基于化學模式分析的前胡栽培群體質量特征研究

徐 廣，譚秋生，郭 瑀，羅 敏，鄧才富，任星宇

重慶市藥物種植研究所 中藥材生產質量控制研究中心，南川 408435

中藥前胡為傘形科植物白花前胡PeucedanumprasrupterumDunn.的干燥根，具有降氣化痰、疏散風熱等功效。臨床多用于外感風熱、痰熱喘咳、風熱咳嗽等癥[1]。現代研究表明，前胡主要的藥理作用為鈣通道阻滯、降血壓、抗心律、平喘、抗癌等[2-4]，其主要藥用活性成分為白花前胡甲素、白花前胡乙素等香豆素化合物[5,6]。傳統前胡藥材主要源于野生資源，隨著生物醫藥產業的發展，市場對前胡藥材的需求急劇增加，野生藥材已不能滿足現有市場需求，近年來，在安徽、重慶等地已有大范圍人工種植[7]。栽培品增加的同時，藥材品質出現良莠不齊、差異極大，多數藥材指標成分含量不達標[8-12]，影響治療效果。

項目團隊在前胡質量提升栽培技術研究過程中，調查發現各地栽培品質量差異極大，特開展了群體質量特征的研究，通過采挖同一栽培小區的樣品，建立HPLC指紋圖譜，采用測定雙指標成分含量與聚類分析、PCA等分析方法相結合全面地評價前胡的質量差異性，分析其栽培群體質量特征，對于前胡的質量構成特征和資源利用有重要意義，同時為前胡藥材的品質評價和良種選育提供理論基礎。

1 材料與儀器

1.1 儀器

島津LC-20AT高效液相色譜儀：包括LC solution色譜管理處理軟件、CTO-20A柱溫箱、SIL-20A自動進樣器、SPD-M20A二極管陣列檢測器、日本島津Shim-pack VP-ODS色譜柱(4.6 mm×0.5 μm×250 mm)、CBM-20Alite系統控制器；METTLER AL104型電子天平(梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司)；CPA225D型電子天平(賽多利斯科學儀器(北京)有限公司)；Molecular標準智能型純水機(上海摩勒科學儀器有限公司)，KQ-1000DE型數控超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司)；DHG電熱恒溫鼓風干燥箱(上海龍躍儀器有限公司)。

1.2 材料

前胡樣品均采自重慶市藥物種植研究所位于重慶市南川區三泉鎮槐坪種植基地，由項目團隊自己種植管理，經重慶市藥物種植研究所鄧才富研究員鑒定為P.praerupterumDunn.正品白花前胡。試驗材料分兩組采樣，一組進行單株采樣，挖取完整植株，剔除個體量過小的植株，剪取商品部位，去除泥沙清洗干凈，40 ℃烘干，切片粉碎過60目，依次編號S1～S18；一組進行混合取樣20株，不分大小，剪取商品部位，去除泥沙清洗干凈， 40 ℃烘干，切片、粉碎過60目，編號S19。所有樣品保存于重慶市藥物種植研究所質量控制研究中心樣品保管室。

1.3 試劑

甲醇(色譜純，批號20190901)、三氯甲烷(分析純，批號20120702)均購自重慶川東化工(集團)有限公司；水：為臨用現制的超純水；白花前胡甲素(批號111711-201904)、白花前胡乙素對照品(批號111904-201804)均購自中國食品藥品檢定研究院。

2 方法與結果

2.1 對照品溶液制備

精密稱取白花前胡甲素、白花前胡乙素對照品適量，加甲醇制成每1 mL各含白花前胡甲素73.0 μg、白花前胡乙素79.8 μg的混合溶液，即得。

2.2 供試品溶液制備

取前胡樣品粉末(過60目)約0.5 g，精密稱定，置250 mL具塞錐形瓶中，精密加入三氯甲烷25 mL，密塞，稱定重量，超聲處理(功率400 W，頻率40 kHz)15分鐘，放冷，再稱定重量，用三氯甲烷補足減失的重量，搖勻，濾過；精密量取續濾液5 mL，蒸干，殘渣加甲醇溶解并轉移至25 mL量瓶中，加甲醇至刻度，搖勻，用0.45 μm微孔濾膜濾過，即得。

