孟英才,詹濟(jì)華,肖水平,譚 洋,廖美芳,張雨林,李 玲*,裴 剛*
(湖南中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院,湖南 長沙 410208)
熊果酸衍生物的合成及其抗菌活性評價
孟英才,詹濟(jì)華,肖水平,譚 洋,廖美芳,張雨林,李 玲*,裴 剛*
(湖南中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院,湖南 長沙 410208)
目的 對熊果酸A環(huán)進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾,并研究其體外抗菌活性。方法 以熊果酸(1)為原料,合成A環(huán)不同的熊果酸衍生物2-13,并用大腸桿菌、銅綠假單胞菌、金黃色葡萄球菌、表皮葡萄球菌、藤黃微球菌和枯草桿菌這6種細(xì)菌對熊果酸衍生物進(jìn)行體外抗菌活性篩選。結(jié)果 大部分熊果酸衍生物顯示很強的抗菌活性,其中化合物7對金黃色葡萄球菌的MIC值為6.3μmol/L,化合物8和化合物9對藤黃微球菌的MIC值分別為12.5 μmol/L和6.3 μmol/L,化合物11對六個菌種的MIC值均為3.1 μmol/L,化合物12對大腸桿菌、銅綠假單胞菌、金黃色葡萄球菌、表皮葡萄球菌的MIC值為3.1 μmol/L。結(jié)論 熊果酸A環(huán)化學(xué)結(jié)構(gòu)修飾能夠有效提高其抗菌活性,尤其是A環(huán)引入雙鍵或環(huán)氧基,可為熊果酸抗菌衍生物的進(jìn)一步研發(fā)提供依據(jù)。
熊果酸;衍生物;抗菌藥;合成;抑制
近年來,細(xì)菌感染,尤其是耐藥菌的出現(xiàn),已經(jīng)成為危害人們健康的重要因素之一[1]。引起細(xì)菌感染的因素多種多樣,隨著人口老齡化的出現(xiàn)、缺乏鍛煉導(dǎo)致抵抗力下降、化療患者的增多和艾滋病的流行等原因?qū)е略絹碓蕉嗟娜嗽庥黾?xì)菌感染,在發(fā)展中國家尤為嚴(yán)重[2]。由于人們的生活方式多種多樣,導(dǎo)致細(xì)菌感染的途徑也多。因此,尋找新的抗菌藥物仍然是目前有效的對抗細(xì)菌感染的方法之一。
熊果酸(ursolic acid,UA)是一種α-香樹脂醇型五環(huán)三萜類化合物,廣泛分布于植物界[3]。研究發(fā)現(xiàn)UA具有較弱抗菌作用[4],可作為先導(dǎo)化合物,進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾來提高抗菌活性。據(jù)文獻(xiàn)報道,UA母核可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造的部位主要有C-3位、C-12位和C-28位[5-6]。而A環(huán)為UA產(chǎn)生活性的主要部位,許多研究均發(fā)現(xiàn),在UA的A環(huán)上進(jìn)行化學(xué)修飾,可以提高其抗菌活性[7]。本研究的目的是對UA的A環(huán)引入雙鍵、羰基和羥基等基團(tuán),合成12個UA衍生物,通過常規(guī)光譜手段對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)確證,并用大腸桿菌和銅綠假單胞菌這兩種革蘭氏陰性菌和金黃色葡萄球菌、表皮葡萄球菌、藤黃微球菌和枯草桿菌這四種革蘭氏陽性菌對UA衍生物進(jìn)行抗菌活性評價。研究結(jié)果對以UA為先導(dǎo)化合物進(jìn)行的抗菌藥物研發(fā)提供了前期基礎(chǔ)。UA衍生物的合成路線,見圖1。
圖1 熊果酸衍生物的合成路線
1.1 儀器與試劑
X-4熔點儀(北京泰克儀器有限公司),溫度計未校正;IR-Affinity-1紅外光譜儀(日本島津公司);Bruker-400M/600M超導(dǎo)核磁共振儀 (美國Bruker公司);Agilent 6540 UHD Q-TOF質(zhì)譜儀 (美國Agilent公司);Autopol IV-T旋光儀(美國魯?shù)婪蚬荆籈Lx800酶標(biāo)儀 (美國Biotek公司);AL-204型電子分析天平(梅特勒托利多儀器公司)。
