艾蒿作为蒿属菊科药用植物有悠久的应用历史,在《黄帝内经》《伤寒论》《金匮要略》等中医学著作中均有记载。它是一种主要生长在北温带地区的优势物种,叶呈灰绿色至银色,芳香浓郁,为多年生草本或小灌木[1]。艾蒿植株的地上部分在东亚地区经常被人们用做传统食品的原料之一,富含蛋白质、脂肪、可食用纤维、酚醛化合物、矿物质、维生素C和必需氨基酸,且具有多种活性成分,主要包括多糖、挥发油、黄酮类、有机酸、萜烯和香豆素类等[2-5],是传统的民间药物,用于控制痛经、腹痛和炎症[6]。现代科学研究表明,艾蒿的活性成分具有抗氧化、抗肿瘤、抗炎、抗凝血、抗骨质疏松以及神经保护、免疫调节等多种生物学作用[2, 7-12]。本文就国内外关于艾蒿生物学作用方面的研究进展做一综述,旨在为艾蒿的进一步研究与开发应用提供参考。
1 艾蒿的生物学作用 1.1 抗氧化作用艾蒿对畜禽机体的抗氧化功能具有一定的促进效果。多位研究人员对艾蒿多糖的体外抗氧化功能进行了评估,发现其具有清除羟基自由基、二苯基苦基苯肼(1, 1-diphenyl-2-picrylhydrazyl,DPPH)自由基和超氧阴离子自由基的功效,且能够提高总抗氧化能力[13-14]。本课题组近年来致力于研究艾蒿在畜禽抗氧化功能等方面的研究,也取得了一些经验,发现在肉仔鸡饲粮中添加艾蒿水提物可一定程度上提高其抗氧化功能[15]。
为了研究艾蒿中活性成分与抗氧化功能之间的相关性,分别采用70%甲醇、水、正己烷、乙酸乙酯和正丁醇提取艾蒿中的酚类物质,得到相应的5种提取物,即甲醇提取物(carbinol extract,CE)、水馏分(water fraction,WF)、正己烷馏分(n-hexane fraction,nHexF)、乙酸乙酯馏分(ethyl acetate fraction,EAF)和正丁醇馏分(n-butanol fraction,nBuF)[4]。通过DPPH自由基、2, 2-联氮-二(3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸)二铵盐[2, 2′-azinobis-(3-ethylbenzthiazoline-6-sulphonate),ABTS]自由基、超氧自由基(superoxide radical,O2-)清除试验和铁还原抗氧化能力(ferric-reducing antioxidant power,FRAP)测定其抗氧化能力发现,在这5种提取物中,EAF中的乙酸乙酯总酚(total phenolics,TP)和总黄酮(total flavonoids,TF)含量最高,体外抗氧化活性最强。TP和TF在nBuF、CE、WF和nHexF中的含量依次下降。这5种提取物的抗氧化能力与其TP和TF含量具有相同的趋势,分别为EAF>nBuF>CE>WF>nHexF。因此,艾蒿的抗氧化能力与其TP和TF含量呈显著正相关[7]。
异泽兰黄素是在蒿属植物中发现的一种特殊的多甲氧基黄酮(polymethoxy flavones,PMFs),有人利用猫食管上皮细胞(esophageal epithelial cells,EECs)体外培养试验评价其对过氧化氢(hydrogen peroxide,H2O2)诱导的氧化损伤的保护作用[16],结果表明,异泽兰黄素的作用呈剂量依赖性,异泽兰黄素浓度在150 μmol/L时,能将EECs的存活率从40%提高到65%,其机制可能是通过抑制p38丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated porotein kinase,MAPK)和c-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinase,JNK)信号通路,下调5-脂氧合酶(5-lipoxygenase,5-LOX)的表达,进而抑制白三烯B4(leukotriene B4,LTB4)的产生。150 μmol/L异泽兰黄素预处理12 h后,H2O2诱发的高水平5-LOX、LTB4和p38 MAPK磷酸化分别降低了10%、50%和21%。此外,异泽兰黄素预处理后,H2O2刺激的EECs中磷酸化氨基末端蛋白激酶(p-JNK)的表达也减少。
