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中国中药杂志
ChinaJournalofChineseMateriaMedica
ISSN1001-5302,CN11-2272/R
《中国中药杂志》网络首发论文
题目:中药丹参的现代化研究进展
作者:马晓晶,杨健,马桂荣,曾雯,郭娟,马莹
DOI:.
收稿日期:2022-07-23
网络首发日期:2022-08-09
引用格式:马晓晶,杨健,马桂荣,曾雯,郭娟,[J/OL].中
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发论文视为正式出版。
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中国中药杂志
中药丹参的现代化研究进展
马晓晶1,杨健1,马桂荣2,曾雯1,郭娟1,马莹1
(,北京100700;
,北京100700;)
*通信作者马莹,助理研究员,研究方向为分子生药学与合成生物学,E-mail:******@
摘要中药现代化是中医药的重要发展方向,从基础研究着手对中药进行深入探索,对了解中药及其活性成分的作
用机制及中药制剂开发利用具有重要意义。丹参是我国常用的大宗中药材之一,临床上被广泛应用于心脑血管疾病的
预防和治疗,其研究广受国内外关注。随着化学分析仪器和测序技术的不断升级、网络药理学和合成生物学技术的飞
速发展,多种现代化研究手段被应用于丹参的相关研究中。学者们分别利用化学成分分析手段系统研究了丹参的主要
活性成分、利用现代化药理学研究手段探究了丹参药效活性成分的作用机制、利用组学分析及分子生药学手段研究了
活性成分合成调控机制及合成生物学应用等,并对丹参临床制剂展开了应用研究。该文系统地总结了丹参及其活性成
分相关的现代化研究进展,重点介绍了丹参活性成分的药理作用、制剂研究、生物合成及调控机制研究,相关研究的
现代化技术手段和研究思路具有一定的普适性,期望能够进一步发挥丹参在中药研究中的模式作用。
关键词丹参;合成生物学;丹参基因组;丹参***;丹酚酸
DOI:.
ModernizationofChinesemedicineRadixSalviaeMiltiorrhizae:AReview
MAXiao-jing1,YANGJian1,MAGui-rong2,ZENGWen1,GUOJuan1,MAYing1
(-diHerbs,NationalResourceCenterforChineseMateriaMedica,ChinaAcademyofChineseMedical
Sciences,Beijing100700,China;
,BeijingUniversityofChineseMedicine,Beijing100700,China)
AbstractModernizationofChinesemedicineisanimportantdevelopmentdirectionoftraditionalChinesemedical
,whichcanalso
receivedkeyandextensiveattentionworldwideinthefollowingaspects:mainactiveingredientsandtheirpharmacological
mechanism,functionandregulationoftheirbiosyntheticpathwayandapplicationoftheirsyntheticbiologyaswellasthe
,networkpharmacology,molecularpharmacognosyand
omicsmakethemodernizationresearchofRadixSalviaeMiltiorrhizaecomprehensiveandin-
reviewedthemodernizationresearchofRadixSalviaeMiltiorrhizae,whichfocusedonitspharmacologicaleffects,
preparationresearch,biosynthesisandregulationmechanismoftheactiveingredients,andexpectedtoexertthemodelroleof
RadixSalviaeMiltiorrhizaeintheresearchofChinesemedicine.
KeywordsRadixSalviaeMiltiorrhizae;syntheticbiology;RadixSalviaeMiltiorrhizagenome;tanshinones;salvianolic
acids
丹参是我国的常用大宗中药材之一,始载于《神农本草经》,为唇形科鼠尾草属植物丹参Salvia
,2020年版《中国药典》记载其具有活血祛瘀、通经止痛、清心除
烦、凉血消痈等功效,临床广泛应用于心脑血管疾病的治疗[1]。丹参不仅具有极高的药用价值,而且
收稿日期:2022-07-23
基金项目:国家自然科学基金项目(82003904,31961133007,82011530137),国家重点研发计划项目(2020YFA0908000),财政部中央
本级重大增减支项目(2060302),中国中医科学院科技创新工程项目(CI2021A04110)
作者简介:马晓晶,助理研究员,研究方向为中药资源与分子生药学,E-mail:maxiaojing.******@
网络首发时间:2022-08-0912:48:15网络首发地址:.
