通草类中药微量元素的主成分分析和聚类分析*

申明金，陈丽，曹洪斌

（1.川北医学院化学教研室，四川南充 637000； 2.武警南充医院肾内科，四川南充 637000）

通草为五加科植物通脱木［tetrapanax papyriferus(Hook.) K.Koch］的干燥茎髓,主产于贵州、云南、四川、台湾、广西等地,其性味甘、淡、微寒，归肺、胃经。现代药理研究表明，通草具有利尿、抗炎、解热作用，同时该类药物对人体的免疫功能也会产生一定的影响。在临床应用方面，通草类药物气寒味淡而体轻，入太阴肺经引热下降而利小便，既通淋，又消肿，尤宜热淋之小便不利，淋沥涩痛方面的治疗；另外由于本品入胃经，使胃气上达而下乳汁，且味甘淡，多用于产后乳汁不畅或不下［1］。

现代中医药理论认为，中药药效不仅同中药材中的有机成分有关，而且同其无机微量元素有关。实验证明，中药微量元素不仅影响药效，有的甚至直接参与作用。因此中药微量元素含量测定是探索中药疗效机制的物质基础［2–3］。中药中无机元素的种类和含量受中药品种和特定生长环境的影响，来源于不同产地和品种的通草类中药在无机元素的含量上存在差异，因此无机元素的含量可作为区分通草类中药品质功效的重要指标。笔者以11种通草类中药中的无机元素 Zn，Cu，Fe，Mn，Se，Co的含量为指标，运用主成分分析和聚类分析对这11种通草类中药进行了分类研究，解释了这些微量元素与药材疗效之间的相关性，以期为中草药的开发和利用提供科学依据和理论基础。

1 实验部分

11种通草类中药微量元素数据来自文献［4］，其原始数值见表1。先将原始数据作标准化处理，以消除由原始变量的量纲不同和数据差异过大而对结果产生的影响，使标准化后的数据具有可比性并遵循正态分布规律(0，1)。

表1 11种通草类中药中微量元素含量 mg/kg

2 结果与讨论

2.1 通草类中药的主成分分析

主成分分析是一种降维或者把多个指标转化为少数几个综合指标的一种方法。假设有来自某个总体的n个样本，而每个样本测得p个指标数(p≤n)。这p个指标之间往往互有影响，需要从p个指标中寻找少数几个综合性的指标，而这几个综合性的指标既能反映原来数据的结构特征而不丢失信息，又能达到彼此之间互不相关［5］。

2.1.1 相关分析

先计算标准化处理后数据的相关系数矩阵R，然后计算相关矩阵R的特征值、特征向量和方差的贡献率，计算所得6个特征值及其方差贡献率和累计方差贡献率，结果见表2。

表2 特征值和贡献率

主成分的特征值及贡献率是选择主成分的依据，前3个主成分累计贡献率为84.50%，大于80%，故前3个主成分能代表通草类中药微量元素含量84.50%的信息。

2.1.2 主成分分析

选取前3个主成分来表示原始无机元素在中药中的主要信息，对主成分分析的意义作解释，一般由权重较大的几个指标的综合意义来确定。在主成分分析中，一般认为大于0.30的载荷就是显著的，可用来解释原始变量与主成分的相关性。计算所得第1、第2、第3个主成分得分值及根据特征值的贡献率大小为分配系数，计算综合得分并排名，所得结果见表3。

建立的主因子模型如下：

表3 主因子和综合主因子得分值

2.1.3 结果分析

从主因子模型来看，第一主成分F1在变量XCu，XMn，XCo元素上有高的载荷系数，即说明变量Cu，Mn，Co与第1主成分有高的相关。研究表明，Cu是体内多种酶的辅基，如细胞色素氧化酶等，铜离子在将电子传递给氧的过程中是不可缺少的。Cu是血红蛋白的活化剂，参与多种酶的代谢，它能影响能量代谢，缺铜时机体易受到自由基的损害［6］。Mn主要为多种酶的组成成分及活性剂，如RNA聚合酶、超氧化物歧化酶等。缺锰时生长发育会受到影响。此外，Mn与刺激红细胞生成素和促进造血功能有关，能提高机体免疫力，刺激抗毒素的合成；Mn与消除自由基、钙磷代谢、生殖与生长发育都有密切关系，并有改善动物睾丸退化，性功能低下的作用［7］。Co在体内主要以维生素B12的形式发挥作用，B12的缺乏可引起巨幼红细胞性贫血。

