龍金花,熊 碩,劉碩謙,肖文軍
(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)國(guó)家植物功能成分利用工程技術(shù)研究中心,湖南 長(zhǎng)沙 410128)
青蒿素是一種含有過(guò)氧基團(tuán)的倍半萜內(nèi)酯新型抗瘧藥物,主要從我國(guó)菊科艾屬植物黃花蒿(Artem isia annua L.)提取而來(lái)。青蒿素類(lèi)藥物因其具有高效、低毒、強(qiáng)抗瘧性等特點(diǎn),被WHO 批準(zhǔn)為世界范圍內(nèi)治療腦型瘧疾和惡性瘧疾的首選藥物[1-2]。我國(guó)青蒿素產(chǎn)業(yè)有著重要的國(guó)際影響力,商品化的青蒿素均是從我國(guó)的黃花蒿植物中提取獲得,但由于黃花蒿中青蒿素含量低,生產(chǎn)成本非常高,導(dǎo)致青蒿素類(lèi)產(chǎn)品的價(jià)格超出了發(fā)展中國(guó)家瘧疾患者的承受能力,嚴(yán)重影響了青蒿素在抗瘧疾方面的應(yīng)用。筆者從黃花蒿資源的優(yōu)選和改良、促進(jìn)青蒿素積累的栽培技術(shù)、青蒿素提制技術(shù)、質(zhì)量安全控制技術(shù)以及青蒿素功能與產(chǎn)品開(kāi)發(fā)等方面,綜述了黃花蒿青蒿素研究進(jìn)展,以期為黃花蒿青蒿素高效開(kāi)發(fā)利用提供參考。
目前栽培的黃花蒿基本由野生黃花蒿直接引種,而青蒿素在野生黃花蒿中的含量很低(0.1%~1%),因此選育優(yōu)良品種對(duì)青蒿素的高產(chǎn)栽培具有重要意義。向極釬等[3]采用派生系統(tǒng)法和集團(tuán)混合法對(duì)青蒿植株類(lèi)型進(jìn)行定向篩選,選育出平均產(chǎn)量為4 226.7 kg/hm2,青蒿素含量為1.071%的鄂青蒿1 號(hào)。李隆云等[4]利用母系系統(tǒng)選育和混合選擇制種相結(jié)合的選育方法選育出青蒿素質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1.0%以上的青蒿新品種“渝青1 號(hào)”。馬進(jìn)等[5]選育出了青蒿素含量高達(dá)1.945%的株系。通過(guò)傳統(tǒng)選育育成的高含量青蒿素單株其優(yōu)良性狀不能穩(wěn)定遺傳,后代性狀分離,表現(xiàn)多樣化,需要極大的工作量和時(shí)間。
近年來(lái)青蒿素生物合成途徑的研究及其合成關(guān)建酶基因的發(fā)現(xiàn),為青蒿素生物合成途徑遺傳改造奠定了基礎(chǔ)。陳韻裴等[6]通過(guò)過(guò)量表達(dá)DXR 基因?qū)⑶噍镏星噍锼氐暮孔罡咛岣吡?.84 倍;王亞雄等[7]過(guò)表達(dá)HDR 基因和ADS 基因使青蒿素含量最高達(dá)到非轉(zhuǎn)基因?qū)φ盏?.48 倍。Zhang 等[8]利用RNAi 技術(shù)抑制鯊烯合酶基因SQS 的表達(dá),使青蒿素最高量可達(dá)31.4 mg/g。通過(guò)遺傳改良的方法能快速獲得高青蒿素含量的黃花蒿植株。
