红芪中的无机元素及其与药效活性成分关系的研究进展△

孙天雄，李成义，贾妙婷，汪莉

甘肃中医药大学，甘肃 兰州 730000

红芪为甘肃特色中药材之一，来源于豆科植物多序岩黄芪Hedysarum polybotrysHand.-Mazz.的干燥根[1]，与黄芪功效相似，具有补气、固表、利水、敛疮的作用，历史上多与黄芪通用[2]。红芪主产区为甘肃定西，陇南武都、宕昌等地，尤其以陇南武都所产的道地药材“米仓红芪”闻名全国[3-5]。近年来，国内有很多无机元素影响中药材质量的相关研究[6-13]，这些研究表明，不同种类的无机元素会直接或间接影响中药材的生长发育[14]，同时影响药材中次生代谢产物的积累[7]，从而影响中药材的药效，其中有些无机元素更是决定了某些中药材的道地性[15]；而红芪中无机元素的研究相对较少，无机元素影响红芪药效活性成分的研究也很少。红芪中含有人体代谢活动所需的多种无机元素[16]。红芪的临床疗效除了与中药材生产、加工、炮制有关，还与多糖、黄酮类、异黄酮类等药效活性成分有关[17]，其中红芪多糖、毛蕊异黄酮、芒柄花素等被认为是红芪药效活性成分，而这些药效成分的代谢积累更离不开无机元素的参与，且一些无机元素对红芪药效指标成分的积累有很大影响，会最终影响到红芪药材质量与临床疗效。

1 红芪无机元素种类和含量变化

1.1 红芪含较多的大量和微量无机元素

赵长琦等[18]研究比较了红芪和黄芪中无机元素的含量，测定了红芪中Na、K、Mg、Ca、Ba、Zn、Cu、Cd、Pb、Ni、Sn、Fe、Al、Mn、Hg、Se、B、P、Te、I、Mo、Cr、Co 等20 多种无机元素的含量，比较了红芪与黄芪中无机元素含量的差别，发现红芪与黄芪中的大量元素含量差异不明显，但与之相对的微量元素却有显著差异，推测红芪、黄芪的药效差别可能与两者所含微量元素的量有关系。在对红芪和黄芪所含的药效成分含量研究的过程中发现，为同科同属的2 种植物，红芪中的芒柄花素、芒柄花苷的含量普遍较黄芪高；而黄芪中则是毛蕊异黄酮葡萄糖苷含量较红芪高，可能与2 种药材生长过程中微量元素的积累有关。

1.2 无机元素含量随红芪生长过程呈规律性变化

强正泽等[19]采集了不同生长期的红芪，并对红芪根所含的Na、K、Mg、Ca、Zn、Cu、Ni、Fe、Mn、Cr、Li、Co 12 种无机元素进行分析，发现红芪在不同的生长期所含Cu、Co 元素含量差异显著，Na、K、Mg、Ca、Zn、Ni、Fe、Mn、Cr、Li 元素含量差异极显著。Cu 元素含量随着红芪生长时间逐渐增多，呈显著正相关；Fe、Mn、Na、Cr、Li元素含量随月份变化含量减少，呈显著负相关；Ca、Mg 元素含量随月份变化呈极显著负相关。Ni、K、Mn、Cr、Na 元素成为红芪不同生长时期的特征性元素。

1.3 各产区红芪所含无机元素种类相同但含量差异明显，且野生和栽培红芪无机元素种类和含量有差异

有研究者研究了不同红芪产区红芪质量与无机元素的关系，发现在武都、宕昌、岷县、首阳、漳县、渭源、天水采集的红芪样品中无机元素含量不尽相同，野生样品和栽培样品中无机元素含量也有差别[20-21]。以Na、K、Mg、Ca、Zn、Cu、Ni、Fe、Mn、Cr、Li、Co 12 种无机元素来评价红芪质量发现，野生红芪无机元素含量高于栽培品，并且道地产区武都、宕昌的红芪样品较其他产区红芪样品在评价排名中占优势。在基于无机元素鉴别野生红芪与栽培红芪的研究中发现：首先，Na、K、Mg、Ca、Zn、Cu、Ni、Fe、Mn、Cr、Li、Co 12种无机元素在野生红芪与栽培红芪体内含量有差异，K、Mg、Ca、Ni、Fe、Cu 含量在野生红芪体内较高；Na、Zn、Mn、Cr、Li、Co 在栽培红芪体内含量较高。其次，以微量元素为指标分析，Fe、Li、Co 3 种元素可以作为鉴别野生和栽培红芪的分类元素。并且发现红芪生长环境中，水和土壤因子会影响野生与栽培红芪体内微量元素含量的差异[22]。

