四环三萜化合物在神经系统疾病中的研究进展

杨素梅，梅佳辉，姜 睿，杨曦亮,2,3*

1武汉科技大学 医学院药学系；2武汉科技大学感染免疫与肿瘤微环境研究所；3职业危害识别与控制湖北省重点实验室，武汉 430081

四环三萜化合物是植物界中具有多种生物活性的一类重要次生代谢产物，多以游离或成苷的形式存在于自然界中。神经系统是机体内具有调节功能的主导系统，其一旦受损则不可逆。由于全球人口老龄化加剧，老年痴呆、帕金森病、脑卒中、癫痫等神经系统疾病对人类健康的危害日益加重，且发病率呈上升和年轻化趋势，病毒攻击及其他疾病亦会导致神经系统损伤[1,2]。天然药物不良反应小且效果显著，在神经系统疾病领域的研究和开发已经受到国内外学者的广泛关注。但目前鲜有具有神经活性的四环三萜的综述报道。本文从结构类型、植物来源、神经药理活性和构效关系等方面，对近五年来具有神经活性的四环三萜化合物进行综述，为神经系统疾病的药物研发提供科学依据和参考。

1 四环三萜化合物的分类

从结构特点来看，主要分为三大类：达玛烷型(1～19)、羊毛脂烷型(20～29)和环阿屯烷型(30～37)，详细见表1和图1，本文综述具有神经药理活性的四环三萜化合物37个，详述如下。

1.1 达玛烷型

在具有神经活性的四环三萜中，达玛烷型的植物来源最广泛，主要源自五加科，例如我国人参、三七、西洋参等植物，主要活性成分是达玛烷型[3]。具体参见化合物1～19(见表1)。

1.2 羊毛脂烷型

具有神经活性的羊毛脂烷型大部分来自于多孔菌科赤芝的干燥子实体灵芝和茯苓的干燥菌核。研究表明，灵芝子实体的化学成分以羊毛脂烷型三萜为主，在神经系统疾病治疗上的研究也较为集中，其主要成分为灵芝酸。具体参见化合物20～29(表1)。

1.3 环阿屯烷型

环阿屯烷型亦称为环菠萝蜜烷型，该类型的神经活性成分存在于莎草科、豆科、毛茛科以及西番莲科。豆科黄芪较早用于治疗神经系统疾病，其目前的临床制剂主要成分为黄芪甲苷。另外莎草科香附子具有抗抑郁作用，西番莲科西番莲具有减轻神经毒性作用。具体活性成分参见化合物30～37(见表1)。

表1 具有神经系统活性的四环三萜化合物

续表1(Continued Tab.1)

2 四环三萜化合物的神经活性

2.1 治疗神经退行性疾病

神经退行性疾病的特征之一是大脑特定区域的神经元进行性和永久性丧失，主要包括阿尔茨海默症(AD)、帕金森病(PD)、亨廷顿病(HD)、血管性痴呆(VD)等。四环三萜化合物是治疗退行性疾病的潜在天然药物，其主要通过抑制胆碱酯酶、拮抗Aβ的生成、抑制细胞凋亡、治疗神经炎症等途径发挥作用。

2.1.1 抑制胆碱酯酶

增强中枢胆碱能活性是改善认知功能的治疗方法之一，使用胆碱酯酶抑制剂可以提高脑乙酰胆碱水平。An等[44]用东莨菪碱诱发的小鼠记忆障碍模型发现1和5可通过抑制AChE升高大脑中乙酰胆碱水平，来改善记忆障碍。提示人参皂苷可能通过抑制AChE而增加脑胆碱能活性，从而逆转认知功能障碍。

图1 具有神经系统活性的四环三萜化合物Fig.1 Chemical constituents of tetracyclic triterpene compounds with neuroprotective activity