2.3 色譜條件

采用Shim-pack VP-ODS色譜柱(4.6 mm×0.5 μm×250 mm)，以甲醇-水(75∶25)為流動相，洗脫時間40 min，流速1 mL/min，檢測波長為321 nm，柱溫25 ℃，進樣量10 μL。

2.4 方法學考察

2.4.1 精密度試驗

精密稱取樣品，按供試品溶液制備法制備，連續進樣6次，測定，計算。白花前胡甲素和乙素峰面積的RSD分別為1.29%、0.69%。

2.4.2 重復性試驗

精密稱取同一樣品，按供試品溶液制備法制備6份，測定，計算。白花前胡甲素和乙素峰面積的RSD分別為0.26%、0.43%。

2.4.3 穩定性試驗

精密稱取樣品，按供試品溶液制備法制備，分別在0、3、7、13、24 h進樣5次，白花前胡甲素和乙素峰面積的RSD分別為0.15%、0.09%。

2.4.4 線性試驗

對照品溶液分別進樣2.0、5.0、8.0、10.0、12.0、15.0、18.0 μL，以進樣量為X，峰面積為Y進行線性方程計算，白花前胡甲素線性方程為y= 339 815x-44 889，R2=0.995 5；白花前胡乙素線性方程為y=273 907x-33 865，R2=0.995 5。具有良好的線性關系。

2.4.5 加樣回收試驗

精密稱取已知含量的前胡樣品適量，共6份，置250 mL具塞錐形瓶中，分別精密加入一定量的白花前胡甲素、乙素對照品溶液，按照“2.2”法制備，并測定，計算回收率，甲素平均回收率103.81%，RSD：1.52%；乙素平均回收率105.09%，RSD：0.76%(見表1)。

表1 白花前胡甲素、乙素加樣回收率試驗結果

2.5 數據處理方法

應用Excel 2010、GraphPad Prism 8、Origin 8等軟件進行數據分析、處理及相關圖表繪制，以中藥色譜指紋圖譜相似度評價系統(2012版)進行相似性分析，提取共有色譜峰面積導入SIMCA 14.1進行系統聚類分析(HCA)、主成分分析(PCA)和正交校正的偏最小二乘分析(OPLS)，進而篩選差異性標志物。

2.6 雙指標成分含量特征分析

由圖1得知，18個單株樣品中白花前胡甲素達標11個，白花前胡乙素達標5個(S5、S6、S7、S10和S11)，雙不達標2個(S13和S17)，無雙達標樣品。甲素含量極大值為極小值的3.76倍，乙素含量極大值為極小值的9.7倍。同時發現甲素高，乙素就低；甲素低，則乙素高；呈負相關性。而18個樣品甲素和乙素的均值為1.15%和0.24%達到藥典要求的0.9%和0.24%。通過甲素和乙素比值(A)、乙素和甲素比值(B)，分析其質量特征，其趨勢如圖2所示。由圖中發現，乙素含量高的S5、S6、S7、S10和S11五個樣品的A和B數量特征較為接近；其余樣品的A和B數量特征較為接近，表明白花前胡群體質量特征變化差異大。全小區混合取樣(S19)的指標成分含量分別為1.278%和0.293%。

圖1 19批前胡雙指標含量特征Fig.1 Content characteristics of double index in 19 batches of P.prasrupterum

圖2 18批前胡單株雙指標比值圖Fig.2 Two-index ratio chart in 18 batches of P.prasrupterum注：A：甲素/乙素，B：乙素/甲素。Note:A:Praeruptorin A/praeruptorin B;B:Praeruptorin B/praeruptorin A.

