石杉型三萜类化合物及其生物活性研究进展

周文昊，董秋竹，成 飞，徐康平*

1.中南大学湘雅药学院，湖南 长沙 410013

2.湖南省中医药研究院中药研究所，湖南 长沙 410013

石杉型三萜是一类结构特殊的五环三萜，其基本骨架由A、B、C、D、E 5 个环骈合而成，其中C环为七元环，偶有开环，且其C-14/C-15 之间常存在一个双键，环上含有7 个角甲基或其氧化形式，C-3 位和C-21 位多含连氧取代基（图1）。第1 个石杉型三萜由Inubushi 等[1]从蛇足石杉Lycopodiumserratum(Thunb.)var.thunbergiiMakino 中分离得到，因此而得名；后来人们又从石松科等植物中分离得到大量石杉型三萜类化合物，现代药理研究表明这类化合物具有抗肿瘤、抗菌、抗炎、抑制胆碱酯酶等广泛的生物活性。本文对自1964年至今分离得到的石杉型三萜类化合物的结构类型、药理活性、生源途径及波谱学特征进行归纳总结，以期为该类化合物的进一步研究提供参考。

图1 山芝烯二醇的结构Fig.1 Structure of serratenediol

1 结构类型

石杉型三萜类化合物分为一般结构和特殊结构2 大类型。一般结构石杉型三萜保持其基本的五元环骨架结构，根据环上氧连接官能团的数量多少可以分为二醇类、三醇类和多醇类。特殊结构类型的石杉型三萜结构多样，主要有三萜苷类、开环类、环氧类、失碳类、D 环为五元环类以及一种新的立体构型（D/E 环顺式骈合）的石杉型三萜，见表1。

表1 石杉型三萜类化合物的植物来源Table 1 Plant origin of serratene triterpenoids

续表1

续表1

续表1

续表1

1.1 二醇类（1～34）

二醇类石杉型三萜一般在C-3 位及C-21 位有羟基取代，C-14/C-15 位为双键。该类化合物以serratenediol（1）为代表，最早在1964年由日本学者Inubushi 等[1]从蛇足石杉中分离得到，很可能是C 环为七元环的石杉型三萜中最原始的一类化合物。另外，也有少数C-13/C-14 位成双键的情况（10，26～29），还存在一些C-3 或C-21 位羰基取代的二醇类三萜，其中Tanaka 等[5]从松科植物Picea jezoensisvar.jezoensis中分离得到的serrat-14-ene-3,21-dione（7）C-3 及C-21 位均被氧化为羰基。此外，该类型三萜C-3 或C-21 位也可以醚或酯的形式存在（11～29），还有极少数与芳环成酯（31～34），本文将这2 类化合物仍归入此类。二醇类石杉型三萜的化学结构见图2。

图2 二醇类石杉型三萜的化学结构Fig. 2 Chemical structures of diols substituted serratene triterpenoids

1.2 三醇类（35～66）

三醇类石杉型三萜是指含3 个氧接官能团的一类化合物，与二醇类三萜相同的是其C-3 及C-21 位通常为羟基或其酯取代。该类三萜C-14/C-15 位若为双键，则环上C-24 或C-29 位常被含氧官能团取代，如化合物lycoclavanol（35）的C-24 位为羟甲基[18]，化合物serrat-14-en-3β,21β,29-triol（39）则为C-29 位被氧化[21]。同时也有C-16 位被氧化为羰基而成α,β 不饱和酮结构，如16-oxoserratenediol（42）[24]。倘若结构中不含双键，则其C-14 位常有羟基取代，取代羟基相对构型可为α（41）也可为β（40）[22-23]。另外目前仅有1 个从松科植物Picea jezoensisvar.jezoensis中分离得到的三醇类化合物 21αmethoxyserrat-13-ene-3,15-dione（47）为双键位于C-13/C-14 位，羰基位于C-15 位[5]。三醇类石杉型三萜的化学结构见图3。

图3 三醇类石杉型三萜的化学结构Fig.3 Chemical structures of triols substituted serratene triterpenoids

