花椒麻素的生物功能研究进展

牛 博，庞广昌*，鲁丁强*

（天津市食品生物技术重点实验室，天津商业大学生物技术与食品科学学院，天津 300134）

花椒麻素是从花椒中提取的长链多不饱和酰胺化合物。这些烷酰胺天然产物特征是其链的D端存在3 个共轭双键。尽管学者们早已对花椒麻素进行了研究，但直到1955年 才鉴定出第一个特征性结构化合物，即α-山椒素[1-3]。 花椒麻素是花椒果皮中最重要的呈麻化合物，长期以来其一直受到医药和有机合成领域学者的关注，直到在 过去的几年中，才有学者研究出克级规模合成花椒麻素的方法[4]。

随着现代社会食物供给能力的大幅提高，不健康的生活方式（特别是高脂、高糖的饮食结构和超负荷的营养摄入）会导致肥胖、糖尿病、高胆固醇、高脂血症等慢性病的高发。据统计，患有这类由代谢紊乱引起的 基础性疾病的人群，在新型冠状病毒疫情中，发病率、重症率和死亡率均较高[5-6]。肥胖、糖尿病、高血脂症等基础性疾病已成为人类亟待解决的重大健康问题：一方面人们需要改善自身饮食结构、提高身体素质；另一方面寻找安全有效的天然植物化合物（如花椒麻素、辣椒素和姜辣素等）作为药膳辅助治疗也成为代谢性疾病防控领域的研究热点。

目前，花椒麻素生理功能的研究主要集中在镇痛、对肠蠕动的影响、抗癌、减肥和降血糖等方面[7-10]，然而生理功能研究中使用的花椒麻素多为粗提物或混合物，尚未开展临床研究。因此，本文重点综述了花椒麻素的结构、理化性质、呈味机理和生物活性作用，以期对花椒麻素结构与生理功能进行全面评价，并对开展临床实验研究其对机体代谢的影响及作用机制提供参考。

1 花椒麻素的结构、理化性质和呈味机理

花椒麻素是从花椒中提取的一系列酰胺类化合物，也称为花椒酰胺。迄今为止，已从花椒果皮中分离并鉴定出超过25 种花椒麻素[11-14]，包括α-山椒素、β-山椒素、γ-山椒素、δ-山椒素及其衍生物等。花椒麻素通常有两个或多个共轭双键，高度不饱和且呈麻味[15]。随着现代分离检测技术和化学合成技术的发展，新的花椒麻素不断涌现，羟基-α-山椒素首先由Yasuda等[16]从日本花椒中分离并标识，其为具有4 个双键的顺式构型，是花椒果皮中最早分离出来的花椒麻素和食物中最主要诱发独特刺痛感（麻味）的化合物。此后，Koo等[17]发现花椒麻素引起麻味的关键结构（图1）除了基础的最小结构单元，还应至少有以下3 个特征中的2 个：1）R为羟基；2）与酰胺羰基的扩展共轭n＝2；3）顺式烯烃的碳链长度大于2。Sugai等[18]将这种独特麻味具体分为3 种：灼烧、刺痛和麻木，其研究指出β-山椒素和羟基-β-山椒素这两种全反式花椒麻素并非“无刺激”，而是表现出麻木感，且α-、γ-、δ-山椒素均在感觉上有灼烧感，而含有羟基的同系物（羟基-α-山椒素、羟基-β-山椒素）均有麻木感 （表1），并且这几种花椒麻素产生的灼烧感与辣椒素（热系数＝1000000）相差至少10 倍。

图 1 花椒麻素引起麻味的关键结构[17]Fig. 1 Key structure of sanshools responsible for the numb taste[17]

表 1 花椒麻素及其同系物的感觉[4]Table 1 Sensory characteristics of sanshool and its homologues[4]