黃花蒿中青蒿素的含量與外界環(huán)境有關(guān),適時(shí)播種、加強(qiáng)田間管理及合理采收有利于獲得高青蒿素含量的黃花蒿。Kumar 等[9]在不同溫度下對(duì)黃花蒿進(jìn)行了發(fā)芽試驗(yàn),結(jié)果表明,選擇氣溫連續(xù)7 d 在15~20 ℃作為播種期時(shí),此時(shí)黃花蒿的發(fā)芽率最高。肖文中等[10]對(duì)不同栽培模式下青蒿素的含量進(jìn)行了比較,認(rèn)為高畦蓋膜栽培模式有利于青蒿素含量的提高。王滿(mǎn)蓮等[11]發(fā)現(xiàn)黃花蒿對(duì)種植密度和養(yǎng)分條件變化的適應(yīng)性較強(qiáng),低密度、低施肥水平時(shí)黃花蒿中青蒿素的含量最高,以種植密度55 555 株/hm2、施肥水平60 kg/hm2為宜。何軍[12]發(fā)現(xiàn)經(jīng)一定濃度水楊酸和脫落酸處理的黃花蒿中青蒿素含量能有效提高。秦藝[13]研究表明某些菌根真菌能明顯促進(jìn)青蒿素含量的積累。鐘鳳林等[14]對(duì)黃花蒿最佳采收條件進(jìn)行了探索,認(rèn)為青蒿的最佳采收期應(yīng)為生長(zhǎng)盛期至花(蕾)期之前,此時(shí)青蒿素含量高,營(yíng)養(yǎng)體重量大;采集青蒿樣品應(yīng)選擇在采收期的晴天中午12:00~16:00 為宜;為保證用藥質(zhì)量,產(chǎn)地加工青蒿時(shí)以曬干為最好。
青蒿素是從黃花蒿中提取的一種無(wú)色針狀晶體,分子式為C12H22O5,相對(duì)分子質(zhì)量為282.33,溶點(diǎn)為156~157 ℃,易溶于丙酮、醋酸乙酯、氯仿、苯及冰醋酸,可溶于乙醇和甲醇、乙醚、石油醚,幾乎不溶于水,因其具有特殊的過(guò)氧基團(tuán),所以對(duì)熱不穩(wěn)定,易受濕、熱和還原性物質(zhì)的影響而分解[15]。
青蒿素的提制工藝一般為:干燥→破碎→浸泡、萃?。ǚ磸?fù)進(jìn)行)→濃縮提取液→粗品→結(jié)晶→精品。王軼[16]以青蒿葉干粉為原料進(jìn)行室溫提取,青蒿素提取率高達(dá)78.19%。李自勇等[17]采用工業(yè)酒精冷浸法提取青蒿素,得到的青蒿素產(chǎn)品產(chǎn)率可達(dá)2.73‰,純度可達(dá)99%。張馨瑩[18]采用以石油醚提取為提取劑的加熱攪拌提取法,測(cè)得青蒿素的提取率為9.452 mg/g。近年來(lái)有不少新技術(shù)被應(yīng)用到青蒿素的提取分離中,如超臨界CO2技術(shù)[19]、智能連續(xù)逆流提取法[20]、超聲提取法[21]等。因生產(chǎn)成本與技術(shù)等問(wèn)題,目前工業(yè)提取青蒿素多采用有機(jī)溶劑萃取法,以乙醇作為提取劑,分離純化時(shí)將提取液濃縮成浸膏,浸膏溶解后上活性炭柱色譜柱,洗脫,收集流份[22],或采用硅膠柱層析法等[23]進(jìn)行分離純化。再經(jīng)結(jié)晶、干燥即可制成精品。
陳迪釗等[24]采用紫外分光光度法對(duì)青蒿素含量進(jìn)行了分析,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD=1.84%,相關(guān)系數(shù)r=0.999 5,回收率為98%~102%。陳益元等[25]用高效液相色譜法測(cè)定經(jīng)無(wú)水乙醇提取的青蒿素,在青蒿素濃度為5.0~25.0mg/L 范圍時(shí),線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)r=0.9998,青蒿素的含量在0.554%~1.020%之間。除以上兩種常用的檢測(cè)方法之外,青蒿素的測(cè)定方法還有紅外光譜法[26]、高效毛細(xì)管電泳法[27]等。
