中藥指紋圖譜中常用的數(shù)理統(tǒng)計方法

張艷欣 吳佩穎 王丹丹

摘 要 本文從藥材質(zhì)量優(yōu)劣鑒別、產(chǎn)地判定等方面介紹了中藥指紋圖譜中常用的數(shù)理統(tǒng)計方法，旨在更好地評價中藥質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 中藥指紋圖譜 數(shù)理統(tǒng)計方法 中藥評價

中圖分類號：R288 文獻標志碼：C 文章編號：1006-1533（2019）09-0074-04

Mathematical statistical methods commonly used in fingerprints of TCM

ZHANG Yanxin1*， WU Peiying1**， WANG Dandan2（1. Shanghai University of Traditional Chinese Medicine， Shanghai 201203， China； 2. SPH Xing Ling Science & Technology Pharmaceutical Co.， Ltd.， Shanghai 201703， China）

ABSTRACT This paper introduces the commonly used mathematical statistics methods in the identification of raw materials and the determination of origin， and aims to better evaluate the quality of traditional Chinese medicine.

KEY WORDS TCM fingerprint； quantitative method； Chinese medicine evaluation

中藥質(zhì)量控制和評價是中藥現(xiàn)代化的瓶頸，中藥多成分的復(fù)雜性決定了傳統(tǒng)的單一成分或單指標評價難以全面表達中藥的質(zhì)量，指紋圖譜技術(shù)應(yīng)運而生，對中藥組分所共有成分或特異性成分均可有效地反映[1]，可宏觀和量化地對中藥展開質(zhì)控分析[2]，并已成為國際公認的評價和控制中藥質(zhì)量的有效方法[3]。中藥成分復(fù)雜，有效物質(zhì)與無效物質(zhì)混雜且組分差異明顯，傳統(tǒng)的化學(xué)方法不能快速準確地完成定性與定量等分析，引入數(shù)理統(tǒng)計方法，可對中藥指紋圖譜分析中出現(xiàn)的多指標、高維和大量統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)分析，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)間的內(nèi)在規(guī)律，以更好地實現(xiàn)中藥質(zhì)量的有效控制[4]。本文概述了中藥指紋圖譜中常用的數(shù)理統(tǒng)計方法，并對其在中藥指紋圖譜中多個方面的應(yīng)用進行簡單總結(jié)概括，旨在為中藥質(zhì)量研究提供啟示。

1 數(shù)理統(tǒng)計方法簡介

數(shù)理統(tǒng)計方法是中藥質(zhì)量評價中的常用方法，可以處理分析多組變量，把握事物的特征及其發(fā)展規(guī)律，完成總體參數(shù)估計的修正以及統(tǒng)計推斷。中藥指紋圖譜的分析具有較多優(yōu)勢，首先，數(shù)理統(tǒng)計中的定量分析能夠?qū)τ绊懼兴庂|(zhì)量的多個因素進行分析，然后結(jié)合其中的規(guī)律以及關(guān)聯(lián)性改進生產(chǎn)工藝提高中藥質(zhì)量；再者運用數(shù)理統(tǒng)計中多指標性對復(fù)雜的中藥體系進行多元化分析，可達到高精度、高準確的全面質(zhì)控的目的。

2 中藥指紋圖譜中常用的數(shù)理統(tǒng)計方法

2.1 聚類分析

聚類分析是根據(jù)研究對象特征對研究對象進行分類的一種多元分析技術(shù)，把性質(zhì)相近的個體聚一類，使得同一類中的個體都具有高度的同質(zhì)性[5]。在中藥指紋圖譜的分析中，對于中藥產(chǎn)地、環(huán)境和采集方式對于藥材的質(zhì)量影響[6]、中藥真?zhèn)蔚蔫b別[7]等均有應(yīng)用。但是該法應(yīng)用需保證足夠樣本量，方能保證結(jié)果的準確性。