2.1.2 抗淀粉样β蛋白作用

淀粉样β蛋白(Aβ)作为老年斑的主要蛋白质成分，是目前AD的治疗靶标之一。人参皂苷具有抗Aβ作用，2可通过显著减轻Aβ25-35诱导的氧化应激和阻止海马神经元丢失等作用，保护Aβ25-35诱导的原代培养海马神经元[45]；10能明显减少APP/PS1小鼠模型脑内海马DG区Aβ堆积[46]，11则通过减弱Aβ25-35诱导的乳酸脱氢酶释放、细胞内钙浓度和活性氧水平的增加等系列反应，提高细胞存活率[47]。此外，有研究报道7可改善APP/PS1小鼠和SAMP8小鼠的家族性、散发性AD模型认知障碍，其机制可能是基于抑制淀粉样前体蛋白(APP)的生成途径，降低小鼠海马和皮层BACE1的高表达从而减少Aβ聚集，减弱tau蛋白过度磷酸化[48,49]。

2.1.3 抗氧化应激作用

四环三萜化合物通过拮抗活性氧(ROS)、丙二醛(MDA)、过氧化氢(H2O2)等氧化标志物，提高超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)、过氧化氢酶(CAT)等抗氧化酶水平治疗神经系统疾病。7可通过降低H2O2和MDA水平，提高SOD活性和谷胱甘肽(GSH)含量来缓解认知水平轻度损伤[50]。9可通过抑制顺铂诱导的大鼠脑内氧化应激和神经元丢失等方式有效改善顺铂引起的记忆障碍[51]。10上调APP/PS1小鼠海马组织的SOD、GSH-Px、CAT活性，下调MDA水平发挥抗氧化作用，从而改善认知功能障碍[46]。17可提高AD模型小鼠血清及脑组织内抗氧化物酶活性改善AD小鼠学习记忆能力[52]。Li等[53]通过研究19对脂多糖诱导的星形胶质细胞C6的作用，发现其可以影响ROS、MDA、GSH及SOD活性发挥抗氧化应激作用。Pan等[54]发现32通过治疗神经炎症和减轻氧化应激治疗AD，抗氧化应激方面通过32注射液能有效恢复SOD、GSH-Px和过CAT的活性，从而清除自由基，保护Aβ1-42所致的氧化损伤。

2.1.4 抗调亡作用

Yang等[55]研究发现，H2O2诱导的SH-SY5Y神经细胞调亡与JNK/Bcl-2/Bax信号通路有关，竹节参总皂苷通过上调Bcl-2蛋白表达，下调Bax表达，抑制JNK磷酸发挥抗凋亡作用，从而保护神经细胞。13有效抑制ASK1的磷酸化、JNK1的活化从而抑制线粒体凋亡作用，拮抗Aβ所致的神经毒性，提示其可作为抗AD的潜在治疗方式[56]。

2.1.5 抗炎症作用

抑制促炎介质和抑制小胶质细胞的神经炎症反应都可以减轻或延缓神经退行性疾病的恶化。Sheng等[57]采用体外的BV-2小胶质细胞实验和体内的斑马鱼和小鼠验证模型，研究发现28通过NF-κB途径抑制脂多糖诱导的神经炎症。Jiao等[36]发现，29和27可以抑制BV-2小胶质细胞激活产生NO和炎症反应从而减轻神经功能损害。此外，研究报道32明显抑制Aβ1-42大鼠海马区IL-1β及TNF-α、IL-1α和β-mRNA水平[54]，可以显著降低LPS-AD小鼠脑内海马区IL-1β及TNF-α的含量，抑制小胶质细胞炎症反应改善AD小鼠学习记忆能力[58]。

2.1.6 抑制NMDA受体作用

海马神经元NMDA受体(NMDAR)作为突触后受体可诱发兴奋性突触后电流，参与神经元—胶质细胞间信息通讯，并可产生兴奋性神经毒性作用，导致学习记忆障碍及AD等神经退行性疾病。早期研究发现9、10和12及其主要代谢物的20(S)特异性异构体可通过甘氨酸结合位点抑制NMDAR，而3可能通过与多胺结合位点的相互作用抑制受体，两者作用效应相似且具有叠加效应[59]；近期该团队进一步研究发现12的热脱水产物1和5，对NMDAR也具有抑制作用，其中1和12对NMDAR的抑制途径相似，5则竞争性结合NMDAR的多胺结合位点而发挥拮抗作用，并且其效力明显高于9和12[60]。