通过测定艾蒿精油对自由基的清除能力、还原能力及其与金属离子的螯合能力来评价其抗氧化作用[17]。艾蒿精油在体外表现出抗氧化潜力,特别是突出的金属离子螯合活性。在0.1 mg/mL的浓度下,艾蒿精油螯合了95.63%的二价铁离子(Fe2+),这与典型的螯合剂乙二胺四乙酸(ethylene diamine tetraacetic acid,EDTA)相当。此外,艾蒿精油对黑色素瘤细胞(B16-F10)的黑色素合成有良好的抑制作用[17]。这些结果表明,艾蒿精油可作为一种天然抗氧化剂应用于护肤品中。
1.2 免疫调节及抗炎作用艾蒿的多种化学物质已被证实可作为一般免疫系统刺激因子,通过调节细胞因子和抗体的分泌,增强自然杀伤细胞、T淋巴细胞和B淋巴细胞等免疫细胞的功能,增强宿主的防御反应。例如,最近的一项研究表明,从艾蒿多糖提取的总多糖提高了体外淋巴细胞培养液中免疫球蛋白[免疫球蛋白M(immunoglobulin M,IgM)、免疫球蛋白G(immunoglobulin G,IgG)]、细胞因子[白细胞介素-1β(interleukin-1β,IL-1β)、白细胞介素-6(interleukin-6,IL-6)、肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)]和一氧化氮含量,表明艾蒿多糖具有免疫调节的特性[2]。除多糖外,艾蒿乙醇粗提物对特异性皮炎样损伤模型小鼠的免疫系统具有调节作用[18],研究表明,艾蒿提取物可通过抑制MAPKs、磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol 3-kinase,PI3K)/蛋白激酶B(protein kinase B,PKB)和核因子-κB抑制蛋白(inhibitor nuclear factor kappa-B,IκBα)/核因子-κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB)通路改善特异性皮炎症状,但不能抑制Toll样受体4(Toll like receptor 4,TLR4)/NF-κB通路。此外,饲粮中添加1 000 mg/kg艾蒿水提物可有效缓解肉仔鸡因注射脂多糖所致的免疫应激[19]。
各种免疫介质的释放和巨噬细胞的激活受到促炎细胞因子[TNF-α和干扰素-γ(interferon-γ,IFN-γ)]的调节[20]。一项关于艾蒿的研究表明,艾蒿精油呈剂量依赖性地下调炎症介质诱导性一氧化氮合酶(inductible nitric oxide synthase,iNOS)和环氧酶(cyclooxygenase-2,COX-2)的基因表达,并抑制脂多糖诱导的RAW 264.7巨噬细胞中细胞因子干扰素-β(interferon-β,IFN-β)、IL-6、TNF-α和人单核细胞趋化蛋白-1(monocyte chemotactic protein-1,MCP-1)的释放[21]。此外,通过建立大鼠耳肿胀模型和足肿胀模型来研究艾蒿精油的体内抗炎作用发现,不同剂量艾蒿精油皮肤给药均能显著减轻二甲基苯所致的耳肿胀和角叉菜胶所致的足趾肿胀,降低冰醋酸所致的腹腔毛细血管通透性,且灌胃中剂量的艾蒿精油作用弱于皮肤给药,这可能与艾蒿精油在皮肤的通透性优于在胃肠道的吸收效果有关[3]。艾蒿精油可能通过下调Janus激酶(Janus kinase,JAK)/信号传导及转录激活蛋白(signal transducer and activator of transcription,STAT)信号通路以及清除活性氧(reactive oxygen species,ROS)来抑制炎性反应[21]。对于炎症性皮肤病,艾蒿叶被认为是一种潜在的治疗药物,因为它不仅在体内,而且在体外都能抑制炎性介质的释放,减少炎性细胞因子的产生[9]。
