁移率族蛋白的表达；或者封锁NF-κB-P65从细胞质到细胞核的易位，抑制炎症反应相关酶体活性[41]等途径发挥抗炎疗效；此外，紫草素还可以抑制IL-22介导的细胞增殖以及抑制角质形成细胞分泌促炎性反应因子S100A7、S100A8，从而减轻炎性反应[42]。

另外，紫草素对某些特异性的炎症模型如急性肺损伤[43]、胶原性关节炎[44]、类风湿性关节炎[45]、缺血性脑血管损伤[46]亦表现很好的保护作用。

研究表明紫草素可显著降低急性肺损伤(ALI)小鼠体内PBMC促炎症因子TNF-α、IL-1β、IL-8的产生和中性粒细胞的浸润，减轻病理学改变，减轻肺水肿，降低肺组织匀浆中的MPO活性和NO浓度，使肺组织中iNOS、COX-2和核蛋白中NF-κB水平下降，提示紫草素对LPS诱导的ALI具有保护作用，其机制可能与紫草素抑制NF-κB、iNOS和COX-2有关[43]。一项探讨紫草素对晚期胶原性关节炎的作用研究显示紫草素能够免疫干预已发病的胶原性关节炎小鼠，降低关节炎评分，阻止软骨破坏，其机制可能为紫草素通过抑制Th1细胞因子的表达发挥抗炎症作用[44]。此外，紫草素可通过抑制COX-2 mRNA基因表达，减少炎症性细胞因子的产生而发挥其对类风湿关节炎的免疫抗炎作用，这为开发紫草素成为COX-2抑制剂提供实验基础[45]。紫草素在缺血性脑血管病中发挥神经保护作用的机制可能为下调TLR4、p-p38MAPK、NF-κB、TNF-α、MMP-9的表达，上调claudin-5的表达，改善血脑屏障渗透性[46]。在一项探讨紫草素对单侧输尿管梗阻性肾病诱导的小鼠纤维化模型的治疗作用和潜在调控机制研究中，结果显示紫草素治疗后，肾功能改善，病理染色显示肾小管损伤明显改善，纤维化减少；免疫印迹结果显示紫草素能够抑制TGF-β/Smad信号通路中关键蛋白Smad 3活化，上调Smad 7表达，而TGF-β和长链非编码Erbb4-IR的基因表达均呈现剂量依赖性下降，提示紫草素可有效减轻肾脏纤维化，其机制可能与调节Smad3/Erbb4-IR轴相关[47]。

1.5 其它活性

紫草素及其衍生物还表现一些其它药理活性。在一项考察乙酰紫草素，异丁酰紫草素和β-羟基异戊酰紫草素(13)对人胆固醇酰基转移酶(hACAT)的抑制活性研究，发现异丁酰紫草素对hACAT-2的抑制活性(IC50=57.5 μM)强于hACAT-1，而乙酰紫草素和β-羟基异戊酰紫草素对hACAT-1和hACAT-2的抑制活性均很弱，而紫草素衍生化后活性较强[48]。Gwon等[49]采用高脂饮食喂养C57BL/6J小鼠建立动物肥胖模型，研究发现硬紫草乙醇提取物能减轻肥胖小鼠体重、白脂肪组织重量、血清甘油三酯和总胆固醇水平和肝脏脂质水平，并减少促进脂肪生成的基因表达；而乙酰紫草素(2)能抑制脂肪细胞分化，减少3T3-L1细胞内成脂转录因子的表达。Chen等[50]研究显示紫草素对于Aβ25-35诱导的阿尔兹海默病细胞(AD)具有保护作用，可以有效减少细胞凋亡，增加细胞活力，改善线粒体功能。同时还可以抑制AD细胞内ROS的累积，减少氧化应激导致的细胞死亡，可作为预防和治疗AD的神经保护候选物。Singh等[51]从亚历山大软紫草Arnebiahispidissima中分离得到teracrylshikonin(9)、乙酰紫草素、arnebin-5(19)和arnebin-6(20)并发现它们对前列腺素的生物合成有抑制作用。

2 紫草素二聚体类

早在1949年，Toribara等[52]在水解欧紫草Alkannatinctoria的阿卡宁提取物时发现阿卡宁/紫草素二聚体存在，它们与阿卡宁的单聚物有不同的理化性质，如颜色变深、光学活性消失、分子量变大、无升华现象。然而直到近代，Assimopoulou和Spyros等[53,54]开始采用空间排阻色谱和HPLC-DAD-MS对紫草素/阿卡宁的聚合物进行分析并分离到一个二聚物，初步确定了其化学结构。迄今已报道了4个此类化合物，分别为6-(11′-deoxyalkannin)-alkannin/shikonin(含两个非对映异构体)、6-(11′-deoxyalkannin)-alkannin/shikonin acetate、6-(11′-deoxyalkannin)-alkannin/shikoninβ，β-dimethylacrylate(29～31)。结构研究显示它们只是侧链上11′-C简单地与另一萘醌结构母核的6-C相连，2个单体间未成环。