2.2 对脑缺血损伤的作用

脑缺血是由血液供应不足或出血引起的，大量研究表明，四环三萜主要是通过抑制氧化应激反应、炎症反应、降低内质网钙离子释放和减少血栓形成等机制保护神经元免受损伤。Zhang等[61]以大脑动脉闭塞(MCAO)脑缺血再灌注损伤小鼠造模，腹腔注射9，结果显示9可增加Cav-1 mRNA和蛋白含量发挥脑保护作用。类似模型实验表明8可显著改善大鼠的行为障碍和减少神经细胞凋亡数，剂量依赖性降低Calpain II和Caspase-3 mRNA的表达，对大鼠缺血再灌注后迟发性神经元损伤有保护作用[62]。Liu等[63]对180例住院治疗的急性缺血性脑卒中患者进行研究发现，2注射液联合注射用阿替普酶通过抑制血小板活化和功能，进而抑制血栓形成，显著改善患者症状。Yuan等[64]研究发现7不仅能减轻急性脑卒中的损伤，而且在慢性恢复过程中促进了纹状体的神经再生，有利于感觉运动功能障碍的恢复。另外，以短暂中脑动脉闭塞(tMCAO)诱发的缺血性中风小鼠造模，首次判断出7可能通过激活脑源性神经营养因子(BDNF)/TrkB信号通路改善远期神经功能缺损，促进神经元再生。缺氧缺血性脑病(HIE)是一种严重的脑部疾病，会导致不可逆转的细胞坏死、凋亡和神经元死亡。氧糖剥夺再灌注(OGD/R)损伤模型实验证明17通过雌激素受体调控ATF6/Akt信号通路，抑制促凋亡蛋白Bax和Caspase-3的表达，也可通过抑制PLC/IP3R通路的激活进而抑制内质网Ca2+释放、内质网应激和CaMKII激活来减少细胞凋亡[65,66]。Qu等[67]对脑缺血再灌注损伤大鼠模型腹腔注射18，发现其改善机制可能与抗炎及抗氧化应激有关，也可能通过钝化Ca2+依赖的NMDA受体，降低细胞内游离Ca2+水平，发挥对海马神经元的神经保护作用[68]。

环阿屯烷型三萜类化合物可以调节兴奋性氨基酸受体、抑制炎症反应来改善脑缺血损伤。Li等[69]表明，口服32可改善双侧颈总动脉结扎所致短暂性脑缺血再灌注后的认知功能障碍，提示32可能通过减少小胶质细胞活化和炎性细胞因子的表达、抑制TLR4信号通路和NLRP3炎性小体过度激活而发挥抗炎作用，从而对短暂性脑缺血再灌注具有神经保护作用。骨髓间充质干细胞可向神经细胞方向分化，移植后显著改善实验动物的神经修复能力，有治疗脑缺血损伤的潜能。在通过OGD/R建立的体外缺血再灌注损伤模型中[70]，32配伍三七总皂苷能促进BMSCs增殖、向损伤部分迁移、向神经元、星形胶质细胞定向分化。此外，Wu等[71]用MCAO构造局灶脑缺血模型，连续一周对大鼠腹腔注射33(6 mL/kg/d)，推测33能透过血脑屏障，调节脑缺血兴奋性氨基酸神经递质的功能紊乱，以保护缺血脑组织神经元。