第2主成分F2在变量XFe，XSe元素上有高的载荷系数，即说明变量Fe，Se与第2主成分有高的相关。Fe是血红蛋白、肌红蛋白、细胞色素系统、过氧化物酶及过氧化氢酶的重要组成部分。Fe与机体造血过程密切关，参与机体血红蛋白的形成，而血红蛋白与机体的物质代谢相关。此外Fe参与机体多种酶的反应，对细胞能量代谢和对细胞膜的稳定性具有促进作用［8］。Se主要作为谷胱甘肽过氧化物酶的活性中心的一部分，该种酶具有利用H2O2使有毒的过氧化物还原成相对无毒的羟化物，此外，Se还可加强维生素E的抗氧化作用，并参与辅酶Q和辅酶A的合成。

第3主成分F3在变量XZn元素上有高的载荷系数，说明变量Zn与第3主成分有高的相关。锌在体内与80多种酶的活性有关，如碳酸酐酶、DNA和RNA聚合酶等。许多蛋白质如反式作用因子、类固醇激素及甲状腺素的受体的DNA结合区，都有锌参与形成的锌指结构，在转录调控中起着重要的作用，故缺锌必然会引起机体代谢紊乱［9］；同时，锌能加速创伤组织愈合，增加机体抗感染力，是参与免疫功能的一种重要元素。实验研究发现，如果缺锌将导致内分泌功能低下或腺体萎缩、习惯性流产等肾主生殖发育的病理变化，即表现为中医肾虚症候。

2.2 通草类中药的系统聚类分析

中药的鉴别与质量评价与中药生产和应用密切相关。聚类分析是一种探索性的统计分析方法。按照“物以聚类”的原则，首先将研究对象各自成类，用距离测量方法定义类与类之间的距离，然后将距离最近的两类合并，再重新计算新类和其它类间的距离并按照最小距离归类。重复此过程，每次减少一类，直到所有对象成为一类为止，这样就可以把研究对象的多种特征综合为一个可供比较研究对象之间亲疏关系的相似性统计量。

在原始数据标准化的基础上，采用平均距离法将11种通草类中药进行聚类分析，得到聚类谱系图见图1。聚类谱系图直观地反映了11种通草类中药之间的相似性和差异。从聚类谱系图可看出11种通草类中药可聚为3类，其中7号（中国旌节花）、8号（青荚叶）、6号（喜马山旌节花）、2号（盘叶掌叶树）聚为一类，这几种药材Zn、Mn含量较抵，但Fe含量高；4号（粗毛楤木）、10号（西南绣球）、9号（棣棠花）、11号（穗序鹅掌柴）聚为一类，这几种药材Zn含量相对较低，但Fe、Mn含量相对较高；3号（罗伞）、5号（红河鹅掌柴）、1号（通脱木）聚为一类，这几种药材Zn、Fe、Mn含量都比较高，尤其是1号（通脱木）Zn、Fe、Mn含量都高，但其Zn含量最高，故而在聚类谱系图上与其它药材相比位置要突出一些。这个聚类结果和主成分分析结果是一致的，说明通草类中药的微量元素谱系存在相似性，为进一步开展通草类中药的药理研究提供了依据。

图1 11种通草类中药聚类谱系图

3 结论

通草类中药的6种微量元素都是对人体有一定功能的元素，从这11种药材来看其Zn，Fe，Mn含量都比较高。Zn，Fe，Mn与药材中的有机成分形成络合物和盐类，从而起到清热、抗菌作用［10–11］；另一方面，Zn，Mn被视为“归肾经”的物质基础，它们在补肾方面发挥着重要的作用［12］。

综上所述，无论是主成分分析还是聚类分析都证实微量元素与中药药效存在相关性。通过测定中药中微量元素的含量，在一定程度上能反映中药性能，为进一步研究中药的药效提供指导。中药中微量元素对机体而言，一方面直接作用于机体发挥药理作用；另一方面在一定条件下与有机分子形成络合物，增加有机成分的药理活性。在中药方剂应用中，单独使用方剂中某一单味中药则效果不明显，而应用整个方剂有明显疗效，这需要合适的配方。通过测定中药中所含微量元素的种类、含量，再运用主成分分析和聚类分析等方法解析药物中微量元素的含量、各药物的相似性和差异性，可以为中药组方提供丰富的信息和理论指导。

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