冬虫夏草中活性成分虫草素的研究进展

袁甜，崔琳琳，李国玉，王洋，李洋

(哈尔滨商业大学药学院(药物工程技术研究中心)，黑龙江 哈尔滨 150076)

古籍中把冬虫夏草、人参和鹿茸并称为三宝，冬虫夏草最早记载于《本草从新》中，公元780年在《藏虫草》中指出冬虫夏草“润肺、补肾”功能。冬虫夏草药性平和，补肺、强肾和益精气等功效，最近的研究多集中在冬虫夏草的提取物虫草素上。虫草素[1](COR)分子式为C10H13N5O3，熔点231℃，紫外最大吸收波长259 nm,虫草素比腺苷少一个3′-羟基基团(见图1)，能溶于水，热乙醇和甲醇，不溶于乙醚氯仿。虫草素隶属于肉座目、子囊菌纲、麦角菌科的食药用菌科复合型真菌。其繁殖包括有性和无性两个阶段。虫草素通过刺激腺苷作为受体，抑制丝氨酸/苏氨酸激酶(GSK)-3β和抑制细胞周期蛋白D1，还可抑制血小板聚集，抑制金属蛋白酶-2(MMP-2)和金属蛋白酶-9(MMP-9)，加速分泌抑制金属蛋白酶组织抑制因子(TIMP-1,TIMP-2)。

图1 腺苷及虫草素的结构式

1 代谢途径

虫草素进入体内，易被腺苷酸脱氨酶脱氨，转化成之前所认为的无活性产物(3′-脱氧肌苷)，最新研究表明[2],3′-脱氧肌苷在哺乳动物中可转化为有活性的虫草苷，图2所展示的是虫草素代谢途径与虫草素的磷酸化形式，今后的候选药物可以参照这一循环。GPRCRs在虫草素代谢中发挥重要作用。解决虫草素易脱氨的问题可以通过以下3方面着手：1)制备成虫草素纳米金复合物；2)使用腺苷脱氨酶抑制剂与虫草素联用；3)对虫草素进行结构改造。

图2 虫草素代谢途径

2 药理作用

虫草素(3′-脱氧腺苷，COR)，COR通过抑制mRNA聚腺苷酸化，并调节与各种细胞过程[3-5]，具有抗癌(凋亡和自噬诱导)[6-7]、抗白血病干细胞、抗炎、抗氧化剂、抗病原、杀虫、抗高血脂、抗肝毒性、抗纤维化和神经保护活性、皮肤光老化保护、骨骼肌疲劳抑制、防止缺血/再灌注引起的损伤和骨骼保护等药理作用。

2.1 抗肿瘤

癌症是一种恶性肿瘤，由良性肿瘤经过胚胎细胞，间充质干细胞，成纤维细胞，纤维细胞和恶性肿瘤细胞等过程形成的，肿瘤的性质不仅由肿瘤细胞控制也由肿瘤细胞微环境控制，其中包括巨噬细胞、间充质干细胞、炎症细胞等。虫草素抗肿瘤涉及到苷酸活化蛋白激酶(AMPK)、核因子激活的B细胞的κ-轻链增强(NF-κB)、丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)、PI3K/Akt、金属蛋白酶(MMP)和半胱氨酸蛋白酶(Caspase)等信号通路[8-10](见图3)。COR主要通过以下几种方式发挥抗肿瘤作用：1)COR 通过磷酸化，与ATP(三磷酸腺苷)结构高度相似，酶也会错误地将COR识别为腺苷，这会导致嘌呤代谢异常。2)COR取代ATP，来抑制靶向蛋白激酶。3)COR直接激活蛋白激酶，例如AMPK，可能是因为AMP/ATP比率增加。4)COR中断mRNA聚腺苷酸化，是因为PolyA(聚合酶)错误识别为ATP。COR具有作为配体抑制RNA延伸和转录。5)通过各种信号途径的糖皮质激素影响抗炎和抗氧化剂。凋亡抑制，mTOR抑制和细胞周期阻滞，通过GPCR/PKC信号通路抑制肿瘤生长。

