综述：洋蓟属植物中的倍半萜内酯：生物活性、农业应用、提取技术及生产增强策略

《Compounds》：Sesquiterpene Lactones in Cynara: Biological Activities, Agriculture Applications, Extraction Techniques, and Production Enhancement Strategies

　　

洋蓟属（Cynara）植物原产于地中海地区，在全球范围内被广泛用于食品和传统医药领域。该属植物以多样的次生代谢产物组成为特征，其中倍半萜内酯（Sesquiterpene Lactones, STLs）作为萜类化合物的一个亚类尤为独特。这类化合物是植物天然合成的防御机制成分，可抵御植食性动物和病原体，同时发挥化感化学物质的作用。洋蓟属中的倍半萜内酯表现出潜在抗癌、抗炎和抗菌活性，同时还具备显著的植物毒性，使其成为农业应用中极具前景的天然生物除草剂。有效开发利用这类化合物需要选用合适的提取溶剂与技术：与传统溶剂及提取方法相比，离子液体、低共熔溶剂等绿色溶剂，结合超声辅助提取、超临界流体提取、Naviglio提取等现代提取技术，已被证明对其回收效率更高。此外，盐胁迫、遮阴、激素及微生物生物刺激素等诱导策略的应用，已成为栽培过程中提高该类化合物产量的有效途径。因此本综述强调洋蓟属是倍半萜内酯的重要来源，在医药和农业领域具有广泛应用前景，并为相关提取及产量提升的技术路径提供了指导。

1. 1.
   引言
   天然产物指来源于动物、植物和微生物等各类自然来源的化合物，植物源天然产物自古以来对人类健康改善具有重要意义，传统医学中以浸渍剂、煎剂、浸剂、膏剂等不同剂型使用含天然成分的草药制剂。随着提取、分离和鉴定技术的发展，吗啡、紫杉醇、水飞蓟素、青蒿素、可待因等众多化合物已被开发为临床用药。植物产生的次生代谢产物不直接参与生长、细胞分裂、呼吸、光合作用和繁殖等初生代谢过程，但在植物应对生物和非生物胁迫中发挥重要作用，可抵御细菌、真菌、病毒等病原体和植食性动物，同时参与植物通讯和传粉者吸引。这类化合物源于乙酰辅酶A、莽草酸、甲羟戊酸等初生代谢中间体，经羟基化、酰化等修饰生成结构多样的分子，目前已鉴定出超过20万种结构，按生物合成途径和化学结构分为萜类、多酚类和含氮化合物，其浓度受遗传及紫外线强度、温度、盐度、干旱、臭氧胁迫等环境因素影响。萜类化合物是植物中分布最广、结构最丰富的类别之一，已鉴定分子超过5.5万种，其合成始于细胞质中的甲羟戊酸途径和叶绿体中的甲基赤藓糖醇磷酸途径，生成异戊烯基焦磷酸（Isopentenyl Diphosphate, IPP）和二甲基烯丙基焦磷酸（Dimethylallyl Diphosphate, DMAPP），二者头尾缩合生成牻牛儿基焦磷酸（Geranyl Diphosphate, GPP），再添加一个IPP单元生成15碳的法尼基焦磷酸（Farnesyl Pyrophosphate, FPP），继续添加一个IPP单元则生成牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸（Geranylgeranyl Diphosphate, GGPP）。倍半萜内酯由FPP经大根香叶烷A合酶（Germacrene A Synthase, GAS）环化形成大根香叶烷A，再经大根香叶烷A氧化酶（Germacrene A Oxidase, GAO）氧化生成大根香叶烷A酸，随后经羟基化、内酯化、去饱和等修饰形成含α-亚甲基-γ-内酯结构的15碳骨架，进一步经羟基化、环氧化、酯化等修饰产生结构多样性，目前已鉴定超过5000种结构，分为桉烷内酯（6/6双环结构）、愈创木烷内酯和伪愈创木烷内酯（5/7双环化合物）、大根香叶烷内酯（10元环）和苍耳烷内酯（无环碳链+7元环），其中大根香叶烷内酯、愈创木烷内酯、伪愈创木烷内酯和桉烷内酯在植物中最常见。