目前，学者们对于花椒麻素产生的这种独特麻味持两种观点：一是经体外实验证明，羟基-α-山椒素可通过激活瞬时受体电位香草酸亚型1（transient receptor potential vanilloid type 1，TRPV1）和瞬时受体电位（transient receptor potential A1，TRPA1）通道，引起感觉神经元去极化，使Ca2+流入细胞内，产生内向电流，大脑从而感受到辛麻[17-19]；另一观点是这种体感神经元的激活是由羟基-α-山椒素阻断双孔钾通道（twopore-domain potassium channels，KCNK）3、KCNK9和KCNK18引起的[20]。此外，值得注意的是，具有酰胺顺式双键的花椒麻素味道极刺鼻[21-23]。

花椒麻素是一种白色晶体，易溶于热的乙醇和乙酸乙酯等多种有机溶剂，微溶于乙醇和水，常温下极不稳定，在-20 ℃的石油醚中可迅速结晶析出。羟基-α-山椒素在紫外线下会异构化为羟基-β-山椒素，这也解释了四川花椒随时间的延长而失去其独特刺痛感、同时又保持其麻木感的原因。花椒麻素短时间暴露于干燥的空气中即可发生剧烈的氧化或聚合反应，分解形成深色的黏稠膏状化学物质，但是其发生聚合反应的机制尚不清楚。由于花椒麻素结晶体在干燥的空气环境中易发生变色，一般将其密封保存在充入氮气的安瓿瓶中[24]。

2 花椒麻素的生物活性作用

在中国古代，花椒就已被纳入传统医学和草药中，用于治疗疾病。随着现代生物学的发展，发现花椒主要的生物学功能来源于花椒麻素。然而，对于这些观察到的生物学功能产生的原因仍有待研究。很多生物学研究，特别是与抗菌活性相关的研究，都是使用花椒果实中的精油，这种粗提物很难明确地表现花椒麻素的生物活性或阐明其结构与功能的关系。

花椒麻素中这些多不饱和脂肪酸酰胺具有明显的疏水性，因此很容易假定它们仅适用于局部或“直接接触”应用。然而，这些化合物在口服后可以在血液中达到治疗效果的浓度，这表明花椒麻素是可以治疗人类系统性疾病的。

花椒麻素具有广泛的药理作用，包括消炎和镇痛作用、抗氧化、抗肿瘤、降血糖、杀虫作用和抗菌作用等（表2）。

表 2 花椒麻素及其同系物的生物学功能[4,8,15]Table 2 Biological functions of sanshool and its homologues[4,8,15]

2.1 镇痛作用

花椒麻素的生物学活性研究主要集中于其对神经系统的影响。早期的研究只是简单地将其对口腔的感觉特性称为“刺激性”，但现在至少有3 种独特的体感与花椒麻素有关（灼烧、刺痛和麻木（镇痛））[25-28]。Pereira等[29]发现，使用粗提的花椒麻素可以减轻由福尔马林和辣椒素引起的疼痛，而且花椒麻素粗提物对抑制乙酸引起的小鼠扭体反应效果明显[30]。涂抹花椒可以减轻牙痛，但将花椒麻素直接作用于口腔会引起强烈的麻刺感。已有研究试图探索这种看似矛盾的作用机理和分子机制，Tsunozaki等[31]的体外研究表明，花椒麻素可能是通过抑制Aδ机械痛觉感受器上的电压门 Na+通道的兴奋从而达到镇痛效果，但尚未在临床研究上得到证实。

从理论上讲，如果花椒麻素仅是结合TRPV1并发挥刺激性的作用，那么TRPV1通道的开放应该与花椒麻素呈剂量依赖性，或使痛觉过敏，若关闭该离子通道，则不可能起到镇痛的作用。这种双向调节功能表明还存在其他调节或关闭TRPV1通道的途径。

