基于代谢物组学的中药质量控制应用研究进展

·综述·

基于代谢物组学的中药质量控制应用研究进展

陈绮，宋洪杰*(第二军医大学长海医院药学部，上海 200433)

[摘要]代谢物组学是继基因组学、转录组学和蛋白质组学后新兴的一门组学技术，它从整体角度研究生物的切入点与中医药的整体观念在很大程度上相一致，如今已广泛应用于中药研究的各个领域。本文对近年来国内外代谢物组学在中药质量控制方面的研究，从药材鉴别、产地区分、确定采收时间和炮制加工等方面综述进展情况，并总结了目前存在的局限性。

[关键词]代谢物组学；中药；质量控制；综述

[中图分类号]R282[文献标志码]A

DOI：10.5428/pcar20150103

作者简介陈绮(女).E-mail：fangfa1234@sina.com

[收稿日期]2014-04-08

Research advances in quality control of Chinese materia medica based on metabolomics

CHEN Qi，SONG HongJie*(Department of Pharmacy，Changhai Hospital，Second Military Medical University，Shanghai 200433，China)

ABSTRACT[]Metabolomics, a new technique which emerged after genomics，transcriptomics and proteinomics, has been widely used in various fields of Chinese materia medica (CMM) researches，with the entry point being consistent with the holism of Traditional Chinese Medicine and CMM to some extent.The application of metabolomics in quality control of CMM was reviewed comprehensively in this article，including drug identification，origin distinction，determination of harvest time and processing technology.Existing limitations were also summarized.

[KEY WORDS]metabolomics；Chinese materia medica；quality control;review

[Pharm Care Res，2015，15(1): 10-13]

*通信作者(Corresponding author)：宋洪杰，E-mail：h_jsong@126.com

中药是我国特色的药物体系，但因作用机制复杂，很多中药的有效成分不完全明确，给中药的生产工艺、过程规范和质量控制带来了困难。现在越来越多的技术方法已应用于中药质量控制的各个方面。《中华人民共和国药典》(2010年版)中90.2%的中药制剂采用HPLC法进行含量测定。除此之外，薄层色谱法和气相色谱法也用于几十种中药制剂的质量控制，还有6个品种收录了指纹图谱的检测方法[1]。但是，色谱法往往通过测定一个或几个成分的含量进行质量控制，无法反映中药药效的整体性。指纹图谱可以看作是代谢物组学在中药质量控制中的初级应用，通过共有特征峰来鉴别药材真伪和质量评价，具有简单直观的优势。但指纹图谱一般只对其中的几个特征峰进行鉴别，必然会有信息遗漏，且指纹图谱的解析方法一般为简单的主观判断或单一的识别模式。与之相比，代谢物组学技术可以对中药的所有小分子质量代谢物进行定性和定量研究，不仅可以反映药物中所有化学成分的种类和含量，还可以全局性地比较在不同条件下药物成分的变化和差异，并通过多元的识别模式进行分析，更为全面、直观，也更符合中医药理论。

1代谢物组学简述

代谢物组学是系统生物学的一部分，在英文中有两个单词可以表述，分别是metabonomics和metabolomics，但两者又有区别。Metabonomics由英国帝国理工大学Jeremy Nicholson教授的研究组提出，定义为“the quantitative measurement of the multi-parametric metabo1ic response of living systems to pathophysiological stimuli or genetic modifications”[2]，即生物系统对生理病理刺激或基因改变的多参量代谢应答的定量分析。而metabolomics则是由德国植物学家Fienh等在植物代谢物研究的基础上所做的定义，为“the quantitative measurement of all low molecular weight metabo1ites in an organism’s cells at a specified time under specific environmental conditions”[2]，即在特定时间和特定环境条件下对一个生物体细胞中所有小分子质量代谢物的定量测定。在中药质量控制中，通过代谢物组学技术进行生药鉴定、含量测定和炮制加工等研究，都归结为研究外界因素对中药质量的影响，故本文的代谢物组学采用metabolomics表示。