倍半萜内酯的医学应用可追溯至古代，其健康益处源于多样的生物活性：可通过抑制病毒进入、复制和蛋白质组装，对甲型、乙型、丙型肝炎病毒、SARS-CoV-2、单纯疱疹病毒（HSV-1）、甲型流感病毒（A/H1N1）表现出显著抗病毒活性；通过提升寄生虫内活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）水平和诱导感染细胞凋亡，对杜氏利什曼原虫、墨西哥利什曼原虫表现出强抗利什曼活性，对克氏锥虫、布氏锥虫表现出强锥虫杀灭活性；通过抑制增殖、分化和血管生成，抑制多种癌症，具体机制包括提升ROS水平诱导细胞凋亡、造成G2/M期细胞周期阻滞、增加内质网应激、调控核因子κB（Nuclear Factor-κB, NF-κB）和信号转导与转录激活因子（Signal Transducer and Activator of Transcription, STAT）等转录因子的表达；还可通过减少T细胞和B细胞增殖发挥免疫调节作用，通过抑制NF-κB、丝裂原活化蛋白激酶（Mitogen-Activated Protein Kinase, MAPK）、Janus激酶（JAK）/STAT等炎症相关通路发挥抗炎作用。这些生物活性与α-亚甲基-γ-内酯结构中的α,β-不饱和羰基有关，该高反应活性基团作为迈克尔受体，可与蛋白质、酶和谷胱甘肽中的半胱氨酸残基等亲核试剂反应，催化半胱氨酸残基巯烷基化，改变其结构，从而解释该类化合物的细胞毒、抗炎和抗癌活性。地中海盆地独特的气候孕育了丰富的植物多样性，菊科（Asteraceae）是该区域分布最广、多样性最高的植物科之一，包含约1600属2.5万种，倍半萜内酯虽存在于樟科、伞形科、大戟科等多个植物科中，但菊科的丰度和结构多样性最高，这种分化归因于菊科内的物种形成，因此倍半萜内酯被用作分类学的化学标记，主要定位于菊科植物叶片的头状腺毛和乳汁管中，赋予抗植食性动物活性，凸显其在菊科进化适应中的作用。洋蓟属（Cynara）属于菊科，包含8个物种，其中菜蓟（Cynara cardunculus L.）被公认有3个变种：Cynara scolymus、Cynara altilis和Cynara sylvestris。菜蓟自古就被埃及、希腊和罗马文明用于食品和医药，医药上用于管理高血压、高胆固醇血症、糖尿病、非酒精性脂肪肝等代谢紊乱疾病，以及神经炎症和微生物感染；食品工业中因其抗氧化、抗炎和益生元特性被用于烘焙制品、肉鱼制品、乳制品等功能食品开发；此外还可用于生产生物乙醇、生物甲烷，作为杂草防控的生物除草剂和造纸纸浆原料。虽然菜蓟富含酚酸和黄酮类化合物，但倍半萜内酯尤其是洋蓟苦素是其特征性化学标记，洋蓟属中的倍半萜内酯多为愈创木烷内酯型，在根、茎、花头和叶片中含量存在差异，叶片中含量最高且化合物多样性最丰富，其中洋蓟苦素占比最高，其次为格罗希明和脱氢洋蓟苦素，代谢组学技术证实洋蓟属中的倍半萜内酯可作为指纹标记区分不同变种，NMR代谢组学鉴定出阿盖林B是野生洋蓟区别于栽培洋蓟的标记物，后者以高含量的绿原酸和木犀草素为特征。洋蓟属中分离的倍半萜内酯具有抗肿瘤、抗炎、降血脂和抗菌活性，同时因可抑制稗草、臂形草等对作物危害最大的杂草，在农业领域具有重要应用价值。鉴于倍半萜内酯的应用潜力，近年来科学界对其分离和生物活性评价的关注度显著提升，提取作为影响化合物生物活性的关键因素受到重点关注，目前研究正致力于用高效、可持续、生物基的替代溶剂取代对人体和环境有害的有机溶剂，传统提取技术因高能耗、高毒溶剂使用不适合规模化应用，绿色提取技术因高得率和高提取物质量被用于洋蓟属倍半萜内酯的提取。此外，植物细胞培养、代谢和基因工程、生物/物理/激素诱导等不同策略也被证明可有效提升该类代谢产物的产量。本综述旨在系统梳理洋蓟属中的倍半萜内酯种类、生物活性及农业应用潜力，重点介绍回收该类化合物的溶剂和提取技术，对比新型方法的优势，同时讨论提升洋蓟属倍半萜内酯产量的不同策略和诱导子类型。
2. 2.
