基于植物活性成分的非生物堿毒素杜鵑花科植物活性成分及作用機制研究進展

杜鵑花科約54種植物分布廣泛，廣泛分布于南北半球和北冰洋地區(qū)。中國約有15屬550余種,其中有毒品種9屬100種以上,集中于金葉子屬(Cribiodendron)、米飯花屬(Lyonia)、馬醉木屬(Pieris)和杜鵑花屬(Rhododendron)。中國西南山區(qū)被認為是全國也是全世界的杜鵑花屬分布中心,不少種被引種到歐美,成為當?shù)刂@花卉的親本。杜鵑花科植物或具極高的欣賞價值,或有很高的藥用價值,其廣闊的開發(fā)應(yīng)用前景已引起國內(nèi)外的重視。筆者綜述了近年來關(guān)于杜鵑花科植物活性成分、構(gòu)效關(guān)系、生物活性及作用機制方面的研究進展。1多元化n在天然非生物堿毒素中,杜鵑花科植物活性成分是很引人注目的。在這些成分中,目前已確定的大多數(shù)都是四環(huán)二萜類化合物,也含有少量揮發(fā)油類、酚類、黃酮、鞣質(zhì)等。根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)類型,可將這些萜類化合物的絕大多數(shù)分為木藜蘆烷類(Grayanane)、木藜蘆酚類、二萜甙和雙苯基黃酮甙等3類,其中最重要的是木藜蘆烷類,杜鵑花科毒素多屬此類,該類物質(zhì)也主要在杜鵑花科中發(fā)現(xiàn)。這些毒素大部分可看作是由貝殼杉烷(Kaurane)重排而來,具有相同的母體結(jié)構(gòu),是由C5—C7—C6—C5四環(huán)駢合而成的二萜。這些毒素目前已知60余種(見表1),其中少數(shù)幾種的結(jié)構(gòu)至今尚未確定。團花毒素(Rhodoanthin)是目前從杜鵑花科植物中分得的毒性最大的成分。值得注意的是,尺蛾(Arichannagaschrevitchii)的幼蟲以日本馬醉木(Pierisjaponica)為寄主,在其成蟲中除發(fā)現(xiàn)馬醉木毒素-Ⅰ,Ⅳ,木藜蘆毒素-Ⅲ,鬧羊花素-Ⅲ和Kalmitoxin-Ⅰ外,還發(fā)現(xiàn)2種新的結(jié)構(gòu)類似物Arichannatoxin-Ⅰ,Ⅱ,可強烈抑制日本壁虎(Gekkojaponicus)取食尺蛾。木藜蘆酚類物質(zhì)共7個化合物,均來自植物木藜蘆,包括木藜蘆酚(Leucothol)A、B、C、D,灰安酚(Grayanol)A、B和木藜蘆烷酚(Granyathol)A。二萜甙包括從木藜蘆中分得的木藜蘆甙(Grayanoside)A、B、C、D和從日本馬醉木中得到的馬醉木甙(Pieroside)A、B,這是一類新型的二萜甙。雙苯基黃酮甙主要有從Leucothekeiskei中分離得到的波賴奧甙(Poriolide)和異波賴奧甙(Isoporiolide),是一類閉合的環(huán)內(nèi)甙,在天然化合物中較常見。杜鵑花屬中很多種類的活性成分已被研究,如黃毛杜鵑、日本杜鵑等,在國內(nèi),研究得最詳細的當屬黃杜鵑(RhododendronmolleG.Don)。黃杜鵑,又稱羊躑躅、鬧羊花、山枇杷、老虎頭、搜山虎、悶頭花、羊不食草、牛不食草、驚羊草(江西、廣西)、八厘麻(湖北)、六軸子(江蘇)、三錢三、黃花女(廣東)等;國內(nèi)遍及華中、華南,少見于西南,生于海拔1000m的山坡草地或丘陵地帶的灌木叢或山脊雜木林下,葉大而密被柔毛,花黃色而易識別,為著名中草藥和殺蟲植物。目前已從黃杜鵑中分離并鑒定出結(jié)構(gòu)的活性成分有8種:分別是鬧羊花素(Rhodojaponin)-Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ,Rhodomollein-Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ,Kalmanol和Grayanotoxin-Ⅲ。