青蒿素安全控制技術(shù)包括農(nóng)藥殘留、重金屬超標(biāo)和溶劑殘留的控制。在黃花蒿規(guī)?;N植中,各類(lèi)型農(nóng)藥的使用不可避免。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)常用農(nóng)藥殘留有六六六(BHC)≤0.1 mg/kg、滴滴涕(DDT)≤0.1 mg/kg、五氯硝基苯(PCNB)≤0.1 mg/kg、艾氏劑≤0.02 mg/kg等。雖然目前在黃花蒿原料中較少發(fā)現(xiàn)重金屬含量超標(biāo)的現(xiàn)象,但重金屬超標(biāo)的問(wèn)題不能忽視。重金屬?lài)?guó)家限量指標(biāo)為鉛(Pb)≤2.49 mg/kg、鎘(Cd)≤0.2 mg/kg、砷(As)≤0.6 mg/kg、汞(Hg)≤0.2 mg/kg、銅(Cu)≤18.2 mg/kg。這些農(nóng)藥殘留和超標(biāo)重金屬含量低但對(duì)人體危害大,嚴(yán)重能致癌和造成死亡。青蒿素的提制多采用乙醇提取,也有使用乙醇進(jìn)行制粒,因此乙醇為主要?dú)埩羧軇?。乙醇為三?lèi)溶劑,根據(jù)《中國(guó)藥典》和國(guó)際協(xié)調(diào)會(huì)議(ICH)相關(guān)指導(dǎo)原則的要求,其限度為0.5%。
在原料中農(nóng)藥殘留檢測(cè)方法的相關(guān)研究上,陳燕[28]建立了黃花蒿氨基甲酸酯類(lèi)農(nóng)藥的高效液相色譜分析方法,吳曉波[29]建立了GC-MS-SIM 和GC-MS-MS多殘留檢測(cè)方法,還有免疫分析法[30]等。在重金屬殘留檢測(cè)方法的相關(guān)研究上,張春盛等[31]采用分光光度法測(cè)定了8種中藥材的重金屬含量。蔡麗君[32]研究了重金屬含量的分子光譜檢測(cè)方法。高紅霞等[33]采用單一硝酸對(duì)樣品進(jìn)行微波消解后,用電感藕合等離子體質(zhì)譜儀同時(shí)對(duì)10種元素進(jìn)行了測(cè)定。溶劑殘留的檢測(cè)多采用液固頂空氣相色譜法,如木書(shū)林等[34]用液固頂空氣相色譜法測(cè)定了雙氫青蒿素哌喹片中乙醇的殘留含量,孫紅英等[35]采用毛細(xì)管GC 法測(cè)定了青蒿琥酯中有機(jī)溶劑的殘留量等。
青蒿素及其衍生物是目前廣泛應(yīng)用的一線(xiàn)抗瘧藥。青蒿素類(lèi)藥物主要有雙氫青蒿素、蒿甲醚、青蒿琥酯等;復(fù)方制劑主要有復(fù)方萘酚喹片、雙氫青蒿素哌喹片、復(fù)方蒿甲醚等[36]。
黃花蒿在中醫(yī)上具有清熱涼血、解暑、除蒸、益氣、涼血利尿的功效。除強(qiáng)大的抗瘧能力外,青蒿素及其衍生物還能殺滅多種寄生蟲(chóng)如瘧原蟲(chóng)、血吸蟲(chóng)、弓形蟲(chóng)、利什曼原蟲(chóng),能調(diào)節(jié)免疫,可用于治療紅斑狼瘡和類(lèi)風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎[37]。此外,還具有抗孕、抗纖維化、抗心律失常和腫瘤細(xì)胞毒性等藥理作用[38]。青蒿素及其衍生物應(yīng)用廣泛,現(xiàn)已開(kāi)發(fā)了大量的藥物和產(chǎn)品,如用于治療紅斑狼瘡的雙氫青蒿素控釋劑[39]、治療類(lèi)風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎和免疫性疾病的含青蒿提取物藥物組合物[40]、治療急性髓細(xì)胞性白血病的青蒿素衍生物及其藥用鹽[41]、治療慢性支氣管炎的藥物組合青蒿油滴丸[42]等。此外還有青蒿飼料添加劑[43]、天然青蒿茶[44]、青蒿抑菌沐浴露[45]等。