2.7 譜圖相似性和化學模式識別

2.7.1 相似度分析

取收集的19批前胡樣品按“2.2”項方法制備供試品溶液，按“2.3”項色譜條件進行測定，得到19批樣品HPLC指紋圖譜，并導入《中藥色譜指紋圖譜相似度評價系統2012版》軟件，以S1圖譜作為參照譜圖，采用中位數法，多點校正、自動匹配生產共有峰6個。321 nm檢測波長下的圖譜疊加圖如圖3。根據18批樣品的HPLC檢測結果，具有6個共有特征峰，采用對照品對其2個共有峰進行了指認，分別為白花前胡甲素(峰2)和白花前胡乙素(峰5)(見圖4)。計算不同單株樣品之間與對照譜圖(R)的相似度見圖5。結果表明，18批前胡單株樣品相似度在0.648～0.999。相對于R，其中S5、S6、S7、S10、S11相似度較低，分別為0.948、0.879、0.827、0.753和0.823，其他樣品的相似度均在0.965～0.989之間。說明前胡不同植株類型間內在質量差異較大，植株類型表現豐富，有利于種質資源的挖掘利用。圖5前胡指紋圖譜相似度熱圖可較為直觀地反應植株類型間指標成分的較大差異。

圖3 19批前胡和對照譜圖匹配圖Fig.3 HPLC fingerprints of 19 batches of P.prasrupterum

圖4 標準指紋圖譜(A)與對照品HPLC圖(B)Fig.4 Reference fingerprint of 18 batches of P.prasrupterum(A) and HPLC chromatogram of reference substances(B)注：2.白花前胡甲素；5.白花前胡乙素。Note:2.Praeruptorin A;5.Praeruptorin B.

圖5 前胡指紋圖譜相似度熱圖Fig.5 Heat map of fingerprint similarty from P.prasrupterum

2.7.2 化學模式識別

考慮到相似度分析中不同植株間差異太大，進一步開展化學模式分析，掌握前胡植株類型的豐富程度和內在質量形成規律，為生產中質量穩定性控制提供技術支撐。

2.7.2.1 HCA分析

將18個白花前胡單株樣品的6個共有峰的相對峰面積數據輸入SICMA 14.1軟件，對樣品進行HCA分析。通過HCA分析得聚類樹狀圖見圖6，18個樣品聚為兩類，S5、S6、S7、S10、S11、S13和S17這7個植株類型聚為一個大類；而其他的11個前胡植株類型又聚為一個大類。

圖6 前胡的聚類分析樹狀圖Fig.6 Cluster analysis of P.prasrupterum

結合雙指標質量特征分析結果可以發現，聚類分析所得兩個大類以前胡甲素含量是否達標進行了明顯分異。前胡甲素不達標的聚類中除S13和S17兩個類型為雙不達標外，其余5個類型的前胡乙素都遠遠地高于藥典標準，其中有4個甚至超過了一倍；而其余11個植株樣品形成的大類中，雖然前胡甲素含量達標，但有8個植株類型的乙素指標還不及藥典要求的50%。

2.7.2.2 PCA分析

為了更為客觀、直接的闡明前胡質量特征的差異性，利用SICMA 14.1軟件對其共有峰數據進行PCA分析，其得分圖可以提供可視化的前胡分類圖。將18個白花前胡的HPLC圖譜共有峰面積導入SICMA 14.1軟件，經歸一化處理后進行PCA分析，其R2X為0.999，Q2為0.787，表明模型穩定，預測能力強，結果如圖7所示。

圖7 PCA得分圖Fig.7 PCA score scatter plot

由圖7可知，18個白花前胡樣品區分良好，S13和S17為一類；S5、S6、S7、S10和S11為一類；S1、S4、S8和S14聚為一類；S2、S3、S9、S12、S15、S16和S18聚為一類。表明18個白花前胡樣品的質量差異性較大。同時也驗證了前面聚類分析結果的可靠性。