此外,還含有浸木毒素(Andromedotoxin)、石楠素(Ericolin)、杜鵑花毒素(Rhodotoxin)、司帕拉沙酚(Sparassol)、馬醉木毒素(Asebotoxin)等。2木精準木毒素衍生物的保護作用對杜鵑花科毒素構(gòu)效關(guān)系的研究,目前主要集中在木藜蘆烷類毒素上。Hikino等報道了36種杜鵑花科毒素和人工合成衍生物對小鼠的毒性測定結(jié)果,發(fā)現(xiàn)3β-羥基、6β-羥基、2,3-環(huán)氧基,可能還有5β-羥基等對木藜蘆烷毒素毒性影響甚大,環(huán)氧結(jié)構(gòu)提高其毒性。Hotta等用豚鼠(Guineapig)做試驗,發(fā)現(xiàn)除3β-羥基、6β-羥基外,10β-甲基對于心臟乳頭的收縮作用也是非常重要的,并且10α-羥基和14β-羥基的酰化作用可加強其收縮作用。試驗結(jié)果還表明,在供試的10個化合物中馬醉木毒素-Ⅲ(Asobotoxin-Ⅲ)的強心作用和毒性最強。Mager等也以豚鼠做試驗,結(jié)果表明,木藜蘆毒素的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,因為其在代謝上比羥基更為穩(wěn)定。Masutani等研究了34種木藜蘆烷毒素衍生物對青蛙骨骼肌的結(jié)構(gòu)活性關(guān)系后認為,木藜蘆烷毒素的生物活性,主要取決于分子的立體專一性和疏水性,分子存在最佳疏水性;其4種主要活性基團,即3β-羥基或2β、3β-環(huán)氧基、6β-羥基、5β-羥基和10β-甲基在藜蘆堿(Veratridine)、樹蛙毒素(Batrachotoxin)和烏頭堿(Aconitine)等使Na+通道打開的生物堿中都存在,因此,這類毒素可能是增加Na+的通透性,從而影響神經(jīng)沖動的傳導(dǎo)。陳常英等對從杜鵑花科植物中提取分離的9個化合物,進行量子化學計算,得出軌道波函數(shù)等多種電子結(jié)構(gòu)信息,討論了作用機理及電子結(jié)構(gòu)與毒性之間的關(guān)系,并從電子結(jié)構(gòu)角度證明了氧原子三角區(qū)(環(huán)氧基團)對生物活性的重要貢獻。3生物活性3.1植物的毒草類化學成分杜鵑花科植物活性成分有良好的抗菌消炎作用,如秀麗杜鵑(RhododendronconcinnumHemsl)、汶川杜鵑(RhododendronhunnewellianumRehdetWills)、矮枇杷(RhododendronmariesiiHemsletWills)的抗菌作用就強于或相當于黃蓮(CoptischinensisFranch)。但近年來,其作為神經(jīng)藥理學基質(zhì)而更受重視。Rhododentronhymenanthes葉提取物經(jīng)由靜脈注射到小鼠體內(nèi),輕則嘔吐,重則呼吸暫停、痙攣;Rhododendronchrysanthum,Rhododendronflavum和Rhododendrondahuricum葉抽提物對貓的心臟都有活性;從華麗杜鵑(Rhododendron.farrerae)葉分離的杜鵑素(Farrerol)和Matleucinal能影響視覺。映山紅(Rhododendronsimsii)的嫩葉是“紅桃合劑”的主要成分,對慢性支氣管炎有良好療效,滿山紅(Rhododendrondahuricum)、紫花杜鵑(Rhododendronmariae)都有止咳化痰的功效。