代谢物组学的研究平台主要有气相色谱-质谱法(GC-MS)、液相色谱-质谱法(LC-MS)、核磁共振法(NMR)等，其中气相色谱-飞行时间质谱(GC-TOF MS)、超高效液相色谱-质谱(UHPLC-MS)和1H-NMR应用较多。结合主成分分析(principal component analysis,PCA)、簇类分析、簇类独立软模式法(soft independent modeling of class analogy,SIMCA)和偏最小二乘辨别分析法(partial least squares discriminant analysis,PLS-DA)等多元识别模式方法处理数据，可对所得结果进行较全面且准确的分析。由于在全面性、灵敏性、高通量方面的特点，代谢物组学已经被应用于中药质量控制中品种鉴定、中药不同物候期化学成分的变化、生长环境对中药质量的影响、确定最佳采收时间、加工炮制对中药质量的影响等方面研究[3]。

2代谢物组学在中药质量控制方面的应用

2.1用于中药品种鉴定代谢物组学在中药品种的分类和鉴定中得到了广泛的应用，也是目前研究最多的一项应用。《中华人民共和国药典》收录的黄连有3种，分别是黄连CoptischinensisFranch.、三角叶黄连CoptisdeltoideaC.Y.Cheng et Hsiao和云连CoptisteetaWall.。Fan等[4]对这3种药材用1H-NMR结合主成分分析和方差分析，发现黄连中巴马汀、黄连碱、表小檗碱、非洲防己碱和脂肪酸类成分含量较高，而药根碱含量较低；三角叶黄连和云连中分别含有最多的蔗糖和绿原酸。该研究表明可以通过代谢指纹图谱对黄连的正品进行鉴别。Choi等[5]应用1H-NMR技术和PCA法，分析了12种大麻Cannabissativa栽培品系，发现可以从两个方面区分这些品系，一方面是Δ9-四氢大麻酚酸和大麻二醇酸，另一方面是含有一些碳水化合物和氨基酸的水提取物，如蔗糖、葡萄糖、天冬氨酸、谷氨酸等。Hou等[6]用比较代谢物的方法，整合超临界流体萃取、GC-MS分析和数据挖掘，发现可以根据代谢物的分布和百分含量区分紫锥菊Echinaceapurpurea、白色紫锥菊E.pallida和狭叶紫锥菊E.angustifolia的提取物。Xiang等[7]采用GC-MS法结合PCA、PLS-DA研究3种姜黄属的药用植物，蓬莪术Curcumaphaeocaulis、广西莪术C.kwangsiensis和温郁金C.wenyujin，并对药材质量做评价。研究发现，莪术酮、吉玛酮、莪术二酮和表莪术酮等多种酮类化合物在3种植物中的含量各不相同，可以根据植物代谢物的差异进行区分，并采用代谢物组学的方法对3种中药材进行质量控制。Lee等[8]研究了人参属PanaxginsengC.A.Mey的不同品种、变种和商业产品的代谢物，结合代谢物指纹图谱和分析提出，葡萄糖、延胡索酸和各种氨基酸可作为对人参进行质量控制的生物标志物。以上例子都表明，采用代谢物组学方法鉴定中药的品种，不但可以辨别药物真伪，控制药材质量，还可以通过比较同属植物中的代谢物差异，寻找稀缺药材的替代品，并且制定相关替代药材或相似药物的质量标准，有效地进行药材把关。

