汉麻黄酮类成分研究进展

姜 硕，万 璐，许哲祥，闫佳佳，郑春英

（1黑龙江大学农业微生物技术教育部工程研究中心，哈尔滨 150500；2黑龙江大学生命科学学院/黑龙江省普通高校微生物重点实验室，哈尔滨 150080）

0 引言

汉麻(Cannabis sativa L)，又称大麻、火麻、寒麻等，是桑科(Moraceae)大麻属(Cannabis)的一年生草本植物[1]。其干燥成熟果实为收载于《中国药典》的火麻仁[2]，是典型的药食同源功能性保健品，具有润肠通便等药用价值[3]；其茎和秆芯中含有丰富的大麻纤维，可以用于纺织、造纸等[4]；其花序、叶片中生物活性物质，可以用于食品、药品以及化妆品等领域[5]。此外，汉麻作为一种生态友好型农用经济作物[6]，可以丰富土壤有机质，减少化肥投入[7]，对农药具有吸附特性，有利于农业系统的可持续发展[8]。

随着国内外学者对汉麻研究的深入，发现其生物活性成分非常复杂。据报道，现已从汉麻植株中分离出500多种化合物[9]，主要包括大麻酚类化合物、多酚、有机酸、生物碱、萜类以及黄酮等[10]。其中，大麻酚类化合物是被人们广泛研究的明星化合物[11]。但由于汉麻中一些大麻酚类化合物，如四氢大麻酚等具有成瘾性，存在潜在应用风险[12]。而黄酮类化合物作为一种非成瘾性成分，具有抗肿瘤[13]、抗菌[14]、抗炎[15]等多种生物活性。研究表明，适量摄入黄酮类成分可以显著降低癌症、肝硬化以及心血管等疾病发病率，具有潜在的研究及开发前景[16]。因此，本研究就汉麻黄酮类成分相关研究进展进行综述，旨在为了解汉麻黄酮类成分的生物合成以及高效利用奠定基础。

1 汉麻黄酮类化合物结构及合成途径

1.1 汉麻中黄酮类化合物及结构

黄酮类化合物是一类由C6-C3-C6组成的具有许多生物活性的天然多酚类物质[17]，这类化合物一般以游离状态或者与糖结合成糖苷的状态[18]存在于植物体内，是一种尤为重要的植物次生代谢产物[19]。黄酮类化合物作为广泛分布在天然产物中的生物活性物质，在汉麻中的含量也较为丰富[20]。现代研究表明，从汉麻中共分离出26种黄酮类化合物，主要结构类型包括黄酮、黄酮醇等[21]，部分重要黄酮类化合物的名称及结构见表1。在这些黄酮类化合物中，山奈酚、牡荆素以及芹菜素等为常见的黄酮苷元结构，可以与葡萄糖、鼠李糖等以O-苷键或C-苷键的形式，进一步形成不同的汉麻黄酮苷类化合物[22]，其中，大麻黄素A、大麻黄素B为汉麻特征性黄酮成分[23]。

表1 黄酮类化合物名称及结构

续表1

续表1

1.2 黄酮类化合物生物合成途径

1.2.1 汉麻中黄酮类化合物生物合成途径 黄酮类化合物普遍分布于植物的根系、叶片、花序以及种子中，主要在细胞质中合成，经转运后，进入液泡中实现大量累积[28]。因此，黄酮类化合物的生物合成途径广泛存在于植物体内，对于植物抵抗不良环境因素影响发挥重要的作用[29]。目前，苯丙烷途径是黄酮类化合物生物合成的通用途径，其具体合成途径见图1[30]。首先，在苯丙氨酸解氨酶(PAL)、肉桂酸-4-羟基化酶(C4H)以及4-香豆酰-CoA连接酶(C4L)的作用下，将苯丙氨酸转化为香豆酰-CoA；其次，香豆酰-CoA在查尔酮合酶(CHS)的作用下，与P-香豆酰-CoA及丙二酰-CoA生成查尔酮，进而在查尔酮异构酶(CHI)的作用下生成二氢黄酮——柚皮素；最终，柚皮素作为其他黄酮类成分的合成前体化合物，在不同种类酶的作用下，进一步通过各种特定的分支合成途径，分别生成槲皮素、山奈酚以及花青素等黄酮类化合物。因此，植物黄酮类化合物的生物合成途径有利于通过微生物转化等技术来定向高效生产黄酮类成分[31]。

图1 汉麻黄酮类化合物生物合成途径

1.2.2 大麻黄素A和大麻黄素B生物合成途径 据报道，Barrett等[32]首次从汉麻中分离得到大麻黄素A(cannflavins A)和大麻黄素B(cannflavins B)，经鉴定其结构中含有异戊二烯基，为汉麻的特征性黄酮类成分。目前，虽然黄酮类化合物的生物合成途径已经在几种植物中得到了广泛研究，但在汉麻中的这一过程鲜有报道[33-34]。

