大蒜中的有机硫化物及其生物活性研究进展

赵铭洋，王知斌，孙延平，杨炳友，王秋红，匡海学*

（1. 黑龙江中医药大学 教育部北药基础与应用研究重点实验室，黑龙江省中药天然药物药效物质基础研究重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150040；2. 广东药科大学 中药学院，广东 广州 511436）

大蒜是百合科葱属植物Allium sativumL.的地下鳞茎，起源于中亚和地中海地区。最早能追溯到公元前3000年，至今已有5000余年的历史[1]。自汉代传入中国后，大蒜就作为一种药食两用植物广泛种植。大蒜具有通五脏、达诸窍、去湿寒、化积食等功效。大蒜最早的药用出现在陶弘景所著《名医别录》中，唐代《外台秘要》及《备急千金要方》均记载以大蒜为主药治疗疟疾的处方。明《万氏济世良方》中记载有蒜红丸，主治脾积，消化不良。现代药学研究发现大蒜中含多糖、挥发油、蛋白质及微量元素等。有机硫化物是大蒜的主要活性物质，具有降血脂、降血压、抗肿瘤等多种药理活性。

1 大蒜中的有机硫化物

有机硫化物是大蒜中主要的生物活性成分，迄今已鉴定出46种，见表1。完整的大蒜中含大量的γ-谷氨酰半胱氨酸[2]。该化合物在自然贮藏过程中会被缓慢水解和氧化形成蒜氨酸（S-烯丙基半胱氨酸亚砜，SACS），并自然积累。当大蒜表皮被破坏后，蒜氨酸酶迅速溶解胞浆中的蒜氨酸，形成具有气味的大蒜素。大蒜素和其他硫代亚硫酸酯会立即分解成其他化合物，如二烯丙基硫醚（DAS）、二烯丙基二硫醚（DADS）和二烯丙基三硫化物（DAT）、二硫醚和阿霍烯。同时，γ-谷氨酰半胱氨酸通过蒜素/大蒜素途径以外的途径转化为S-烯丙基半胱氨酸（SAC）[3]，具体转化过程见图1。

表1 大蒜中鉴定得到的有机硫化物

表1（续）

图1 大蒜内硫化物的转化过程

2 主要的药理活性

2.1 抗氧化

大蒜素的烯丙基氢原子对其抗氧化活性起着重要作用[4]，大蒜素的自由基清除反应是通过一步氢原子转移进行的。谷胱甘肽（GSH）是体内主要的自由基清除剂，含易被氧化脱氢巯基（-SH），能保护蛋白质和酶等分子[5]。因此大蒜中的含硫化物（大蒜素、大蒜新素、蒜氨酸、大蒜烯等）能增加细胞的谷胱甘肽与超氧化物歧化酶（SOD）水平，间接改善血管内皮功能障碍、保护肝脏[6-8]。烯丙基（-CH2CH=CH2）和[-S(O)-]是大蒜中有机硫化物（大蒜素、大蒜新素、蒜氨酸、大蒜烯等）清除自由基的关键结构[9]。在二苯代苦味酰肼自由基甲醇溶液中加入大蒜中烯丙基硫化物，发现其对DPPH有强大的清除能力[10]。体外细胞实验中发现，当大蒜素浓度为2 mg/ml时，对DPPH自由基的清除率最大，达90 %左右[11]。

细胞的氧化还原电势主要由GSH/氧化型谷胱甘肽（GSSG）、还原型辅酶II（NADPH）/氧化态还原型辅酶II（NADP+）间的转化，以及硫氧还蛋白作用实现调控。大蒜素是具有抗氧化性能的活性硫物质，能通过与GSSG反应，降低细胞内氧化还原电位。这种对细胞氧化还原功能的调节能力在研究中得到证实，大蒜素通过作用于酵母菌内对氧化还原反应敏感的转录因子YAP1，实现对病程相关因子非表达子（NPR-1）的调控[12]。

近期研究发现，大蒜素能通过介导热休克蛋白70（HSP70）/诱导型一氧化氮合酶（NOS）途径，降低诱导型一氧化氮合酶（iNOS）表达，降低氧化应激反应，保护受损神经，治疗脊髓损伤[13]。大蒜素可通过蛋白激酶B（Akt）/内皮细胞一氧化氮合酶（eNOS）途径抑制氧化应激，通过增加Akt和eNOS磷酸化，进而阻断Akt/eNOS途径，使丙二醛和蛋白质羰基的表达水平降低，从而实现抗氧化和抗炎活性[14]。衰老模型大鼠灌胃大蒜素，衰老小鼠血清、肝、脑组织中SOD、谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）和过氧化氢酶（CAT）的活性显著提高，丙二醛含量降低，且呈一定的量效依赖关系[15]。有研究表明，大蒜素能通过改善抗氧化酶活性并下调核因子κβ（NF-κβ）蛋白表达[16]，显著改善肾缺血再灌注损伤大鼠肾脏组织抗氧化酶活性、降低丙二醛含量，并改善细胞凋亡状况，对大鼠肾缺血再灌注损伤起到一定的保护作用[17]。