   研究方法
   研究人员通过PubMed、Scopus、Google Scholar等多数据库检索文献，检索词组合使用“倍半萜内酯”“Cynara”“提取”“生物活性”“产量提升”等关键词，采用“AND”“OR”逻辑运算符确保检索结果最大化，检索无时间限制，覆盖截至2026年12月的所有出版物。文献收集后通过摘要筛选分类，再对全文进行分析，最终整合为洋蓟属倍半萜内酯化合物、生物活性（抗氧化、抗炎、抗癌等）、提取技术、产量提升策略四个部分。
3. 3.
   洋蓟属作为倍半萜内酯的来源
   洋蓟属是萜类化合物的优质来源，包含单萜、二萜、三萜和倍半萜内酯，其中倍半萜内酯在叶片中的含量约为茎部的10倍，以愈创木烷内酯类为主，尤其是洋蓟苦素、格罗希明和洋蓟三醇。此外还从洋蓟和菜蓟叶片中分离出8-脱氧-11,13-二氢格罗希明、11β,13-二氢洋蓟苦素、异琥珀酰洋蓟苦素、十二烷基洋蓟苦素8-O-β-D-吡喃葡萄糖苷、洋蓟宁B，以及洋蓟斯考洛苷A、B、C等倍半萜糖苷类次要化合物，从菜蓟叶片中还分离出阿盖林B、8α-乙酰氧基扎鲁扎宁C和脱氢蜜里廷。洋蓟苦素于1960年首次从洋蓟中分离得到，其浓度随基因型和组织部位变化，是洋蓟叶片中的主要化合物，占总倍半萜内酯含量的60%左右，在茎、花托、苞片和根中含量较低，茎部洋蓟苦素浓度约为花头的2倍，贡献了洋蓟叶片约80%的苦味。洋蓟苦素在洋蓟叶片中合成并储存于腺毛中，其生物合成第一步是细胞质中GAS催化FPP环化生成(+)-大根香叶烷A，随后在内质网中被作为GAO的细胞色素P450酶CYP71AV9氧化为大根香叶烷-1(10),4,11(13)-三烯-12-酸，再经作为costunolide合酶的细胞色素P450酶CYP71BL5催化羟基化生成羟基大根香叶烷A酸，自发内酯化形成倍半萜内酯共同前体costunolide，后续经羟基化、环化、氧化、酰化等步骤最终合成洋蓟苦素。
4. 4.
   洋蓟属倍半萜内酯的生物活性
   洋蓟属中的倍半萜内酯通过作用于不同靶点和通路表现出广泛的生物活性。
   4.1 抗癌活性
   倍半萜内酯是极具潜力的抗癌候选物，洋蓟属倍半萜内酯对多种癌症表现出显著抑制作用：25 μmol/L洋蓟苦素处理人结肠癌细胞（HCT-116）24小时可通过提升ROS水平、降低基质金属蛋白酶（Matrix Metalloproteinase, MMP）水平、上调caspase-9、caspase-3和Bcl-2相关X蛋白（Bax）表达、下调B细胞淋巴瘤2（Bcl-2）表达诱导凋亡，减少细胞增殖；还可抑制人结直肠癌细胞（RKO、HCT116、DLD-1）的生长、增殖和迁移，诱导凋亡，机制为抑制白血病抑制因子受体蛋白（Leukemia Inhibitory Factor Receptor, LIFR），进而抑制信号转导与转录激活因子3（STAT3）磷酸化和核转位，以及抑制STAT3与STAT4在细胞核内形成异二聚体。C. altilis的亲脂性组分中洋蓟苦素和格罗希明的IC₅₀分别为7.49 μg/mL和13.9 μg/mL，可通过与caspase-3形成氢键相互作用诱导凋亡，延缓二乙基亚硝胺（Diethylnitrosamine, DEN）诱导的肝细胞癌进展，150 mg/kg剂量的提取物可降低DEN处理的Wistar大鼠肝损伤、转氨酶和甲胎蛋白水平；2 μg/mL洋蓟苦素处理Hep3B细胞可通过诱导线粒体功能障碍提升ROS水平，激活p38 MAPK信号通路，抑制作为paraptosis抑制蛋白的ALG-2相互作用蛋白X（Alix）表达，增强内质网应激，触发肝癌细胞paraptosis。