张文静，黄启来，华子春

·综述·

高良姜素的生物学活性研究进展

张文静，黄启来，华子春

高良姜素为 3,5,7-三羟基黄酮，是从姜科山姜属（Alpinina）植物高良姜（Alpinia officinarumHance）的干燥根茎部分分离得到的黄酮类化合物，此外在蜂胶中也有很高的含量[1]。天然植物高良姜作为中药，收载于历版《中国药典》，其味辛、性热，能温胃散寒、理气止痛，常用于脘腹冷痛、胃寒呕吐、嗳气吞酸、改善微循环等[2]。蜂胶因其主要化学成分为黄酮类，也具有抗炎、抗过敏、抗致癌、抗病毒和抗细胞增殖等作用[3]。在高良姜根部的乙醇提取物中，采用优化手段可以使高良姜素的纯度达到 89.39％[4]。高良姜素具有广泛的生物学活性，如抗氧化和清除自由基[5]、抗突变、抗致畸[6-7]以及抑制肝微粒体细胞色素 P450 酶系[8]。新近研究发现高良姜素对多种肿瘤细胞株有细胞毒作用[9]。本文将对高良姜素的化学结构与其生物学活性作一综述。

1　高良姜素的化学结构

黄酮是一类多酚化合物，在分子结构上都以黄酮为母体，都具有 C6-C3-C6碳架的基本结构特征。依据中央 3 个碳的氧化程度、是否成环及 B 环的连接位点，可进一步分为黄酮、黄酮醇、二氢黄酮、二氢黄酮醇、异黄酮等[10]。高良姜素结构上为 3,5,7-三羟基黄酮（图 1A）。羟基是黄酮分子最基本的取代基团，对黄酮的亲水性、还原性及分子极性等物理特性影响较大。高良姜素与槲皮素、山柰酚、桑黄素和杨梅黄酮相比，母核上 OH 取代个数为 3 个，而后者分别为 5、4、5、6个，较少的羟基个数决定了高良姜素具有较强的脂溶性[11]（图 1B）。

图1　高良姜素及结构相似黄酮类化合物的结构式

2　高良姜素的生物学活性研究

2.1化学预防活性的结构基础

细胞色素 P450 是一组结构和功能相关的超家族基因编码的含铁血红素的同工酶。它广泛参与对多种外源性致癌物和药物的代谢。芳烃类致癌物首先是在肝微粒体中的细胞色素 P450 酶的催化下活化为中间产物或终代谢物[12-13]。以CYP1As 为例，CYP1As 能激活大部分的致癌物前体[如：苯并芘（benzo[α]pyrene，B[a]P）、二甲基苯并蒽（7, 12-dimethylbenz[α]anthracene，DMBA）]，从而使它们转化为具有亲电性的、能够攻击 DNA 或脂类的终致癌物，诱发基因突变。

高良姜素能竞争性结合到 CYP1A1 和 CYP1A2 活性部位，又可以直接结合于未参与底物结合的位点。该结合反应抑制了 CYP1As 的活性，抑制致癌前体化合物的活化[14]。高良姜素通过非竞争的方式结合 CYP1A1，抑制酶对底物 DMBA 的分解代谢，抑制 DMBA-DNA 加合物的形成，减弱 DMBA 引起的细胞毒性。在 B[a]P 诱导小鼠骨髓多核红细胞微核反应中，高良姜素发挥相似的作用抑制畸变的发生。在结构上 3、5 位羟基的进一步取代增加了高良姜素对 CYP1A2 的选择性，其结合、抑制能力优于CYP1A1 5 倍[15]。CYP1A2 能通过甲氧试卤灵-O-脱甲基反应活化致癌物前体氨基芴与亚硝基脲，在 10 种黄酮类化合物中，高良姜素抑制该酶的活性最强[16]。此外，高良姜素在转录水平上对 CYP1A1 mRNA 的表达也有影响。二甲基苯并蒽、TCDD（2,3,5,7-tetrachlorodibenzo-p-dioxin）和β-萘黄酮都是芳烃受体较强的激活剂，高良姜素通过与芳烃受体的结合，竞争性抑制这些底物与其作用，抑制 CYP1A1 mRNA 的转录。在 DMBA 及 TCDD 对 CYP1A1 的诱导中，高良姜素抑制了两者诱导的 CYP1A1 mRNA 的变化。A 环和 C 环的吡喃结构和 B 环是高良姜素适应芳香烃受体的疏水结合位点的基础。而 5、7 位羟基会显著减弱高良姜素对芳烃受体诱导 CYP1A1 mRNA 转录的活性。在β-萘黄酮诱导的 CYP1A1 的 mRNA 中，高良姜素对小鼠肝细胞内 CYP1A1 mRNA 在变化上呈现时效性，在 9 h 表现出抑制作用，24 h 表现促进效应[17]。该反应中促进CYP1A1 转录的活性可能与研究采用的模型及化合物次级代谢物有关。

