基于植物活性成分的非生物碱毒素杜鹃花科植物活性成分及作用机制研究进展

基于植物活性成分的非生物碱毒素杜鹃花科植物活性成分及作用机制研究进展

杜鹃花科约54种植物分布广泛，广泛分布于南北半球和北冰洋地区。中国约有15属550余种,其中有毒品种9属100种以上,集中于金叶子属(Cribiodendron)、米饭花属(Lyonia)、马醉木属(Pieris)和杜鹃花属(Rhododendron)。中国西南山区被认为是全国也是全世界的杜鹃花属分布中心,不少种被引种到欧美,成为当地著名庭园花卉的亲本。杜鹃花科植物或具极高的欣赏价值,或有很高的药用价值,其广阔的开发应用前景已引起国内外的重视。笔者综述了近年来关于杜鹃花科植物活性成分、构效关系、生物活性及作用机制方面的研究进展。1多元化n在天然非生物碱毒素中,杜鹃花科植物活性成分是很引人注目的。在这些成分中,目前已确定的大多数都是四环二萜类化合物,也含有少量挥发油类、酚类、黄酮、鞣质等。根据不同的结构类型,可将这些萜类化合物的绝大多数分为木藜芦烷类(Grayanane)、木藜芦酚类、二萜甙和双苯基黄酮甙等3类,其中最重要的是木藜芦烷类,杜鹃花科毒素多属此类,该类物质也主要在杜鹃花科中发现。这些毒素大部分可看作是由贝壳杉烷(Kaurane)重排而来,具有相同的母体结构,是由C5—C7—C6—C5四环骈合而成的二萜。这些毒素目前已知60余种(见表1),其中少数几种的结构至今尚未确定。团花毒素(Rhodoanthin)是目前从杜鹃花科植物中分得的毒性最大的成分。值得注意的是,尺蛾(Arichannagaschrevitchii)的幼虫以日本马醉木(Pierisjaponica)为寄主,在其成虫中除发现马醉木毒素-Ⅰ,Ⅳ,木藜芦毒素-Ⅲ,闹羊花素-Ⅲ和Kalmitoxin-Ⅰ外,还发现2种新的结构类似物Arichannatoxin-Ⅰ,Ⅱ,可强烈抑制日本壁虎(Gekkojaponicus)取食尺蛾。木藜芦酚类物质共7个化合物,均来自植物木藜芦,包括木藜芦酚(Leucothol)A、B、C、D,灰安酚(Grayanol)A、B和木藜芦烷酚(Granyathol)A。二萜甙包括从木藜芦中分得的木藜芦甙(Grayanoside)A、B、C、D和从日本马醉木中得到的马醉木甙(Pieroside)A、B,这是一类新型的二萜甙。双苯基黄酮甙主要有从Leucothekeiskei中分离得到的波赖奥甙(Poriolide)和异波赖奥甙(Isoporiolide),是一类闭合的环内甙,在天然化合物中较常见。杜鹃花属中很多种类的活性成分已被研究,如黄毛杜鹃、日本杜鹃等,在国内,研究得最详细的当属黄杜鹃(RhododendronmolleG.Don)。黄杜鹃,又称羊踯躅、闹羊花、山枇杷、老虎头、搜山虎、闷头花、羊不食草、牛不食草、惊羊草(江西、广西)、八厘麻(湖北)、六轴子(江苏)、三钱三、黄花女(广东)等;国内遍及华中、华南,少见于西南,生于海拔1000m的山坡草地或丘陵地带的灌木丛或山脊杂木林下,叶大而密被柔毛,花黄色而易识别,为著名中草药和杀虫植物。目前已从黄杜鹃中分离并鉴定出结构的活性成分有8种:分别是闹羊花素(Rhodojaponin)-Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ,Rhodomollein-Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ,Kalmanol和Grayanotoxin-Ⅲ。此外,还含有浸木毒素(Andromedotoxin)、石楠素(Ericolin)、杜鹃花毒素(Rhodotoxin)、司帕拉沙酚(Sparassol)、马醉木毒素(Asebotoxin)等。2木精准木毒素衍生物的保护作用对杜鹃花科毒素构效关系的研究,目前主要集中在木藜芦烷类毒素上。Hikino等报道了36种杜鹃花科毒素和人工合成衍生物对小鼠的毒性测定结果,发现3β-羟基、6β-羟基、2,3-环氧基,可能还有5β-羟基等对木藜芦烷毒素毒性影响甚大,环氧结构提高其毒性。Hotta等用豚鼠(Guineapig)做试验,发现除3β-羟基、6β-羟基外,10β-甲基对于心脏乳头的收缩作用也是非常重要的,并且10α-羟基和14β-羟基的酰化作用可加强其收缩作用。试验结果还表明,在供试的10个化合物中马醉木毒素-Ⅲ(Asobotoxin-Ⅲ)的强心作用和毒性最强。