富含洋蓟苦素的C. altilis叶片二氯甲烷提取物对三阴性乳腺癌细胞系MDA-MB-231的IC₅₀为10.39 μg/mL（处理48小时），可减少集落数量和体积，机制为上调caspase-3表达诱导凋亡性细胞死亡和G2期细胞周期阻滞；6 μmol/L和30 μmol/L洋蓟苦素处理MDA-MB-231和MDA-MB-468细胞72小时的IC₅₀分别为7.96 μmol/L和9.95 μmol/L，10 μmol/L浓度即可有效抑制癌细胞迁移和侵袭，抗转移效应与上调E-钙黏蛋白表达、下调N-钙黏蛋白、波形蛋白、纤连蛋白1和血管内皮生长因子（Vascular Endothelial Growth Factor, VEGF）表达有关。富含洋蓟苦素的C. cardunculus亲脂性组分可作为伊马替尼耐药慢性髓系白血病的辅助治疗，240 μg/mL浓度可通过抑制p210 BCR-ABL癌蛋白表达，抑制K562白血病细胞和伊马替尼耐药K562/IMAR细胞的活力和增殖。洋蓟苦素处理人神经母细胞瘤细胞系SK-N-BE和SH-SY5Y的IC₅₀分别为9.731 μmol/L和5.738 μmol/L，通过G2期细胞周期阻滞和上调聚腺苷二磷酸核糖聚合酶（Poly ADP-Ribose Polymerase, PARP）、caspase-3、Bax表达，下调Bcl-2表达诱导凋亡，抑制细胞增殖；30 μmol/L洋蓟苦素处理肺癌细胞可抑制丙酮酸激酶M2（Pyruvate Kinase M2, PKM2）的表达和活性，通过降低PARP诱导DNA损伤，上调肿瘤蛋白p53表达促进G2/M期细胞周期阻滞，同时降低核因子E2相关因子2（Nuclear Factor Erythroid 2-Related Factor 2, NRF2）蛋白水平，削弱抗氧化能力，增加线粒体损伤，还通过下调Bcl-2、上调Bax和caspase-3表达诱导细胞凋亡。阿盖林B对人胰腺腺癌细胞系MIA PaCa-2具有高细胞毒活性，IC₅₀为7.5±1.2，优于5-氟尿嘧啶（IC₅₀为14±1.2），通过结构中的α-亚甲基-γ-内酯环介导凋亡发挥抗增殖作用。
   4.2 抗菌活性
   洋蓟属倍半萜内酯对细菌、病毒、寄生虫和真菌均表现出 potent 抗菌活性：C. altilis叶片的氢醇提取物通过酚类化合物与洋蓟苦素的协同作用，可抑制蜡样芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、无害李斯特菌、荧光假单胞菌、丁香假单胞菌番茄致病变种、 Fascians 红球菌、金黄色葡萄球菌和番茄穿孔黄单胞菌的生长。洋蓟苦素对婴儿利什曼原虫前鞭毛体（IC₅₀=23±1 μmol/L）和无鞭毛体（IC₅₀=10 μmol/L）、杜氏利什曼原虫（IC₅₀=1.56 μmol/L）、布氏锥虫罗德西亚亚种血液型（IC₅₀=0.28±0.001 μmol/L）和恶性疟原虫（IC₅₀=2.99±1.2 μmol/L）表现出高效抑制作用，其抗利什曼活性高于脱酰基洋蓟苦素，与酯侧链的存在密切相关；13-羟基-11β,13-二氢-脱酰基洋蓟苦素无抗利什曼活性，但对恶性疟原虫的抑制活性高于脱酰基洋蓟苦素，IC₅₀为29±2 μmol/L。洋蓟苦素通过联合抑制蝶啶还原酶-1（Pteridine Reductase-1, PTR1）和双功能二氢叶酸还原酶-胸苷酸合酶（Dihydrofolate Reductase–Thymidylate Synthase, DHFR-TS）靶向寄生虫生存必需的蝶啶/叶酸代谢，100 μmol/L浓度可抑制92.1%的PTR1，IC₅₀为12.4 μmol/L，50 μmol/L浓度可抑制95.8%的DHFR，IC₅₀为7.3 μmol/L。