Xiao Sa等[32]通过对4 种辛辣物质（姜辣素、大蒜素、辣椒素和花椒麻素）和5 种镇痛化合物的结构分析，阐明了酰胺基及其类似基团在CB2变构调节中的重要性以及镇痛机理。该研究表明，花椒麻素等辛辣物质化合物的酰胺基能够通过与内源性CB结合，激活细胞内G蛋白/磷脂酰肌醇-3-激酶（phosphatidylin-ositol-3-kinase，PI3K）/磷脂酰肌醇二磷酸（phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate，PIP2）信号通路，上调细胞内PIP2水平，PIP2通过与类香草醛激活剂竞争而结合TRPV1近端C末端区域中的特定磷脂酰肌醇位点，从而关闭已打开的TRPV1通道并将其稳定在静止闭合状态，发挥镇痛作用（图2）。这种双向调节很可能是类香草酸激活剂或其他激活剂通过与TRPV1通道的PIP2位点结合而打开TRPV1通道，导致Ca2+流入，引起去极化，从而产生辛辣和疼痛的感觉。而花椒麻素通过激活CB2受体/G蛋白/PI3K/PIP2信号通路而上调细胞内PIP2的水平，从而关闭TRPV1通道并产生镇痛作用。

花椒麻素是否仅通过对CB2受体的变构调节配体调节TRPV1通道开/关状态的分子机制有待进一步进行分子生物学验证，细胞内PIP2的合成/分解途径对TRPV1通道状态的影响也需要更深入的探讨。

图 2 花椒麻素镇痛的作用机理Fig. 2 Analgesic mechanism of sanshool

2.2 对肠蠕动的影响

食用花椒可以显著提高肠蠕动和结肠活动。在传统的日本草药大建中汤中，花椒果皮是主要成分之一，这种草药在治疗各种胃病和肠道问题上有很大的疗效[33-34]。体内实验表明，羟基-α-山椒素和羟基-β-山椒素可使肠道平滑肌细胞收缩、诱导结直肠运动增强和排便率提高[35-37]。 此外，在小鼠模型中，γ-山椒素被证明可以改善肠道运输能力。但不同的花椒麻素是通过不同机制发挥作用的，Ohno等[38]研究发现γ-山椒素通过激活TRPA1诱导促进肠道蠕动。而Kubota等[39]则揭示了羟基-α-山椒素诱导的结肠收缩并不是刺激TRPA1或TRPV1的结果，而很可能是通过阻断KCNK9引起的。虽然作用机理可能不同， 但口服羟基-α-山椒素和γ-山椒素均表现出显著的剂量依赖性[39-40]。此外，直接食用这些花椒麻素可能引起消化道内特定部位的收缩，这可能暗示了以上两种作用途径是同时存在的，表明花椒麻素可以与消化过程中涉及的不同细胞类型和组织环境相互作用[41]。

2.3 对糖尿病的辅助治疗作用

1型和2型糖尿病是由胰岛素抵抗或缺乏胰岛素分泌引起的复杂和多方面的代谢紊乱。CB在很多生理过程中起重要作用，包括葡萄糖介导的胰岛素分泌和T细胞 活化[42]。针对1型和2型糖尿病的研究，在已知的CB受体中，CB1和CB2似乎是目前最有潜力的药物靶点。当前的研究假设是，选择性激活CB2受体同时抑制CB1受体的天然化合物是治疗1型糖尿病的潜在治疗方案。从其他植物中分离的结构相似的酰胺基类化合物对CB2和CB1受体均表现出极强的亲和力，这解释了酰胺基化合物与消炎能力的关系，Dossou等[43]研究发现，羟基-α-山椒素和四氢花椒素是CB2受体有效的选择性拮抗剂，且后者表现出更大的选择性拮抗能力，而羟基-β-山椒素是最有效的CB1受体拮抗剂。全反式异构体δ-山椒素是CB2受体的强激动剂（半最大效应浓度为41.7 nmol/L），同时 又是CB1受体的强拮抗剂，可作为治疗1型糖尿病的候选药物。但在目前的研究中，尚未明确花椒麻素中的哪些特征结构能有效激活或拮抗CB2和CB1。另外，由于缺乏完善的对CB2/CB1激动或拮抗活性的临床研究，人工合成花椒麻素的结构/功能比较研究也受到阻碍，同样地，其他花椒麻素对CB2结合亲和力的研究也存在类似不确定的结构/功能关系[44-46]。