1.3 多醇类（67～145）

多醇类统指含有4 个及以上含氧取代基的石杉型三萜类化合物，氧取代官能团一般为羟基、羰基、羧基及醛基等，本文将这些取代基成酯的化合物仍然归入此类。多醇类化合物环上取代基数量及结构的多样性使其为石杉型三萜各类型中数量最多的一类化合物。部分多醇类化合物结构同上述二醇类及三醇类化合物相似的是双键位于C-14/C-15 位；还有一部分该类化合物含α,β 不饱和酮结构（C-14/C-15/C-16）；另外有部分多醇类三萜结构中不含不饱和键，但其C-14 或C-15 位被羟基取代；比较特殊的是有少量化合物在除C-3、C-14、C-15、C-16、C-21、C-24、C-29 位被氧代外，如Yan 等[46]从扁枝石松中分离得到一系列羟基位于C-20、C-27 位的五羟基甚至六羟基取代型三萜，如 14α,15α,20β,21β,24,27α,29-heptahydroxyserrat-3-one（110）和3β,14α,15α,20β,21β,24,27α,29-octahydroxyserratane（111），Deng 等[47]从玉柏石松中分离得到的C-20 位羟基乙酯化合物3β,19α-dihydroxy-20β-acetate-serrat-14-en-21β-ol（113）在C-19 位还有羟基取代，另有3 个由石松得到的化合物（107～109）C-12 位均被羟基取代[45]，这都丰富了石杉型三萜类化合物的结构多样性。多醇类石杉型三萜的化学结构见图4。

图4 多醇类石杉型三萜的化学结构Fig.4 Chemical structures of multi-alcohols substituted serratene triterpenoids

1.4 三萜苷类（146～153）

目前已分离得到的石杉型三萜各类型化合物共计180 余种，但对石杉型三萜苷类的研究仍非常欠缺。到目前为止，仅有8 个3β-葡萄糖苷类化合物在20世纪90年代于石松科植物中被发现。不管是从苷元的类型还是成苷方式，亦或是连糖的数量和类型而言，三萜苷类化合物的继续研究都具有重要的意义。三萜苷类石杉型三萜的化学结构见图5。

图5 三萜苷类石杉型三萜的化学结构Fig.5 Chemical structures of serratene triterpenoid glycosides

1.5 开环类（154～163）

开环类化合物的结构特征是七元环（C 环）裂开，C-8 位常有羟基或羰基取代，C-14 位与C-27 位成双键或失去C-27 位碳直接与羟基相连，A 环或E环连有羟基。该类化合物以芒柄花萜醇（154）为代表[52]，其在石松科及松科植物中都有发现，为开环类三萜的常见化合物。较为特殊的是从石松中发现的26-nor-7(9)-lactone-α-onocerin（162）B 环为七元内酯环[19]，这种类型的开环三萜也是首次从石松中分离得到。开环类石杉型三萜的化学结构见图6。

图6 开环类石杉型三萜的化学结构Fig.6 Chemical structures of seco-serratene triterpenoids

1.6 环氧类（164～174）

环氧类石杉型三萜是指含有分子内含有氧环结构的一类特殊化合物。目前已分离得到的该类化合物分子中的氧环位置有3 处，其一是位于C 环，C-26 角甲基与C-14 直接由氧原子相连（172～174）。Bhutani 等[58]从红樱草中分离得到3 个新型三萜类化合物均属于该类型。另外2 种氧环位于D 环中不同位置，分别在C-14/15（164～168）及C-13/C-14（169～171），其中 14β,15β-epoxyserratan-3β,21β,29-triol（168）源于蛇足石杉[21]，其他化合物则只报道于松科植物。环氧类石杉型三萜的化学结构见图7。

图7 环氧类石杉型三萜的化学结构Fig.7 Chemical structures of epoxy-serratene triterpenoids

1.7 失碳类（175～180）

失碳类在石杉型三萜中较为少见，在松科植物Pinus montícola和Picea jezoensisvar.hondoensis中分别发现了C-22 位失1 个碳原子的3β-methoxy-22αmethyl-norserrat-14-en-21-one（175）和29-nor-3αmethoxyserrat-14-en-21-one（176）[26,59]。另外，Zhou等[60]从扁枝石松中分离得到4 个C-23 位失碳的石杉型三萜（177～180）。失碳类石杉型三萜的化学结构见图8。

图8 失碳类石杉型三萜的化学结构Fig.8 Chemical structures of nor-serratene triterpenoids

1.8 D/E 环顺式骈合类（181～183）

常规的石杉型三萜5个环均为反式骈合（图4），而Zhou 等[60]从扁枝石松中分离得到3 个D 环/E 环顺式骈合的石杉型三萜（181～183）。通过比较碳谱数据发现，它们的C-13、C-28、C-30 位碳化学位移与已报道的存在显著性差异，进一步通过计算化学手段确证了这种新的立体构型的存在，更加丰富了石杉型三萜结构的多样性。目前，这种类型的石杉型三萜报道的仅3 个，有待深入发掘。D/E 环顺式骈合类石杉型三萜的化学结构见图9。