大蒜素还可通过作用于角鲨烯单加氧酶和乙酰辅酶A，控制胆固醇水平。乙酰辅酶A内含巯基，大蒜素可与巯基发生反应，由此可推测大蒜素对乙酰辅酶A参与的反应均有调节能力，阻断反应的正常进行[18]。低密度脂蛋白（LDL）的氧化是引起动脉硬化的常见原因，大蒜素能减少LDL氧化，并能减少体内LDL的含量，减少血管损伤[19]。

2.2 降血压

大蒜制剂已被广泛用于抑制和缓解高血压[20]。多项动物试验和人体研究证明大蒜提取物及其衍生的生物活性分子的抗高血压作用。大蒜素与GSH的级联反应能产生硫化氢，而硫化氢具有扩张血管平滑肌作用[21]，使血压降低。体内实验中，硫化物通过降低血栓素B2和前列腺素E2的含量降低大鼠的血压。“2肾1夹”高血压大鼠模型中，大蒜以100 mg/kg剂量连续30 d灌胃给药，可预防分离的大鼠肺动脉中由内皮素1引起的急性低氧性肺血管收缩。在地塞米松性高血压大鼠口服大蒜素实验中，发现大蒜素具有强大的血管舒张活性和K+通道开放活性，能导致血管舒张，从而发挥抗高血压作用[22]。大蒜中的有机硫化物能影响NO氧化还原信号通路的调节，同时刺激内皮收缩因子和松弛因子，控制一氧化氮（NO）介导的血管舒张和血压降低，通过酶促和非酶促途径刺激H2S的产生，增强内皮NO的调节，导致平滑肌细胞松弛，促进血管舒张和血压降低[23]。在澳大利亚进行的大蒜治疗高血压的随机双盲实验表明，陈年大蒜提取物（大蒜素为主要成分）降血压效果明显，能显著降低高血压患者的血压。

2.3 降血脂

大量动物模型实验表明大蒜中的硫化物能显著降低血液中总胆固醇（TC）、甘油三酯（TG）和低密度脂蛋白胆固醇（LDL-C）水平，升高高密度脂蛋白胆固醇（HDL-C）水平[24]。3-羟基-3-甲基戊二酸单酰辅酶A（HMG-CoA）还原酶是胆固醇合成的限速酶，该酶活力与体内胆固醇的合成量呈正相关。研究表明，大蒜素与蒜氨酸均能通过降低HMG-CoA还原酶的活性，降低胆固醇的合成[25]。大蒜中的有机硫化物（主要为大蒜辣素、蒜氨酸、大蒜新素）能抑制在脂肪酸合成中起调节作用的脂肪酸合成酶和乙酰辅酶A羧化酶的活性，减少肝脏中脂肪酸的合成[26]。此外，大蒜可通过刺激酸性和中性类固醇的排泄，或通过降低肝细胞内脂肪酸合成酶、3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶、苹果酸和葡萄糖-6磷酸脱氢酶的成脂作用来降低胆固醇水平[27]。

临床实验中通过随机双盲安慰剂对照研究，发现长期服用大蒜粉能显著降低血液中的总胆固醇含量及LDL-C含量。健康受试者每日口服900 mg的干蒜粉，血小板聚集显著减少。同时，食用陈化大蒜提取物后，血小板聚集显著减少，血栓素B2循环水平也显著降低[20]。但另一项临床试验发现，连续4周每天服用300 mg的大蒜素，虽然能降低TC、TG和LDL-C水平，但HDL-C含量升高。也有研究[28]发现，伴有血脂异常的糖尿病患者如果每天服用600 mg大蒜片（主要成分为大蒜素），持续12周，可导致HDL、LDL和TC水平升高。研究者认为，这些不同的结果是由于大蒜制剂的组成、每种制剂中硫化物含量的不同所导致的。

此外，大蒜在抑制血栓形成及血小板黏附或聚集方面显示出重要作用。据报道，大蒜硫化物通过抑制血小板糖蛋白（GP）IIb / IIIa受体和增加环腺苷酸（cAMP）来阻止二磷酸腺苷（ADP）活化的血小板与固定的纤维蛋白原结合[29]。此外，据报道大蒜可降低血浆黏度，降低不稳定型心绞痛和周围动脉闭塞性疾病的风险，并增加血管的弹性[30]。因此，大蒜在高血脂的临床治疗中常被作为辅助药物使用[31]。