2.2抗氧化与促氧化的活性基础

黄酮类化合物具有显著的抗氧化与促氧化的效应[18]。黄酮类化合物能清除引发链反应的活性自由基和起催化作用的金属离子，捕捉过氧自由基，阻断链反应。黄酮类化合物发挥抗氧化的作用主要通过结构中的酚羟基，该结构能与自由基生成稳定的半醌式自由基，中断链式反应。半醌式自由基的稳定性与抗氧化活性成正相关。在高良姜素的结构中，C 环色原酮的结构是其发挥抗氧化活性的基础。2、3 位双键的存在使该位置上的自由基参与了更长的共轭体系，通过 π 键的移动形成共振。高良姜素预处理能显著降低丝裂霉素（MMC）诱发的小鼠网织红细胞微核化（MNRETs）发生的频率。此外，低剂量高良姜素（0.1 mg/kg）预先连续7 d 给药能显著抵抗 MMC 致畸作用。研究者认为丝裂霉素 C 是一种烷化剂，在体内发挥与 DNA 交联的作用，高良姜素清除自由基的功能减弱了 MMC 的致畸性[19]。博莱霉素诱导的小鼠脾脏淋巴细胞染色体发生畸变，高良姜素可对抗致癌物引起的基因毒性，也与其抗氧化活性紧密相关[20]。高良姜素可以抑制四氯化碳引起的大鼠肝细胞微粒体的脂质过氧化[21]，对铜离子介导的低密度血脂蛋白过氧化有抑制作用[22]。高良姜素 3 位羟基与 5、7 位羟基的相对位置使高良姜素抗氧化的活性增加[23-24]。C 环的吸电性使高良姜素结构中 A 环上的羟基活性较弱，比较容易电离出 H+，使高良姜素呈现弱酸性，作为解偶联剂，改变线粒体膜的流动性，抑制 ROS 的产生[25-26]。

促氧化作用与黄酮的结构、浓度与环境有关。黄酮的氧化形式（如半醌、苯醌和甲基醌）具有很强的促氧化活性。在体内影响谷胱甘肽、谷胱甘肽还原酶及尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸等，能进一步诱发活性自由基的产生[27]。高良姜素结构中，2、3 位为双键，有利于 3 位羟基被氧化为苯醌中间体，发挥促氧化作用。但因为缺少 B 环邻位羟基，促氧化活性较弱[27-28]。在 Fe3+/Cu2+的存在下，酚羟基、4 位羰基及 3 位的羟基能与金属离子发生螯合，螯合物对羟自由基的产生取决于作用时间和氧化还原环境[29]。对蜂胶体外促氧化的研究发现，金属离子能促进高良姜素的促氧化活性，引起短暂的 H2O2的升高，–OH 增多进入细胞内启动DNA 修复。因此蜂胶被认为能保护机体，提高了机体对氧化应激的反应[30]。目前还没有文献报道高良姜素促氧化作用的不良效应。

2.3抗微生物活性

蜂胶的乙醇提取物对葡萄球菌、肠道球菌、棒状杆菌等均有较强的杀伤作用，推测与蜂胶中黄酮类物质高良姜素有关[31]。Afolayan 和 Meyer[32]在蜡菊属植物地上部分的丙酮提取物中分离得到高良姜素，发现其对革兰阳性菌具有显著的抗菌活性，最小抑菌浓度范围为 0.1 ～ 0.5 mg/ml。同时发现高良姜素对真菌也有抑制活性，尤其对指状青霉和意大利青霉显示出较强的抑制活性，最小浓度达到 0.01 mg/ml。在 Denny 等[33]的研究中，高良姜素对金属 β-内酰胺酶具有抑制作用，晶体结构分析显示高良姜素的构型能接近该酶的活性位点，从而抑制酶活性的发挥，提示联合使用高良姜素与 β-内酰胺类抗生素能抑制对 β-内酰胺类抗生素耐药的菌株。新近研究高良姜素对 4-喹诺酮耐药的金黄色葡萄球菌属的作用发现，高良姜素与喹诺酮对菌属无交叉耐药，且高良姜素 50 μg/ml 能对喹诺酮耐药和敏感菌均显示较强的抑制活性，该作用与抑制拓扑异构酶 IV 有关[34]。还有研究表明，高良姜素抗细菌的活性可能与其引起葡萄球菌属胞浆释放钾离子或损伤细胞壁引起细菌继发性自溶有关[35]。高良姜素也具有较强的抗病毒活性，Amoros 等[36]比较了高良姜素、山柰酚、槲皮素对 Vero 细胞对单纯疱疹病毒（HSV-1）的抗病毒活性，发现高良姜素的活性最强，在 10.8 μg/ml (1/4 CC50)的浓度病毒滴度下降 2.3 log10。Meyer 等[37]也发现高良姜素对 HSV-1 和柯萨奇 B 组病毒（COX B1）在 12 ～ 47 μg/ml 浓度范围即能发挥较强的抗病毒活性。