UA(質(zhì)量分?jǐn)?shù)98%,西安萬方生物科技有限公司); 環(huán)丙沙星 (Ciprofloxacin,Ci) 和頭孢拉定(Cephradine,Ce)(Sigma公司);肉湯培養(yǎng)基(北京奧博星生物技術(shù)有限公司);其他試劑均為市售分析純;大腸桿菌ATCC 25922、銅綠假單胞菌ATCC 27853、金黃色葡萄球菌ATCC 29213、表皮葡萄球菌ATCC 12228、藤黃微球菌CMCC(B)28001和枯草桿菌ATCC 6633由湖南中醫(yī)藥大學(xué)醫(yī)學(xué)院提供。
1.2 化合物2-13的合成步驟
1.2.1 化合物2-4的合成[8]以UA為原料,芐基保護(hù)得到化合物2,再與甲基磺酰氯作用得到化合物3,最后回流形成雙鍵得到化合物4。
化合物2,白色粉末狀固體,收率:95.2%,mp:178~180℃;IR(KBr)σ:3 520,2 978,2 929,1712,1 458,1 373,725,690 cm-1;1H-NMR(400 MHz,CDCl3)δ:7.33(m,5H,Ar-H),5.23(t,1H,H-12), 5.12(d,1H,J=12.5 Hz,Bn-H1),4.99(d,1H,J=12.5 Hz, Bn-H2),2.28(d,1H,J=11.3 Hz,H-18),0.94(d,3H,J=5.9 Hz,CH3),0.86(d,3H,J=6.4 Hz,CH3),1.07~0.64(s,15H, 5×CH3);ESI-MS m/z:547.4[M+H]+。
化合物3,白色針狀晶體,收率:89.0%,mp:133~135℃;IR(KBr)σ:2 970,2 929,1 726, 1454,1 350,1 172,912,875,752,696 cm-1;1HNMR (400 MHz,CDCl3)δ:7.33(m,5H,Ar-H), 5.23(t,1H,H-12),5.12(d,1H,J=12.5 Hz,Bn-H1), 4.99(d,1H,J=12.5 Hz,Bn-H2),3.01(s,3H,CH3S), 2.28(d,1H,J=11.3 Hz,H-18),0.94(d,3H,J=6.8 Hz,CH3),0.84(d,3H,J=5.4 Hz,CH3),1.06~0.63(s, 15 H,5×CH3);ESI-MS m/z:625.4[M+H]+。
化合物4,白色無定形固體,收率:88.2%,mp:104~106℃;IR(KBr)σ:2928,2868,1726,1458, 1373,1227,1143,889,743,696 cm-1;1H-NMR (400 MHz,CDCl3)δ:7.34(m,5H,Ar-H),5.28(t, 1H,H-12),5.12(d,1H,J=12.5 Hz,Bn-H1),4.99(d, 1H,J=12.5 Hz,Bn-H2),2.29(d,1H,J=11.2 Hz, H-18),0.94(d,3H,J=6.0 Hz,CH3),0.87(d,3H,J= 6.4 Hz,CH3),1.08~0.68(s,15H,5×CH3);ESIMS m/z:529.4[M+H]+。
1.2.2 化合物5的合成 于圓底燒瓶中加入3.20 g(6.06 mmol)化合物4,1.34 g(12.12 mmol)SeO2,73 mL AcOH,加熱回流反應(yīng)2 h。完畢后,冷卻至室溫,加入飽和氯化鈉溶液,用乙酸乙酯萃取,有機層用碳酸氫鈉溶液洗至中性,無水Na2SO4干燥,濃縮于圓底燒瓶中,加入0.68 g(12.12 mmol)KOH,73 mL EtOH,7.3mL H2O,攪拌溶解,回流反應(yīng)1 h,冷卻,加入飽和氯化鈉溶液,用乙酸乙酯萃取,有機層水洗至中性,無水Na2SO4干燥,濃縮??焖俟枘z柱層析(環(huán)己烷-乙酸乙酯,28∶1)得到化合物5,白色粉末狀固體1.45 g,產(chǎn)率0.239,CHCl3);1H-NMR (400 MHz,CDCl3)δ:7.34 (m,5H,Ar-H),5.75(dd,1H,H-2),5.53(d,1H,J= 9.9 Hz,H-3),5.27(t,1H,H-12),5.12(d,1H,J= 12.5 Hz,Bn-H1),5.00(d,1H,J=12.5 Hz,Bn-H2), 3.56(d,1H,J=5.7 Hz,H-1),2.30(d,1H,J=11.2 Hz,H-18),0.94(d,3H,J=6.0 Hz,CH3),0.87(d, 3H,J=6.6 Hz,CH3),1.13~0.70(s,15 H,5×CH3); ESI-MS m/z:545.4[M+H]+。