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2中国中药杂志
作为唇形科药用的典型代表,其生态适应能力强,同科属植物在全世界范围内均有分布。丹参生长世
代周期短、基因组小、染色体数目少、繁殖方式多样,是理想的中药研究模式生物。近年来,随着科
学研究技术的不断发展,以丹参作为药用模式植物而开展的化学成分分离、药理学研究、生物合成研
究、组学研究和代谢工程研究逐步深入。本文围绕丹参有效成分、丹参现代药理学研究、丹参组学研
究、丹参有效活性成分生物合成与代谢工程研究,以及丹参制剂研究等方面,总结了丹参现代化研究
的进展,拟期望对进一步发挥丹参在中药研究中的模式作用起到一定的启示作用。
1丹参化学成分的研究
中药活性成分是中药发挥药效的物质基础,多数活性成分以小分子化合物的形式存在。现代分析
化学及药理学对丹参多种成分和组分进行了大量研究,认为丹参发挥药效的活性成分主要为2类:水
溶性的丹酚酸类化合物和脂溶性的丹参***类化合物,结合成分、功效以及复方配伍环境的质量标志物
预测,进一步认为这两类化合物可以作为丹参的质量标志物(Q-marker)[2]。随着分离技术水平及检
测技术灵敏度的提升,目前已经从丹参中分离检测到超过200种化合物,这其中包括至少80种二萜
化合物和40种酚酸类化合物。除了分离纯化丹参***和丹酚酸这两大类主要成分,研究者们还不断从
丹参中分离获得了一些含氮类、内酯类化合物,以及多糖、黄***、甾体、三萜等成分,为系统的药理
药效研究奠定了基础[3]。
传统提取方法包括煎煮法、浸渍法、渗漉法、回流提取法、连续回流提取法等,多以水或者不同
体积分数的乙醇为溶剂,是目前产业化提取丹参化学成分的主要方式[4]。但是,这些传统提取方法存
在提取率低、有效成分易分解或破坏、能源消耗大等问题,为了解决这些问题,越来越多的新型提取
技术包括半仿生提取法、酶辅助提取法、超声提取法、闪式提取法、微波法和超临界流体萃取法等被
应用于中药丹参的提取中[4],相关的提取动力学研究为提取工艺优化和质量控制提供了基础[5]。
许令侠等利用生物酶法与超声波提取法相结合的工艺,%,比传
%,丹参***Ⅱ%,%,同时乙醇用量
降低了2倍。此工艺大大提高了丹参中丹参***ⅡA和丹酚酸B的粗提液的提取效率,并且使用的设备
简单、提取成本和时间更低,使丹参的综合利用率更高[6]。以丹参***ⅡA、隐丹参***及总丹参***提取
率为考察指标,超声强化方法结合超临界CO2萃取工艺能够显著提高丹参***类化合物的提取效率,
使提取效率达88%以上[7]。
迄今为止,从丹参原植物和丹参组织培养体系中,研究者们利用多种现代化提取分离手段分离得到的80
多种二萜类化合物中[8],很大一部分是包括丹参***ⅡA、隐丹参***、丹参***Ⅰ等在内的具有明确药理药效活性
的丹参***类化合物。随着丹参***生物合成途径的解析,一些微量的二萜代谢产物不断被发现[9],除了研究较
多的二萜类活性成分,丹参中亦含有丰富的三萜类化合物,主要以骨架为30个碳原子的五环三萜为
主,其中以齐墩果酸和熊果酸的衍生物居多[10]。
酚酸类是丹参中第二大类主要化学成分,从丹参中分离鉴定得到的超过40种不同结构的酚酸类
化合物中,以丹酚酸B、丹参素、迷迭香酸、咖啡酸等为主,丹参中丹酚酸类化合物可视为咖啡酸及
其类似物的缩合产物,据推测丹酚酸B可能是由2分子丹参素聚合而成。除此之外,还包括不同聚合
的丹酚酸A、E等[11]。这些酚酸类成分中一些化合物比如迷迭香酸、咖啡酸等在大多数植物中都有,
而丹酚酸B等化合物则仅在丹参及其近缘物种中积累,为丹参作为心脑血管活性提供了物质基础。