李小亭等[8]分別建立了8個不同產(chǎn)地枸杞的指紋圖譜，運用組間連接法進行系統(tǒng)聚類分析可區(qū)分不同產(chǎn)地。增大聚類閾值后，質(zhì)量相似的枸杞被分為分成四類，《中國藥典》中枸杞的入藥來源僅為寧夏枸杞，而聚類分析的結(jié)果顯示新疆、青海等產(chǎn)地的枸杞與其質(zhì)量相似，可考慮成為《中國藥典》藥用枸杞的新來源。羅靜等[9]建立橘核的HPLC指紋圖譜，以歐氏距離為相似程度指標，將樣品分為市售和自采兩類，說明橘核各成分含量與采集方式有所關(guān)聯(lián)，來自不同產(chǎn)地的自采類藥品又分為兩組，佐證了橘核中的有效成分的含量與其生長環(huán)境有所關(guān)聯(lián)。

2.2 主成分分析

主成分分析是處理多維數(shù)據(jù)的常用分析方法，它可將多重指標的特點綜合成少數(shù)幾個新的差異顯著的指標，且能盡可能多地反映原指標信息[10-12]，對中藥品種的鑒別、種質(zhì)的篩選以及對不同產(chǎn)區(qū)[13]、不同采收期的藥材質(zhì)量評價有重大意義。

鄭曉珂等[14]建立了不同采收月份的連翹指紋圖譜對其主成分進行分析，以貢獻率較大的連翹脂苷和連翹苷的含量為依據(jù)確定連翹的最佳采收期為8月底至9月初為宜。茅銀燕等[15]建立不同產(chǎn)地千年健指紋圖譜進行質(zhì)量研究，發(fā)現(xiàn)不同產(chǎn)地千年健化學(xué)組分的差異不明顯，通過主成分分析得到三個貢獻率較高的主成分，以其方差貢獻率作為分析的權(quán)重系數(shù)，分別計算產(chǎn)地不同的千年健藥材的主成分得分和綜合得分，可知其藥材組分構(gòu)成及含量一致性較低，產(chǎn)地相同的藥材質(zhì)量參差不齊，緯度對其質(zhì)量有較大影響且低緯度產(chǎn)地藥材更優(yōu)。

2.3 判別分析

判別分析是用來判別樣品所屬類型的常用多元統(tǒng)計方法，其基本思想是“在各種已知樣品觀測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，確定一個判別函數(shù)，根據(jù)已有的判別準則，對未知類型的新樣品進行比較歸類”[16]。在中藥指紋圖譜質(zhì)量評價應(yīng)用中，多用于中藥的產(chǎn)地區(qū)分[17-18]、品種辨析[19]、藥性辨別[20]等方面，但該法要求要判別的類型必須包含在樣品中，且分類清晰，變量準確[21]。

肖佳佳等[22]以天麻的HPLC指紋圖譜對春天麻與冬天麻建立Fisher判別函數(shù)，驗證判別準確率100%，可達到對冬天麻和春天麻鑒別的目的，從而可保證天麻藥品的優(yōu)質(zhì)優(yōu)價。蘇建春等[23]采用UPLC對河南、甘肅、山西、河北、山東5省份64批黃芩樣品進行測定，分別建立五個不同省份的黃芩對照指紋圖譜，對結(jié)果展開Bayes判別，分別得到了五個省份黃芩藥材的Fisher線性判別函數(shù)，驗證得符合率為96.9%，基本可判別黃芩產(chǎn)地。張洪坤等[24]基于HPLC-ELSD指紋圖譜技術(shù)對知母進行聚類分析和判別分析，亳州和河北產(chǎn)區(qū)的知母被分為兩類，得到Fishers判別函數(shù)后經(jīng)交叉驗證，分組正確率 97.7%，可用于兩個產(chǎn)地知母的判別。

2.4 因子分析

因子分析是一種運用不可實際觀測的潛在變量因子來描述能實際觀測到的隨機變量之間所存關(guān)系的統(tǒng)計方法[25]。在中藥指紋圖譜中，對于處理方法、環(huán)境因素[26]、藥理作用等與中藥質(zhì)量的相關(guān)性研究中有較多應(yīng)用。