青蒿素產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要各方面共同促進(jìn)。通過(guò)遺傳改造快速獲得高青蒿素含量的植株將是高產(chǎn)黃花蒿育種的主要方向;土壤中肥料的多少對(duì)青蒿素含量的影響不大,但外界環(huán)境的刺激能顯著改變青蒿素含量,特定條件下青蒿素含量的變化將是黃花蒿高產(chǎn)栽培技術(shù)的重要研究方向;由于青蒿素在黃花蒿中含量很低,在提取青蒿素時(shí)大量廢料的產(chǎn)生不可避免,這也是青蒿素生產(chǎn)成本一直較高的原因之一,對(duì)廢料的再利用將有利于節(jié)約生產(chǎn)成本;青蒿素的質(zhì)量控制要從源頭開(kāi)始,黃花蒿的栽培地應(yīng)選擇在土壤與周邊環(huán)境良好的地區(qū),并加強(qiáng)田間管理,多施用有機(jī)肥改善土壤條件,選擇綠色生物農(nóng)藥,而溶劑殘留問(wèn)題可以通過(guò)優(yōu)化現(xiàn)有工藝、嚴(yán)格規(guī)范生產(chǎn)或使用新型技術(shù)進(jìn)行控制。
青蒿素產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也離不開(kāi)相關(guān)功能和產(chǎn)品的研究開(kāi)發(fā)。結(jié)合市場(chǎng)需求,青蒿素低成本生產(chǎn)及其新功能的挖掘與利用將是黃花蒿青蒿素開(kāi)發(fā)利用的發(fā)展趨勢(shì)。
青蒿素在黃花蒿中含量很低,在人工大規(guī)?;瘜W(xué)合成還無(wú)法實(shí)現(xiàn)的情況下,使得青蒿素的開(kāi)發(fā)利用受到極大限制。雖然采用工程菌輔助發(fā)酵完成青蒿素體外生物合成是一個(gè)有效解決原料難題的方法,但要達(dá)到一步式直接生物合成青蒿素,還需要更多的探索。由于青蒿素的天然產(chǎn)物提取生產(chǎn)成本很高,能否從根本上解決原料中青蒿素含量低的問(wèn)題,已經(jīng)成為制約我國(guó)青蒿素天然產(chǎn)物提取行業(yè)發(fā)展的重要瓶頸。由此可見(jiàn),選育高青蒿素含量的優(yōu)良品種至關(guān)重要。相對(duì)于傳統(tǒng)育種方法后代遺傳性狀不穩(wěn)定、育種所需年限長(zhǎng)、工作量大的缺點(diǎn),基因工程育種能定向進(jìn)行遺傳改造,大大縮短育種年限,且效果明顯。青蒿素的生物合成是一系列復(fù)雜的反應(yīng)過(guò)程,有多種中間產(chǎn)物和多條分支途徑,這也是青蒿素生物產(chǎn)量低的根本原因。要促進(jìn)青蒿素的積累,“開(kāi)源”與“截流”是兩大重要策略。通過(guò)過(guò)表達(dá)技術(shù)促進(jìn)主干流的積累與反義RNA技術(shù)抑制支流的消耗來(lái)共同促進(jìn)青蒿素的生物合成,最終獲得高青蒿素含量的黃花蒿植株是目前也是將來(lái)研究的熱點(diǎn)。
[1]吳毓林.青蒿素——中藥奇葩瘧疾克星[J].大學(xué)化學(xué)報(bào),2010,4(25):12-15.
[2]楊桂霞,鄭 欣,孫桂霞,等.青蒿素及其衍生物研究進(jìn)展[J].世界最新醫(yī)學(xué)信息文摘,2013,13(10):26-28.
[3]向極釬,覃大吉,楊永康,等.鄂青蒿1號(hào)品種選育[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2008,(32):14050-14051.
[4]李隆云,吳葉寬,馬 鵬,等.青蒿新品種“渝青1號(hào)”的選育及其示范推廣[J].中國(guó)中藥雜志,2010,(19):2516-2522.