此外,在丹参中化合物会自发酯化反脱水生成多种内酯类化合物,如丹参内酯、丹参螺缩***内酯
和表丹参螺缩***内酯等,药理药效研究表明这些化合物亦具有较好的活性[12]。有研究者从丹参及组织
培养物中分离得到了二萜氮杂环类化合物[13],其中不乏含量极低、但活性较好的化合物,salviadion
为迄今为止唯一一个天然来源的苯并咔唑四环类化合物[14-15]。
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马晓晶等中药丹参的现代化研究进展3
2丹参的临床药理及制剂研究
丹参药理作用广泛,是临床常用的大宗药材之一,传统功效主要是活血祛瘀、通经止痛、清心除
烦、凉血消痈,现代药理学研究表明丹参***类和丹酚酸类化合物有抗炎、抗氧化、抗肿瘤等活性[3]。
丹参临床应用最广泛的是抗心脑血管疾病活性,丹参及其制剂还用于配伍其他药物治疗多种疾病,包
括动脉粥样硬化、癌症、胃溃疡、痛经、心力衰竭、糖尿病等,具有广阔的开发前景[8]。
丹参是临床治疗心脑血管疾病不可或缺的活血化瘀药,研究表明丹酚酸A、丹酚酸B、丹参***
Ⅰ、丹参***ⅡA等主要通过其抗氧化及抗炎活性在治疗心脑血管疾病中发挥作用[3]。最具特色的是上
海药物研究所主导的丹参多酚酸盐及其注射用丹参多酚酸盐的研究与开发。以王逸平研究员为主的团
队,针对以丹参为主的注射剂存在的问题,系统研究了丹参的水溶性成分,发现其中丹参中的水溶性
成分以盐的形式存在,通过活性筛选和药理学研究发现丹参乙酸镁是丹参中最重要的有效活性成分之
一,是丹参治疗心脑血管疾病重要的有效成分。临床药理学研究表明丹参多酚酸盐具有显著的抗心肌
缺血作用,同时可降低心脏耗氧量,对抗血小板聚集和抑制血栓形成[16-18]。基于深入系统的分析以及
现代药理学研究,提出了以丹参乙酸镁作为质量控制标准,研制出新药丹参多酚酸盐及其注射用丹参
多酚酸盐。同时针对中药多成分的特征,为了保证高质量稳定生产,建立了从药材到制剂的全链条指
纹图谱质量标准,成为中药现代化的成功案例[19]。复方丹参滴丸是以丹参为君药的冠心病的常用药,
也是中药国际化的范例,现代药理学研究表明,复方丹参滴丸的主要有效成分是丹参的水溶性成分,
通过抗心肌缺血、抗血栓、减少心肌缺血和脑缺血损伤等发挥其治疗冠心病心绞痛的功效[20]。此外研
究者还通过系统中药学的方法构建“功效-药理药效-靶点-成分”的多维网络,预测丹参活血化瘀的潜在
功效标志物主要有丹酚酸B、丹酚酸A、丹参***ⅡA、丹参***Ⅰ等,这与报道的丹酚酸B、丹参***ⅡA
等具有抗血小板凝集、抗血栓、保护心脑血管活性相一致[21]。ZHANGJ等通过网络药理学方法,发
现丹参中的水溶性成分如迷迭香酸、丹酚酸B和丹参素,可通过40多个靶点和16条途径发挥抗动
脉粥样硬化的作用[22]。丹参的甲醇和水提物都被证明具有较好的抗高脂血症活性[23,24]。对丹参中单
体成分或组合成分开展深入的作用机制研究,能够为系统解析丹参良好的抗心脑血管疾病机制奠定基
础。
传统中医认为正亏、痰凝、血癖、毒蕴是肿瘤的基本病机,基于丹参传统药效及其现代药理药效
学研究的深入,近年来丹参的抗肿瘤作用受到广泛关注。丹参在临床治疗肿瘤过程中具有扶正固本、
调整气血的作用,主要体现在对肿瘤晚期患者的器官保护作用及其辅助治疗作用,主要体现在延缓肿
瘤细胞对化疗药物的耐受性及增强化疗过程中肿瘤细胞的敏感性。在宫颈癌和晚期肝癌患者的分组治
疗中,在常规治疗基础上,辅助以复方丹参注射液,能显著提高总有效率并降低复发率[25-26]。大量文
献报道丹参***类成分具有较好的抗肿瘤活性,3种指标性丹参***类化合物—丹参***ⅡA、隐丹参***和