張峰[27]建立了唐古特大黃的HPLC指紋圖譜，選取前5個主要成分因子開展聚類分析，發(fā)現(xiàn)其中的土壤因素因產(chǎn)地不同成分含量存在差異性，佐證了環(huán)境因子與唐古特大黃不同居群的藥用部位的物質(zhì)成分息息相關(guān)，對唐古特大黃的栽培環(huán)境選擇具有指導(dǎo)作用。馬麗等[28]采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法對鱉甲藥材相關(guān)的無機元素建立指紋圖譜，采用“總體特征分布分析—主成分與系統(tǒng)聚類分析結(jié)合—因子分析”進行分析，得出鱉甲的特征元素為Fe、Mn、Zn等，其微量元素的生物學(xué)效應(yīng)與中醫(yī)理論和鱉甲臨床作用等相對應(yīng)[29]。

2.5 多元統(tǒng)計方法聯(lián)合應(yīng)用

多元統(tǒng)計方法的聯(lián)合應(yīng)用消除了單一多元統(tǒng)計方法分析不全面的弊端[30]，可對中藥指標性成分的篩選[31]、中藥種間差異、產(chǎn)地的區(qū)分[32]、生長環(huán)境的影響[33]等方面進行分析，從而更好地評價中藥質(zhì)量[34]。

包永睿等[35]對天麻HPLC指紋圖譜進行聚類分析，將10批不同產(chǎn)地的天麻分為4類；進行主成分分析，篩選出6個天麻總苷差異成分再對其進行第二次聚類分析，結(jié)果與第一次聚類分析結(jié)果一致，可初步篩選影響天麻總苷差異的指標性成分。王麗[36]利用主成分分析、系統(tǒng)聚類分析和相似性分析組成的多元統(tǒng)計方法對21個沙棘樣品的氫核磁共振圖譜進行分析，可準確區(qū)分不同亞種的沙棘樣品。Zhang等[37]建立天麻藥材HPLC指紋圖譜，運用層次聚類分析、主成分分析和偏最小二乘法判別分析，結(jié)果全部一致。可準確區(qū)分有無被熏蒸過的天麻藥材。

3 小結(jié)

中藥指紋圖譜技術(shù)能系統(tǒng)地分析中藥各組分信息，符合中藥藥效整體性和模糊性特點，在中藥質(zhì)量評價和控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用得到越來越多的認可[38]，但因其包含的信息量龐大，需要借助數(shù)理統(tǒng)計方法來進行更好的分析。數(shù)理統(tǒng)計方法種類多樣，可同時分析和處理多組變量，從中藥指紋圖譜中分析影響中藥質(zhì)量的多個指標之間相互關(guān)系及規(guī)律，使中藥的藥效物質(zhì)基礎(chǔ)作用特點得到充分表征。要想對中藥成分達到全面精準質(zhì)控，既要在宏觀上對整體成分進行把控，也要在微觀層次進行研究。中藥質(zhì)量控制是一項長久而艱巨的工作，任重而道遠，雖然數(shù)理統(tǒng)計方法當前在指紋圖譜中應(yīng)用較多，卻并未形成完備體系。隨著對中藥復(fù)雜化體系的深入研究，數(shù)理統(tǒng)計方法有望逐步建成常見中藥材質(zhì)量評價的成熟體系，并與藥效物質(zhì)基礎(chǔ)結(jié)合，以達到對中藥材的全面質(zhì)量控制。

參考文獻

[1] 黃立蘭， 程文勝， 陳耀娣， 等. 人參指紋圖譜的研究進展[J]. 中草藥， 2013， 44（2）： 241-246.

[2] 張玉婷. 人參提取物化學(xué)成分及質(zhì)量研究[D]. 上海： 中國食品藥品檢定研究院， 2013.

[3] 陳冬冬， 周萍， 白剛剛， 等. 基于HPLC中藥指紋圖譜技術(shù)延胡索藥材及其制劑的質(zhì)量控制探討[J]. 中國中藥雜志， 2015， 40（12）： 2470-2473.

[4] 劉娜， 李軍， 李寶國. 多元統(tǒng)計分析在中藥質(zhì)量控制中的應(yīng)用和思考[J]. 中國中藥雜志， 2014， 39（21）： 4268-4271.