Mager等也以豚鼠做试验,结果表明,木藜芦毒素的10α-H、10β-O、14β-OOCCH2CH3、14β-OOCCH(OH)CH3是其重要的活性部位,其中14β-OOCCH2CH3毒性最高,因为其在代谢上比羟基更为稳定。Masutani等研究了34种木藜芦烷毒素衍生物对青蛙骨骼肌的结构活性关系后认为,木藜芦烷毒素的生物活性,主要取决于分子的立体专一性和疏水性,分子存在最佳疏水性;其4种主要活性基团,即3β-羟基或2β、3β-环氧基、6β-羟基、5β-羟基和10β-甲基在藜芦碱(Veratridine)、树蛙毒素(Batrachotoxin)和乌头碱(Aconitine)等使Na+通道打开的生物碱中都存在,因此,这类毒素可能是增加Na+的通透性,从而影响神经冲动的传导。陈常英等对从杜鹃花科植物中提取分离的9个化合物,进行量子化学计算,得出轨道波函数等多种电子结构信息,讨论了作用机理及电子结构与毒性之间的关系,并从电子结构角度证明了氧原子三角区(环氧基团)对生物活性的重要贡献。3生物活性3.1植物的毒草类化学成分杜鹃花科植物活性成分有良好的抗菌消炎作用,如秀丽杜鹃(RhododendronconcinnumHemsl)、汶川杜鹃(RhododendronhunnewellianumRehdetWills)、矮枇杷(RhododendronmariesiiHemsletWills)的抗菌作用就强于或相当于黄莲(CoptischinensisFranch)。但近年来,其作为神经药理学基质而更受重视。Rhododentronhymenanthes叶提取物经由静脉注射到小鼠体内,轻则呕吐,重则呼吸暂停、痉挛;Rhododendronchrysanthum,Rhododendronflavum和Rhododendrondahuricum叶抽提物对猫的心脏都有活性;从华丽杜鹃(Rhododendron.farrerae)叶分离的杜鹃素(Farrerol)和Matleucinal能影响视觉。映山红(Rhododendronsimsii)的嫩叶是“红桃合剂”的主要成分,对慢性支气管炎有良好疗效,满山红(Rhododendrondahuricum)、紫花杜鹃(Rhododendronmariae)都有止咳化痰的功效。从大白花杜鹃(Rhododendrondecorum)叶中分离得到的木藜芦毒素Ⅰ在低剂量(1～100μg/kg)时有明显降压作用,还能诱发动物的传入神经、迷走神经、肌神经、颈神经、颈动脉神经和皮质神经产生强烈的突发效应,证明是一种高强度的肌兴奋剂。黄杜鹃为著名有毒植物,是传统“蒙汗药”的主成分之一,公元5年《神农本草》已将其列为“大毒”药物,《本草纲目》也详细记载其毒性:“花、根、叶有大毒,羊食其叶,踯躅而死。曾有人以其入酒饮,遂至于毙也。”《植物名实图考》把它列入毒草类。广东北部名之为“三钱三”,有内服勿过此量的涵义。黄杜鹃又是一种历史悠久的中草药,历代医书均记载其用途为治疗风湿性关节炎及跌打损伤,湖北民间有“跌倒地上爬,离不开八厘麻”的说法。黄杜鹃也可用于治疗温疟、慢性支气管炎,颇有疗效,其果实的毒素作用与乙酰胆碱有明显的协同作用,与毒蕈碱-胆碱反应系统有关,花也对中枢神经系统有一定的抑制作用和镇痛作用。羊误食黄杜鹃后,可用甜菜、中草药解毒。闹羊花素-Ⅲ最早是Hikino等从日本杜鹃(R.japonicum)中分离得到,近年来关于其药理学的研究较多。闹羊花素-Ⅲ在0.1mg/L浓度下对离体猫左右心房收缩均有增强作用,在1.0mg/L时则引起抑制作用,能降低兴奋性,缩短功能性不应期,出现自动节律及心律失常,还可引起血压降低,显著窦性心动过缓,Q—T期间延长,影响心肌营养血流量及cAMP(环腺苷酸)含量、激活中枢肾上腺素α受体,延长心室相对不应期和有效不应期,增加离体兔心室和心房舒长期阀值等药理效应,众说纷纭。3.2黄玉林主要经济害虫毒杀活性成分杜鹃花科植物中,作为杀虫剂而应用最广、研究最早最详的是黄杜鹃。早在20世纪20年代末,研究人员就发现,黄杜鹃药液喷雾防治桑蟥、灌施防治地下害虫、浸渍处理蚜虫(Aphisbrassicae)效果良好,熏蒸家蝇(Buscadomesticaricina),致死时间与除虫菊粉相同,苏醒时间比除虫菊粉长,苏醒百分率比除虫菊粉低。