[5]馬 進(jìn),向極釬,楊永康,等.黃花蒿新品種選育現(xiàn)狀及其系統(tǒng)選育研究進(jìn)展[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué),2014,(19):4520-4524.
[6]陳韻裴,張芳源,唐克軒.過(guò)量表達(dá)DXR基因提高青蒿中青蒿素的含量[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)(農(nóng)業(yè)科學(xué)版),2012,30(5):19-23.
[7]王亞雄,龍世平,曾利霞,等.過(guò)表達(dá)HDR和ADS基因?qū)η噍锼厣锖铣傻挠绊慬J].藥學(xué)學(xué)報(bào),2014,(9):1346-1352.
[8]Zhang L,Jing F,LiF,etal.Developmentof transgenic Artemisiaannua(Chinese wormwood)plants with an enhanced content of artemisinin,an effective anti-malarial drug,by hairpin-RNA-mediated gene silencing[J].BiotechnolApplBiochem,2009,52(3):199-207.
[9]Kumar B,Gupta E,Mali H,et al.Constant and alternating temperature effectson seed germination potential in Artemisiaannua L.[J].Journalof Crop Improvement,2013,27(6):636-642.
[10]肖文中,鄧展來(lái).不同栽培方式對(duì)青蒿生長(zhǎng)情況及產(chǎn)量和青蒿素含量的影響[J].中國(guó)現(xiàn)代中藥,2008,(4):44-45.
[11]王滿(mǎn)蓮,蔣運(yùn)生,韋 霄,等.栽培密度和施肥水平對(duì)黃花蒿生長(zhǎng)特性和青蒿素的影響[J].植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào),2010,(1):185-190.
[12]何 軍.SA與ABA調(diào)節(jié)青蒿素的生物合成及青蒿副產(chǎn)物的綜合利用[D].重慶:西南農(nóng)業(yè)大學(xué),2004.
[13]秦 藝.施用菌根真菌對(duì)栽培青蒿青蒿素含量影響研究[D].哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué),2014.
[14]鐘鳳林,陳和榮,陳 敏.青蒿最佳采收時(shí)期、采收部位和干燥方式的實(shí)驗(yàn)研究[J].中國(guó)中藥雜志,1997,(7):21-22.
[15]王宗德,孫芳華.青蒿素理化性質(zhì)及其測(cè)定方法的研究進(jìn)展[J].江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1999,(4):606-611.
[16]王 軼.青蒿素最佳提取工藝研究[J].河南農(nóng)業(yè)科學(xué),2007,(7):84-86.
[17]李自勇,秦海敏,喻宗沅,等.工業(yè)酒精冷浸法提取青蒿素[J].精細(xì)石油化工進(jìn)展,2008,9(1):35-37.
[18]張馨瑩.黃花蒿中青蒿素的提取工藝及測(cè)定方法研究[D].重慶:西南大學(xué),2013.
[19]錢(qián)國(guó)平,楊亦文,吳彩娟,等.超臨界CO2從黃花蒿中提取青蒿素的研究[J].化工進(jìn)展,2005,24(3):286-290.
[20]鄧啟華,李子成,楊宗緯.超聲波連續(xù)逆流提取青蒿素的新工藝[J].四川化工,2008(3):17-19.
[21]楊家慶,林燕芳,詹立之,等.青蒿中青蒿素提取工藝的優(yōu)化及含量測(cè)定[J].廣東藥學(xué)院學(xué)報(bào),2012,28(1):40-43.
[22]孔令義,徐金娣,羅建光.利用非水系統(tǒng)的活性炭柱色譜法分離純化青蒿素的方法[P].中國(guó)專(zhuān)利:CN102190665A,2011-09-21.
[23]胡 淼,錢(qián)國(guó)平,蘇寶根,等.硅膠柱層析純化青蒿素[J].華西藥學(xué)雜志,2005,(4):283-285.
[24]陳迪釗,鄭雪花,張智慧,等.黃花蒿中青蒿素含量的紫外分光光度法測(cè)定[J].光譜實(shí)驗(yàn)室,2010,(2):451-454.
