冬虫夏草活性成分研究进展

王 敦

(西北农林科技大学昆虫学研究所，陕西杨凌 712100)

冬虫夏草，简称虫草，最早记载于《本草纲目拾遗》中“冬在土中，身活如老蚕，有毛能动，至夏则毛出土上，连身俱化为草。若不取，至冬复化为虫”(赵学敏, 2020)，这致使多数人认为冬虫夏草冬日为虫、夏季变成草。实际上，冬虫夏草是虫草菌Cordycepssinensis感染蝙蝠蛾Hepialusspp.幼虫形成的虫菌复合体，是一种被真菌感染后僵死的虫体。中国被毛孢Hirsutellasinenese是冬虫夏草菌的无性阶段(刘锡琎等, 1989; 朵金玲等, 2018)。在世界范围内，冬虫夏草主要分布于喜马拉雅山脉，其中我国青海、西藏、四川和云南是虫草的主产区。其分布海拔多在4 000 m以上，植被为高山草甸、亚高山草甸和高山灌丛草甸。土壤坏境寒冷而湿润、昼夜温差大是虫草生长的最适宜的生态环境(Winkler, 2009；周刊社等, 2018)。冬虫夏草是中国传统的中药材和重要的滋补品，具有补肾兴阳、滋阴保肺、补虚损、补精髓、实腠理(增强免疫力)的功效，也是药食兼顾的补品(赵学敏, 2020)。尽管目前人们对冬虫夏草的功效和副作用有诸多存疑，例如网络上流传的冬虫夏草有害重金属超标、堪比毒药，以及相关研究认为冬虫夏草并无抗癌作用的成分(Xiaetal., 2017)等，但医药和保健品市场对其的需求依然旺盛，导致其价格居高不下。冬虫夏草是否具有特殊的生物活性，尚需更为精确的药物分析和药理学验证。本文就冬虫夏草的有效成分及其生物活性，特别是多糖、核苷、肽类和甾醇等主要的活性成分及其药理作用研究进展做一综述，并厘清一些科学问题。

1 冬虫夏草现代药理作用、有效成分评价与重金属含量

现代药理学研究发现，冬虫夏草具有抗氧化活性(Dong and Yao, 2008；陈佳等, 2020)、诱导肿瘤细胞凋亡、改善中枢神经系统功能(顾欣霞和葛晓群, 2017)、镇静催眠(刘高强等, 2007)、免疫调节(胡敏等, 2008)、抗病毒(王国华, 2017)等作用，也可作为抗癌症治疗的辅助药物(Wuetal., 2017)。尽管这些研究还不足以全面反映冬虫夏草的药理活性，但已然起到了抛砖引玉的作用。

随着对冬虫夏草研究的深入，运用冷浸提取、超临界二氧化碳提取(Wangetal., 2004)、索氏提取(钱正明等, 2016)、低温超声波提取(田野等, 2018；李庆文等, 2018)等方法得到冬虫夏草的粗体物质，通过高效液相色谱(HPLC)、高效液相色谱—质谱联用(HPLC-MC)和气相色谱—质谱联用(GC-MS)等方法鉴定出冬虫夏草含有多糖、氨基酸、核苷、甾醇、脂肪酸、酚、黄酮类和挥发性物质(Yuanetal., 2007; 钱正明等, 2016; 钱正明等, 2018; 方秋月, 2020)。但上述物质均属于在冬虫夏草中含量较高的化合物，是否还有一些含量较少、生物学活性极强的特殊物质，还有待进一步的研究。随着科技的进步和仪器设备精确度的升级，相信人们对冬虫夏草有效成分的研究会进一步深入，新的化合物会被逐渐发现和利用。

对于冬虫夏草及其替代品(发酵菌丝产物)的有效成分质量控制标准也有相关的研究探讨，例如：基于HPLC指纹图谱分析结合相似分析(SA)和层次聚类分析(HCA)，建立了区分和综合评价发酵冬虫夏草产品质量的新策略(Chenetal., 2018)。这些评价标准的建立，对于科学化评价冬虫夏草的有效成分及含量提供了新的手段。

