黄芪的化学成分及药理作用研究进展

Progress of Research on Chemical Composition and Pharmacological Effects of Astragalus membranaceus

摘要: 黄芪为补药之长，是补气升阳的要药，具有固表止汗、利水消肿、生津养血等功效。黄芪的化学成分复杂，包括黄芪多糖、黄芪皂苷、黄芪黄酮类、氨基酸及微量元素等其他成分。黄芪的药理作用广泛，包括对骨代谢的影响、抗病毒及抗肿瘤等。本文总结了近年来有关黄芪的化学成分及药理作用，为黄芪继续深入研究奠定理论基础。

Abstract: Astragalus membranaceus is the longest of the tonic herbs and is an important medicine for tonifying qi and raising yang, with the efficacy of fixing the surface to stop sweating, preventing water retention and swelling, and generating fluid to nourish blood. The chemical composition of Astragalusmembranaceus is complex, including Astragalus polysaccharides, Astragalus saponins, Astragalus flavonoids, amino acids and other components such as trace elements. Astragalus has a wide range of pharmacological effects, including effects on bone metabolism, antiviral and antitumor. This paper summarizes the chemical composition and pharmacological effects of Astragalus membranaceus in recent years, and lays the theoretical foundation for further research on Astragalus membranaceus.

1. 引言

黄芪是豆科植物蒙古黄芪Astragalus membranaceus (Fisch.) Bge.var.mongholicus (Bge.) Hsiao或膜荚黄芪Astragalus membranaceus (Fisch.) Bge.的干燥根，主要分布于内蒙古、宁夏、陕西和山西等地，味甘性微温，归肺脾两经，具有补气升阳、固表止汗、利水消肿、生津养血等功效 [1] [2] 。黄芪入药历史悠久，始载于《神农本草经》，该书首次提出黄芪可用于治疗内科虚证、外科痈疽症及儿科病症，随着医家从不同角度对黄芪功效及作用机制进行深入研究及系统阐述，黄芪治疗妇科病症、消渴症、痛症及汗症等疾病病机被进一步探明，黄芪益气固表、甘温除热及补益中气等功效被进一步明确 [3] 。现代中医将黄芪常用于治疗气虚乏力、食少便溏、表虚自汗及久泻脱肛等疾病 [2] 。研究表明黄芪含有黄芪多糖类、皂苷类及黄酮类等其他多种成分；结合现代药理学研究发现黄芪具有影响骨代谢、提高免疫力及抗氧化应激等多种生物活性 [3] 。本文总结了近年来有关黄芪化学成分及药理作用等方面的研究报道，为今后黄芪的研究与开发提供参考。

2. 黄芪的化学成分

2.1. 黄芪多糖

黄芪多糖(APS)是黄芪的初生代谢产物之一 [3] 。APS结构复杂，目前主要是通过APS的分子量、单糖组成比例、糖链的连接顺序及空间结构等结构表征来了解APS的结构 [4] 。APS的分子量分布广泛，如李红法 [5] 等人采用分级醇沉法研究APS的分子量分布，结果显示APS的分子量分布为1000~4500 kDa、420~720 kDa、90~200 kDa、46~68 kDa、10~20 kDa及6~8 kDa。组成APS的单糖种类丰富，单糖的组成种类及比例会因品质、分子量等因素而产生差异，如颜军 [6] 等人在对提取分离得到的3种APS进行单糖组成及比例分析时发现APS-1由半乳糖、葡萄糖、阿拉伯糖组成，其组成比为1.0:24.8:2.5；APS-2与APS-3都由鼠李糖、半乳糖醛酸、葡萄糖、半乳糖、阿拉伯糖组成，但其组成比却不相同。不同种类的APS中的糖苷键类型存在差异，如刘卫宝 [7] 等人对从蒙古黄芪中提取分离出的2种APS进行红外光谱检测，结果显示APS-1以α-型吡喃糖苷键为主；APS-2则同时包含α-型糖苷键和β-型糖苷键。APS的糖链连接方式复杂多样，如林梦感 [8] 等人在对提取出的黄芪多糖MAPS-5进行甲基化分析，发现该糖末端是以1→4、1→4，6连接葡萄糖；刘荣强 [9] 对所提取出APS-Ⅰ和APS-Ⅱ进行甲基化分析，结果显示2种黄芪多糖是以1→3连接为主链的葡聚糖，少量1→4、1→6连接的葡萄糖及1→4连接的阿拉伯糖和木糖以分支形式存在。APS还存在高级结构，目前可通过扫描电子显微镜、刚果红实验等进行研究，如李红法 [5] 等人采用扫描电子显微镜观察所提取到的6种多糖的形态学特征，结果显示6种APS的表面特征有差异。