2.3 抗抑郁作用

四环三萜化合物还具有抗抑郁作用，目前研究显示，四环三萜通过调节神经递质水平和下丘脑-垂体-肾上腺轴(HPA)功能、拮抗氧化应激和细胞凋亡、促进BDNF信号通路等机制发挥抗抑郁作用。1和12在强迫游泳试验(FST)、悬尾试验(TST)、慢性社会失败压力抑郁(CSDS)模型中能促进BDNF信号通路，阻止海马BDNF信号级联反应的减少[72,73]。另有研究[74]表明12通过磷酸化cAMP反应元件结合蛋白和BDNF信号介导，使FST、TST、蔗糖偏好试验(SPT)模型中的生理行为有明显好转。Zhu等[75]研究表明，长期腹腔注射10可改善大鼠的SPT和FST中的抑郁样行为。在慢性不可预测轻度应激(CUMS)模型和去性腺(GDX)模型中，证实10可能通过调节HPA和下丘脑-垂体-性腺轴(HPG)，减轻动物抑郁行为[76]。在慢性束缚应激(CRS)诱导小鼠的抗抑郁模型中，10与调节神经递质水平和HPA功能、抗凋亡氧化、恢复前额叶皮层中BDNF/TrkB信号通路有关[77]，还可以通过抗细胞凋亡、保护神经胶质细胞，并调控炎症因子的表达间接发挥治疗抑郁的作用[78]。Zhang等[79]采用坐骨神经慢性压迫损伤模型大鼠，通过明暗箱实验和FST，检测出11可抑制机械痛敏，延长热痛潜伏期，显著改善焦虑、抑郁状态。15在CUMS模型中的抗抑郁作用提示与抑制NF-κB信号通路降低海马组织炎性反应、促使海马神经元成熟和神经发生有关[80]。Zhou等[37]采用UV、MS和NMR分析结合化学降解鉴定香附根茎中分离得到的两个新的环阿屯烷型四环三萜30和31，通过FST和TST评价30和31在绝望小鼠模型实验中具有抗抑郁活性。

2.4 镇静催眠与镇痛作用

Yu等[81]采用直接睡眠实验、延长戊巴比妥钠睡眠时间实验等多项实验发现灵芝三萜酸(100 mg/kg)与戊巴比妥钠、巴比妥钠均具有协同作用，可改善小鼠睡眠情况。Mu[82]研究发现6可增加下丘脑和皮质层中5-HT含量，缩短小鼠的睡眠潜伏期，延长睡眠时长。Shao等[83]发现1和5可增加脑组织和血清中的GABA/Glu的比值，上调5-HT1A的表达从而增强催眠效应。19通过调节GABA受体亚基mRNA的表达，下调肠粘膜系统中相关炎症细胞因子的合成和分泌[84]。Feng等[85]发现20可使ICR雄性小鼠镇静，睡眠时间延长，睡眠潜伏期缩短。

2.5 神经保护作用

四环三萜类化合物还具有神经保护作用，Yu等[86]发现26通过兴奋β肾上腺素能受体保护SH-SY5Y细胞免受硝普钠损伤。此外，经体内、体外分别研究显示2通过抑制NF-κB表达来缓解冈田酸导致的神经元损伤，证实其潜在的神经保护作用[87]。最近，10可对脊髓再灌注损伤大鼠模型神经细胞起保护作用，该作用一定程度上是通过升高脊髓组织SOD活性、降低MDA含量、降低脊髓组织IL-6和NF-κB含量和升高脊髓线粒体COX的活性实现的[88]。

2.6 其他神经活性

Li等[32]对从茯苓中分离得到的羊毛脂醇型三萜皂苷进行了神经伸展活性的测试，发现21～25对神经生长因子(NGF)诱导的PC12细胞的神经纤维伸展具有促进活性，但有浓度限制。Zhang等[89]通过BrdU标记实验和CCK-8检测实验研究12能够明显促进NSCs增殖。Xu等[41]从西番莲中提取的环阿屯烷型化合物34～37可拮抗Glu诱导的PC12细胞神经毒性。Chen等[90]发现，12可通过促进NGF表达来减轻大鼠奥沙利铂化疗的神经毒性。Wang等[91]证实16可治疗神经炎症相关的中枢神经系统疾病，具有良好的抑制脂多糖和TNF-α联合诱导的大鼠星形胶质细胞C6炎症基因表达和致炎因子分泌的作用。