针对一些关于冬虫夏草重金属含量超标的说法，有学者用电感耦合等离子体质谱法分析了冬虫夏草中的砷含量，表明冬虫夏草中砷含量远低于安全标准，药用和食用冬虫夏草对人健康并无影响(Zuoetal., 2018)。由于野生冬虫夏草的替代品多是大规模发酵生产的菌丝干燥物，关于冬虫夏草重金属残留问题，可能是源于其替代品商业化竞争需求，也可能是局部地区土壤特性造成，还有待进一步研究甄别。

2 冬虫夏草多糖及其活性

2.1 冬虫夏草多糖组成

利用化学法、傅里叶红外光谱法及色谱法对冬虫夏草多糖的组分和含量测定可知，D-葡萄糖(59.13%)、D-甘露糖(21.73%)和D-半乳糖(19.14%)是其主要成分(赵彪希等, 2020)，且与冬虫夏草的生长周期相关(Xiaetal., 2021)。D-甘露糖醇的俗名为虫草酸，截至目前被认为是虫草中主要的活性成分之一，也是目前评价虫草质量的重要标准(王鹏跃等, 2018)。当然，这一标准是基于现阶段的测试水平与研究结果，随着科技和分析仪器的进步，有可能会被修正或取代。

2.2 冬虫夏草多糖生物活性

较虫草的其他代谢物而言，虫草多糖在调节机体免疫系统、提高免疫力方面起着重要作用。大量试验证明，虫草多糖主要能增强巨噬细胞的吞噬能力和促进其分泌细胞因子，进而增强免疫能力(Methacanonetal., 2005; Chenetal., 2014)。虫草多糖和灵芝真菌多糖组合使用，同样可以调节细胞因子的种类和数量，从而影响机体的免疫系统(Fanetal., 2018)。虫草多糖还可以通过促进机体分泌免疫球蛋白，增强免疫能力和补体效果，有效缓解急性疲劳，提升机体抗疲劳能力(黄学惠, 2019; 杜秀芳和宋志伟, 2019)。

2.2.1 冬虫夏草多糖抗肿瘤活性

虫草多糖具有抗肿瘤作用的研究较多，主要集中在对结肠癌、肝癌、肺癌、黑色素瘤、肉瘤等实体瘤和淋巴癌、白血病等非实体瘤的繁殖和抗癌机理上(Chenetal., 2006; 蔡伟, 2011; 杨建鑫和李向阳, 2019)。研究表明，虫草多糖可以诱导淋巴细胞产生抑制凋亡因子Bcl-2的表达，提高Bcl-2/Bax比值(诸葛定娟等, 2016)、通过PI3K-AKT-mTOR和AMPK-mTOR-ULK1信号通路促进癌细胞凋亡(Qietal., 2020)。通过腹腔注射将虫草多糖用于被B16黑色素瘤细胞感染的小鼠，发现虫草多糖能显著的抑制B16黑色素瘤细胞在肺和肝的转移(Zhangetal., 2005)；Mei等从冬虫夏草中分离出一种分子量为117×105Da的虫草多糖1，研究发现虫草多糖1对肉瘤180细胞的增殖具有抑制作用，同时还能诱导其凋亡(Meietal., 2014)。

2.2.2冬虫夏草多糖抗氧化活性

虫草多糖具有抗氧化的活性，抗氧化活性对于机体损伤修复、改善器官功能、抗衰老均有促进作用。赵秋荣等(2012)确定了虫草多糖具有较好的清除羟基自由基和超氧化自由基的活性，且清除效果随虫草多糖浓度的增加而增强。Chen等(2006)研究表明虫草多糖可以增加小鼠脑、肝、血清中的过氧化物歧化酶以及肝和脑中的谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase, GSH-Px)的含量，保护神经元细胞，免受自由基引起的细胞毒性的影响(Lietal., 2003)。此外，冬虫夏草的胞外多糖也具有抗氧化和抑制α-葡萄糖苷酶活性的作用(Leetal., 2020)。