2.2. 黄芪皂苷类

黄芪皂苷类化合物在黄芪中虽含量偏低，但种类丰富，黄芪皂苷类化合物属于三萜皂苷及衍生物，其结构主要是由母核皂苷元及不同数量、种类的糖基构成 [10] 。通过查阅文献，黄芪皂苷类成分，见表1。

Table 1. Saponins of Astragalus membranaceus

表1. 黄芪皂苷类成分

2.3. 黄芪黄酮类

黄芪黄酮是黄芪重要的次生代谢产物之一，具有增强免疫力、抗氧化等药理作用 [27] 。通过查阅文献，黄芪黄酮类成分，见表2。

Table 2. Flavonoids of Astragalus membranaceus

表2. 黄芪黄酮类成分

2.4. 其他成分

除了以上三类成分外，黄芪还含有丰富的微量元素，有研究利用微波消解-ICP-OES法测定黄芪中13种微量元素，其中K、P、S、Ca、Mg的含量较高，这可能与黄芪补气的功效有一定的相关性 [45] 。黄芪中所含氨基酸的数量超过14种，其中主要以脯氨酸、天冬氨酸及谷氨酸为主，而且不同的炮制方法对黄芪中氨基酸的含量也有影响，其中生黄芪中总氨基酸的含量最高，其次为炒黄芪、酒黄芪，最低为盐黄芪 [46] 。此外，黄芪还含有绿原酸、阿魏酸、烟酰胺等化学成分 [47] 。

3. 药理作用

3.1. 对骨代谢的影响

骨髓间充质干细胞(BMSCs)向成骨细胞分化是维持骨代谢的关键因素，BMSCs衰老是导致老年性骨质疏松发生的重要因素之一，细胞实验证明黄芪可促进D-半乳糖诱导的衰老BMSCs向成骨细胞分化并延缓BMSCs的衰老，从而减缓骨质疏松的发生发展 [48] 。另有研究证明黄芪含药血清可提高D-半乳糖诱导的衰老BMSCs的维生素D受体及Klotho基因、蛋白的表达水平，下调FGF23至正常水平，达到抑制BMSCs衰老的作用，进而发挥防治骨质疏松的药效 [49] 。有学者发现黄芪的有效成分对绝经后骨质疏松的防治具有一定的疗效，黄芪甲苷可通过调节FoxO3a/Wnt2/β-catenin通路，抑制氧化损伤，促进成骨细胞的增殖与分化来改善去卵巢大鼠的骨代谢失衡 [50] 。APS能改善骨微结构特性，增加血钙含量，对去卵巢大鼠的骨质疏松具有积极的治疗作用，其机制可能与激活BMP-2/Smads信号通路有关 [51] 。

3.2. 对心脑血管系统的影响

黄芪可通过调节氨基酸代谢来维持神经递质稳态，修复脑神经元损伤，发挥脑保护效应 [52] 。研究发现黄芪甲苷能抑制细菌性脑膜炎大鼠的神经元凋亡，阻止神经元骨架重构，促进中枢神经系统内源性修复，其机制与抑制RhoA/ROCK通路激活有关 [53] 。毛蕊异黄酮可减少脑缺血再灌注大鼠脑梗死体积，减少凋亡关键蛋白Caspase-3的表达，阻碍神经细胞的凋亡，从而发挥脑神经保护作用 [54] 。另外，黄芪能通过改善脂肪酸代谢来增强心脏能量供应，治疗心血管疾病 [52] 。APS可下调脓毒症小鼠促炎细胞因子白细胞介素-1β水平，减少心肌细胞凋亡，改善小鼠心功能障碍 [55] 。黄芪甲苷对缺氧/复氧损伤的乳鼠原代心肌细胞有保护作用，其机理与上调血红素氧化酶-1mRNA及蛋白水平，下调炎症因子水平有关 [56] 。唐石欢 [57] 等人发现APS能抑制衰老小鼠促凋亡基因/蛋白p53表达，抑制造血干细胞的凋亡。