1.2.3 化合物6的合成 于圓底燒瓶中加入1.20 g(2.20 mmol)化合物5,22 mL CH2Cl2,攪拌溶解,分批逐漸加入0.57 g(3.30 mmol)MCPBA,反應(yīng)12 h,濾過,濃縮,加入丙酮110 mL,攪拌溶解,在0℃條件下,滴加1.03 mL(2.75 mmol)瓊斯試劑,反應(yīng)4 h(TLC監(jiān)測反應(yīng)終點)。完畢后,用1 mol/L NaOH水溶液調(diào)節(jié)pH至中性,減壓除去溶劑,用乙酸乙酯萃取,有機層用飽和氯化鈉洗滌,無水Na2SO4干燥,濃縮??焖俟枘z柱層析(環(huán)己烷-乙酸乙酯,55∶2)得到化合物6,白色粉末狀固體640 mg,產(chǎn)率52.3%,mp:(400 MHz,CDCl3)δ:7.33(m,5H,Ar-H),5.27(t, 1H,H-12),5.12(d,1H,J=12.4 Hz,Bn-H1),4.99(d, 1H,J=12.4 Hz,Bn-H2),3.25(d,1H,J=3.2 Hz,H-2),3.12(d,1H,J=3.2 Hz,H-3),2.29(d,1H,J=11.4 Hz,H-18),0.94(d,3H,J=5.8 Hz,CH3),0.88(d, 3H,J=6.4 Hz,CH3),1.16~0.66(s,15 H,5×CH3); ESI-MS m/z:559.3[M+H]+。
1.2.4 化合物7的合成 于圓底燒瓶中加入500 mg(0.90 mmol)化合物6,22 mL THF,100 mg的10% Pd-C,攪拌下通入氫氣,反應(yīng)24 h,過濾,減壓除去溶劑,快速硅膠柱層析(環(huán)己烷-乙酸乙酯,23-2)得到化合物7,白色粉末狀固體407 mg,產(chǎn)率96.7%,mp:970,2 927,2 866,1 722,1 693,1 458,1 381, 1 280,1 033 cm-1;1H-NMR(400 MHz,CDCl3)δ:5.25(br,1H,H-12),3.24(d,1H,J=3.2 Hz,H-2), 3.11(d,1H,J=3.2 Hz,H-3),2.19(d,1H,J=12.3 Hz,H-18),0.93(d,3H,J=6.0 Hz,CH3),0.87(d, 3H,J=6.3 Hz,CH3),1.15~0.79(s,15 H,5×CH3); ESI-MS m/z:469.3[M+H]+。
1.2.5 化合物8和9的合成 于圓底燒瓶中加入350 mg(0.75 mmol)化合物7,75 mL THF,7.5 mL的30%H2SO4,加熱回流24 h(TLC監(jiān)測反應(yīng)終點)。完畢后,用1 mol/L NaOH水溶液調(diào)節(jié)pH至中性,減壓除去溶劑,用乙酸乙酯萃取,有機層用飽和氯化鈉洗滌,無水Na2SO4干燥,濃縮??焖俟枘z柱層析(環(huán)己烷-乙酸乙酯,8∶1)得到化合物8,白色粉末狀固體0.202,MeOH);1H-NMR (600 MHz,methanol-d4)δ:5.26(br,1H,H-12),4.61(d,1H,J=10.2 Hz,H-2), 2.97(d,1H,J=10.2 Hz,H-3),2.25(d,1H,J=11.0 Hz,H-18),1.38~0.94(s,21 H,7×CH3);ESI-MS m/z: 485.3[M-H]-?;衔?,白色粉末狀固體21.8 mg,產(chǎn)率MeOH);1H-NMR(600 MHz,methanol-d4)δ:5.24(t, 1H,H-12),4.94(d,1H,J=3.5 Hz,H-2),3.71(d, 1H,J=3.5 Hz,H-3),2.24(d,1H,J=11.3 Hz,H-18),0.95(d,3H,J=6.5 Hz,CH3),1.37~0.93(s,21 H,7×CH3);ESI-MS m/z:485.3[M-H]-。