2.7.2.3 OPLS分析

為了更好地解釋樣品組間差異性，找到組間貢獻率較大的共有峰，對其數據進行OPLS分析得到散點圖(圖8)、VIP值圖(圖9)和載荷散點圖(圖10)。結果顯示，模型參數R2X=0.999，R2Y=1.00，Q2=0.434，表明模擬擬合程度和預測能力較好，當前模型適合作為白花前胡HPLC指紋圖譜的模式識別方法。從OPLS-DA得分散點圖可看出，樣品的數據點均落在95%置信區間內，說明各個樣品的化學成分相似，但分散區域較大，說明樣品在整體質量上存在較大的差異。在載荷散點圖中，距離圓點越遠，權重值越大，說明各成分的變化對區分樣品的作用越大[13,14]，結合變量重要性投影(variable importance in the projection，VIP)值圖，篩選出能引起不同白花前胡樣品成分差異的主要標記性成分，現在VIP>1且誤差條范圍在X>0以上的成分確定為貢獻較大的成分，從圖9中，可看出VIP>1且誤差條范圍在X>0以上的成分有2個，影響大小依次為峰2(白花前胡甲素)和峰5(白花前胡乙素)。同時在載荷圖中也顯示這兩個化合物的變量離原點的距離較遠，說明這兩個成分是不同樣品間成分差異的主要標記物。

圖8 OPLS得分圖Fig.8 OPLS score scatter plot

圖9 VIP值圖Fig.9 VIP score

圖10 載荷散點圖Fig.10 Loading scatter plot

3 討論與結論

研究中18個單株白花前胡甲素和白花前胡乙素平均含量為1.15%和0.24%，基本達到中國藥典的指標要求，但全小區混合取樣的指標成分含量分別為1.278%和0.293%，比18個單株指標成分平均值都要高。表明在剔除的小株樣品中指標成分含量在混合樣品含量構成中權重較大。Song等[15]研究推測白花前胡香豆素類成分主要存在中柱鞘壁組織和次生韌皮部的分泌道中，同時Xie等[16]研究發現在中柱鞘壁組織和次生韌皮部的白花前胡甲素和白花前胡乙素含量最高。推測小株樣品個體類型自身含量較高，或者生長后期側根或小根中累積含量較高，是否存在小株、小根的中柱鞘壁組織和次生韌皮部占比大，分泌道多，進而其香豆素含量高，有必要開展進一步的詳細研究。

本研究采用HPLC技術建立前胡化學指紋譜圖，得到6個共有特征峰，結合化學計量學方法對其進行了HCA、PCA和OPLS分析，發現18個白花前胡樣品區分良好，共分為四類；同時得到2個特征(峰2和峰5)變量對樣品的區分影響顯著；并采用標準品對照指認2個特征變量為白花前胡甲素和白花前胡乙素。結果表明白花前胡甲素和白花前胡乙素在不同的植株類型間存在廣泛的變異，有必要在多產地平行試驗中結合葉柄顏色、葉片裂缺深淺、葉面積、塊根性狀、單株產量等農藝性狀與內在質量的相關性和穩定性研究，分析不同農藝性狀特征下相應單株的質量構成權重及其遺傳穩定性，在間苗或育種過程中剔除對質量整體貢獻無價值的株系，從栽培管理的角度提升種植基地前胡的整體質量水平，同時還可為品種選育與改良提供優質的種質資源。

本研究還發現，試驗樣株中前胡甲素含量高的，乙素就偏低；前胡甲素含量低，則乙素相對偏高；呈負相關性。而在項目團隊的產地調研過程中發現多數基地都是前胡甲素達標而乙素很少達標。通過分析白花前胡甲素和白花前胡乙素的化學結構式均為二氫花椒內脂型香豆素，僅在其香豆素母環的10位取代基不同，甲素為乙酰基，乙素為烯酰基；現代合成技術利用順式凱林內酯為母核合成白花前胡香豆素及其衍生物[17]。項目組推測：是否在前胡甲素和乙素兩者之間存在一種轉化關系或是在某種條件下出現乙素轉化為甲素有待項目團隊開展相應研究做出合理評價。

本研究目前僅僅從藥典指標成分的角度進行了研究，尚未結合分子標記等方法對這些種質進行鑒定。不同種質類型是否受土壤類型、肥料種類、海拔高度、氣候條件等的影響，有必要在分子水平上研究前胡種質遺傳多樣性，以精確鑒別重復和相似種質，為遺傳育種中親本的選配提供新的依據，以便更好地開發利用前胡種質資源。