图3 虫草素治疗各个通路

2.2 抗白血病

Wang[11]用200 μmol/L COR处理(THP-1)急性单核细胞白血病细胞24 h后，凋亡细胞的百分比显着增，发现COR通过下调Bcl-2，Akt1，Akt2和Akt3的水平，并提高Bax的表达，p-Akt和p-ERK的蛋白水平受到抑制，Caspase-3裂解增加，COR通过下调ERK/Akt信号传导来诱导(THP-1)急性单核细胞白血病细胞凋亡。Liang等[12]发现虫草素减少了U937和K562细胞中的CD34(+)CD38(-)细胞，并通过白血病和间充质基质/干细胞(MSC)中的自分泌和旁分泌调节诱导Dkk1表达。虫草素抑制白血病细胞与MSCs的结合，下调白血病中的N-钙黏着蛋白和MSCs中的VCAM-1表达，破坏白血病干细胞(LSCs)和基质结合，是一种潜在的抗白血病治疗剂。Liao等[13]发现虫草素促进p53的表达，从而促进了细胞色素C从线粒体到细胞质的释放，细胞色素C可以激活Caspase-9并触发固有的细胞凋亡和DNA损伤，从而引发NB-4和U937细胞周期停滞和凋亡。Shi等[14]研究虫草素可以使白血病细胞停在G1期。Lu等[15]研究表明虫草素通过钙诱导途径诱导红细胞凋亡。

2.3 抗肝癌

Guo等[16]发现虫草素通过阻止NF-κβ的活化来抑制P65的核易位，导致CXCR4表达下调，使肝癌细胞的迁移和侵袭能力受损。Lin等[17]发现在用虫草素(WECM)处理12 h的(SCC-4)肝癌细胞中观察到氧化应激和线粒体功能障碍(线粒体裂变)，发现虫草素使细胞周期停滞在G2/M期，从而抑制(SCC-4)肝癌细胞的活力。Bi等[18]建立了平均大小为125.3 nm，药物封装率为65.3%的转铁蛋白缀合脂质体，将虫草素递送至肝癌细胞，发现增加活性氧的产生并引起肝癌细胞线粒体跨膜去极化[19]。虫草素通过调控Bcl-2家族蛋白，从而诱导(HepG2)肝癌细胞凋亡。

2.4 抗前列腺癌

Lee等[20]实验表明虫草素通过调节P13K/AKt途径来抑制金属蛋白酶MMP-2、MMP-9的表达，还可以提高金属蛋白酶抑制剂TIMP-1、TIMP-2的表达，激活将细胞停止在G1期，线粒体电势丧失来发挥抑制(LNCaP)前列腺癌细胞的作用。Choi等[21]发现虫草素通过激活Caspase-3和Caspase-9(而非Caspase-8)的蛋白水解，聚合酶降解，线粒体膜电位(MMP)丧失，Bax/Bcl-2(或Bcl-xl)比增加，下调凋亡蛋白(TAP)家族抑制剂，Bax构象变化以及细胞色素C释放，从而诱导PC-3(人前列腺癌细胞)凋亡。Lee等[22]发现虫草素通过增加促凋亡Bax的剂量和减少抗凋亡Bcl-2的剂量，从而触发线粒体膜电位的崩溃以及Caspase-9和Caspase-3的激活来发挥抗(LNCaP)前列腺癌细胞的作用。

2.5 抗口腔癌

Ho等[23]发现虫草素在治疗口腔鳞状细胞癌(OSCC)细胞中，诱导ATG5和p21上调，使细胞停滞在S、G2/M期，发挥抑制口腔鳞状细胞癌(OSCC)增殖的作用。Nai等[24]通过DNA直方图分析发现虫草素延长了DNA双链断裂的时间，虫草素与RT结合可延长RT诱导的(OSCC)口腔鳞状细胞癌细胞阻滞在G2/M期阻滞，从而增强OSCC细胞放射敏感性。Lin等[25]发现虫草素造成线粒体功能障碍(线粒体裂变)，抑制SCC-4口腔癌细胞的细胞活力，并使细胞周期停滞在G2/M期。Hsu等[26]发现虫草素可通过抑制EGFR和IL-17RA信号，并增强抗肿瘤免疫力，来抑制口腔癌小鼠模型中的肿瘤生长和恶性转化。

2.6 抗宫颈癌

Tania等[27]发现虫草素通过降低Cdk-2、Cyclin-E1和Cyclin-A2的表达，产生ROS诱导细胞停滞在S期，控制(SiHa和HeLa)宫颈癌细胞的生长，增加其凋亡率。Yu等[28]发现虫草素诱导p53介导的细胞凋亡和细胞周期检查点分子表达的调节，使G2/M阶段HeLa细胞的数量增加，发挥抗宫颈癌细胞系(ME180和HeLa细胞)的作用。Kaokaen等[29]发现虫草素通过增加ROS的产生和减少蛋白质的分泌来抑制(HSC-4)口腔鳞癌细胞的生长。