此外，文献检索表明还存在另一类紫草素二聚体。1994年，Piccione等[55]采用紫草素经人体肠细菌Bacteroidesfragillissubsp.Thetaotus生物转化之后得到四个新的紫草素二聚体shikometabolins A-D(32～35)。此后，我国学者Yang等[56]从硬紫草Lithospermumerythrorhizon提取物中分离得到shikometabolin A(32)、shikometabolin E(36)和shikometabolin F(37)，并发现他们具有明显的神经氨酸酶抑制活性。本课题组LC-MS/MS分析研究表明新疆紫草、内蒙紫草和硬紫草中均存在紫草素二聚体类化合物[57,58]。以上研究表明紫草素二聚体类化合物在经过高温、光照或生物转化时有可能发生聚合，提示该类成分可能不稳定，紫草药材应选择适当的储存条件。

3 紫草呋喃类

课题组前期研究表明紫草呋喃类成分为呋喃对苯二酚类衍生物，比紫草素类成分的极性稍大，在各种属紫草根中含量低微，目前仅在硬紫草和新疆紫草中分离得到过[59]。早在1982年，日本学者Yoshizaki等[60]就从硬紫草Lithospermumerythrorhizon根中分离得到了5个紫草呋喃类化合物shikonofurans A-E(39～43)，没有报道其活性数据。直到2005年Choi等[61]报道shikonofurans E具有微弱的单胺氧化酶抑制活性(IC50=59.1 μM)，而同等条件下乙酰紫草素和紫草素的抑制活性相对较强(IC50分别为10.0和13.3 μM)。此后，Ji等[62]研究发现shikonofuran D、shikonofuran E、shikonofuran C对唾液酸糖基水解酶GH 33和GH 34显示较强抑制活性，其中shikonofuran E对GH33的活性最强(IC50=0.24 μM)。酶动力学实验显示它们均为竞争性、可逆性的弱结合抑制剂。2019年，Ahn等[63]从硬紫草Lithospermumerythrorhizon根中分离得到一个新的呋喃对苯二酚衍生物shikonofuran J(44)以及已知化合物shikonofuran D和shikonofuran E。结果显示它们均能抑制TNF-α诱导的HaCaT细胞中IL-6的产生，其中shikonofuran D和shikonofuran E的抑制作用较强，其IC50值分别为13.5和6.0 μM，并能显著降低IL-6基因表达。Shikonofuran E对TNF-α预处理的角质形成细胞具有毒性(<50%，40 μm)。Cao等[64]研究发现shikonofuran E在脂多糖刺激的RAW 264.7巨噬细胞中能通过下调MAPK和NF-κB信号通路发挥抗炎作用。

4 其他混源萜类

Dong等[65]从昆明紫草Onosmapaniculatum甲醇提取物中分离到4个新的萘醌类化合物shikometabolin G(38)以及naphthofuranin A-C(45～47)，其中化合物46、47对NO的生成具有良好抑制作用(IC50=0.4～16.5 μM)，提示它们具有潜在的抗炎作用。Yao等[66]从新疆紫草Arnebiaeuchroma中分离出几个单萜苯酚及苯醌类化合物(48～51)。Wang等[67]从新疆紫草Arnebiaeuchroma根中分离到7个对苯二酚类化合物(52～59)。并评价了各化合物对人肝癌细胞系SMMC-7721、HepG2、QGY-7703和HepG2/ADM的细胞毒性，结果显示各化合物对各细胞均显示一定细胞毒性，其中化合物55、56、59活性显著。

图2 紫草素类化合物的结构骨架

表1 药用紫草中已分离得到的醌类化合物

续表1(Continued Tab.1)