2.2.3冬虫夏草多糖降血糖作用

研究发现虫草多糖具有降血糖的作用，黄志江等(2002)将从人工虫草中提取的虫草多糖作用于四氧嘧啶糖尿病小鼠，结果显示小鼠通过提高胰岛素抵抗脂肪细胞的葡萄糖摄取水平，使其血糖水平和糖基化血清蛋白的含量显著降低，糖耐量增加。虫草多糖作为一种可溶性的膳食纤维，可以有效的防治小鼠体重的增加，对肥胖和相关疾病有保护作用(Chenetal., 2020)。

2.2.4冬虫夏草多糖其它作用

随着研究的深入，虫草多糖更多的生物活性被验证，如：虫草多糖可以抑制转化生长因子β1(TGF-β1)/Smad通路，治疗过敏性哮喘(Zhengetal., 2020)；平衡促炎症因子和抗炎症因子、同时降低正常细胞的凋亡，从而缓解急性肾衰竭(Guetal., 2020)；抑制人肾系膜细胞(HMCs)的增值治疗慢性肾功能衰竭(Wangetal., 2014)；通过MAPK信号通路缓解由X射线造成的机体损伤(杨建鑫, 2020)；抑制肺纤维化(崔兵兵等, 2019)和脾脏增生(Zhangetal., 2005)。

3 冬虫夏草核苷组成及其活性

3.1 冬虫夏草核苷组成

研究人员通过色谱法结合不同的流动相、流速和洗脱条件测定了冬虫夏草核苷的主要成分及其含量，主要有虫草素(Cordycepin; 3′-脱氧腺苷, 结构如图1所示)、2′-脱氧腺苷、腺嘌呤、腺苷、单磷酸腺苷、尿嘧啶、尿苷、二磷酸腺苷、次黄嘌呤、肌苷、鸟苷、鸟嘌呤、鸟苷(钱正明等, 2016; Fuetal., 2018; 昝珂等, 2018)。其中的虫草素和虫草多糖一样，也是目前被认为是虫草中主要的活性成分和评价虫草质量的重要标准。目前，已经建立了虫草核苷的HPLC指纹图谱分析法(王冰等, 2015; 安超等, 2017)；电容耦合非接触电导率检测与毛细管电泳联用(C4D-CE)可以对冬虫夏草的品质进行快速检测(Nguyenetal., 2021)。

图1 虫草素的结构(引自Yang et al., 2019)Fig.1 Structure of cordycepin

3.2 冬虫夏草核苷生物活性

目前，国内外的研究表明虫草素作为冬虫夏草核苷的主要活性物质，具有降血脂、调节机体免疫机能、抗肿瘤、消炎等多种功能，下面就分别做一总结。

3.2.1冬虫夏草核苷抗肿瘤活性

虫草素具有抗肿瘤活性和癌症治疗的辅助作用。虫草素可以有效地促进胰腺癌细胞、胆管癌细胞、卵巢癌细胞、乳腺癌细胞、睾丸癌细胞、舌癌细胞、食管癌细胞等的凋亡，同时抑制其在体内的增殖与转移(Xuetal., 2019; Jangetal., 2019; Changetal., 2020; Lietal., 2020; Liuetal., 2020; Zhengetal., 2020)。虫草素通过诱导细胞中心体扩增，破坏细胞骨架、抑制细胞增殖，促进人妊娠期绒毛膜癌细胞凋亡(Wangetal., 2020)。不同的癌症细胞对虫草素的耐药性不同，前列腺癌对其的最敏感，肾癌对其的耐药性最好(Özenveretal., 2021)。虫草素可以使得口腔鳞状细胞癌细胞DNA损伤修复相关的蛋白质表达的下调，延长了放疗和化疗(RT)诱导的G2/M期阻滞、增长DNA双链断裂的持续时间(Suetal., 2019; Hoetal., 2019)。临床实验结果表明虫草素能有效地减轻非小细胞肺癌术患者在化疗期间的不良反应，增强其免疫力，同时虫草素可以增强非小细胞肺癌、食管癌对顺式铂氨的化学敏感性(王智霖等, 2017; Gaoetal., 2020; Liaoetal., 2021)；由木薯纳米颗粒负载的虫草素，可抑制人口腔鳞癌细胞活性增强，同时能促进正常人下颌腺细胞增殖(Kaokaenetal., 2020)；而虫草素与Apatinib联合使用可以提升其抑制非小细胞肺癌细胞的迁移与增殖、促进癌细胞凋亡；与阿霉素联合使用可以干扰乳腺癌细胞的增殖与转移(胡鑫等, 2021)。将虫草素搭载在纳米材料上，可以增强其对肿瘤细胞的毒性(Ngocetal., 2021; Warutetal., 2021)，但血液毒性更小(Marslinetal., 2020)。