[25]陳益元,黃道平,謝燕湘.高效液相色譜法測(cè)定青蒿草中青蒿素的研究[J].中國(guó)衛(wèi)生檢驗(yàn)雜志,2007,(6):1032,1087.
[26]劉炳玉,田惠君,崔 進(jìn),等.青蒿素的紅外光譜定量測(cè)定[J].藥物分析雜志,1994,(4):47-48.
[27]黃寶美,姚程煒.高效毛細(xì)管電泳電導(dǎo)法測(cè)定青蒿素的含量[J].分析測(cè)試學(xué)報(bào),2006,(2):109-111.
[28]陳 燕.中藥材青蒿基地氨基甲酸酯類(lèi)農(nóng)藥的高效液相色譜分析及其農(nóng)藥殘留的動(dòng)態(tài)研究[D].成都:成都理工大學(xué),2008.
[29]吳曉波.中藥中100種農(nóng)藥GC/GC-MSn測(cè)定方法研究[D].北京:北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院,2011.
[30]劉艷平.中藥中農(nóng)藥殘留檢測(cè)方法研究[J].中國(guó)實(shí)用醫(yī)藥,2013,(32):267-268.
[31]張春盛,吳舜芳,林炳國(guó),等.西洋參等8種中藥的重金屬檢測(cè)[J].中國(guó)藥業(yè),2009,(17):20-21.
[32]蔡麗君.重金屬含量的分子光譜檢測(cè)方法研究[D].南昌:華東交通大學(xué),2013.
[33]高紅霞,孫尚帛,劉英莉,等.當(dāng)歸等中藥材中10種金屬元素的同時(shí)測(cè)定[J].現(xiàn)代預(yù)防醫(yī)學(xué),2015,(3):427-428,430.
[34]木書(shū)林,丁 濤,來(lái)國(guó)防,等.頂空氣相色譜法測(cè)定雙氫青蒿素哌喹片中乙醇?xì)埩艉縖J].藥學(xué)研究,2013,(9):504-506.
[35]孫紅英,趙愛(ài)麗,林振廣.毛細(xì)管GC法測(cè)定青蒿琥酯中有機(jī)溶劑的殘留量[J].中國(guó)藥房,2010,(19):1788-1789.
[36]劉宗磊,楊恒林.青蒿素類(lèi)藥物研究進(jìn)展[J].中國(guó)病原生物學(xué)雜志,2014,(1):97-99.
[37]尹紀(jì)業(yè),王和枚,丁日高.青蒿素及其衍生物毒理學(xué)研究進(jìn)展[J].中國(guó)藥理學(xué)與毒理學(xué)雜志,2014,(2):309-314.
[38]譚 濤,秦宗會(huì),譚 蓉.青蒿素類(lèi)藥物的藥理作用研究進(jìn)展[J].中國(guó)藥業(yè),2009,(3):63-64.
[39]龔秋燕,潘 梅.用于治療紅斑狼瘡的雙氫青蒿素控釋制劑[P].中國(guó)專(zhuān)利:103181901A,2013-07-03.
[40]齊 巖,宋靖鋼.治療類(lèi)風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎和免疫性疾病的含青蒿提取物藥物組合物[P].中國(guó)專(zhuān)利:1561994,2005-01-12.
[41]糜堅(jiān)青,李 英,彭 宇,等.青蒿素衍生物及其藥用鹽用于制備治療急性髓細(xì)胞性白血病的藥物[P].中國(guó)專(zhuān)利:103202836A,2013-07-17.
[42]曲韻智.青蒿油滴丸及其制備方法[P].中國(guó)專(zhuān)利:1634475,2005-07-06.
[43]肖偉民.青蒿飼料添加劑及其制備方法[P].中國(guó)專(zhuān)利:1907084,2007-02-07.
[44]宋其祥.一種天然青蒿茶的生產(chǎn)方法[P].中國(guó)專(zhuān)利:103843932A,2014-06-11.
[45]谷文祥,鄧思娟.青蒿提取物在沐浴用品中的應(yīng)用及青蒿抑菌沐浴露[P].中國(guó)專(zhuān)利:101461770,2009-06-24.