[5] 鄧海燕. 聚類分析與判別分析的區(qū)別[J]. 武漢學(xué)刊， 2006（1）： 29-31.

[6] Yang J， Chen LH， Zhang Q， et al. Quality assessment of Cortex cinnamomi by HPLC chemical fingerprint， principle component analysis and cluster analysis[J]. J Sep Sci， 2007， 30（9）： 1276-1283.

[7] 謝春英， 賀巍， 林敬明， 等. 中藥黃芩及其混偽品的模糊聚類分析[J]. 廣東微量元素科學(xué)， 2000， 7（12）： 52-55.

[8] 李小亭， 李瑞盈， 相海恩， 等. 基于HPLC指紋圖譜及聚類分析對不同產(chǎn)地枸杞質(zhì)量評價研究[J]. 現(xiàn)代食品科技， 2012， 28（9）： 1251-1253； 1261.

[9] 羅靜， 何中燕， 裴瑾， 等. 橘核的HPLC指紋圖譜研究及聚類分析[J]. 中國藥房， 2015， 26（3）： 419-421.

[10] 張志鋒， 劉圓， 張浩. 傅里葉變換紅外光譜法并結(jié)合主成分分析法鑒別燈盞花和多舌飛蓬的研究[J]. 光譜學(xué)與光譜分析， 2009， 29（12）： 3263-3266.

[11] 李少旦， 李延志. 主成分分析法用于中草藥中微量元素含量的研究[J]. 化學(xué)分析計量， 2008， 17（5）： 25-26.

[12] 陳宇航， 郭巧生， 王澄亞， 等. 夏枯草形態(tài)學(xué)性狀的遺傳變異、相關(guān)及主成分分析[J]. 中國中藥雜志， 2009， 34（15）： 1886-1889.

[13] 洪燕， 韓艷全， 夏倫祝， 等. 不同產(chǎn)地蒼耳子UPLC指紋圖譜研究[J]. 中國中藥雜志， 2013， 38（11）： 1766-1771.

[14] 鄭曉珂， 魏悅， 馮衛(wèi)生. 不同采收期連翹的HPLC指紋圖譜研究[J]. 中國實驗方劑學(xué)雜志， 2007， 13（3）： 1-4.

[15] 茅銀燕， 岳顯可. 基于主成分分析的不同產(chǎn)地千年健GC指紋圖譜研究[J]. 實用藥物與臨床， 2017， 20（8）： 933-936.

[16] 王靜， 夏結(jié)來， 葉冬青. 判別分析方法在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的進展[J]. 數(shù)理統(tǒng)計與管理， 2008， 27（2）： 369-376.

[17] Tianniam S， Bamba T， Fukusaki E. Pyrolysis GC-MS-based metabolite fingerprinting for quality evaluation of commercial Angelica acutiloba roots[J]. J Biosci Bioeng， 2010， 109（1）： 89-93.

[18] Wang D， He F， Lv Z， et al. Phytochemical composition， antioxidant activity and HPLC fingerprinting profiles of three pyrola species from different regions[J/OL]. PLoS One， 2014， 9（5）： e96329. doi： 10.1371/journal.pone.0096329.

[19] Cheng XM， Zhao T， Yang T， et al. HPLC fingerprints combined with principal component analysis， hierarchical cluster analysis and linear discriminant analysis for the classification and differentiation of Peganum sp. indigenous to China[J]. Phytochem Anal， 2010， 21（3）： 279-289.

[20] 李雨. 基于植物性中藥基原性狀藥性判別模型的比較[D].濟南： 山東大學(xué)， 2011.

[21] 王露露， 孫倩怡， 楊慧海， 等. 模式識別及其在中藥質(zhì)量評價中的應(yīng)用[J]. 中草藥， 2016， 47（23）： 4282-4288.

[22] 肖佳佳， 黃紅， 雷有成， 等. 天麻HPLC指紋圖譜建立及判別分析[J]. 中國中藥雜志， 2017， 42（13）： 2524-2531.