2.2用于研究生长环境对中药材质量的影响温度、湿度、光照强度、光照时间、土壤中营养成分的种类和含量等因素都对中药材的最终代谢产物有着深刻的影响，因此药用植物的生长环境是栽培的重要条件。不同地区所产的同种药材质量可能相差甚远，故而中医药历来重视药材的产地。“道地药材”指的就是最合乎中药质量标准的药材，表现的是其产地优质性[9]。Tianniam等[10]利用GC-TOF MS法分析了不同产地和不同品种的东当归Angelicaacutiloba的根的代谢物，包括糖类、氨基酸、有机酸等22种化合物。根据产地的不同，通过PCA法成功地将东当归根分成品质良好、一般和差3个等级，发现果糖和葡萄糖这两种还原糖在质量差的东当归根中积累最多，而在质量良好或一般的东当归根中则是磷酸、脯氨酸、苹果酸和枸橼酸含量较多。这表明不同的气候条件下东当归产生不同的代谢物，进一步影响药材的质量。Sun等[11]应用LC/MS和指纹图谱法对美国和中国栽培的西洋参Panaxquinquefolius进行代谢物组学分析，发现美国栽培的西洋参中人参皂苷R(c)、人参皂苷R(d)、quinquenoside Ⅲ/伪人参皂苷RC(C1)、丙二酰人参皂苷 R(b1)和人参皂苷R(b2)较中国栽培的西洋参高，而人参皂苷R(b1)较低，表明不同地区环境下同一植物的代谢过程有所不同，代谢产物也不尽相同。

2.3用于确定中药材的采收时间药材植物在不同生长阶段所含化学成分的种类和含量有所不同，所以其采收时间影响药效差异。薛水玉等[12]采用GC/MS法结合代谢物组学技术分析不同发育时期款冬Tussilagofarfara花蕾的代谢产物。研究发现，款冬花蕾发育过程中，脯氨酸、赖氨酸和亚油酸在发育初期含量较低，中期升至最高，在开花后又急剧下降；苹果酸和柠檬酸在中期含量较低；蔗糖的含量逐渐降低，开花后降至最低。该研究共鉴定了54个代谢产物，PCA结果显示，除了传统采收期12月份以外，10月份和11月份花蕾样品中的代谢产物与12月份的花蕾接近，而3月份和9月份的成分和12月份相差较大，由此为确定款冬花合理的采收期提供了依据。Wang等[13]用薄层色谱法(LC)比较了在清晨和晚上两个不同时间采集的银杏GinkgoBiloba叶中次级代谢产物，如银杏苦内酯、银杏内酯和黄酮类化合物的含量差异，发现两个时间点采集的药材活性成分变化明显，晚上采集的银杏叶中银杏苦内酯和银杏内酯含量增加。上述研究表明，药用植物在不同时期的代谢产物不同，代谢物组学技术的应用有助于确定最佳采收时间，提高药材产量，甚至延长采收期，节约药材资源。

2.4用于研究药材的炮制加工工艺药材采收之后，需要进行炮制、加工处理，以达到增效减毒、改变药性的目的，方能为临床不同的治疗需求服务。药材炮制过程中，其性质、药效、功能主治都可能发生变化，这其中涉及的药材成分变化不是一种或者几种成分，而是药材整体所有成分的变化。在整体分析中，代谢物组学的方法与中药药理的整体性不谋而合。郭娜等[14]采用代谢物组学分析方法对女贞子Ligustrumlucidum生品及不同工艺炮制品的指纹图谱差异进行了分析，发现女贞子炮制前后化学成分的含量发生了明显变化，m/z137这一可能的化学成分标志物在女贞子生品中的含量较炮制品(蒸制、醋制、酒制)中更高，而ligustaloside B这一成分则是在炮制品中含量较高。王雪洁等[15]对生远志PolygalaeRadix、蜜远志和甘草制远志进行了代谢物组学分析，发现3者的化学成分各不相同。生远志中3，6′-二芥子酰基糖酯含量最高，蜜远志中最低，同时部分次级代谢产物的量也有所不同。与蜜远志相比，生远志与甘草制远志化学成分更加接近。3者中部分氨基酸、有机酸及糖类化合物含量相差较大。与生远志相比，蜜远志中总皂苷含量几乎不变，而甘草制远志中总皂苷含量最高。3，6′-二芥子酰基糖酯具有抗抑郁的作用，总皂苷在降血糖、镇静、祛痰方面发挥重要作用。3种远志的化学成分不同，功效主治也有所区别，如蜜远志的止咳作用大于其他两者。由此可见，经过炮制的药材其化学成分的含量乃至组分都可能发生变化，而经过不同方法的炮制，所得药材的代谢物也有较大差别。