体内研究表明，花椒麻素可以改善胰腺功能障碍、蛋白代谢紊乱和链脲佐菌素诱导的糖尿病大鼠的糖脂 代谢[47-49]。其作用机制可能是通过上调或下调体内关键酶（如磷酸烯醇丙酮酸羧化激酶、葡萄糖激酶和葡萄糖-6-磷 酸酶）的表达水平来抑制糖异生作用，减少肝糖元的输出；同时通过激活CB2受体并抑制CB1受体来修复胰岛功能，促进胰岛素分泌。这些结果进一步证明，尽管花椒麻素具有疏水性，但仍具有治疗全身性（但非治疗性）疾病的重要潜力。在体内/体外研究中多使用几种花椒麻素的混合物，应该进一步研究单一分离成分并表征其相应的有益生物学特性。

2.4 减肥功效

肥胖被认为是一种慢性代谢性疾病，肥胖是由于能量消耗和摄入不平衡而引起的过多的脂肪和体质量。营养学家认为肥胖与高脂肪的饮食、缺乏运动和遗传学有关[50-51]。

肥胖会引起脂质代谢紊乱。在临床上，肥胖症患者和高脂血症通常表现为总胆固醇、甘油三酯、低密度脂蛋白-胆固醇水平的增加和高密度脂蛋白-胆固醇水平下降。吕娇[52]的研究结果表明，花椒麻素干预可以降低高脂饮食大鼠的总胆固醇、甘油三酯和低密度脂蛋白-胆固醇含量，并增加高密度脂蛋白-胆固醇含量。

花椒麻素的减肥机制是多方面的。一方面，花椒麻素通过激活TRPV1受体，进一步激活AMP依赖的蛋白激酶/沉默信息调节因子1信号通路，从而降低链脲佐菌素诱导的糖尿病模型鼠血清和肝脏中甘油三酯和游离脂肪酸含量，并促进葡萄糖转运蛋白的转运，提高体内葡萄糖转运速率[10]；另一方面，通过激活胰岛素/胰岛素样生长因子1-蛋白激酶B-雷帕霉素靶蛋白途径促进蛋白质合成，以及通过泛素-蛋白酶体途径抑制骨骼肌中的蛋白质分解代谢。此外，羟基-α-山椒素可能通过上调过氧化物酶体增殖剂激活受体（peroxisome proliferators-activated receptors，PPAR）γ表达来调节高脂状态下的脂质代谢并减少氧化应激。同时，羟基-α-山椒素还能上调载脂蛋白E 的表达，并促进脂蛋白的代谢和转化。

此外，越来越多的证据表明氧化应激与肥胖、脂肪肝、高脂血症和动脉硬化的发展密切相关。Wang Li等[53]的研究表明，羟基-α-山椒素可以上调肝脏组织中还原型谷胱甘肽和超氧化物歧化酶的水平，并降低丙二醛的含量，证实羟基-α-山椒素可以降低肝组织中的氧化应激 水平。羟基-α-山椒素不仅显著减缓了高脂喂食大鼠的体质量增加，还减少了其腹部内脏脂肪含量。此外，羟基-α-山椒素给药可以显著改善高脂喂养大鼠的脂肪肝程度。