据不完全统计,黄杜鹃对豆平蝽(Coptosomacribraia)、甘蔗绵蚜(Oregmacanigora)、苎麻黄蛱蝶(Parebaxesta)、菜粉蝶(Pierisrapae)、稻瘿蚊(Orseoliaoryzae)、稻蝗、稻苞虫、负泥虫、叶蝉、甘薯金花虫、红蜘蛛等10科50余种重要经济害虫毒杀效果良好(见表2)[39,4,4,42,4,44,4,46,4,48,4,50],因此,曾作为土农药在黄杜鹃产区广泛应用。从20世纪80年代起,对黄杜鹃的应用研究,更注重提取活性成分,以利用其作为先导化合物,创制生物合理性农药。从目前报道看,黄杜鹃活性成分中,对昆虫活性最强的是闹羊花素-Ⅲ。闹羊花素-Ⅲ对马铃薯甲虫(Leptinotarsadecemilineata)4龄幼虫的拒食活性比印楝素高16倍,对草地夜蛾(Spodopterafrugierda)、杂拟谷盗(Triboliumconfusum)、二化螟(Chilosuppressalis)、粘虫(Mythimnaseparata)、亚洲玉米螟(Ostriniafurnacalis)、斜纹夜蛾(Spodopteralitura)、甜菜夜蛾(Laphygmaexigua)、、美洲斑潜蝇(Liriomyzasativae)、小菜蛾(Plutellaxylostella)、萝卜蚜(Lipaluserysim)等具有强烈或较强的生物活性,对菜粉蝶幼虫具有强烈的拒食、毒杀、生长抑制和产卵忌避作用,较强的熏蒸作用,中等程度的内吸作用,对卵孵化有一定的影响,对高龄幼虫触杀和忌避作用不强。此外,闹羊花素-Ⅱ、Ⅴ和其他杜鹃花属植物对害虫的作用也散见有报道。4对菜粉蝶幼虫的毒杀作用高等动物对杜鹃花科毒素中毒的症状,主要是剧烈流涎,扭体和呕吐、口吐白沫等肠胃道中毒症状和颈后倾,运动失调,角弓后张,呼吸抑制和惊厥等神经系统中毒症状。解剖中毒牛羊可见瘤胃粘膜脱落,胃肠粘膜弥漫性出血,气管、支气管充血,血清学检查红血细胞,淋巴细胞无明显变化,嗜中性细胞增多,胞核染色模糊不均。根据对大白鼠、兔、青蛙等动物的研究可知,木藜芦烷类毒素属于心脏神经系统毒素。它们直接作用于心脏,既能增加心脏收缩力,也对心脏有触发活性,或者导致高度房室传导阻滞,或者产生快速心速失常,以致抑制心脏跳动而致死。木藜芦类毒素又可作用于细胞膜胆碱受体的离子调节部位,有可逆地去极化激活作用,特异性地增加心肌、肌梭等部位的神经细胞和肌肉细胞静息膜对Na+通透性,提高细胞膜内Na+浓度,从而影响神经冲动传导。这种机制和海洋动物毒素西加毒素(Ciguatoxin)、箭毒蛙毒素(Batrachotoxin)相似,并可以由河豚毒素(Tetrotosin)引起非竞争性拮抗而使去极化减弱或消失。木藜芦类毒素对呼吸、心脏和神经系统的多种效应均可以从这一作用机制得到解释。杜鹃花科活性成分的杀虫作用机制仍不很清楚。从中毒症状看,菜粉蝶幼虫取食少量经黄杜鹃叶粗提物处理的叶片后,爬动加快,反应强烈,很快出现痉挛,吐出大量绿色液体,高举头部,向后弯曲,经一段时间后恢复正常;再次取食少量经处理的叶片后,随即出现兴奋、痉挛。如此不断重复,从而达到拒食和毒杀效果。二化螟幼虫经闹羊花素-Ⅲ处理后,迅速表现过度兴奋,身体扭曲,痉挛,仰头举尾,不能爬动,体软瘫痪,停止活动,体色变黑,直至死亡。所以,闹羊花素-Ⅲ被认为是一种神经毒剂。但进一步的试验表明,经黄杜鹃花粗提物馏分FC-22(主要含闹羊花素-Ⅲ)处理后,菜粉蝶和二化螟幼虫体内的多功能氧化酶(MFO)活性提高,乙酰胆碱酯酶(AChE)活性与对照试虫无差异,这与传统的神经药剂的作用机理显然不同。经闹羊花素-Ⅲ处理后,粘虫消耗氧量明显低于对照,斜纹夜蛾血淋巴蛋白质合成高峰出现被推迟,峰值被降低,血淋巴蜕皮甾类在整体水平上低于空白对照,出峰时间延迟,峰值显著低于对照,菜粉蝶幼虫血淋巴蛋白质、甘油酯、总糖、海藻糖等能源物质含量显著变化。采用电生理方法研究表明,馏分FC-22能阻断猫神经纤维的冲动传导,闹羊花素-Ⅲ能迅速抑制亚洲玉米螟栓锥感受器的电位。Xu等利用胞内微电极记录技术(Microeletrodaintracellularrecordingtechnique)测定结果表明,闹羊花素-Ⅲ可抑制并最终阻断果蝇(DrosophilamelangasterMeigen)3龄幼虫腹侧纵肌细胞内神经肌肉兴奋性接点电位(Neuromuscularexcitatoryjunctionpotentials,EJPS),因而认为闹羊花素-Ⅲ对神经肌肉传递的破坏作用可能与其致死效应有关。作者对闹