图9 D/E 环顺式骈合石杉型三萜的化学结构Fig.9 Chemical structures of serratene triterpenoids with cis-parallel D/E rings

1.9 其他类（184～189）

除了以上的8 类石杉型三萜外，还从松科植物Picea jezoensisvar.jezoensis中分离得到2 个D 环为五元环及C-3/C-21 位羟基取代型三萜[61]，从石松科植物石松中发现了同样结构的C-3/C-21/C-24 位氧代化合物[55]。水龙骨科多足蕨属植物欧亚多足蕨中还报道了2 个无氧接官能团的Δ13-14和Δ14-15的其他类型三萜[54]。另从水龙骨科的伏石蕨中发现了C 环为七元内酯环的8α,14β-epoxyonocerane（189）[63]。其他类石杉型三萜的化学结构见图10。

图10 其他类石杉型三萜的化学结构Fig.10 Chemical structures of other serratene triterpenoids

2 药理活性

目前国内外学者对石杉型三萜的研究大多集中于化学结构方面，对不同结构石杉型三萜的药理活性研究不够深入。而且研究结果显示同种结构类型石杉型三萜的活性也不尽相同，其活性与结构相关性尚无规律可循。目前对于石杉型三萜的活性研究主要集中于抗肿瘤和细胞毒方面，偶有关于抑制胆碱酯酶、抑制β 位淀粉样前体蛋白裂解酶1（βsite amyloid precursor protein cleaving enzyme1，BACE-1）、抑制白色念珠菌分泌型天冬氨酸蛋白酶、抗增殖、抗菌、抗炎等作用的研究。

2.1 抗肿瘤作用

石杉型三萜类化合物的抗肿瘤作用一直以来深受广大研究者关注。Tanaka 等[57,64]评价分离自松科植物的系列石杉型三萜类化合物对12-O-十四烷酰佛波醇-13-醋酸酯诱导的Epstein-Barr 病毒早期抗原（EBV-EA）激活的体外抑制作用，结果发现所有化合物均对EBV-EA 的激活有显著的抑制作用。继而对其中2 个活性最好的化合物54、170 进行体内抑制小鼠皮肤癌试验，结果显示化合物170 具有良好的抗肿瘤活性。针对上述实验结果，Tanaka 等[64-65]还对石杉型三萜类化合物抗肿瘤活性的构效关系进行了初步探讨，以及进一步推测部分抗肿瘤促进因子活性得益于C 环是七元环的柔性结构，C-13/C-14 之间的氧环也有助于增强该类化合物抗肿瘤促进因子活性。此外，C-29 或C-30 位的醛基也可增强石杉型三萜类化合物的抗肿瘤作用。

Yamaguchi 等[66]首次使用改良大鼠多器官癌变模型研究化合物16 对以二乙基亚硝胺、1,2-二甲基肼、N-丁基-N-(4-羟丁基)亚硝基胺、N-甲基亚硝基脲、N-亚硝基二异丙醇胺5 种致癌物预处理的大鼠内脏器官和组织的潜在化学预防作用。结果表明化合物16 在肺癌的发生发展过程中具有显著的抑制作用，其机制可能与抑制细胞增殖和解毒系统的活化有关，但确切机制还需要进一步研究。

2.2 细胞毒作用

Wei 等[23]对由垂穗石松中分离得到的5 个多羟基和开环三萜类化合物运用宫颈癌HeLa-/-细胞坏死和凋亡2 种细胞死亡模型进行了活性实验。结果表明3 个21β-OH 取代化合物41、70、71 显示出较好的细胞毒作用，其中化合物70 的半数最大效应浓度（median effect concentration，EC50）值为（0.28±0.13）μmol/L，低于阳性对照药阿霉素的（1.40±0.07）μmol/L，且其是通过细胞凋亡的途径发挥细胞毒作用的。而21α-OH 取代的化合物72 和开环类化合物155 则没有活性。

Wittayalai 等[31]研究了源自马尾杉中的石杉型三萜化合物分别对人胆管癌HuCCA-1 细胞、人肺癌A549 细胞、人肝癌HepG2 细胞以及急性淋巴细胞白血病MOLT-3T 淋巴细胞的细胞毒作用。研究结果显示2 个多醇酯类化合物125、126 及1 个二醇类化合物2 对MOLT-3T 淋巴细胞有一定的细胞毒作用。