3.3. 对免疫系统的影响

胸腺和脾脏分别是机体的中枢及外周免疫器官，实验研究显示黄芪可升高环磷酰胺所致免疫失衡小鼠的胸腺指数，减轻环磷酰胺所致的脾肿大，降低外周血CD3 + T细胞数量，提高CD19 + T细胞和CD314 + T细胞数量，进而改善机体免疫失衡 [58] 。此外黄芪甲苷可上调细胞因子白细胞介素-2和可溶性二聚体细胞因子水平，促进B细胞增殖及抗原呈递，加强自然杀伤细胞的杀伤能力，进而增强环磷酰胺所致免疫抑制小鼠的免疫功能 [59] 。另有研究发现APS能通过调节细胞因子水平来促进免疫抑制小鼠胸腺及脾的免疫功能恢复 [60] 。APS可干预变应性哮喘大鼠模型中树突状细胞表型的表达，调节机体免疫功能失衡，促进大鼠肺功能的恢复 [61] 。实验研究发现黄芪总黄酮既能适度活化正常RAW264.7细胞的NF-κB信号通路及提高细胞因子含量，增强机体免疫功能，也能抑制脂多糖刺激的RAW264.7细胞NF-κB 信号通路的过度激活及细胞因子的过度释放，减少炎症反应，从而对巨噬细胞RAW264.7发挥抗炎免疫双向调节作用 [62] 。

3.4. 抗肿瘤作用

滤泡辅助性T细胞(Tfh细胞)在抗肿瘤免疫中发挥着重要作用，实验证明黄芪可通过促进Tfh细胞向肿瘤的迁移，增加肿瘤中CD8 + T细胞数量，来减缓肾细胞癌小鼠肿瘤的生长 [63] 。黄芪注射液能下调小鼠4T1乳腺癌细胞移植瘤组织中细胞周期蛋白D1表达水平，阻滞肿瘤细胞由G0/G1期进入S期，抑制肿瘤细胞的增殖，同时促进凋亡关键酶Caspase-3的表达，减少抗凋亡因子Bcl-2的表达，诱导肿瘤细胞的凋亡 [64] 。细胞实验显示黄芪提取物可抑制PI3K/Akt/mTOR信号通路来抑制体外培养的人乳腺癌细胞的生长并诱导其凋亡 [65] 。此外，研究表明黄芪甲苷可促进巨噬细胞内信号传导及转录激活因子1发生磷酸化，进而诱导巨噬细胞向具有抗肿瘤作用的M1型巨噬细胞发生极化，从而启动巨噬细胞相关的抗肿瘤免疫应答 [66] 。APS能通过减少与肿瘤转移密切相关的蛋白酶基质金属蛋白酶-2和基质金属蛋白酶-9的表达水平来抑制人结直肠癌HCT116细胞的侵袭和转移 [67] 。

3.5. 抗病毒作用

柯萨奇B3病毒(CVB3)感染可造成心肌细胞受损死亡，研究发现黄芪皂苷可抑制CVB3基因复制，降低CVB3表达量，从而减轻CVB3对心肌细胞的损伤，对病毒性心肌炎大鼠的心肌细胞具有保护作用 [68] 。APS对人呼吸道合胞病毒(RSV)复制有抑制作用，可调节RSV引起的免疫及氧化反应，对被RSV感染的小鼠发挥抗病毒作用，其机制与抑制TLR4/MAPK/NF-κB通路激活有关 [69] 。另外，采用网络药理学方法发现玉屏风散治疗新型冠状病毒肺炎(COVID-19)筛选出的44个活性化合物中有20个来自黄芪 [70] 。防瘟九味饮筛选出防治COVID-19作用最强的8个化合物中有2个化合物归属于黄芪，通过建立中药–化合物–靶点–疾病网络模型分析这2个化合物可能具有抗肠道病毒71型等其他病毒的活性 [71] 。