编号No.R化合物Compound参考文献Referrence105,8-dihydroxy-2-(4-methyl-6-oxo-5,6-dihydro-2H-pyran-2-yl)-[1,4]naphthoquinoneOnosmaechioides[77]11AngelylshikoninEchiumitalicumL.[78]12TigloylshikoninLithospermumerythrorhizon[79]13β-羟基异戊酰紫草素或β-羟基异戊酰阿卡宁Lithospermumerythrorhizon[48]Arnebiaeuchroma[24,25]14β-Acetoxy-isovalerylshikoninorβ-acetoxy-isovalerylalkanninArnebiagutatta[69]Arnebiaeuchroma[69]Lithospermumerythrorhizon[69]15BenzoylshikoninMoltkiopsisciliata[80]16AnthraquinoneILithospermumerythrorhizon[81]17β,β-Dimethylacryl-hydroxyalkanninArnebiaeuchroma[82]18Acetylarnebin-2Onosmaheterophylla[83]19Arnebin-5Arnebiahispidissima[51]20Arnebin-6Arnebiahispidissima[51]21DeoxyshikoninorDeoxyalkanninLithospermumerythrorhizon[84]Arnebiagutatta[69]22AlkannanLithospermumerythrorhizon[85]23AnhydroalkanninArnebiaeuchroma[86]

续表1(Continued Tab.1)

编号No.R化合物Compound参考文献Referrence24Lithospermidin-ALithospermumerythrorhizon[87]25Lithospermidin-BLithospermumerythrorhizon[87]261-MethoxyacetylshikoninArnebiaeuchroma[88]Echiumlycopsis[89]27OnosoneBOnosomahispidum[90]28OnosoneAOnosomahispidum[90]296-(11′-Deoxyalkannin)-alkannin/shikoninAlkannatinctoria[53]306-(11′-Deoxyalkannin)-alkannin/shikoninacetateAlkannatinctoria[53]316-(11′-Deoxyalkannin)-alkannin/shikoninβ,β-dimethylacrylateAlkannatinctoria[53]32ShikometabolinsALithospermumerythrorhizon[56]33ShikometabolinsBBacteroidesfragillis[55]

续表1(Continued Tab.1)

编号No.R化合物Compound参考文献Referrence34ShikometabolinCBacteroidesfragillis[55]35ShikometabolinDBacteroidesfragillis[55]36ShikometabolinsELithospermumerythrorhizon[56]37ShikometabolinsFLithospermumerythrorhizon[56]38ShikometabolinGOnosmapaniculatum[65]39ShikonofuranALithospermumerythrorhizon[60],Arnebiaeuchroma[67]40ShikonofuranBLithospermumerythrorhizon[60]41ShikonofuranCLithospermumerythrorhizon[60]42ShikonofuranDLithospermumerythrorhizon[60]

续表1(Continued Tab.1)

编号No.R化合物Compound参考文献Referrence43ShikonofuranELithospermumerythrorhizon[60],Arnebiaeuchroma[67]44ShikonofuranJLithospermumerythrorhizon[63]45NaphthofuraninAOnosmapaniculatum[65]46NaphthofuraninBOnosmapaniculatum[65]47NaphthofuraninCOnosmapaniculatum[65]48Des-O-methyllasiodiplodinArnebiaeuchroma[66]49ArnebinolArnebiaeuchroma[66]50ArnebinoneArnebiaeuchroma[66]51ArnebifuranoneArnebiaeuchroma[67][69]529,17-EpoxyarnebinolArnebiaeuchroma[67]

续表1(Continued Tab.1)

编号No.R化合物Compound参考文献Referrence533E,9S-10-O-(1,2-diolethane)-9,17-epoxyarnebinoArnebiaeuchroma[67]54ArnebinolBArnebiaeuchroma[67]55ArnebinoneBArnebiaeuchroma[67]563E,9S-10-O-(1,2-diolethane)-9,17-epoxyarnebinoArnebiaeuchroma[67]57Meroterpenoid6Arnebiaeuchroma[67]58Meroterpenoid7Arnebiaeuchroma[67]59Meroterpenoid8Arnebiaeuchroma[67]

5 讨论

药用紫草脂溶性化学成分研究主要集中于硬紫草、新疆紫草和滇紫草属植物，有关内蒙紫草的研究报道较少。主要成分紫草素类化合物在抗肿瘤、抑菌、抗炎、抗病毒和免疫调节方面展示了多种药理活性。其中紫草素及其衍生物的抗肿瘤活性报道最多，又以紫草素这一单体的研究最为透彻。然而，目前对于紫草素及其衍生物的研究仍然停留在实验室基础研究阶段，涉及初步药效学、药动学特性和安全性等成药性评价方面的研究报道较少。现行中国药典也明确规定：“药用紫草作为外用药，熬膏或用植物油浸泡涂擦”，紫草素及其衍生物能否作为体内制剂开发还有待继续深入研究。因此，继续深入开展对紫草素类成分的药理活性筛选及其药代动力学评价等方面的研究将具有重要意义。