[23] 蘇建春， 柯華香， 趙俊霞， 等. 基于UPLC指紋圖譜和判別分析鑒別黃芩產(chǎn)地研究[J]. 亞太傳統(tǒng)醫(yī)藥， 2015， 11（4）： 24-27.

[24] 張洪坤， 黃玉瑤， 路麗， 等. 基于HPLC-ELSD指紋圖譜的亳州和河北知母的聚類和判別研究[J]. 時珍國醫(yī)國藥， 2017， 28（11）： 2670-2673.

[25] 段杰， 張智立. 基于因子分析的創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)競爭力評價及策略研究[J]. 現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟， 2014（z1）： 65-73.

[26] Xia WU， Kang Z， Zhao F， et al . Construction of Inorganic Elemental Fingerprint and Multivariate Statistical analysis of marine traditional Chinese medicine meretricis concha from Rushan Bay[J]. J Ocean Univ China， 2014， 13（4）： 712-716.

[27] 張峰. 唐古特大黃不同居群藥用部位化學(xué)成分差異與環(huán)境因子的相關(guān)性分析[D]. 西安： 陜西師范大學(xué)， 2012.

[28] 馬麗， 康廷國， 孟憲生， 等. 基于無機元素特征的不同產(chǎn)地鱉甲藥材質(zhì)量分析[J]. 廣東微量元素科學(xué)， 2011， 18（7）： 24-31.

[29] 李彬， 郭力城. 鱉甲臨床應(yīng)用研究概況[J]. 云南中醫(yī)中藥雜志， 2009， 30（1）： 66-67.

[30] 于鶴丹. 多元統(tǒng)計分析方法在中藥質(zhì)量評價中的應(yīng)用[J].數(shù)理醫(yī)藥學(xué)雜志， 2006， 19（1）： 85-87.

[31] Song XY， Jin L， Shi YP， et al. Multivariate statistical analysis based on a chromatographic fingerprint for the evaluation of important environmental factors that affect the quality of Angelica sinensis[J]. Anal Methods， 2014， 6（20）： 8268-8276.

[32] 金鵬程， 趙艷麗， 張霽， 等. 紫外光譜結(jié)合多元統(tǒng)計分析鑒別藥用靈芝產(chǎn)地[C]//中國生態(tài)學(xué)學(xué)會中藥資源生態(tài)專業(yè)委員會第五次全國學(xué)術(shù)研討會暨世界中醫(yī)藥聯(lián)合會藥用植物資源利用與保護專業(yè)委員會第二屆學(xué)術(shù)年會論文集. 北京： 中國生態(tài)學(xué)學(xué)會， 2014： 257-262.

[33] Chang WT， Thissen U， Ehlert KA， et al. Effects of growth conditions and processing on Rehmannia glutinosa using fingerprint strategy[J]. Planta Med， 2006， 72（5）： 458-467.

[34] Zhang D， Duan X， Deng S， et al. Fingerprint analysis， multicomponent quantitation， and antioxidant activity for the quality evaluation of Salvia miltiorrhiza var. alba by highperformance liquid chromatography and chemometrics[J]. J Sep Sci， 2015， 38（19）： 3337-3344.

[35] 包永睿， 王帥， 唐爽， 等. 基于指紋圖譜結(jié)合多元統(tǒng)計分析的天麻總苷差異指標的研究[J]. 中藥材， 2016（5）： 1082-1085.

[36] 王麗. 沙棘的氫核磁共振圖譜—多元統(tǒng)計分析研究[D]. 成都： 四川大學(xué)， 2007.

[37] Zhang X， Ning Z， Ji D， et al. Approach based on highperformance liquid chromatography fingerprint coupled with multivariate statistical analysis for the quality evaluation of Gastrodia rhizoma[J]. J Sep Sci， 2015， 38（22）： 3825-3831.

[38] Wang HL， Yao WF， Zhu DN， et al. Chemical fingerprinting by HPLC-DAD-ELSD and principal component analysis of Polygala japonica from different locations in China[J]. Chinese J Nat Med， 2010， 8（5）： 343-348.