丹参***Ⅰ体内外均具有潜在的抗肿瘤活性,通过抑制肿瘤细胞生长或增殖,诱导细胞凋亡等发挥抗肿
瘤作用[3,27,28]。丹参中的酚酸类成分在抗肿瘤研究中也显示出较好的活性,研究表明丹酚酸A对人髓
系白血病细胞呈浓度依赖性地诱导细胞凋亡作用,显著抑制异种移植于小鼠中肿瘤的生长[29]。丹酚酸
B可能通过增强人神经胶质瘤细胞内ROS的生成以及磷酸化修饰诱导肿瘤细胞凋亡[30]。随着研究的
深入,丹参的抗肿瘤活性越来越受关注,对其作用机制和作用靶点的研究,有利于更好开发利用丹参
中的抗肿瘤活性小分子。
丹参在抗纤维化及神经系统疾病方面也有临床研究和应用,其中丹参***ⅡA和丹酚酸B是丹参药
理学研究最广泛的两个化合物,在抗纤维化研究中丹参***ⅡA可以显著降低小鼠肺脏质量,减轻肺水
肿、炎性细胞浸润和细胞纤维化[31],丹酚酸B在体外对肝纤维化过程中的氧化应激具有一定的保护
作用[32]。在抗肝损伤研究中,丹参***ⅡA不仅能改善脂质代谢,降低脂质过氧化浓度,还能抵抗氧化
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4中国中药杂志
损伤,清除自由基,控制炎症反应,对肝功能损害的预后具有保护作用[33]。在神经系统保护活性研究
中,丹酚酸B显示了潜在的抗阿尔茨海默病能力,其应用会大大减轻神经元内谷胱甘肽和脂质氧化,
并抑制了抗体损伤神经元中过量线粒体超氧化物的产生[34]。丹参***ⅡA通过抑制星形胶质细胞的增
殖,对神经细胞具有保护作用,被认为是治疗阿尔兹海默病的有效候选药物[35,36]。另外隐丹参***、二
氢丹参***,以及其他酚酸类化合物也被报道对帕金森症或者阿尔茨海默病具有疗效。
在临床试验中,因丹参具有活血调经,通经止痛的作用,因此对于消化系统疾病和妇科疾病也具
有显著疗效,尤其在妇科疾病中有广泛的应用。复方丹参滴丸在临床上可治疗子宫腺肌症患者的痛
经,疗效较好,且安全性较高[37]。除此之外,%,显著
高于西药对照组。近年来,丹参及其制剂在临床上还被应用于糖尿病的治疗,复方丹参滴丸治疗糖尿
病合并无症状性心肌缺血的效果良好,可促使患者血糖达标,有效改善患者的血清学指标[38]。丹参中
丹参***类成分有显著的抗痤疮的作用,丹参胶囊及口服丹参***联合阿达帕林凝胶外用,对轻、中度痤
疮有良好的治疗效果[2]。
丹参有效成分结构多样,存在广泛的药理作用,特别是在心脑血管疾病方面的功效,吸引了许多
学者进行丹参制剂方面的研究。目前市面上出现了多种丹参制剂产品,包括片剂、注射剂、胶囊剂、
滴丸剂、贴剂、脂质体等,丰富了丹参的临床应用形式。丹参中的重要活性成分主要包括丹参***类
(丹参***ⅡA、隐丹参***、二氢丹参***、丹参***Ⅰ等)和丹酚酸类(丹酚酸A、丹酚酸B等),因此其
制剂研究也围绕这些活性成分开展。
***制剂
丹参中丹参***类化合物包括有丹参***ⅡA、丹参***Ⅰ、隐丹参***以及二氢丹参***等,属于脂溶性
成分,制剂需考虑水溶性问题。目前,丹参***类化合物被制成多种不同的制剂类型,以发挥不同的药
理作用适应临床治疗的需要,如将丹参***ⅡA制成丹参***ⅡA-磺酸钠注射液,用于治疗心脑血管疾
病,如冠心病、急性脑梗死等,同时亦可用于治疗糖尿病肾病[39];丹参***ⅡA还可髓内注射用于治疗
非创伤性股骨头缺血性坏死[40];隐丹参***可用于制备纳米混悬剂,增强隐丹参***的稳定性以及其抗肿
瘤活性[41];二氢丹参***制备纳米粒抑制肿瘤细胞的增生。
丹参中酚酸类成分大多是水溶性成分的丹酚酸A、丹酚酸B和丹参素等,为多聚酚酸的结构,具
有抗炎、抗氧化应激等药理作用。有研究报道将丹酚酸化合物制成注射用丹参多酚酸用于肺炎的治