2.7 抗乳腺癌

Liu等[30]发现用120 μmol/L虫草素培养乳腺癌细胞24可以诱导细胞凋亡与抑制转移，进一步研究发现虫草素通过提高PUMA、CYTO-C、FAS、DR4/5裂解Caspase-3，降低Bcl-2，XIAP和PDGFR-α，上调E-钙黏蛋白和下调和N-钙黏蛋白，从而发挥抗乳腺癌的作用。Lee等[31]虫草素(25、50 μmol/L)处理MCF-7人乳腺癌细胞处发现细胞膜膜起泡，细胞收缩和细胞凝结比未处理的正常细胞的数量，进一步研究发现虫草素增加Caspase-7、Caspase-8和Caspase-9的裂解和Bax/Bcl-2蛋白在MCF-7细胞中的表达率，从而发挥抗乳腺癌作用。Dong等[32]发现虫草素通过Nrf2/HO-1/ROS通路增加乳腺癌细胞的辐射敏感性，促进了(MCF-7和MDA-MB-231)乳腺癌细胞的G2/M阻滞和凋亡。虫草素[33]处理4 h可以抗(MCF-7)乳腺癌细胞的增殖是通过p53激活实现的。

2.8 抗炎与抗氧化

虫草素已被证明在不同的细胞中都表现出抗炎活性[34-35]，这一作用归因于虫草素保护 IKB-α免于被降解,抑制NF-kB[36-37]及MAPK失活，导致炎症因子PEG2、COX-2、IL-1B，TNF-α下调，白细胞介素上调。虫草素通过调节抗氧化酶降低丙二醛(MDA)水平激活(SOD)超氧化物歧化酶和(GSH-Px)谷胱甘肽过氧化物酶，Wang等[38]在小鼠模型中，浓度为10 mg/kg的虫草素能抑制胸腺和脾肿胀，通过免疫组织化学法检测，蛋白质印迹检测蛋白质表达或磷酸化，并通过荧光成像表明，虫草素抑制T细胞增殖，减少IL-2产生并诱导T细胞凋亡，这些发现表明虫草素调节TCR信号传导以抑制炎症中过度的T细胞活化。因此，虫草素可能是炎症相关疾病的潜在治疗应用。

2.9 其他

Li等[39]发现虫草素通过通过激活Caspase-3，Caspase-9和细胞色素C诱导凋亡，靶向FGFR2和阻断阻断FGFR/Ras/ERK信号转导抗胰腺癌细胞生长。Zheng[40]虫草素进一步在mRNA和蛋白质水平上诱导Bax，Caspase-3，Caspase-9和Caspase-12上调，同时下调抗凋亡Bcl-2的表达。Xu等[41]证明虫草素通过MAPK/ERK途径诱导食管癌细胞阻滞G2/M期阻滞和凋亡。改善帕金森[42],抑制乳腺癌[43]，抑制核糖核酸的合成，虫草素对血管平滑肌细胞的抑制作用，改善记忆，抗衰老，对人类脊髓灰质炎病毒[44]，烟草花叶病毒[45]，丙型肝炎病毒，大肠杆菌，白色念珠菌[46-47]。可抑制皮肤光老化与成纤维化[48-49]，还可抑制皮炎[50]，虫草素具有很好的药用价值。还可以抑制心肌梗死[51]，脑缺血性损伤[52]，抑制脂肪生成和酒精诱导的肝毒性[53-54]，抑制高脂血症[55-56]等药理作用[57-59]。

3 总结与展望

虫草素在治疗人类疾病中有较高的药用潜力，尤其在抗肿瘤与炎症方面已取得令人满意的成果。虫草素的优势是：1)虫草素在肝癌、肺癌和乳腺癌等方面具有突出的治疗效果；2)是广谱抗菌药，耐药性高，有较强的抗菌效果；3)近年来在食品，药妆等方面也有新的应用。目前面临的挑战是：1)大规模生产虫草素需要严格的发酵条件；2)虫草素在体内代谢易脱去氨基；3)虫草素在体内需要磷酸化过程。面对这一形式我们可以通过新技术来推进研究步伐，其中新技术包括：现代网络药理学，代谢组学技术，分子对接技术，高通量筛选结合纳米级[60-61]药物模拟合成系统已经开发，通过技术手段来加快虫草素的研发与应用势在必得。