Yan等[46]采用磺酰罗丹明B 方法检测扁枝石松中一系列的C-27 位连有羟基的多醇类石杉型三萜对白血病K562/S 细胞和对阿霉素抵抗的K562/R 细胞的细胞毒作用，结果表明化合物132 能够显著抑制这2种细胞的增殖，半抑制浓度（half maximal inhibitory concentration，IC50）值分别为7.08、7.76 μmol/L。

Zhang 等[19]采用MTT 法研究石松（伸筋草）中石杉型三萜类化合物对A549、HepG2、MCF-7 细胞的细胞毒作用，结果显示开环类化合物157 对MCF-7 细胞的细胞毒活性较好，其IC50为6.13 μg/mL，另外4 个化合物则对HepG2 细胞的细胞毒作用较为明显，IC50值为2.28～7.17 μg/mL。

2.3 抑制胆碱酯酶及BACE-1 作用

有研究表明开环类化合物154 具有较好的乙酰胆碱酯酶抑制作用，其IC50值为5.2 μmol/L[67]。对从垂穗石松中分离得到的石杉型三萜类成分进行体外乙酰胆碱酯酶、丁酰胆碱酯酶及BACE-1 抑制活性的评价，结果表明化合物58 对乙酰胆碱酯酶抑制的IC50值为0.91 μmol/L，化合物124 对丁酰胆碱酯酶抑制的IC50值仅有0.42 μmol/L，化合物45则显示出更强的BACE-1 抑制活性，其IC50值为0.23 μmol/L[25]。从扁枝石松中分离得到的10 个三醇类化合物却没有胆碱酯酶抑制活性，但是具有BACE-1 抑制活性[20]。以上这些活性研究结果提示石杉型三萜类化合物具有治疗阿尔茨海默病的潜在活性，但其活性研究仍需进一步探索。

2.4 抑制白色念珠菌分泌型天冬氨酸蛋白酶作用

Zhang 等[35]对分离自石松科垂穗石松属植物垂穗石松中的10 个石杉型三萜类化合物做了抑制白色念珠菌分泌型天冬氨酸蛋白酶的活性实验，发现其中1 个五羟基三萜酸类化合物74 具有很强的天冬氨酸蛋白酶抑制活性，其IC50值为20.0 μg/mL。

2.5 抗菌作用

2017年有学者研究了松科植物赤松中的3 个石杉型三萜类化合物14、55、56 对引起疟疾的原生动物、细菌和真菌等的抑制作用，发现它们均有一定的抗菌及抗增殖活性[28]。

2.6 抗炎作用

Jo 等[68]发现石杉型三萜类化合物87 能够通过细胞外调节蛋白激酶途径抑制环氧化酶-2、诱导型一氧化氮合酶、核因子-κB 的表达，减少白细胞介素-1β、白细胞介素-8、一氧化氮等炎症因子的产生，改善炎症水平。

3 生源途径

由于多种石松科植物及松科植物都含有芒柄花萜醇，因此Tsuda 等[69]推测石杉型三萜类化合物可能源于芒柄花萜醇的单质子化反应。此种生源转化假设延续了几十年，直至2017年Saga 等[70]成功克隆了石松中一种新的onoceroid合酶基因，该基因与先前鉴定的芒柄花萜醇合酶显示出高度的序列同一性。这才在基因水平上确定石杉型三萜合成的前体物质是芒柄花萜醇前体而不是一直推测的芒柄花萜醇。

2,3,22 ,23-环氧角鲨烯经环化反应后失质子得到前体物质芒柄花萜醇前体，其环化后得到化合物A，化合物A 可发生脱氢反应得到C 环开环的芒柄花萜醇。同时化合物A 也可进行环化反应而使C 环闭环得到化合物B。化合物B 通过脱去C-15 位质子即可得山芝烯二醇，而发生水解反应即得山芝三醇。山芝烯二醇是C-14/C-15 位双键的代表化合物，山芝三醇则是C-14 位羟基取代的代表化合物，具体生源途径见图11。

图11 石杉型三萜类化合物的生源途径Fig.11 Biosynthesis pathway of serratene triterpenoids

4 NMR 波谱学特征

常规的石杉型三萜类化合物5 个环之间均为反式骈合（化合物181～183 除外），其中C 环为七元环，偶有开环，D 环既有双键结构也有非双键结构，环上常有氧接官能团。基于这2 类化合物的结构特征，它们的核磁共振（NMR）数据也具有其相应的谱学特征。本文对这2 种构型的石杉型三萜类化合物的NMR 特征进行了归纳总结。