3.2.2冬虫夏草核苷抗炎作用

虫草素具有抗炎症作用。虫草素可以有效降低机体内的ROS水平，消除炎症反应(杨永丽等, 2021)；可以降低组织过度炎症细胞浸润，治疗炎症相关疾病(Yangetal., 2020)；虫草素也可以激活NLR家族PYRIN结构蛋白3(NLRP3)炎症小体治疗急性胰腺炎(Yangetal., 2020)；可以通过抗炎、抗纤维化作用治疗烧碱等腐蚀性药物引起的烧伤(Ercanetal., 2021)；虫草素与谷氨酰胺联合使用能有效改善机体炎症失衡和缓解肺部病理变化(樊晓光等, 2019)。

3.2.3冬虫夏草核苷保肝护肾作用

虫草素具有保肝护肾作用。虫草素可以激活AMPK信号通路、β-氧化相关蛋白，缓解代谢应激下的脂质积累、炎症和脂肪毒性，缓解高脂饮食引起的非酒精性脂肪肝病(Lanetal., 2021; Gongetal., 2021)。虫草素可以诱导自噬作用治疗糖尿病引起的肾病(Caoetal., 2019)， 也能保护肾脏，减轻缺血再灌注带来的损伤(Aydinetal., 2020)。

3.2.4冬虫夏草核苷对神经系统的保护作用

虫草素具有保护神经系统的作用。虫草素可以调节小鼠海马回CA1区中突触可塑性和缓解CA1区神经的过度兴奋、激活AChE酶的活性，提高记忆力，延缓阿尔兹海默病的发展(Yaoetal., 2019; Hanetal., 2019; 王金秀等, 2020; Maietal., 2021)；可以抑制神经炎症性脱髓鞘相关的疾病(Jiaetal., 2019)；可以缓解炎症诱导的神经元功能障碍，保护神经、用于帕金森症初期的治疗(Zhangetal., 2021)。虫草素能有效减缓因缺血引起的大脑、心脏等器官的损伤，且呈现药物浓度依赖性(马竞等, 2020)。

3.2.5冬虫夏草核苷对正常细胞的保护作用

虫草素可以保护正常细胞，促进其细胞增殖。通过抑制NF-κB 信号通路和下游的细胞因子表达，促进鼻黏膜上皮细胞增殖(姚香萍等, 2020)；通过促进骨髓间充质干细胞增殖，加速骨折愈合(Lietal., 2020)；调节细胞外基质来维持干细胞多能性，提高诱导多能干细胞的生成效率(Wangetal., 2020)；促进沉默信息调节因子2同源蛋白1(SIRT1)表达，缓解高糖引起的内皮细胞损伤(林慧榕等, 2020)。

3.2.6冬虫夏草核苷免疫促进和抗生活性

Wu等将虫草素作用于小鼠的巨噬细胞，通过测定发现小鼠巨噬细胞的胞饮作用增强、NO的释放量增加及细胞因子产生的种类增多同时数量也明显增加(Wuetal., 2014)。