直到2019年，Kevin等[25]通过使用系统基因组学和生物化学相结合的方法，研究发现关于大麻黄素A和大麻黄素B的生物合成，是经汉麻黄酮生物合成途径的特定分支点进行的，其中心黄酮必须在黄酮B-环的3'-位置被甲氧基化以及A-环的6-位置被异戊烯基化，其具体合成途径见图2。与此同时，从汉麻中鉴定得到一种烯丙基转移酶(CsPT3)，可以催化香叶基二磷酸(GPP)或烯丙基二磷酸(DMAPP)对甲基化黄酮——金圣草黄素进行特异性加成，从而分别产生大麻黄素A和大麻黄素B。此外，进一步研究表明，在汉麻基因组中编码的O-甲基转移酶(CsOMT21)可以将木犀草素转化为金圣草黄素，两者均在汉麻叶中大量积累。并且，这2种独特的酶的鉴定代表了汉麻总黄酮途径的一个分支，为汉麻黄酮的合成提供了一种可控制的代谢工程策略，从而为生产这2种药用相关的汉麻特征性黄酮类化合物提供理论依据。

图2 大麻黄素A和大麻黄素B生物合成途径[25]

2 汉麻黄酮类化合物生物活性

黄酮类化合物具有独特的酶调节系统，且结构存在差异性和多样性，因此，在植物中表现出多种生物活性，可以作为运输植物生长素的调节剂以及植物与病原体相互作用的介质[35]。此外，在一些动物模型中，各种植物黄酮已被证实具有抗氧化、抗肿瘤等特性[36-37]。现代研究表明，汉麻中黄酮类成分与其他植物中的黄酮类成分类似，具有抗肿瘤、抗抑郁以及神经保护等良好的生物活性[38]。此外，还可以作为单味药及其复方中药的主要生物活性成分，从而为中药的研究和应用提供理论依据[39]。目前，汉麻黄酮类化合物的生物活性已成为热点研究问题。

2.1 植物雌激素

植物雌激素是非甾体多酚类植物的代谢产物，由于它们与17 β-雌二醇的结构相似，具有与雌激素受体结合的能力，因此它们可以发挥雌激素作用。而黄酮类化合物作为重要的次生代谢产物，在汉麻植物的生长发育等方面发挥着重要的作用，其结构与E2存在相似性，显示出较强的雌激素活性[40]。现代研究表明，适量食用黄酮类植物雌激素可以在预防与雌激素有关的癌症（如乳腺癌，前列腺癌等）中发挥作用，并且对绝经期综合征、骨质疏松症以及心血管疾病也具有显著功效[41]。

2.2 抗肿瘤

Guo等[42]从汉麻叶中分离得到大麻黄素A、大麻黄素B以及4’-甲氧基荭草素等黄酮类化合物。为了研究其抗肿瘤活性，将不同的黄酮类化合物分别处理MCF-7、A549、HepG2和HT-29细胞，并进行细胞生长抑制试验。结果表明，大麻黄素A和4’-甲氧基荭草素可通过抑制细胞增殖、诱导细胞凋亡而显示出广谱的细胞毒性，是治疗乳腺癌的潜在抗肿瘤药物；而大麻黄素B可依据细胞类型，对癌细胞系显示出选择性抑制作用。上述研究结果为开发汉麻黄酮类成分作为食品、药品以及保健品等提供理论依据。

2.3 抗疟原虫及抗利什曼虫

Radwan等[24]从高效汉麻品种中分离得到大麻黄素C、金圣草黄素以及6-异戊烯基芹菜素等黄酮类化合物，并且研究发现金圣草黄素和6-异戊烯基芹菜素为首次从汉麻中报道。为了研究其抗疟原虫及抗利什曼虫活性，将不同的黄酮类化合物分别进行抗疟疾活性和抗利什曼虫活性实验。结果表明，大麻黄素C具有中等抗利什曼虫活性，其IC50值为17.0 μg/mL；大麻黄素A具有强抗利什曼虫活性，其IC50值为4.5 μg/mL；而6-异戊烯基芹菜素对于两种恶性疟原虫P.falciparum(D6 clone)和P.falciparum(W2 clone)均具有强抗疟疾活性，其IC50值分别为2.8 μg/mL和2.0 μg/mL。上述研究结果为开发抗疟疾和抗利什曼虫药物奠定基础。