2.4抗肿瘤活性

我们通过检索文献发现，近年来，高良姜素抗肿瘤活性越来越受到关注。高良姜素作为化学预防剂能有效抵抗外源致癌物进入体内和活化等关键环节。在耐药性的乳腺癌细胞株中，P 糖蛋白的活性对外来的致癌物和药物跨膜转运至关重要，是机体防御机制之一。高良姜素通过调节 P 糖蛋白的转运活性，促进外来致癌物的排出，减少细胞的负荷[38]。此外，通过影响机体细胞色素 P450 酶系和氧化还原酶调节外来致癌物的代谢，也在癌症的预防中具有重要作用。

植物黄酮抗肿瘤构效关系研究较多，具体来说，黄酮结构中一定数目的羟基（2 ～ 4 个）、C 环 2、3 位的双键、2 位的 B 环定位、3 位和 6 位的羟基、B 环上邻位的羟基是发挥抗肿瘤活性的结构效应元件[39]。在高良姜素结构中，2 位上的 B 环、C 环 2、3 位的双键、A 环和 3 位上的羟基可能是其抗肿瘤活性的基础。

B 环上邻位羟基的存在可减弱黄酮类化合物对正常细胞的毒性。杨梅黄酮、槲皮、山柰酚和高良姜素分别作用HUVEC 内皮细胞，对细胞的 LD50分别为 100、50、20 和10 μmol/L。高良姜素对 U937 细胞也存在毒性作用[40]，这与其 B 环无取代羟基有关。高良姜素对多种肿瘤细胞株具有很好的抗肿瘤活性。在人白血病细胞株 HL-60 中，浓度高于 50 μmol/L 的高良姜素可损伤 DNA，激活 caspase-3[41]。高良姜素在细胞周期水平抑制细胞的恶性增殖。Murray等[42]报道高良姜素阻断人乳腺癌细胞株 Hs578T 由 G0/G1期向S 期的进行，显著降低细胞周期素 D3 的表达，一定程度上抑制细胞周期素 E、A 的水平。在人食管鳞癌细胞株KYSE-510 中，高良姜素抑制细胞周期蛋白 B1 和 D1 的表达[43]。Zhang 等[44-45]发现高良姜素在多种肝癌细胞株中通过诱导线粒体凋亡通路激活 caspases 和引起Bcl-2 水平的变化，诱导细胞凋亡，提示高良姜素对肝癌具有重要的治疗价值。此外，高良姜素显著增加 TRAIL 诱导的前列腺癌细胞的凋亡反应。50 μmol/L 高良姜素单独作用仅引起不到10％ 的细胞活性抑制，联合应用 TRAIL 后，使细胞毒性增加到 60％ 以上。结果表明高良姜素能改善 TRAIL 治疗肿瘤带来的耐药性[46]。新近研究发现了高良姜素抗肿瘤新机制。研究者通过报告基因检测发现高良姜素促进β-catenin 的降解，进而抑制 β-catenin 依赖的细胞周期素D1 及 c-myc 的转录表达。高良姜素通过 β-TrCP 依赖的蛋白酶体降解胞内的 β-catenin，与 APC/Axin/GSK-3β 的蛋白降解途径无关，这一发现为 CRT 阳性的肿瘤治疗提供了有效的策略[47]。

3　小结

天然黄酮类化合物以其低毒性和广泛的生物学活性对人类健康具有重要作用。高良姜素作为天然黄酮类化合物，被认为是有前景的化学预防剂和抗微生物药物。恶性肿瘤一直是严重威胁人类健康的主要疾病，从天然植物中寻找活性成分是预防肿瘤的发展方向。高良姜素的抗肿瘤活性日益受到关注，但其抗肿瘤机制的研究还不深入，动物水平抗肿瘤活性的研究亟待考察。同时高良姜素与传统化疗药物合用有望提高和改善肿瘤治疗效果。加强对其抗肿瘤活性的研究及机制探讨具有重要意义。高良姜素化学结构的改造也为今后获得活性更高、作用特异性的化合物奠定基础。

中药对多种疾病的治疗作用越来越受到关注。我国有着丰富的植物及中草药资源，但由于质量难以控制，中药成分的复杂和作用机制不清严重制约了中药的发展。因此，加强中药的质量控制与了解中药的药效物质基础对今后开发具有自主知识产权的中药具有重要意义。

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DOI:10.3969/cmba.j.issn.1673-713X.2012.04.009

基金项目：澳门科技发展基金（071/2009/A3、091/2009/A）

作者单位：999078 澳门科技大学中医药学院/澳门药物与健康应用研究所/中药质量研究国家重点实验室（张文静、黄启来、华子春）；210093南京大学医药生物技术国家重点实验室（华子春）

通讯作者：华子春，Email：zchua@nju.edu.cn

收稿日期：2012-03-31