4.1 γ-gauche 效应对石杉型三萜类化合物δC的影响

γ-gauche 效应是指结构中电负性基团使α、β 碳原子的化学位移移向低场，而使γ 碳原子的化学位移移向高场的现象。γ-gauche 效应一般常见于链烃中，但在六元环固定椅式构象中也会存在。这种现象表现为取代基位于直立键（a 键）时，与γ 位竖键氢之间存在C-1、C-3 的空间挤压作用，化学位移较取代基位于平伏键（e 键）时移向高场，见图12。

图12 γ-gauche 效应Fig.12 γ-Gauche effects

石杉型三萜类化合物C-3、C-21 位等常有羟基取代，羟基构型的变化导致该类化合物常常存在差向异构体，γ-gauche 效应可用于判断石杉型三萜差向异构体中取代基的构型。通过分析比对13C-NMR数据可发现每对差向异构体中碳原子的化学位移存在一定数值的差异，且δC差异是由OH 构型的变化引起的。以3-OH 异构为例，3-OH 为β 构型时，其位于平伏键（e 键），C-1、C-5 的化学位移不受γ效应影响。反之，3-OH 为α 构型时，其位于直立键（a 键），相较于β 构型而言，该OH 会与H-1 和H-5 在空间位置上相互接近，存在排斥作用，使得电子云密度偏向各自的碳原子，从而增加了屏蔽效应，使γ-C（C-1、C-5）向高场移动，化学位移减小约5[12,35,38,40,44]。类似地，21-OH 异构中其为β 构型即处于直立键（a 键）时，C-17、C-19 受γ-gauche效应影响，向高场移动，化学位移减小约4[21,36,39,40,55]。因此在石杉型化合物结构鉴定时，γgauche 效应可辅助判断差向异构体的3-OH 及21-OH 构型。

4.2 27-OH 取代对石杉型三萜类化合物δC 的影响

对于C-27 无羟基取代的化合物而言，其C-27的特征亚甲基信号（δC55 左右）常作为石杉型三萜类化合物的一个重要的判别标准[42]。而对于27-OH石杉型三萜类化合物，C-27 由亚甲基被氧化为连氧次甲基后，其化学位移发生变化。到目前为止，仅报道过27-OH 为α 构型的4 个tohogenol 型石杉型三萜类化合物，其化学位移均在80 以上[46]。以上结果可为石杉型三萜类化合物的基本类型及相应结构特征提供参考。

4.3 D/E 环顺式骈合的石杉型三萜类化合物

与一般石杉型三萜化合物不同的是，在化合物181～183 中，它们的D 环与E 环变为了顺式骈合，这种立体构型与齐墩果烷型三萜类化合物一致。这2 种构型的石杉型三萜类化合物的差别具体表现在C-13、C-28 和C-30 位上。Zhou 等[60]研究发现，当D 环与E 环顺式骈合时（以化合物181 为例，图13），H-13 和H-30 在空间上十分接近，由于挤压作用而导致H-13 的电子云密度偏向C-13、H-30 的电子云密度偏向于C-30，使得C-13 和C-30 周围的电子云密度增大，屏蔽效应增强，化学位移分别降低了约13、16。相反，H-28 与H-29 的空间挤压作用消失，屏蔽效应减弱，C-28 的化学位移升高了约10。这种新的立体构型的发现提示该类化合物在结构上还存在着更多的可能性，也为后续的结构解析提供了借鉴和指导。

图13 化合物181 的γ-gauche 效应Fig.13 γ-Gauche effects of compound 181

5 结语

本文较为全面地综述了石杉型三萜类化合物的结构及相关药理活性的研究现状，并基于现有研究推导了其可能的生源合成途径，且对其波谱学特征进行了浅显的表征。自20世纪60年代至今，石杉型三萜类化合物的结构研究丰富了其化学成分多样性，且该类成分在生源合成途径中相关基因和酶的发现也为其在生物合成领域中的研究提供了参考和指导。但是石杉型三萜类化合物相关药理活性的研究仍远远滞后，较少涉及深入的机制研究；同时有关生物合成的研究也相对较少。基于目前研究取得的结果及存在的不足，期望今后对石杉型三萜类化合物的研究涉及多领域、多方向，发现更多结构新颖、生物活性显著的天然产物。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突