從大白花杜鵑(Rhododendrondecorum)葉中分離得到的木藜蘆毒素Ⅰ在低劑量(1～100μg/kg)時有明顯降壓作用,還能誘發(fā)動物的傳入神經(jīng)、迷走神經(jīng)、肌神經(jīng)、頸神經(jīng)、頸動脈神經(jīng)和皮質(zhì)神經(jīng)產(chǎn)生強烈的突發(fā)效應(yīng),證明是一種高強度的肌興奮劑。黃杜鵑為著名有毒植物,是傳統(tǒng)“蒙汗藥”的主成分之一,公元5年《神農(nóng)本草》已將其列為“大毒”藥物,《本草綱目》也詳細記載其毒性:“花、根、葉有大毒,羊食其葉,躑躅而死。曾有人以其入酒飲,遂至于斃也。”《植物名實圖考》把它列入毒草類。廣東北部名之為“三錢三”,有內(nèi)服勿過此量的涵義。黃杜鵑又是一種歷史悠久的中草藥,歷代醫(yī)書均記載其用途為治療風濕性關(guān)節(jié)炎及跌打損傷,湖北民間有“跌倒地上爬,離不開八厘麻”的說法。黃杜鵑也可用于治療溫瘧、慢性支氣管炎,頗有療效,其果實的毒素作用與乙酰膽堿有明顯的協(xié)同作用,與毒蕈堿-膽堿反應(yīng)系統(tǒng)有關(guān),花也對中樞神經(jīng)系統(tǒng)有一定的抑制作用和鎮(zhèn)痛作用。羊誤食黃杜鵑后,可用甜菜、中草藥解毒。鬧羊花素-Ⅲ最早是Hikino等從日本杜鵑(R.japonicum)中分離得到,近年來關(guān)于其藥理學的研究較多。鬧羊花素-Ⅲ在0.1mg/L濃度下對離體貓左右心房收縮均有增強作用,在1.0mg/L時則引起抑制作用,能降低興奮性,縮短功能性不應(yīng)期,出現(xiàn)自動節(jié)律及心律失常,還可引起血壓降低,顯著竇性心動過緩,Q—T期間延長,影響心肌營養(yǎng)血流量及cAMP(環(huán)腺苷酸)含量、激活中樞腎上腺素α受體,延長心室相對不應(yīng)期和有效不應(yīng)期,增加離體兔心室和心房舒長期閥值等藥理效應(yīng),眾說紛紜。3.2黃玉林主要經(jīng)濟害蟲毒殺活性成分杜鵑花科植物中,作為殺蟲劑而應(yīng)用最廣、研究最早最詳?shù)氖屈S杜鵑。早在20世紀20年代末,研究人員就發(fā)現(xiàn),黃杜鵑藥液噴霧防治桑蟥、灌施防治地下害蟲、浸漬處理蚜蟲(Aphisbrassicae)效果良好,熏蒸家蠅(Buscadomesticaricina),致死時間與除蟲菊粉相同,蘇醒時間比除蟲菊粉長,蘇醒百分率比除蟲菊粉低。據(jù)不完全統(tǒng)計,黃杜鵑對豆平蝽(Coptosomacribraia)、甘蔗綿蚜(Oregmacanigora)、苧麻黃蛺蝶(Parebaxesta)、菜粉蝶(Pierisrapae)、稻癭蚊(Orseoliaoryzae)、稻蝗、稻苞蟲、負泥蟲、葉蟬、甘薯金花蟲、紅蜘蛛等10科50余種重要經(jīng)濟害蟲毒殺效果良好(見表2)[39,4,4,42,4,44,4,46,4,48,4,50],因此,曾作為土農(nóng)藥在黃杜鵑產(chǎn)區(qū)廣泛應(yīng)用。從20世紀80年代起,對黃杜鵑的應(yīng)用研究,更注重提取活性成分,以利用其作為先導(dǎo)化合物,創(chuàng)制生物合理性農(nóng)藥。從目前報道看,黃杜鵑活性成分中,對昆蟲活性最強的是鬧羊花素-Ⅲ。鬧羊花素-Ⅲ對馬鈴薯甲蟲(Leptinotarsadecemilineata)4齡幼蟲的拒食活性比印楝素高16倍,對草地夜蛾(Spodopterafrugierda)、雜擬谷盜(Triboliumconfusum)、二化螟(Chilosuppressalis)、粘蟲(Mythimnaseparata)、亞洲玉米螟(Ostriniafurnacalis)、斜紋夜蛾(Spodopteralitura)、甜菜夜蛾(Laphygmaexigua)、、美洲斑潛蠅(Liriomyzasativae)、小菜蛾(Plutellaxylostella)、蘿卜蚜(Lipaluserysim)等具有強烈或較強的生物活性,對菜粉蝶幼蟲具有強烈的拒食、毒殺、生長抑制和產(chǎn)卵忌避作用,較強的熏蒸作用,中等程度的內(nèi)吸作用,對卵孵化有一定的影響,對高齡幼蟲觸殺和忌避作用不強。