1.2.6 化合物 10的合成 于圓底燒瓶中加入5.00 g(10.96 mmol)UA,548 mL丙酮,攪拌溶解,0℃條件下,分批緩慢滴加5.13 mL(10.70 mmol)瓊斯試劑,攪拌反應(yīng)6 h(TLC監(jiān)測反應(yīng)終點),完畢后,用1 mol/L NaOH水溶液調(diào)節(jié)pH至中性,減壓除去溶劑,用乙酸乙酯萃取,有機層用飽和氯化鈉洗滌,無水Na2SO4干燥,濃縮??焖俟枘z柱層析(環(huán)己烷-乙酸乙酯,14∶1)得到化合物10,白色粉末狀固體4.73 g,產(chǎn)率95.0%,mp:249~251℃;1H-NMR (400 MHz,CDCl3)δ:5.26(t,1H,H-12),2.21(d, 1H,J=11.4 Hz,H-18),0.95(d,3H,J=5.9 Hz, CH3),0.87(d,3H,J=6.4 Hz,CH3),1.08~0.82(s,15 H,5×CH3);ESI-MS m/z:455.3[M+H]+。
1.2.7 化合物 11的合成 于圓底燒瓶中加入4.50 g(9.90 mmol)化合物10,100 mL醋酐,1.32 g(11.88 mmol)二氧化硒,加熱回流1.5 h(TLC監(jiān)測反應(yīng)終點),冷卻,用1 mol/L NaOH水溶液調(diào)節(jié)pH至中性,用乙酸乙酯萃取,有機層用飽和氯化鈉洗滌,無水Na2SO4干燥,濃縮??焖俟枘z柱層析(環(huán)己烷-乙酸乙酯,13∶1)得到化合物11,白色粉末狀固體1.80 g,產(chǎn)率40.2%,mp:225~226℃;1H-NMR (400 MHz,CDCl3)δ:7.06(d,1H,J=10.1 Hz,H-2), 5.82(d,1H,J=10.1 Hz,H-1),5.30(t,1H,H-12), 2.23(d,1H,J=11.2 Hz,H-18),0.95(d,3H,J=6.2 Hz,CH3),0.87(d,3H,J=5.4 Hz,CH3),1.16~0.86(s, 15 H,5×CH3);ESI-MS m/z:453.3[M+H]+。
1.2.8 化合物 12的合成 于圓底燒瓶中加入1.50 g(3.32 mmol)化合物11,220 mL甲醇,攪拌溶解,在0℃條件下,緩慢滴加6 mL的10%NaOH。攪拌30 min,加入154 mL的30%H2O2,在室溫下攪拌反應(yīng)(TLC監(jiān)測反應(yīng)終點),完畢后,用1 mol/L的HCl調(diào)節(jié)pH至中性,減壓除去溶解,用乙酸乙酯萃取,有機層用飽和氯化鈉洗滌,無水Na2SO4干燥,濃縮??焖俟枘z柱層析(環(huán)己烷-乙酸乙酯,12∶1)得到化合物12,白色粉末狀固體1.25 g,產(chǎn)率80.4%,mp:(400 MHz,CDCl3)δ:5.30(t,1H,H-12),3.52(d,1H, J=4.6 Hz,H-2),3.38(d,1H,J=4.6 Hz,H-1),2.24 (d,1H,J=11.3 Hz,H-18),0.96(d,3H,J=6.7 Hz, CH3),0.88(d,3H,J=6.4 Hz,CH3),1.15~0.83(s,15 H,5×CH3);ESI-MS m/z:469.3[M+H]+。
1.2.9 化合物 13的合成 于圓底燒瓶中加入900 mg(1.92 mmol)化合物12,按照合成化合物8和9的方法制備化合物13,得到白色粉末狀固體482 mg,產(chǎn)率50.0%,mp:264~266℃(文獻(xiàn)值[9]:mp:(600 MHz,methanol-d4)δ:5.27(t,1H,H-12),2.59 (d,1H,J=17.7 Hz,H1b),2.42(d,1H,J=17.7 Hz, H1a),2.23(d,1H,J=11.2 Hz,H-18),0.88(d,3H, J=5.8 Hz,CH3),1.27~0.87(s,18 H,6×CH3);ESIMS m/z:503.3[M+H]+。
1.3 熊果酸衍生物的抗菌活性評價[7]