在艾蒿粗提物中,脱氢苦参素A(dehydromatricarin A,DA)也被鉴定为艾蒿的活性成分,不仅能抗卵清蛋白诱导的过敏性哮喘,还能对抗脂多糖诱导的急性肺损伤[22-23]。这可能是由DA抑制基质金属蛋白酶-9(matrix metalloproteinases-9,MMP-9)和一些促炎细胞因子的基因表达所致。此外,据报道,艾蒿可通过改善炎症反应和减轻氧化损伤来保护小鼠免受乙醇诱导的胃黏膜损伤[24]。
1.3 抗肿瘤作用许多研究人员集中研究艾蒿的化学物质对癌症发作和恶化的拮抗作用。一项研究发现,在12种不同的中草药中,艾草的体外抗癌细胞增殖的作用是最强的。艾蒿水提物对癌细胞的抑制作用比人正常上皮细胞的抑制作用强2~7倍,提示艾蒿水提物可能具有选择性地破坏癌细胞的作用[25]。
矢车菊素是艾蒿中含量丰富的一种黄酮。据报道,矢车菊素可选择性地抑制含有人乳头瘤病毒16(human papillomavirus 16,HPV16)的永生化细胞系的生长,并呈剂量依赖性。其抗癌特性可能与其对肿瘤蛋白(onco-proteins)和抑癌蛋白(tumor suppressor proteins)基因表达的调控有关,导致抑癌基因功能的恢复。这些研究表明矢车菊素可能是治疗HPV16相关疾病(如宫颈癌和肛门癌)的潜在候选药物[26]。此外,促凋亡作用可能与G2/M期阻滞、ROS产生、p53和兔抗人单克隆抗体B细胞淋巴瘤/白血病-2相关X蛋白(B-cell lymphoma/leukaemia-2-associated X protein,Bax)上调、线粒体膜电位降低、细胞色素的释放和半胱天冬蛋白酶-3(cysteinyl aspartate specific proteinase-3,Caspase-3)的激活有关。因此,矢车菊素可能通过线粒体-Caspase-3依赖途径在肿瘤细胞中发挥诱导凋亡的作用[26]。有学者将矢车菊素及其他3种黄酮类物质(异泽兰黄素、芹菜素和金圣草素)进行了纯化,并评估了它们的抗突变活性[27],结果表明,4种黄酮类化合物均具有抗突变活性,且其抗突变功能可能是通过直接抑制3-氨基-1-甲基-5氢-吡啶[4, 3-b]吲哚的诱变作用或通过抑制其代谢激活来实现的。
香豆素是艾蒿中具有代表性的成分之一。Adams等[28]在一项筛选天然抗增殖成分的研究中,使用乙酸乙酯溶剂从艾蒿中分离出2种香豆素:东莨菪素和异东莨菪素,研究结果表明,东莨菪素和异东莨菪素对人急性淋巴白血病细胞(human acute lymphatic leukemia cell,CCRF-CEM)均有显著抑制作用,半数抑制浓度(half maximal inhibitory concentration,IC50)值分别为2.6和4.0 μmol/L。值得注意的是,多药耐药亚株(CEM/ADR5000)对这2种小分子药物的IC50值均为1.6 μmol/L。与常用的细胞抑制药物阿霉素、长春新碱和紫杉醇相比,CEM/ADR5000细胞对东莨菪素和异东莨菪素没有表现出具有交叉耐药性。因此,虽然东莨菪素和异东莨菪素是一种简单的香豆素类化合物,但它们都有可能成为开发抗癌药物的先导化合物。
Bao等[29]以荷瘤小鼠(Sarcoma 180,S180)为模型,研究了从艾蒿中纯化的多糖类(water-soluble polysaccharide from Artemisia argyi,FAAP-02)的抗肿瘤活性。结果表明,FAAP-02对移植瘤的抑制作用呈剂量依赖性,且与阳性对照的典型化疗药物5-氟尿嘧啶(5-fluorouracil,5-FU)相比,FAAP-02组的荷瘤小鼠具有更长的存活时间;此外,FAAP-02显著提高了白细胞介素-2(interleukin-2,IL-2)、IL-6、白细胞介素-12(interleukin-12,IL-12)、TNF-α含量以及脾脏T淋巴细胞表面抗原CD4+和CD8+的表达,提示FAAP-02的抗癌作用可能是由于其对机体产生的免疫刺激作用所致。