中药的煎煮是服用前的最后一道加工程序，这也是一门学问。中医开出的药方绝大多数都是由几味药材组成，极少有单味药成方。复方药材在煎煮中各自发生变化，以及相互间发生的反应更加复杂。Wan等[16]研究大承气汤通过传统方法和现代方法煎煮的区别。大承气汤出自《伤寒论》，由大黄Rhei Radix et Rhizoma Palmati、厚朴Cortex Magnoliae Officinalis、枳实Fructus Aurantii Immaturus、芒硝Natrii Sulfas煎煮而成，可峻下热结，主治大便不通、脘腹痞满、腹痛拒按等。传统的煎煮方法为取厚朴、枳实加水煎煮，滤液加大黄再煮，过滤，将芒硝溶于滤液中可得。而现代煎煮方法为将4种药材混匀一起加水煎煮，取滤液。将两种方法所得的汤药采用超高效液相色谱-四极电离子喷雾-飞行时间质谱法分析，比较两者的代谢物组成。结果发现，传统方法煎煮所得汤药中的大黄酸、番泻苷A/B和香叶木素等起缓泻作用的成分含量较多，即用传统方法煎煮的大承气汤复方制剂质量较好。

3总结和展望

中药在我国使用的历史源远流长，但其药效一直不能被国际主流医药领域所认同。究其原因，在于中药理论用现代的医药学理论不能完全阐述清楚，中药的质量找不到有效的控制方法。代谢物组学的出现，为解决这一难题带来了希望。代谢物组学作为系统生物学的一部分，是一种从整体出发、研究全局作用的科学方法，正适于中药这一多靶点、多反应途径的复杂网络式理论体系。代谢物组学在中药质量控制的各个方面，如鉴别中药的真伪、产地，确定药材的采收期，优化炮制加工的方法等，都表现了巨大的潜力。李文艳等[17]在对白芍的药理作用和质量控制研究中提出，液相指纹图谱研究结合统计学分析，如计算相似度、相关关系分析、PCA和聚类分析等可以为区分白芍源植物与其他种植物提供依据，并能用于白芍药材、饮片和制剂的质量评价。HPLC指纹图谱基础上的定量研究较单纯定量研究能更全面地评价白芍及其制品的质量，既能全面整体性地鉴定中药材，又可量化其质量，从而建立起一定的量效关系。这也是未来中药质量控制的一个发展方向。

但是作为一项较新的技术，代谢物组学在中药质量控制方面仍然有局限性，主要表现在以下几个方面。(1)代谢物组学技术还不能做到全谱分析[18]，目前中药的代谢物组学研究主要是通过PCA，确定其中几个主要代谢物成分进行比较分析，不能对全部代谢物一一进行分离分析研究，离真正意义上的系统代谢物组学还有距离，分析技术尚有待提高。(2)还未建立完善的代谢物组学图谱库，有很多代谢物尚未鉴定分析，也没有对代谢物建立统一的定量标准，在研究中药代谢物成分时找不到标准值作为参比。(3)尚未将标志代谢物的确定与中药药效联系起来，在确定主成分或标志物时并不清楚这些物质在中药成方中所起的作用，也不能判断这些物质是否为药效的干扰项。(4)目前进行代谢物组学研究所用的设备昂贵，技术要求比较高，需要经过培训的专业人员才能操作，这也是制约代谢物组学研究发展的因素之一。尽管存在着局限性，但代谢物组学的发展不会止步于此，而是已经成为生物学和医药学研究的热点，方兴未艾。将体现整体性、系统性的代谢物组学方法与传统的中医药理论相结合，将代谢物组学技术应用于复杂的中药质量控制，在现有质控标准的基础上带来更全面的评价依据，建立更符合中医药理论体系的质量控制体系，这可能带来中医药发展史上的一次飞跃。

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[修回日期]2014-09-16

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