2.5 抗癌作用

多项研究表明，花椒果实、叶子、树皮和根的提取物可发挥显著的抗癌活性。如花椒的提取物可阻断P21激活激酶/G1/S-特异性周期蛋白-D1途径以及I型神经纤维瘤病的发生[54]。虽然已有很多学者研究花椒麻素治疗癌症的潜力，但是大多数仅限于对各种肿瘤细胞系的体外研究。如花椒果实的提取物可以抑制3 种不同人类癌细胞系（DLD-1、HepG2和Caco-2）的增殖并通过依赖应激活化蛋白激酶途径诱导自噬，这与先前对α-山椒素诱导人肝癌HepG2细胞凋亡的研究结果相一致[55]。花椒果实提取物中，除α-山椒素、羟基-α-山椒素和其他花椒麻素外，还有几种成分可能与所观察到的促凋亡活性有关。应该指出的是，花椒果实提取物的抗癌活性并不是普遍的，除对正常肠细胞外，A549、MCF-7和WiDr等肿瘤细胞均未受其影响。

尽管这些体外研究清楚地表明某些花椒麻素对特定的癌细胞具有显著的抑制作用，但癌症是一种多因素导致的恶性疾病，将真正的抗癌活性归因于花椒麻素仍为时过早，需要更多可靠的体内研究来验证。

2.6 其他作用

花椒麻素除上述用途外，已在世界范围内被用作传统的抗炎药物，但仍缺乏有关花椒麻素抗炎作用的详细临床研究。Wang Yuan等[56]证明了多种花椒麻素可以通过减少脂多糖刺激RAW264.7细胞中一氧化氮的产生来抑制炎症。在研究花椒麻素口感的同时，Bader等[57]还研究其对唾液分泌的影响。有趣的是，引起口腔感觉变化的结构差异与促唾液分泌的差异相同。如显示出刺痛和麻醉作用的含顺式烯烃的羟基-α-山椒素会引起大量流涎，而令人感觉麻木的全反式同类物羟基-β-山椒素却对唾液产生没有显著影响。

花椒提取物的抗寄生虫活性已有大量研究，尽管花椒的果皮、叶子提取液均有一定的抗寄生虫特性，但Navarrete等[58]认为α-山椒素是唯一起到驱虫功效的花椒麻素，其能够显著减少绵羊感染的肠道线虫卵数，且α-山椒素最早报道的生物学活性之一是其对普通家蝇的杀虫特性。Tang Xinke等[59]的研究表明，施加花椒麻素能够保护水稻幼苗免受除草剂和杀虫剂的破坏，使水稻幼苗正常生长。

多种天然多不饱和脂肪酸酰胺在解决包括瘙痒、湿疹和皱纹在内的多种皮肤问题中已有悠久的历史。因此，将花椒麻素用于治疗皮肤病和美容有很广阔的商业前景。已有化妆品将花椒提取物加入组成配方中测试其止痒效果[60]。来自其他植物属的类似烷酰胺CB2配体 均对皮肤病有治疗作用，表明花椒麻素的清爽特性和抗皱效果很可能和CB1、CB2的高亲和力相关[8]。

3 结 语

近年来，关于花椒麻素的生理作用已有大量研究，其研究结果虽然表现出了良好的应用前景，但未来对花椒麻素的研究仍有3 个方面的挑战：1）针对花椒麻素的药理学研究主要集中在其粗提物及制剂上，尚无足够的证据揭示花椒麻素的药理活性及其作用机制。2）关于花椒麻素的药代动力学和临床治疗效果尚缺少系统研究，在细胞和分子水平上对毒性的评估也较少。3）根据目前的体内和体外研究结果，花椒麻素是呈麻味和多种药理活性的主要活性化合物。但是由于其共轭三烯系统对氧极敏感，导致其在正常贮存条件下极其不稳定。综上，应进一步研究高效合成花椒麻素纯品及其作用机理和结构/功能关系，还应更多地关注其他成分的药代动力学研究，并在其分子和细胞水平上进行毒性和副作用的研究，未来还有必要通过结构改性来合成更稳定的花椒麻素和其他溶剂型衍生物。