1.4 红芪含无机元素与补益类中药中发现的无机元素种类大致相似

强正泽等[23]对红芪中无机元素的研究中发现，红芪中Ca、K、Zn、Na、Mg 元素相对含量较高，范文秀[24]在补益类中药微量元素的比较研究中也发现，补益中药中的Zn、Cu、Mn、Fe 含量丰富，说明红芪作为补益类中药体内含有特定无机元素种类。

2 无机元素的营养作用及与红芪药效活性成分的相关性

2.1 几种植物无机元素的生理作用

植物生长过程中从土壤和水中主动或被动转运吸收一些无机元素，大部分被细胞主动吸收利用，用于植物自身生命活动。例如，Fe 元素对植物生理活动有非常重要的作用，是叶绿素合成的必须物质[25]，常参与细胞内氧化还原反应和电子传递，参与核酸代谢、蛋白质代谢，参与植物呼吸作用，有机酸、维生素、碳水化合物合成[26]。而Mg、Zn、Ca、K、Cu、Co 元素对植物也有很重要的作用：Mg是叶绿素的组成成分、多种酶的活化剂，对植物生长发育有促进作用，还参与脂肪和蛋白质的合成[27]，与遗传物质、维生素A、维生素C 的合成有关[28]；Zn 是植物体内物质水解、氧化还原和蛋白质合成有重要作用的酶的组成元素，如脱氢酶、碳酸酐酶和磷脂酶等，Zn 还参与吲哚乙酸和叶绿素的形成，是细胞核糖体维持稳定的必要成分[29-30]；Ca 元素对植物有不可估量的作用，能稳定细胞生物膜、细胞壁结构，能促进细胞伸长和分裂，还能参与第二信使传递[31]，有调节细胞渗透压和酶促作用；K能调节植物气孔的开闭和水分的代谢，是多种酶的活化剂，其中一些酶参与光合作用、糖酵解和氮代谢过程，并且K 能增强植物抗逆性，能促进光合作用和同化产物向果实内转移；Cu元素是植物维持正常生命活动必需的7 种微量元素之一，能和各种氨基酸、肽、蛋白质结合成为稳定性强的络合物，这些络合物参与植物体各种生命活动，如与色素结合参与光合作用，对叶绿素和其他色素有稳定作用，还能构成各种含铜氧化酶，参与植物体内氧化还原反应，在酶中的作用独一无二，还参与氮素代谢，影响植物根部根瘤中氧化酶的活性，进而影响固氮作用；Co 元素对一切固氮生物来讲是特殊的，不论是豆科根瘤固氮植物还是非豆科非根瘤固氮植物[32]。目前，从Co对植物的作用研究来看，Co能形成活泼的含Co金属酶络合物，也是很多酶的催化剂，尤其是合成维生素B12的主要成分，还能促进植物胚轴生长、胚芽鞘的张开和托叶的扩大，也会促进生长素和细胞分裂素的形成等[33]。

2.2 红芪代表性活性成分与药理表现

红芪中有丰富的化学成分，其中具有生物活性的成分包括黄酮、多糖、皂苷、氨基酸、微量元素等。其中，最具代表性的药效活性成分有红芪多糖、总黄酮（包括异黄酮类成分毛蕊异黄酮、毛蕊异黄酮葡萄糖苷、芒柄花素和芒柄花苷）。这些药效活性成分有广泛的临床药理作用，主要表现为机体免疫调节[34-35]、抗肿瘤[36]、改善心血管疾病、抗炎、抗细胞衰老[37-38]等，是红芪敛疮生肌、脱毒排脓、补气扶正的药效物质基础。红芪多糖（HPS）是红芪中具有药效活性的成分之一，属于植物多糖的范畴，化学结构上是由同种或不同种多糖通过化学键（糖苷键）相互作用而形成的多聚糖化合物，主要存在于红芪根部细胞中。目前，化学结构和生物活性研究最清楚的红芪多糖主要有26 种，如HPS1、HPS2、HPS3、HPS4、HPS5、硫酸酯葡糖（SHG）等[39]。红芪多糖药理作用广泛，常表现在调节免疫系统能力[40]、机体保护[41]、抗炎[42]、抗肿瘤[43-44]、抗氧化[36,45]等方面，在防治糖尿病方面也有不错的效果[46]。黄酮类化合物的基本母核结构为2-苯基色原酮，广泛存在于高等植物中，有广泛的生物活性。红芪中也含有大量的黄酮类化合物及其衍生物。黄酮类成分也是红芪药效活性成分之一，其中异黄酮类成分为主要药效活性成分。红芪总黄酮有较好的抗肿瘤作用，能在一定浓度范围内阻滞血癌细胞增殖分裂，具体表现为会抑制血癌细胞核DNA 复制分裂的准备期，延缓白血病病势[47]。此外，红芪总黄酮在体外抗氧化实验中有良好的清除氧自由基的能力[48]；还能延缓运动后小鼠骨骼肌内氧化因子的积累，升高超氧化物歧化酶（SOD）的水平，抑制骨骼肌细胞氧化反应[49]。