从埃及野生洋蓟叶片水提物中分离的格罗希明醇和洋蓟苦素，在体外对人肝癌细胞系（Huh7/Scr）中表现出 potent 抗病毒活性，可在病毒进入早期阶段通过直接抑制病毒、阻止其与宿主细胞结合发挥抗丙型肝炎病毒（HCV）作用，还可抑制细胞间病毒传播；一项纳入15名HCV感染患者的临床试验显示，每日三次服用该水提物持续3个月，12名患者实现完全病毒清除，天冬氨酸氨基转移酶和丙氨酸氨基转移酶水平恢复正常，肌肉疼痛、疲劳、恶心、体重减轻等感染相关症状和体征得到缓解。
   4.3 抗氧化活性
   倍半萜内酯可通过激活NRF2-抗氧化反应元件（Antioxidant Response Element, ARE）通路诱导内源性抗氧化酶，抑制细胞氧化应激。C. cornigera地上部分的甲醇提取物含倍半萜内酯，在不同体外实验中表现出良好抗氧化活性：Cornigeralin A的螯合金属能力强于丁基羟基甲苯（Butylhydroxytoluene, BHT）；该化合物与3-羟基格罗希明可通过清除2,2'-联氮-双-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸（ABTS）自由基发挥强抗氧化活性；13-氯索尔斯蒂林是2,2-二苯基-1-苦基肼（DPPH）自由基的高效清除剂，具有高还原能力和超氧阴离子自由基清除能力，20 μg/mL浓度下抑制率达100%；格罗希明也通过DPPH自由基清除和还原能力表现出高抗氧化活性。C. scolymus叶片富含洋蓟苦素的乙酸乙酯组分在体外DPPH实验中IC₅₀为16.45±4.32 μg/mL，25 μg/mL浓度可有效保护酿酒酵母免受氧化应激，活性优于水相组分。洋蓟中分离的洋蓟苦素在正常人表皮角质形成细胞紫外线B辐射暴露模型中，可通过激活芳烃受体（Aryl Hydrocarbon Receptor, AhR）-NRF2-NAD(P)H:醌氧化还原酶1（NQO1）轴降低ROS生成：洋蓟苦素结合活化的AhR并促进其核转位，激活NRF2 mRNA转录及其后续核转位，NRF2激活强效抗氧化酶NQO1 mRNA，有效减少角质形成细胞内ROS产生。
   4.4 抗炎活性
   倍半萜内酯可通过抑制白细胞介素-1β（Interleukin-1 Beta, IL-1β）、肿瘤坏死因子-α（Tumor Necrosis Factor-α, TNF-α）、白细胞介素-6（IL-6）等基因的转录，以及诱导型一氧化氮合酶（Inducible Nitric Oxide Synthase, iNOS）和环氧合酶-2（Cyclooxygenase-2, COX-2）等炎症酶的表达治疗炎症。洋蓟属倍半萜内酯通过调控炎症介质和通路发挥良好抗炎活性：10 μmol/L洋蓟苦素可抑制牙龈卟啉单胞菌脂多糖（Lipopolysaccharide, LPS）诱导的人牙周组织炎症，减少牙周成纤维细胞中LPS诱导的促炎细胞因子IL-6和IL-8的产生，机制为抑制NF-κB活化，降低其p65亚基的核内磷酸化水平。洋蓟苦素、3β-羟基-8α-[2-甲氧基甲基-2-丙烯酰氧基]愈创木-4(15),10(14),11(13)-三烯-1α,5α,6βH-12,6-内酯和格罗希明对LPS刺激的鼠巨噬细胞RAW264.7细胞的NO生成的IC₅₀分别为1.2 μmol/L、2.4 μmol/L和3.5 μmol/L，11β,13-二氢洋蓟苦素和3β-羟基-8α-