3 四环三萜化合物神经活性的构效关系研究

四环三萜类作为治疗神经疾病的先导化合物，需要经过合适的结构修饰和改造才能显现出较强的神经活性。药理研究表明，人参皂苷对NMDARs有抑制作用，C-3位和C-20位可能是调节NMDARs的重要位点。Lee等[59]使用反相低压柱色谱分离，比较了人参皂苷Rg3和Rh2同分异构体的活性，20(S)-Rg3和20(R)-Rg3的抑制程度相似，而20(R)-Rh2的抑制程度明显小于20(S)-Rh2(P< 0.01)，表明人参皂苷Rh2具有立体特异性效应。另外，20(S)-Rg3、20(S)-Rh2和Rk1通过不同的结合位点抑制NMDARs，其中Rk1的作用最强。Rh2和Rk1分别为Rg3的代谢产物和热脱水产物，三者之间的结构差异微小，但与NMDARs复合体的结合位点却不同。这种微妙的结构变化可能涉及C-20位，因为其周围的局部结构决定着人参皂苷与NMDARs之间的相互作用。人参皂苷Rk1中C-20位的双键引入可能是竞争性相互作用从甘氨酸结合位点向多胺结合位点转移的原因[60]。从此推测出，C-3位的单糖基化基团和C-20的S异构体及其周围局部双键组成的三维结构是与多胺结合所必需的(人参皂苷与NMDAR结合位点示意图见图2)。

图2 四环三萜与NMDA受体结合位点示意图(以人参皂苷为例)Fig.2 Schematic diagram of binding sites between tetracyclic triterpenes and NMDA receptors (Take ginsenosides as an example)

另外，研究发现原人参二醇型皂苷对H2O2诱导的C6细胞和SH-SY5Y神经细胞损伤保护作用强于原人参三醇型皂苷；人参皂苷C-20R构型保护活性大于S构型；侧链环化导致作用削弱；C-3位连接的糖基数量与保护作用呈正比[92]。因此推测达玛烷型三萜化合物C-3以及C-20位的结构修饰对神经活性有一定的影响。

有研究运用体外实验证实灵芝子实体中的羊毛脂烷型三萜化合物对AChE有抑制作用，尤其是含有正丁酯侧链的羊毛脂烷型三萜的抑制作用比其相应的酸更强[93]。Wei等[94]通过改良的Ellman法，用分子对接建模发现C17侧链长度影响抑制活性，尤其是25-COOH与抑制活性密切相关，合成实验时可参考此举提高其药理活性。Li[32]将茯苓中具有神经伸展促进活性的羊毛脂烷三萜类化合物结构进行对比，表明化合物的C-7和C-9位连接的二烯键可能是神经伸展促进活性的关键基团。

4 结语

四环三萜类化合物在自然界中分布广泛，资源丰富。近年来，研究四环三萜的神经系统疾病药理作用机制的文献逐年增多，尤其对AD、认知障碍、脑缺血损伤和抑郁症均有明显药理作用。四环三萜可通过降低氧化物水平、拮抗线粒体凋亡、抗炎症、拮抗NMDA受体、调节神经递质水平、促进BDNF信号通路、抑制PLC/IP3R通路的激活等不同的机制治疗神经系统疾病，其中达玛烷型和羊毛脂烷型四环三萜效果最为明显。由此可见，该类化合物在未来开发为治疗神经系统疾病药物蕴含较大潜力。四环三萜的构效关系研究主要集中在与NMDAR拮抗剂作用相关结合位点的研究，表明对其苷元和侧链糖基进行结构修饰和优化可得到高效低毒的新型神经活性单体药物。前期研究提示，开发四环三萜达玛烷型化合物作为NMDAR拮抗剂治疗神经系统疾病将会是有效的路径。

现阶段研究表明，四环三萜类作为神经活性药效物质基础的的研究将进一步深入。一方面可以建立快速而可靠的纯化富集方法，逐步采用超临界流体萃取技术提取和超声波辅助提取等先进提取技术，超高效液相色谱联合新型的质谱检测器，如高分辨率质谱仪(HRMS)、四级杆飞行时间质谱仪(Q-TOF)、线性离子阱质谱仪(LTQ-Orbitrap)等液质联用技术高效纯化分离。另一方面是需要结合高通量筛选和计算机辅助药物设计等现代分析技术，研究构效关系，寻找具有神经活性的四环三萜先导化合物，进行结构修饰和优化以期得到高效低毒的新化合物，进行新药研发生产。

综上所述，四环三萜类化合物在药理作用机制及各环节都显现出治疗神经系统疾病的潜力，亟需进一步探寻药效物质基础和深入挖掘药物作用机制，从而为神经系统疾病的临床治疗奠定基石。