虫草素在体外是一种高效的锥虫Trypanosomabrucei杀虫剂，口服后也能有效治疗由锥虫引起的昏睡症晚期患者(Hulpiaetal., 2019)。

4 冬虫夏草氨基酸类和肽类物质及其活性

4.1 冬虫夏草氨基酸类和肽类组成

研究发现，冬虫夏草中含有谷氨酸、精氨酸、天门冬氨酸、色氨酸、酪氨酸等氨基酸(王征和刘建利, 2009)，其中7种为人体必需氨基酸、4种为鲜味氨基酸和9种药效氨基酸(严冬和杨鑫嵎, 2014)，谷氨酸和天门冬氨酸是两种主要的氨基酸(Hsuetal., 2002)，谷氨酸、色氨酸和酪氨酸为主要药理成分。

4.2 冬虫夏草氨基酸和肽类生物活性

陈丽云和祁真(2018)通过小鼠的游泳力竭训练和免疫力检测试验发现，冬虫夏草氨基酸能有效地增加小鼠的游泳时间，降低血乳糖水平，具有抗疲劳的作用，还有增强免疫力的功能。

5 冬虫夏草甾醇类及其活性

近年来的研究发现，冬虫夏草中的甾醇类具有多种生物活性。冬虫夏草中的甾醇类物质主要是麦角甾醇，且冬虫夏草的发育阶段和部位对甾醇类物质的组成与含量有影响(钱正明等, 2018; 钱正明等, 2019)。小鼠的体内和体外实验均可证明，麦角甾醇通过抑制p38和ERK信号通路被激活，能治疗糖尿病引起的肾病(董中华, 2020)。孙鑫等(2017)研究证明虫草菌丝体中提取的虫草素、腺苷和麦角甾醇能显著抑制机体血管增殖，同时可以不同程度地抑制人肝癌SK-HEP-1细胞的增殖、迁移及管腔形成。

6 问题与展望

冬虫夏草作为我国药食两用的传统中草药，尽管有很多学者对其主要活性成分及其功能进行了广泛而深入的研究，但对其全部有效成分、替代物有效性、人工栽培冬虫夏草等尚存在诸多疑问。较为突出的一个疑问是冬虫夏草中虫草素的问题，中国科学院上海植物生理生态研究所研究发现虫草菌C.sinensis基因组中并没有涉及合成虫草素和喷司他丁的基因簇，而同属虫草菌属的蛹虫草C.militaris却具有合成相关的基因簇(Xiaetal., 2017)。这表明作为冬虫夏草的标志性成分的虫草素可能是另外一种类似结构的化学物质，需要进一步的化学分析来确认；也可能是不同菌株有不同的合成虫草素的代谢途径，毕竟蛹虫草与虫草菌是同属真菌，二者合成代谢同一类物质可能会存在异常差异。关于冬虫夏草中虫草素的质疑，尚需更为深入的研究来揭示。

关于冬虫夏草的有效成分是否就局限于本文所述的几类物质？或者说冬虫夏草的全部有效成分是否已经完全明确？答案显然是否定的。因为对冬虫夏草的主要有效成分分离鉴定最早是在上世纪80年代(吕瑞绵等, 1981; 肖永庆等, 1983)，当时的科技水平和仪器检测精度十分有限，所测得结果主要还是以含量多的物质为主，尚不能完全反映出冬虫夏草的有效成分。近些年来尽管分析仪器进步极快，但野生的冬虫夏草价格已经非常昂贵，高品质的冬虫夏草价格已经高过黄金(以同仁堂零售价格为参考)，分离、鉴定天然产物至少以药材干重公斤级起步，这样的代价，很难采用常规的化学分析方法将冬虫夏草的有效成分进行测定。

近些年的报道多数是基于其替代品——菌丝发酵产物，但菌丝发酵产物的培养条件和野生冬虫夏草生长环境差异极大，加之人工发酵用的都是冬虫夏草菌的无性型，而冬虫夏草是有性型阶段，因此，发酵物的天然成分尚无法完全代表冬虫夏草。

近些年，冬虫夏草有性型的人工培养技术已经完全成功，这不仅能有效降低研究成本，也有望为进一步明确冬虫夏草化学组成提供可靠的依据。随着科学技术的发展和分析仪器的进一步升级，有望采用少量的样本就可能分离鉴定出其中微量甚至痕量的化学物质，届时，全面而准确地揭开冬虫夏草有效成分的“神秘面纱”将不会是一个难题。