2.3 已知的相关性分析及野生与栽培红芪的活性成分差异

目前，国内外对红芪中无机元素和药效成分之间关系研究的很少，具体的作用机制尚不清楚，更多的是研究无机元素对红芪异黄酮类和多糖类成分积累的影响，还有野生和栽培红芪之间质量差异与两者所含无机元素种类、含量间的关系：1）红芪积累毛蕊异黄酮与Fe 和Mg 元素在一定范围内有正相关关系；芒柄花素的积累除了与Fe 和Mg 元素有关还和Ca和Ni元素有显著相关，这4 种元素间有协同作用；Zn 和Mg 元素表现出对红芪多糖的积累有抑制作用，强正泽等[50]在测定了Na、K、Mg、Ca、Zn、Cu、Ni、Fe、Mn、Cr、Li、Co 12 种微量元素与红芪中红芪多糖、毛蕊异黄酮和芒柄花素含量的相关性后发现，Fe 和Mg 元素与红芪中毛蕊异黄酮的积累呈现极显著正相关关系，且Fe 元素相关关系最高，说明毛蕊异黄酮的累积与红芪摄取Fe和Mg元素有关，Fe可能为主导元素；Fe、Ca、Ni、Mg 4种微量元素与芒柄花素的累积呈极显著正相关关系，并与K 元素含量有正相关性，与Cr、Li、Co 元素含量有负相关性，说明红芪体内芒柄花素的累积受多种元素的协同作用；Zn 和Mg 元素可能会对红芪多糖的累积有抑制作用。2）研究发现，野生红芪中的芒柄花素和毛蕊异黄酮含量均比人工栽培红芪高，说明野生红芪在药效物质积累上优于栽培红芪，一个原因可能是野生红芪生长环境优于栽培红芪，野生红芪多生长在土壤内环境平衡、气候变化差异不明显、生长所需的无机元素相对平衡的地方，栽培红芪的栽培土壤往往经过多年其他作物的生长，土壤内环境已出现不平衡，无机元素种类趋于单一，含量或多或少，人为地施肥和喷施农药导致土地酸碱性不稳定；另一个原因可能与野生红芪体内摄入的微量元素种类和含量与栽培红芪有差异性[51]，野生红芪受自然环境淘汰选择，已经适应了所在地的环境情况，能主动和被动地吸收自身环境中的大多数自身需要的无机元素来满足生长发育和后代遗传；而栽培红芪经人工选育，对生长条件要求比较苛刻，再加上栽培土壤中的无机元素种类不平衡，或认为施加的元素肥料过于单一、农药残留等问题，导致红芪新陈代谢不旺盛，植物次生代谢被抑制，使红芪在从苗到药材成熟的关键阶段积累的药效活性成分不足。

3 结语

中药红芪在防病、治病方面特点突出，补气作用强，能托毒敛疮、化腐生肌，资源丰富，有极大的种植应用价值。红芪药材质量主要体现在临床疗效，药材所含的药效物质是关键。药效指标成分红芪多糖、异黄酮类毛蕊异黄酮和芒柄花素的药理作用广泛，这些红芪次生代谢产物与红芪新陈代谢活动密不可分，而红芪新陈代谢活动又离不开无机元素的参与。中药红芪中的无机元素种类多达几十种，其中既有大量元素也有微量元素，且元素含量随红芪生长呈现有规律的动态变化。毛蕊异黄酮、芒柄花素的积累受无机元素的影响明显，红芪多糖受Zn和Mg 元素浓度范围的影响。可见，无机元素的动态平衡会影响到红芪药效活性成分的积累，所以红芪药效质量不仅受土壤营养成分的影响，土壤中无机元素种类和含量的平衡也必不可少。产地对红芪种植品质的形成有较大的影响，不同地区所产红芪无机元素无种类差异，但同种无机元素含量差异明显，道地产区陇南武都和宕昌所产红芪微量元素含量总体较高。野生红芪在质量方面优于栽培红芪，并且在以微量元素为指标的前提下，野生红芪和栽培红芪的区别主要在Fe、Li、Co 这3 种微量元素的含量上。建议加大对红芪体内无机元素的研究，进一步明确无机元素对红芪指标成分的具体影响，提高红芪栽培质量，增强红芪的临床疗效。