此外,鬧羊花素-Ⅱ、Ⅴ和其他杜鵑花屬植物對害蟲的作用也散見有報道。4對菜粉蝶幼蟲的毒殺作用高等動物對杜鵑花科毒素中毒的癥狀,主要是劇烈流涎,扭體和嘔吐、口吐白沫等腸胃道中毒癥狀和頸后傾,運動失調(diào),角弓后張,呼吸抑制和驚厥等神經(jīng)系統(tǒng)中毒癥狀。解剖中毒牛羊可見瘤胃粘膜脫落,胃腸粘膜彌漫性出血,氣管、支氣管充血,血清學檢查紅血細胞,淋巴細胞無明顯變化,嗜中性細胞增多,胞核染色模糊不均。根據(jù)對大白鼠、兔、青蛙等動物的研究可知,木藜蘆烷類毒素屬于心臟神經(jīng)系統(tǒng)毒素。它們直接作用于心臟,既能增加心臟收縮力,也對心臟有觸發(fā)活性,或者導(dǎo)致高度房室傳導(dǎo)阻滯,或者產(chǎn)生快速心速失常,以致抑制心臟跳動而致死。木藜蘆類毒素又可作用于細胞膜膽堿受體的離子調(diào)節(jié)部位,有可逆地去極化激活作用,特異性地增加心肌、肌梭等部位的神經(jīng)細胞和肌肉細胞靜息膜對Na+通透性,提高細胞膜內(nèi)Na+濃度,從而影響神經(jīng)沖動傳導(dǎo)。這種機制和海洋動物毒素西加毒素(Ciguatoxin)、箭毒蛙毒素(Batrachotoxin)相似,并可以由河豚毒素(Tetrotosin)引起非競爭性拮抗而使去極化減弱或消失。木藜蘆類毒素對呼吸、心臟和神經(jīng)系統(tǒng)的多種效應(yīng)均可以從這一作用機制得到解釋。杜鵑花科活性成分的殺蟲作用機制仍不很清楚。從中毒癥狀看,菜粉蝶幼蟲取食少量經(jīng)黃杜鵑葉粗提物處理的葉片后,爬動加快,反應(yīng)強烈,很快出現(xiàn)痙攣,吐出大量綠色液體,高舉頭部,向后彎曲,經(jīng)一段時間后恢復(fù)正常;再次取食少量經(jīng)處理的葉片后,隨即出現(xiàn)興奮、痙攣。如此不斷重復(fù),從而達到拒食和毒殺效果。二化螟幼蟲經(jīng)鬧羊花素-Ⅲ處理后,迅速表現(xiàn)過度興奮,身體扭曲,痙攣,仰頭舉尾,不能爬動,體軟癱瘓,停止活動,體色變黑,直至死亡。所以,鬧羊花素-Ⅲ被認為是一種神經(jīng)毒劑。但進一步的試驗表明,經(jīng)黃杜鵑花粗提物餾分FC-22(主要含鬧羊花素-Ⅲ)處理后,菜粉蝶和二化螟幼蟲體內(nèi)的多功能氧化酶(MFO)活性提高,乙酰膽堿酯酶(AChE)活性與對照試蟲無差異,這與傳統(tǒng)的神經(jīng)藥劑的作用機理顯然不同。經(jīng)鬧羊花素-Ⅲ處理后,粘蟲消耗氧量明顯低于對照,斜紋夜蛾血淋巴蛋白質(zhì)合成高峰出現(xiàn)被推遲,峰值被降低,血淋巴蛻皮甾類在整體水平上低于空白對照,出峰時間延遲,峰值顯著低于對照,菜粉蝶幼蟲血淋巴蛋白質(zhì)、甘油酯、總糖、海藻糖等能源物質(zhì)含量顯著變化。采用電生理方法研究表明,餾分FC-22能阻斷貓神經(jīng)纖維的沖動傳導(dǎo),鬧羊花素-Ⅲ能迅速抑制亞洲玉米螟栓錐感受器的電位。Xu等利用胞內(nèi)微電極記錄技術(shù)(Microeletrodaintracellularrecordingtechnique)測定結(jié)果表明,鬧羊花素-Ⅲ可抑制并最終阻斷果蠅(DrosophilamelangasterMeigen)3齡幼蟲腹側(cè)縱肌細胞內(nèi)神經(jīng)肌肉興奮性接點電位(Neuromuscularexcitatoryjunctionpotentials,EJPS),因而認為鬧羊花素-Ⅲ對神經(jīng)肌肉傳遞的破壞作用可能與其致死效應(yīng)有關(guān)。作者對鬧