用比濁法對化合物的抗菌活性進(jìn)行初篩,選取六種細(xì)菌為測定對象。將含有濃度為100 μM藥物的細(xì)菌培養(yǎng)基加入96孔板中(100 μL/孔),每孔接種相應(yīng)的細(xì)菌使最終細(xì)菌數(shù)為1×105CFU/mL,以環(huán)丙沙星[10]和頭孢拉定[11]為陽性對照,同時設(shè)置陰性對照(細(xì)菌培養(yǎng)基和細(xì)菌)和正常對照(細(xì)菌培養(yǎng)基)。每個樣品每種細(xì)菌設(shè)置6個復(fù)孔。用酶標(biāo)儀測定620 nm吸光度值。在37℃的細(xì)菌培養(yǎng)箱中培養(yǎng) 48 h。完畢后,觀察并記錄菌落情況,震搖5 min,再次用酶標(biāo)儀測定620 nm吸光度值。
MIC值測定:選取初篩抑制率大于90.0%的化合物進(jìn)行 MIC測定。測定時將樣品換成不同濃度,其他步驟和初篩一樣,直接觀察是否有菌落和培養(yǎng)基是否渾濁,并結(jié)合平板接種法判定最小抑菌濃度。
UA衍生物的結(jié)構(gòu)由IR,1H NMR,13C NMR和MS圖譜確證,環(huán)氧基和羥基的構(gòu)象由二維圖譜確證。UA及其衍生物的抗菌活性初篩結(jié)果如圖2顯示,從總體來看,化合物對革蘭氏陽性菌(金黃色葡萄球菌、表皮葡萄球菌、藤黃微球菌和枯草桿菌)的抗菌活性大于革蘭氏陰性菌 (大腸桿菌和銅綠假單胞菌)。化合物7、8、9、11和12對六個菌種都顯示很強的抗菌活性。其中對UA及其衍生物的抗菌活性機理,有研究認(rèn)為是革蘭氏陰性菌對化合物有選擇性滲透阻礙作用[12]。從化合物結(jié)構(gòu)上面分析,C-28位游離羧基的抗菌活性較好,當(dāng)C-28位上連接芐基時,抗菌活性都會不同程度的下降。化合物10由UA為原料,經(jīng)過C-3上羥基氧化為羰基而得到,其抑制銅綠假單胞菌和藤黃微球菌的活性明顯降低?;衔?3由化合物12的A環(huán)開環(huán)而得到,但A環(huán)開環(huán)后對六種細(xì)菌的抑制活性明顯下降,說明UA衍生物結(jié)構(gòu)中的A環(huán)的存在對化合物的抗菌活性起到關(guān)鍵作用。
圖2 UA及其衍生物對六種細(xì)菌的抑制作用(濃度為100 μmol/L)
初篩結(jié)果顯示化合物7-12具有較好的抗菌活性。因此,對化合物7-12進(jìn)行了MIC值測定,結(jié)果如表1顯示。以環(huán)丙沙星和頭孢拉定為陽性對照,化合物12(1,2-環(huán)氧-3-羰基化合物)對大腸桿菌、銅綠假單胞菌、金黃色葡萄球菌和表皮葡萄球菌的MIC值均為3.1 μmol/L,同時對藤黃微球菌和枯草桿菌的MIC值均為6.3 μmol/L。相比之下,化合物7 (2,3-環(huán)氧-1-羰基化合物)對大腸桿菌、銅綠假單胞菌、表皮葡萄球菌、藤黃微球菌和枯草桿菌的MIC為12.5μmol/L,同時對金黃色葡萄球菌的MIC為6.3 μmol/L。說明擁有1,2-環(huán)氧-3-羰基部分的衍生物比擁有2,3-環(huán)氧-1-羰基部分的衍生物抗菌作用更強。擁有2,3-二羥基-1-羰基的化合物8和化合物9相比UA抗菌活性有明顯的增強,如化合物8和化合物9對大腸桿菌、銅綠假單胞菌、金黃色葡萄球菌、表皮葡萄球菌和枯草桿菌的MIC均為25 μmol/L,對藤黃微球菌的抗菌活性分別是 12.5 μmol/L和6.3μmol/L?;衔?0對大腸桿菌和枯草桿菌的抗菌活性相比較弱,其MIC均為50 μmol/L?;衔?1對六個菌種的抗菌活性最好,均為3.1 μmol/L,說明UA的A環(huán)上引入α,β-不飽和酮時能明顯增加抗菌活性,可能由于α,β-不飽和酮部分對化合物滲透入細(xì)菌的貢獻(xiàn)較大,但是其具體抗菌機制還需要進(jìn)一步研究[13]。
本次實驗結(jié)果顯示,UA的A環(huán)引入羰基、多羥基、環(huán)氧部分或不飽和部分時,將明顯提高抑制大腸桿菌、銅綠假單胞菌、金黃色葡萄球菌、表皮葡萄球菌、藤黃微球菌和枯草桿菌生長的活性。尤其是A環(huán)引入α,β-不飽和酮的抗菌活性更強。并且,多數(shù)UA衍生物對革蘭氏陽性菌的抗菌活性強于革蘭氏陰性菌。這些工作可為以熊果酸為先導(dǎo)化合物進(jìn)行抗菌藥物的研發(fā)提供前期基礎(chǔ)。
表1 UA及其衍生物對六種菌株的MIC值 (μmol/L)