疗[42];丹酚酸B是注射用丹酚酸制剂的主要成分[43],具有改善脑部血循环、抗血栓的作用,但由于
其脑靶向差,有研究发现可将其制成纳米粒以提高药物稳定性,增加生物利用度,用于肝纤维化和肝
炎的治疗[44]。
由单一丹参***类或丹参酚酸类化合物制成的药物,其药理作用存在一定的局限性,因此市面上常
见的制剂大多数为复合制剂,且多与其他药物联合用于治疗多种疾病。如复方丹参制剂(FDP)由丹
参和三七等制成,用于治疗脑缺血缺氧等疾病[45];丹参***胶囊可与异维A酸红霉素凝胶联用治疗痤
疮、联用恩替卡韦治疗慢性乙型肝炎肝纤维化;丹参***注射液联合米非司***临床上可用于治疗子宫肌
瘤,以及联合各种降压药用于妊娠期高血压。虽然丹参***具有多种药理作用,应用也较为广泛,但在
临床上仍需与其他药物联合用药保证疗效。
3丹参的组学研究
丹参基因组和转录组数据为活性化合物生物合成和调控的分子机制提供了重要依据。到目前为
止,随着测序技术的快速发展,多个研究团队发表了丹参不同品种、组织部位的转录组和基因组信
息[46-49]。此外,下一代测序(NGS)和单分子实时测序(SMRT)的组合已用于分析各种根组织,尤
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马晓晶等中药丹参的现代化研究进展5
其是周皮。该结果提供了一个相对完整的丹参转录蓝图,帮助人们深入了解丹参的遗传信息和有效成
分形成机制。
2016年,XUZ等发布了丹参99-3株系的基因组信息,大小为(615±12)Mb[47]。虽然在K-mer
分布中没有观察到明显的峰值,表明了该基因组的复杂性,%,但是仍成功解码了
538Mb基因组草图,包含30478个预测基因,鉴定出4个可能参与二萜生物合成的TPS/CYP基因
簇。
由于缺乏常规的选育策略以及异花授粉的特性,许多药用植物的基因组杂合度非常高,难以进行深入的基
因组分析。2021年初,MAY等发表了一个自交6代纯合的丹参株系bh2-7的基因组测序信息[49],最终组装的
总长度为557Mb,,。这些约为已报到的丹参基因组组装
[47]和93倍[46],组装覆盖了约89%的基因组信息。
倍,分析表明,该系基于bh2-7的基因组序列具有较高的质量。在此基础上,通过基因扩张和收缩分
析发现了一个在唇形科中特有的CYP71D亚基因家族,并成功鉴定出能够催化五元呋喃环形成、直接
产生隐丹参***和15,16-二氢丹参***Ⅰ的关键P450。为了进一步探索基因聚类在丹参***生物合成进化中
的作用,作者通过Hi-C组装获得了一条假染色体(~65Mb),命名为假染色体6,其内部片段相互
作用明显更高,该假染色体6包括除CYP76AK1外的所有与丹参***生物合成有关的已鉴定基因,为进
一步解析丹参***类化合物生物合成途径提供依据。
转录组分析是药用植物生长、发育、活性化合物的生物合成以及遗传多样性的常用技术手段。近
十余年来,研究者们发表了多种不同形式的丹参材料的转录组测序信息。通过对不同组织部位、不同
诱导子诱导时长和不同产地或性状的丹参转录组信息的比较分析,丹参中有效成分生物合成途径基因
和转录、调控因子不断被发掘。
丹参中丹参***类化合物在根、茎、叶中含量差距极大,这种积累差异是很好的比较转录组学分析样本。
YANGL等通过分析丹参根部和叶片组织的转录数据,挖掘一系列与二萜生物合成相关的功能基因,拼接得
到的2863个高表达基因中包括CPS1、KSL1和CYP76AH1等生物合成途径关键基因[50]。XUH等根据活性
成分在丹参根部的积累特点,将转录测序部位细化分成周皮、韧皮部和木质部,筛选出与丹参***和丹酚酸B