3.6. 抗氧化应激

Nrf2-ARE和MAPKs是抗氧化应激重要的信号通路，Nrf2-ARE信号通路可激活下游抗氧化应激基因血红素氧合酶-1来减少氧化损伤 [72] 。实验研究发现黄芪提取物对病毒性心肌炎大鼠的心肌组织具有保护作用，其可增加抗氧化蛋白超氧化物歧化酶(SOD)及还原型谷胱甘肽含量，减少活性氧及过氧化物终产物丙二醛的产生，从而减轻大鼠心肌细胞内氧化应激损伤，其机制与调节Nrf2/HO-1通路有关 [73] 。MAPKs信号通路主要包括JNK及p38MAPK信号通路 [72] 。糖尿病酮症酸中毒小鼠经口给予的，黄芪甲苷可调节JNK及Nrf2信号通路，增强胰腺组织抗氧化能力 [74] 。黄芪甲苷可降低间歇性缺氧诱导的人肺上皮Beas-2B细胞活性氧水平，提高SOD水平，抑制JNK及p38MAPK信号通路，抑制氧化应激反应 [75] 。

3.7. 其他作用

黄芪还具有其他药理作用，如保护肝脏、保护肾脏等。肝纤维化是细胞外基质降解与失衡产生的结果，基质金属蛋白酶-1 (MMP-1)及组织金属蛋白酶抑制剂-1 (TIMP-1)与细胞外基质的降解相关，黄芪可通过上调肝纤维化大鼠的MMP-1及下调TIMP-1表达水平，抑制细胞外基质的表达，从而阻止大鼠肝纤维化的发生发展 [76] 。黄芪对糖尿病肾病大鼠的肾小球具有一定的保护作用，其作用主要通过阻断大鼠肾脏内质网应激反应的激活来完成 [77] 。黄芪可降低慢性肾小球肾炎大鼠机会致病菌及尿毒素产生菌相对丰度，增加短链脂肪酸产生菌相对丰度，提高大鼠肠道屏障修复相关代谢，从而改善肾损伤 [78] 。细胞实验研究发现黄芪能抑制缺氧诱导的视网膜新生血管的形成，改善糖尿病视网膜病变 [79] 。

4. 总结与展望

黄芪作为常用的中药材之一，含有丰富的化学成分，如黄芪多糖、黄芪皂苷、黄酮类及微量元素等成分。近年来随着黄芪化学成分分离提取、结构鉴定及色谱分析等方面研究的深入开展及各种检测技术的成熟，研究人员对黄芪多糖、黄芪皂苷及黄酮类等含量较高的有效成分不断地展开深入地研究，而对于氨基酸等含量较低的化学成分关注度则较少，且近年来从黄芪中提取分离鉴定出的新化合物较少，因此可以在现有的研究基础上加大对黄芪中化合物相关方面的研究力度，从不同方面探寻新的化合物，为黄芪的药用开发提供选择。随着黄芪中的化合物被不断地发掘，黄芪的药理作用也广受关注，如防治骨质疏松、抗肿瘤、抗炎抗病毒等药理作用。虽然目前研究人员对黄芪的药理作用及其机制方面做了大量的基础实验研究，但存在不足，如黄芪调节骨代谢的体内研究较少；基于网络药理学研究发现玉屏风散治疗新型冠状病毒肺炎能筛选出来自黄芪的活性化合物 [70] ，但这些活性化合物是否具有抗新冠病毒的作用需要实验进一步验证。黄芪具有重要的药用价值，较大的开发潜力，今后需要对黄芪进行深入的药理药效研究，促进黄芪进一步的开发及利用。

基金项目

贵州省科技计划项目，项目编号：黔科合基础-ZK[2022]一般456；2023年度贵州省卫生健康委科学技术基金项目，项目编号：gzwkj2023-524；贵州省中医药管理局中医药、民族医药科学技术研究课题专项，项目编号：QZYY-2021-022。

NOTES

^*通讯作者。