2.4 抗肿瘤

早在1960年就有研究表明，大蒜素溶液能杀死肿瘤细胞。有研究表明，DAS和DADS能抑制人神经母细胞瘤SH-SY5Y细胞的抗凋亡因子，并激活钙蛋白酶和内在胱天蛋白酶级联反应，降低B细胞淋巴瘤/白血病-2蛋白（Bcl-2）、凋亡抑制蛋白BIRC-3和NF-κB等抗凋亡蛋白的表达而诱导SHSY5Y细胞凋亡[32]。通过体外实验，对比23种常见的蔬菜与水果提取物，发现生大蒜提取物（大蒜素、蒜氨酸等为主要活性成分）对多数癌细胞都有很好的灭杀作用[33]。蒜氨酸与蒜氨酸酶能通过结合特定的标记物，在靶向位点共同作用，从而逆转基因沉默并抑制癌细胞生长，提供一种新的癌症治疗策略[34]。此外，Zhang等[35]发现大蒜素可通过激活p38信号通路和天冬氨酸蛋白水解酶3（caspase 3）的羟基化实现抑制胃肠道癌细胞MGC 803的增殖和诱导凋亡。还有研究表明，大蒜素衍生的聚砜可靶向作用于微管蛋白，从而导致细胞周期中断，抑制细胞增殖，最终导致细胞凋亡[36]。值得注意的是，持续摄入大蒜可减少如肺癌、结肠癌、胃癌、乳腺癌和前列腺癌等各种癌症的扩散。大蒜素可通过激活Wnt/β-连环蛋白（Wnt/β-catenin）长信号通路，抑制A549肺癌细胞增殖、侵袭和转移，有效抑制小鼠肿瘤生长和肺部转移[37]。还有研究表明，大蒜素能下调子宫内膜癌荷瘤小鼠肿瘤组织中Toll 样受体4（TLR4）、髓样分化因子88（MyD88）mRNA及蛋白的表达，从而抑制子宫内膜癌荷瘤小鼠的肿瘤增长[38]。DATS对肝癌HepG2细胞可能通过Bcl2相关X蛋白（Bax）/B淋巴细胞瘤2基因（Bcl-2）通路、细胞外调节蛋白激酶（ERK）通路和AMP依赖的蛋白激酶（AMPK）/沉默信息调节因子1（SIRT1）通路来发挥抑制作用[39]。

大蒜素与顺铂或卡铂联合应用实验发现[40]，大蒜素能抑制甲状腺未分化癌细胞株SW1736和甲状腺癌细胞株HTh-7的生长，并能显著提高SW1736和HTh-7的细胞自噬。Western blot分析表明，大蒜素处理抑制了蛋白激酶B（Akt）、哺乳动物雷帕霉素靶点的激活，能辅助治疗甲状腺癌。有研究发现在结肠癌细胞株HCT-116中，大蒜素能降低细胞内GSH水平，使Nrf2被激活[41]。Nrf2已被证实是解毒酶、抗氧化蛋白和GSH生成酶的转录调节因子。在氧化应激条件下，Nrf2被激活并转移到细胞核中，反式激活其靶基因，诱导细胞凋亡。

3 不良反应及毒性

虽然普遍认为大蒜对人类是安全的，但某些敏感人群摄入高剂量的大蒜时，会引起某些不良反应。空腹摄入大剂量生大蒜可引起肠道菌群变化、肠胃气胀和胃肠道紊乱。此外，局部使用生大蒜可观察到水泡、皮炎和烧伤[42]。体内实验表明，长时间摄入高剂量的生大蒜会导致体重下降和红细胞溶解性贫血。此外，长期每天服用50 mg大蒜粉会通过抑制大鼠精子发生产生抗雄激素作用，导致精囊、睾丸和附睾中唾液酸浓度降低，并降低间质细胞功能[43]。大蒜中硫化物的主要毒理学机制是氧化溶血作用，其特征是红细胞高铁血红蛋白血症的发生和海因茨体的形成。最初观察到的一些临床症状包括抑郁、呕吐、食欲不振、腹痛、腹泻，及与黏膜苍白相关的贫血、黄疸、心率和呼吸频率加快、虚弱和血红蛋白尿[44]。临床研究表明，低剂量的大蒜是安全的，而治疗性剂量可能会导致轻度胃肠道紊乱，而高剂量的大蒜则会导致肝脏损伤[29,44]。大蒜素是一种膜透性化合物，可很容易地进入细胞，并与细胞中的含巯基化合物如GSH或蛋白质中的半胱氨酸残基及含活性半胱氨酸的酶相互作用，可能导致大蒜素出现细胞毒性。

4 研究方向与前景

大蒜作为药食同源物质之一，具有悠久的使用历史。大蒜中的有机硫化物具有多种药理活性，有关于其抗肿瘤作用及治疗心血管疾病的研究较多；研究亦表明其具有较好的抗氧化作用。临床应用中，大蒜素等硫化物对高血压、高血脂等心血管疾病具有良好的治疗作用。随着大蒜制剂的不断研究和开发，大蒜素的抗肿瘤作用在临床中的应用日益广泛，但其具体作用机制仍需进一步研究。随着科学技术手段的进步与发展，对大蒜中有机硫化物的研究取得了快速进展，但其药理活性、作用机制等研究都不够系统和全面。其较大的刺激性气味及多种硫化物结构的不稳定性是较大的阻碍，是应用中亟需解决的重要问题。