积累相关的15个P450、1个2-氧戊二酸依赖性双加氧酶和5个短链乙醇脱氢酶基因[48]。根据丹参***和丹酚
酸类化合物受不同诱导子诱导积累程度的差异,GAOW等通过比较分析酵母-银离子不同诱导时长的
丹参毛状根转录组数据,筛选获得了8个丹参***生物合成相关P450基因[51]。而为了深入研究转录因
子和调控蛋白对丹参次生代谢产物的调控机制,有关丹参植株、毛状根和细胞系在茉莉酸甲酯、水杨
酸和酵母提取物的诱导前后的比较转录组数据也相继被发表。除此之外,转基因丹参植株也具有较大
的性状差异,MAY等报道了丹参敲除CYP71D亚家族4个P450基因的RNAi植物的转录组分析结
果,是鉴定隐丹参***合酶的重要依据[49]。
近年来,丹参植物相关的代谢组研究对象主要为不同产地、生长年限丹参植物、天然突变植物、
不同诱导处理下的细胞系及转基因毛状根等的比较代谢组分析,这些比较代谢组研究常与转录组数据
相结合进行差异分析,是探究丹参有效成分生物合成机制、筛选合成途径关键基因及调控因子的利
器。SU等分析天然突变根部呈现白色的野生丹参与普通红根丹参的代谢组学数据,检测到一系列具
有颜色特征并在白根与红根丹参中显著差异累积代谢物,解释了丹参根色的成因,进而在转录数据中
筛选得到与丹参***生物合成相关的候选基因[52]。代谢组学分析中的主成分分析(PCA)和正交偏最小
二乘法分析(OPLS-DA)常用于分析不同丹参样本的代谢成分差异积累丰度和寻找丹参***和丹酚酸类
代谢途径相关的差异代谢物。ZHAN等通过对红、黄根丹参的代谢组学分析,揭示了黄根丹参形成的
原因是黄根丹参中代谢成分中显著缺失了碳15,16位的不饱和丹参***类化合物,通过比较不同颜色丹
参根部的转录组数据,分析得到了2个抗逆调控基因和4个与丹参***ⅡA生物合成途径相关的膜蛋白
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6中国中药杂志
基因[53]。丹参的RNAi型毛状根的代谢数据分析,不仅有效证明了RNAi型毛状根体系构建成功,根
据差异代谢物的含量比较分析,也清晰地描绘出目标P450基因沉默后丹参***类化合物积累的变化趋
势,证明了CYP76AH1在丹参***生物合成途径中的重要作用[54,55]。
4丹参有效成分生物合成研究
基于丹参***和丹酚酸类化合物良好的药理活性,以合成丹参***ⅡA等丹参***类化合物和丹酚酸B
等酚酸类化合物为目标的微生物细胞工厂的构建,可以实现异源高效合成的目的,为中药制剂生产提
供大量原材料,有效降低中药制剂生产过程的提取成本,缓解中医临床对丹参药材的用药压力[56,57],
同时从生物合成途径基因出发还能够建立多元、完整的中药丹参的质量控制体系[58]。因此,丹参***及
丹酚酸类化合物的生物合成途径的解析和调控机制的研究广受关注。
***途径
丹参***属于二萜醌类化合物,在结构上属于菲醌或萘醌类,在生物合成上属于松香烷型二萜类,
通过异戊二烯途径产生。丹参***的生物合成大致分为3个阶段,首先通过存在于细胞质中的甲羟戊酸
(MVA)途径和存在于质体中的磷酸甘油醛(MEP)途径生成所有萜类的前体-异戊烯基焦磷酸
(isopentenyldiphosphate,IPP)及其同分异构体二***丙烯基焦磷酸(dimethylallylpyrophosphate,
DMAPP);接着IPP和DMAPP在异戊烯基转移酶和二萜类合酶的作用下形成二萜化合物的碳骨架
结构—次丹参***二烯(miltiradiene);最后,二萜碳骨架结构化合物在P450等结构修饰酶的作用下,形
成多种复杂修饰的丹参***ⅡA等丹参***类化合物[59](图1A)