通过蛋白转移酶(farnesyl protein transferase,FPTase)在细胞原癌基因c(cell carcinoma gene c,c-Ras)的表达产物Ras蛋白翻译后修饰中起关键作用。当Ras蛋白的法尼酰化被阻断时,它们的致癌活性被消除。因此,开发FPTase抑制剂已成为癌症治疗的一个非常有吸引力的领域[30]。在此基础上,从艾蒿地上部分分离到6种黄酮作为FPTase抑制剂,其50%的抑制浓度为25~200 μg/mL[8]。细胞毒性试验表明,5, 6-二羟基-7, 3, 4′-三甲氧基黄酮和5, 6, 4′-三羟基-7, 3′-二甲氧基黄酮有效抑制了结肠癌(tumor cell lines comprising colon,SW620和HCT15)、肺泡Ⅱ型上皮细胞(type Ⅱ alveolar epithelial cell line,A549 cells)、前列腺癌PC-3细胞(prostate carcinoma,PC-3 cells)和黑色素瘤(melanoma,LOX-IMVI)的增殖,半数试验药物浓度(the concentration of half test drug,GI50)值为2.6~19.3 μmol/L。进一步的裸鼠饮食喂养研究表明,连续摄入这2种黄酮60 mg/kg体重的剂量22 d,肿瘤体积可分别减少44.6%和14.6%。几乎同时,3种二聚愈创木酚内酯[青蒿素内酯(arteminolides)B、C、D]被鉴定为新型FPTase抑制剂,IC50值为0.76~1.10 μmol/L[31]。在细胞原癌基因(cell carcinoma gene H,H-Ras)转化的小鼠胚胎成纤维细胞(mouse embryonic fibroblasts,NIH3T3)中,青蒿素内酯C能显著抑制H-ras处理的细胞生长,IC50为1.5 μmol/L[31]。有趣的是,这些FPTase抑制剂比正常细胞更强烈地抑制转化细胞的生长。因此,青蒿素内酯被认为是一种很有前途的FPTase抑制剂,可用于治疗Ras基因突变的人类癌症或其他相关癌症。近些年有研究者纯化了4种二聚倍半萜类化合物[青蒿素(Artemisians)A、B、C、D],并在体外证实了其抗肿瘤作用[32]。其中,青蒿素B剂量依赖性地增加人乳腺癌细胞株(human breast cancer cell, MDA-MB-468)的凋亡率,在5 μmol/L剂量时表现出优于阳性对照奥沙利铂的活性。细胞周期阻滞被认为是青蒿素抑制肿瘤细胞增殖的重要途径。
1.4 神经保护作用为了改善三甲基锡诱导的认知功能障碍,人们发现从艾蒿中纯化的3, 5-二咖啡酰奎宁酸对有学习和记忆缺陷的小鼠有改善作用[33]。模型小鼠脑组织分析显示,3, 5-二咖啡酰奎宁酸使小鼠的乙酰胆碱(ACh)含量升高,乙酰胆碱酯酶(AChE)活性下降。此外,3, 5-二咖啡酰奎宁酸抑制丙二醛和氧化型谷胱甘肽含量的增加,以及超氧化物歧化酶活性的下降。该研究表明,3, 5-二咖啡酰奎宁酸通过维持线粒体活性和抑制凋亡信号分子如磷酸化蛋白激酶B(p-Akt)、Bax和磷酸化Tau[phospho-Tau,p-Tau (Ser 404)]来抑制神经元凋亡[33]。另一项研究表明,红曲霉发酵的艾蒿通过减轻线粒体损伤和细胞膜损伤,对H2O2诱导的神经毒性有显著的保护作用[34]。进一步的超高效液相色谱-四级杆串联飞行时间质谱(ultra performance liquid chromatography-quadrupole tandem time of flight mass spectrometry,UPLC-Q-TOF/MS)分析表明,奎宁酸及其咖啡酸衍生物和绿原酸是提供艾蒿发酵菌神经保护活性的主要有效化学物质[34]。
艾蒿中纯化的一种新的倍半萜二聚体化合物(sesquiterpene dimer, DSF-52),通过下调NF-κB、JNK/p38 MAPKs和JAK2/STAT3信号通路来缓解小胶质细胞介导的神经炎症[12]。这一结果提示,DSF-52可能用于保护炎症介导的神经退行性疾病中的神经元。