2.4 抗抑郁

据报道，汉麻具有抗抑郁作用，其主要活性成分为大麻二酚[43]。此外，从天然植物中提取的黄酮类化合物在许多细胞和动物研究中也具有抗抑郁作用，可以显著缓解抑郁症引起的焦虑和失眠等症状[44]。研究表明，单胺氧化酶是单胺神经递质分解的关键酶，当体内单胺氧化酶活性受到抑制时，对于治疗抑郁症存在显著功效[45]。由于黄酮类化合物与合成的单胺氧化酶抑制剂在结构上存在一定的相似性，芹菜素、木犀草素等黄酮类化合物和槲皮素等黄酮醇类化合物均具有调节单胺氧化酶活性的作用，可作为有效的抗抑郁药物[46]。而汉麻中同样含有芹菜素、木犀草素等黄酮类成分，但往往易被人们忽视。因此，后续关于汉麻抗抑郁药物的研发，可以考虑将汉麻黄酮类化合物单独使用或与大麻二酚协同使用，以用于开发抗抑郁药物。

2.5 神经保护

Carly等[47]等将大麻黄素A等3种黄酮类化合物作用于神经元PC12细胞，通过采用MTT法以及荧光细胞染色等方法对其进行测定。经研究发现，大麻黄素A对β淀粉样蛋白介导的神经毒性具有神经保护作用，主要与抑制β淀粉样蛋白原纤维化有关。汉麻黄酮类化合物的功效本身可能会进一步引导对于阿尔茨海默症神经退行性变的研究。然而，异戊二烯基黄酮类化合物通常表现出相对强的神经毒性，在体外许多常见黄酮类化合物中未观察到。上述结果有利于开发汉麻黄酮创新型药物。此外，有研究表明，汉麻中黄酮类成分对于大麻素存在一定调控作用[48]。

3 分析方法

为了深入研究汉麻黄酮类成分，可靠的分析检测方法是必不可少的。目前，关于汉麻中黄酮类成分的分析方法主要包括高效液相色谱法以及核磁共振技术。

3.1 高效液相色谱法

高效液相色谱法[49](HPLC)作为一种高效而稳定的分析方法，目前被广泛应用于黄酮类成分的分离和含量检测。Wieland等[50]采用HPLC-UV法对汉麻提取物中荭草素、牡荆素、异牡荆素、芹菜素等7种黄酮类成分进行分析。该方法灵敏、高效、准确，不仅可以为黄酮类成分的分离提供理论依据，也可为目标成分的定性、定量分析奠定基础[51]；Delgado等[21]采用LCQTOF MS/MS法对17个汉麻植物品种叶子和花序甲醇提取物中的黄酮类成分进行分析。结果表明，从汉麻极性提取物中鉴定得到16种黄酮类化合物，其中有9种经与对照品对比被证实，包括：金丝桃苷、异荭草素、牡荆素-鼠李糖苷等；Vanhoenacker[52]等采用HPLCAPI-ES-MS法对汉麻叶中牡荆素、荭草素、芹菜素-7-O-β-D-葡萄糖苷以及木犀草素-7-O-β-D-葡糖苷4种黄酮类化合物进行分析。该方法作为分析复杂样品的有效手段[53]，目前已成为黄酮类化合物表征的重要技术[54]，具有灵敏度高、分析范围广、分离能力强等特点，可以广泛应用于食品、药品以及保健品等诸多领域[55]。HPLC法分析汉麻中的黄酮成分条件见表2。

表2 HPLC法分析汉麻黄酮类成分

3.2 核磁共振技术

核磁共振技术(NMR)是黄酮类化合物结构研究中不可缺少的一项技术，它可以完整地确定黄酮类化合物的结构，包括识别其苷元、立体化学结构、糖和酰化糖的性质和位置等[56]。Mohamed[57]等采用核磁共振技术对高效品种汉麻中的有效成分进行分析。经鉴定得到金圣草黄素、异戊烯基芹菜素等4种黄酮类化合物，其中金圣草黄素和异戊烯基芹菜素为首次从汉麻中鉴定。该方法具有易操作、分析快、可以准确测定化合物分子骨架结构的特点，是目前广泛应用的结构分析方法[58]。

4 展望

植物次生代谢产物会随着不同生长发育时间而产生动态变化，当化合物类型不同时，其动态积累规律也会存在差异性[59]。因此，了解黄酮类化合物在汉麻植物体内的动态积累规律，分析与其它化合物合成的相关性，对于汉麻生长发育及其生物合成均具有一定的促进作用，综合考虑能够确定汉麻的最佳采收期，以期显著提高汉麻的经济价值和药用价值。

汉麻黄酮类化合物的生物合成途径不仅受关键酶的催化以及转录因子的调控，同时也受汉麻植物中其它合成途径的交叉调控。因此，了解汉麻黄酮类化合物的生物合成途径，可以定向采用基因组学以及合成生物学等方法生产汉麻黄酮类化合物。同时，在了解汉麻黄酮类成分合成的过程中，有助于观察与其它化合物的关联性，为研究汉麻中其它活性化合物提供参考。

随着研究技术的不断成熟，黄酮类化合物的分析方法也日渐精湛，对于获得高效汉麻黄酮类成分的分析方法，已逐渐成为研究的目标。因此，采用多种分析技术联用可快速检测黄酮类化合物，为未来获得高效的汉麻黄酮研究方法提供了理论依据。