分子拓扑指数表征中药质量的前沿性探索

刘文龙，余 格，文 雯，赵 靖，李原华，梁慧慧，刘志军，贺福元，张喜利*，葛金文*

(1.湖南中医药大学常德附属医院/药学院，湖南 常德/长沙 415000/410208；2.中药成药性与制剂制备湖南省重点实验室，湖南 长沙 410208)

中药包括中药材、中药饮片、中药提取物中间体及中成药等，每一种形式中药的质量优劣均影响着中医药的临床疗效。近年来，随着中医药事业的发展壮大，有关中药质量的有关问题将面临更严峻的挑战。为了获得优质的中药以确保稳定的中医药疗效，国家加强了对中药材规范化种植、中药饮片炮制加工、中药提取物规范化及中成药批准与生产等环节的监控与管理；许多学术思想不断涌现，有形态学宏观评控、化学成分微观评控、临床疗效终端评控，种植加工过程评控、分析新方法评控，以及超分子印迹模板等[1-10]，卓有成效。然中药是特指在中医药基本理论指导下所使用的药物总称，因此中药的质量研究思路理应在遵循中医药基本理论基础上而另辟蹊径。

1 中药质量研究现状

就中药质量研究现状而言，多采用以化学成分为主、生物效应为辅的研究模式，这种模式为中药的质量做出了重要贡献，两种模式各有所长短。许多学者认为，中药所含化学成分无疑是中医药发挥临床疗效的微观物质基础，能成为其质量研究的根本点与出发点。学者从不同角度进行了基于化学成分的中药质量研究，如中药的Quality-Marker提出[11]，采用多色谱分析[12-14]，电子舌技术、基因技术研究其化学成分及中药质量等级[15]；中药成分的一测多评[16]、深入浅出质量评控标准体系[17]；形态学关联DNA条形码及基因组学的新质量评控方法[18]，建立了以乌奴龙胆和白花龙胆为代表的藏药质量标准[19]；采用先进的分析检测技术如UPLC-Q/TOF、近红外技术等进行微观物质基础研究[20-21]；此外，中药的Quality-Marker质量观研究已全面铺开[22]。上述观点均认为中药单个分子是最终的显效形式，然中药所含成分种类繁多且含量很低，按西药的药效学与药动学理论，各单个中药成分的量达不到最低有效浓度，因此，本团队认为必然有另一种过渡态的显效形式，很有可能是小分子聚集形成中药超分子体的“和谐体系”。

检验中药质量优劣的金标准是临床安全性与有效性，以中药临床安全性与有效性为导向的中药质量研究不断出现。主要包括①采用效应成分指数(Zm)、效价当量(E)等整合的“7级评控力金字塔”式生物效应评测研究[23-24]；②中药各成分效应叠加而毒性分散的显效理论研究[25]、基于中医方证的代谢组学证候研究[26]；③基于中药成分特有性与有效性的生物鉴定方法、质量Q-marker研究[27-28]等。然而基于临床有效性的中药质量研究方法属于终端研究方法，只能评价中药质量而不能管控其质量[29]，另因未涉及中药起效的微观物质基础，而达不到满意的效果。

2 中药质量研究超分子化学理论的介入

超分子化学(Supra-molecular Chemistry)源于配位化学，而中药多成分体系的形成过程就是自然界生物超分子的聚集过程。其中药有效成分群便是这一超分子体系的印迹模板聚集体。糖类、氨基酸、核苷酸可作为功能单体形成超分子体，也可以作为客体“印迹模板”[30-33]小分子；苷类(醌类、黄酮类、香豆精类、木脂素类、皂苷类)、萜类、生物碱等成分常作为客体“印迹模板”小分子。因此对中药的前处理、炮制加工、提取分离均是作用于中药超分子聚集体。在这些过程中分分合合，最终在临床使用时又聚集成超分子而显效。透过中药饮片炮制与制剂制备、评价过程所遇到的饮片质量不稳、中药制剂质量不稳等问题，无一不与中药超分子化学相关，故应展开中药超分子与中药质量的相关研究。本团队介入中药超分子化学研究已经6年，提出了中药是一个巨复超分子体等理论，已发表论文15篇。

分子的结构决定着该分子的性质，中药分子亦是如此，故分子拓扑结构与其质量和生物活性息息相关。分子连接性指数(molecular connectivity index,MCI)是其实是一种表达分子化学结构的指数，因为其拓朴结构充分考虑与原子数目、种类及周围环境等因素，使得该指数与分子的多种理化性质及生物活性可以定量地联系起来。使用程序软件[33]计算得到这类拓扑参数系列。且大量实验表明其与中药的有效性密切相关，而且有关拓扑指数与药物的生物活性相关性研究报道屡见不鲜，这都为中药的分子连接性指数与中药质量之间关系的研究开展奠定了基础[34-41]。

3 基于分子拓扑指数表征中药质量的初探与数学模型的建立

现阶段，本团队前期预实验建立了全国不同产地11批次鱼腥草挥发油的GC/MS数据库，并对其进行了相关分析，结果显示，11批鱼腥草挥发油的指纹图谱的峰数、峰面积波动均较大，分别为32.22%、21.88%，但总量平均一阶分子连接性指数的RSD变化很小(2.573%)，在众多变量中发现了不变量。据此提出科学假说，分子拓扑指数是连接中药化学成分与生物效应的桥梁，其相关拓扑指数统计量科学表征中药宏观质量。

分子的结构决定着分子的性质，中药分子亦是如此。首先应用Chem Draw Ultra9.0软件构建每一批次鱼腥草总挥发油在气质色谱下相应的物质的分子结构，采用Chew3D Ulter9.0中MOPAC软件进行化合物分子结构的优化，采用AM1方法得到相应结构，在MATLAB软件下使用其3D分子结构，最后计算得到这类拓扑指数系列[41]。

现2,2,3-三甲基丁醇为例展示其隐氢图及子图(图1)，根据此图计算MCI。

图1 隐氢图及子图

根据上述公式采用程序软件，可求算多批次鱼腥草在GC-MS分析中响应的所有成分的MCI值，即每一张指纹图谱下检测出多少个成分结构就能计算出多少个MCI值，同理可获得其他3类拓扑参数，据此可获得一个海量数据库。

研究多产地多批次鱼腥草抑菌效应强度与这0～8阶分子连接性指数及其统计量(参数)相关联，作主成分分析和回归分析。

用抑菌活性E对多批次的鱼腥草总挥发油的总量MCI(XT)做线性回归分析，得到其回归方程，并作验证性实验。据此可知总量MCI(XT)可定量描述鱼腥草总挥发油的宏观质量；同时统计分析总量平均MCI(UT)是否在多批次的鱼腥草总挥发油中保持稳定，据此可判定总量平均MCI(UT)可定性表征鱼腥草总挥发油的宏观质量。

4 结语

本文基于前期理论研究与小试结果的基础上，提出超分子化学理论与中药质量研究相结合新观点，并建立了测算的数学模型。这将为中药宏观质量研究提供了新思路与新方法，为构建中药质量评价控制新方法奠基基础。同时也将实现中药质量评控指标性成分的动态性、传递性与溯源性，助力中药质量标志物等相关研究。