1.5 抗凝血作用早在1992年,从艾蒿中首次分离出了环氧乙烷-谷甾醇,并与已知化合物2-(3, 4-二甲氧基)-6-甲氧基-4-氧代-4氢-色烯-5, 7-二羧酸一起被证实具有抑制血小板聚集的作用[35]。最近,Lv等[10]测试了2种新纯化的黄酮类化合物依帕替林7-O-β-D-吡喃葡萄糖苷和5, 6, 2′, 4′-四羟基-7, 5′-二甲氧基黄酮的体外抗凝活性,结果表明,2种化合物分别通过延长凝血酶时间和凝血酶原时间延缓凝血。通过冰浴法建立急性血瘀大鼠模型,在体内验证了艾蒿精油的抗凝血性能,艾蒿精油在皮肤给药剂量为0.125~0.500 mL/kg时,可降低低、中、高剪切速率的血液黏度。此外,据报道,这种作用与降低红细胞聚集的能力有关[3]。
1.6 其他生物学作用除了以上所述的生物学作用外,艾蒿的降血糖、抑菌和杀虫性能也被认为是其重要的生物学作用。利用白色念珠菌SC5314进行的体外抑菌试验发现,艾蒿精油通过促进细胞内ROS积累和线粒体损伤发挥抗菌作用[36]。另一项研究发现,艾蒿精油促进口腔溃疡组织修复,其作用与其抗菌活性有关[37]。有趣的是,利用艾蒿精油制备的微胶囊的溶解度、稳定性和生物活性显著提高[38-39]。负载艾蒿精油的微胶囊对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率在保存60 d后仍保持在83%。因此,载有艾蒿精油的微胶囊可作为一种长效抗菌药物。在杀虫活性方面,艾蒿精油对锯齿目的成虫表现出较强的接触毒性和较弱的熏蒸毒性,每只锯齿目的成虫的接触毒性半数致死量(median lethal dose,LD50)为6.42 μg艾蒿精油,锯齿目的成虫熏蒸毒性的LD50为每升空气中8.04 mg艾蒿精油[40]。Huang等[41]指出,在金鱼体内,当艾蒿剂量为300 mg/L时,其驱虫效果在48 h内为100%。抗贾第虫试验表明,3, 5-二咖啡酰奎宁酸酯类衍生物对蓝氏贾第虫有杀灭作用[42]。这些结果表明,艾蒿具有开发天然抗菌剂和杀虫剂的潜力。
本课题组还研究了艾蒿水提物、艾蒿多糖、艾蒿黄酮对肉仔鸡肉品质和小肠黏膜形态,发现在饲粮中添加艾蒿水提物、艾蒿多糖、艾蒿黄酮可以一定程度上改善肉仔鸡的肉品质和小肠黏膜形态[43-45]。最近有学者提出,艾蒿具有抗骨质疏松活性。可用于口服的艾蒿中的异泽兰黄素被认为是一种有效的多用途的骨孔病治疗干预手段[11]。一方面,异泽兰黄素通过抑制活化T细胞c1(NFATc1)核因子的转录,抑制聚合肌动蛋白环的形成,在体外表现出抑制多核细胞分化的作用;另一方面,异泽兰黄素诱导成熟的破骨细胞变成成纤维细胞样细胞,但未观察到细胞凋亡,主要表现为胞质萎缩和多核聚集。此外,异泽兰黄素对脂多糖和卵巢切除所致骨质疏松模型小鼠的体内骨吸收均有明显的抑制作用。然而,这是迄今为止唯一一项关于艾蒿抗骨质疏松作用的研究报道。
此外,有报道称,异泽兰黄素治疗可诱导过氧化物酶体增殖物激活受体(peroxisome proliferators-activated receptor,PPAR)活化,且呈剂量依赖性。然而,在PPAR-γ、PPAR-δ和视黄素X受体-α(retinoid X receptor-α,RXR-α)上,没有或几乎没有转录激活。因此,异泽兰黄素被认为是一种选择性PPAR激动剂,可能有助于一些代谢性疾病的治疗[46]。
2 小结综上所述,艾蒿提取物具有多种生物活性,它具有抗癌、抗炎、抗氧化、抗凝血、抗骨质疏松和神经保护等多种药理作用,是一种潜在的健康促进食材。研究者虽然对艾蒿提取物的生物活性已作了较多的研究,但关于植物化学物质对机体健康产生影响的确切分子机制仍未得到系统的探究,且大多是针对粗提物或某种单一的活性物质进行研究,在动物饲料添加剂方面的研究较为单一,主要是集中在小鼠和家禽上的研究,对反刍动物并未见相关报道。到目前为止,有关于艾蒿提取物中一些植物化学物质的代谢组学的研究甚少,功能研究仅限于体外试验,动物试验也不并广泛。现有的研究结果表明,植物的单一化合物的生物活性并不如粗提物的作用效果好,可能是因为粗提物中所含的成分之间也有相互协同的作用,但具体机制并不清楚,为了填补这一空白,未来的研究可能会深入研究艾蒿活性成分的潜在作用机制,如参与信号通路、分子靶点、药物受体结合模式的确定等。在全面了解艾蒿提取物的真正潜力之前,仍需我们进行大量的研究探索。
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