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(本文編輯 蘇 維)
Synthesis and Antibacterial Evaluation of Ursolic Acid Derivatives
MENG Yingcai,ZHAN Jihua,XIAO Shuiping,TAN Yang,LIAO Meifang,ZHANG Yulin,LI Ling*,PEI Gang* (Pharmacy School,Hunan University of Chinese Medicine,Changsha,Hunan 410208,China)
Objective To synthesize ursolic acid (UA)derivatives and investigate its antibacterial activities.Methods UA(1) as the starting material,UA derivatives (2-13)were modified by functional groups in ring A and its antibacterial activities were evaluated by Escherichia coli (E.coli),Pseudomonas aeruginosa (P.aeruginosa),Staphylococcus aureus (S.aureus), Staphylococcus epidermidis(S.epidermidis),Micrococcus luteus(M.luteus)and Bacillus subtilis(B.subtilis).Results Most of UA derivatives displayed potent antibacterial activity,such as compound 7 against S.aureus with MIC of 6.3 μM,compound 8 and 9 against M.luteus with MICs of 12.5 μM and 6.3 μM,respectively,compound 11 against six bacteria strains with a same MIC of 3.1 μM,and compound 12 against E.coli,P.aeruginosa,S.aureus and S.epidermidis,with a same MIC of 3.1 μM.Conclusion All of the derivatives showed stronger antibacteral activities than UA in vitro,especially,when an epoxy or unsaturated moiety was introduced in ring A.It may be used for the future research on antibacterial agents from UA derivatives.
ursolic acid;derivatives;antibacterials;synthesis;inhibition
R284.3;R914.5
A
10.3969/j.issn.1674-070X.2017.05.008
2016-06-28
2015年湖南省研究生科研創(chuàng)新項目(CX2015B335);湖南省教育廳項目(15C1037);湖南省“十二五”重點學(xué)科中藥學(xué)資助;湖南省高層次衛(wèi)生人才“225”工程項目資助。
孟英才,男,碩士,研究方向:新藥研究與開發(fā)。
*裴 剛,男,教授,博士研究生導(dǎo)師,E-mail:peigang@hotmail.com;*李 玲,女,副教授,碩士研究生導(dǎo)師,E-mail:zyll319@163.com。
本文引用:孟英才,詹濟(jì)華,肖水平,譚 洋,廖美芳,張雨林,李 玲,裴 剛.熊果酸衍生物的合成及其抗菌活性評價[J].湖南中醫(yī)藥大學(xué)學(xué)報,2017,37(5):493-498.