治疗高血压中药中微量元素的化学计量学研究

申明金曹洪斌陈 丽

（1川北医学院化学教研室，四川南充，637000；2南充武警医院内科，四川南充，637000）

治疗高血压中药中微量元素的化学计量学研究

申明金1曹洪斌1陈 丽2

（1川北医学院化学教研室，四川南充，637000；2南充武警医院内科，四川南充，637000）

目的：探讨治疗高血压中药中微量元素含量与其功效间的相关性。方法：以12种治疗高血压中药中的微量元素为研究对象，运用化学计量学方法中的对应分析和聚类分析方法进行信息解析。结果：根据中药中的微量元素含量，做出R型、Q型因子载荷矩阵和对应分析因子载荷平面图，表明12种中药分为三类。找出了与每类中药相关性密切的元素。聚类分析结果和对应分析分类结果一致，揭示了中药之间的相似性和差异性。结论：化学计量学方法能揭示出中药和微量元素之间的内在联系，是一种很有优势的中药功效分析研究方法。

治疗高血压中药；微量元素；化学计量学；对应分析；聚类分析

微量元素是体内各种酶、激素、维生素等活性物质的重要成分之一，虽然在人体内含量不多，但有极为重要和独特的生理功能。人体的许多疾病与微量元素的失调有关，摄入过多或缺乏都会引起各种疾病[1-2]。

化学计量学是一门针对化学学科的分支，它的主要任务是对化学量测数据进行分析处理，同时确保实验数据中包含有最大的信息量，是处理高维、广谱、海量数据信息的有力工具，在中药模式识别、中药生产工艺优化研究中得到了广泛的应用[3-4]。化学计量学在发展过程中结合数学、统计学和计算机科学产生了一系列的信息解析方法。对应分析和聚类分析就是常用的信息方法，在环境评价、医药研究领域应用甚广。我们利用对应分析把治疗高血压的常用12种中药的微量元素含量与中药样本结合起来，揭示了中药类型与微量元素之间的关系以及微量元素与中药的功效相关性，用聚类分析考察了中药之间的相似性和差异，为中药药效与药理研究提供了有益的信息。

1 对应分析原理与方法简介

对应分析是法国统计学家J.P.Beozecri提出的用共同的因子轴同时表示样品和变量的载荷，将R型和Q型因子分析统一起来的一种统计方法，详细数学模型可参考有关文献[5-6]。R型因子分析可以发掘多个变量之间隐含的相互关系，有利于变量相关性的分析[7]。Q型因子分析则是研究样品之间的相关关系。如果用xij表示第i个中药样品的第j个微量元素变量值，则对于有n个样品和m个变量的微量元素数据矩阵X＝｛xij｝n×m，对应分析的主要步骤如下：

1）将原始数据矩阵按行、列求行和xj．和列和x．．j，并求出数据矩阵的总和H。

3）进行R型因子分析。计算矩阵ZTZ的特征根λ1＞λ2＞…λm和相应的单位特征向量U1，U2，…，Um。由特征根的累计方差贡献率的大小确定因子个数k并计算R型因子载荷矩阵F。

4）进行Q型因子分析。根据R型因子分析计算中所确定的因子个数k，计算对应矩阵ZZT的特征向量E。E1＝ZU1，…，Ek＝ZUk，并将E单位化而得到Q型因子载荷矩阵G。

5）将R型因子分析所得因子载荷和Q型因子分析所得因子载荷在同一平面作图并解释。

2 12种治疗高血压中药微量元素的对应分析

12种中药微量元素的含量数据来源于文献[8]。对原始数据进行无量纲化处理以消除数据在数量级和量纲上的差异对分析结果的影响。对应分析的计算程序采用MATLAB6.1语言编制。特征值及R型因子分析的计算结果见表2，Q型因子分析的计算结果见表3，将R型因子分析的和Q型因子分析结合起来，分别以二者的第一主因子载荷值（F1、G1）、第二主因子载荷值（F2、G2）作二因子平面载荷点聚图，见图1。

图1 对应分析因子和因子载荷平面点聚图

3 对应分析结果解释

方差累计贡献率的大小体现了因子对原始数据所含信息反映量的多少。在从表2的计算结果可知，R型因子分析中第一主因子和第二主因子的方差累计贡献率已达92.075 8%。其中，第一主因子的方差贡献率达75.685 9%，是微量元素含量所提供的信息中占主导地位的一个因子，也是影响中药药效的主要表现。其载荷中系数最大的为Sr，其次为Fe和Mn；在第二主因子中Zn、Fe的载荷系数比较大，其次是Mn、Cu，这说明Sr、Fe、Mn、Cu、Zn是影响治疗高血压的12种中药的重要元素，事实上从表1可知，这几种微量元素的含量值都比较高。Mn、Fe在第一、第二主因子中都具有较大的载荷，表明Mn、Fe同时受控于两个主要因子，是影响该类中药功效的主要微量元素。

表1 12种中药微量元素含量数据（μg/g）

表2 R型因子分析结果

表3 Q型因子分析结果

对应分析的二因子载荷平面点聚图可以提供丰富的信息：图中互相靠近的样品点群具有相似的性质；互相靠近的变量点群表示变量之间的相关性较大；一个样品点群可用靠近它的变量点群来描述。从图1可知，12种中药在平面点聚图的纵标轴左右两边聚集的情况可分为三类中药。其中，12号（石决明）可单独聚为第一类，该药与微量元素Sr的关系密切，从表1可知石决明的Sr含量最高。3号（大蓟）、1号（药芹）聚为第二类，该类药物与Fe的关系密切，具有比较高的铁含量。其余的药物共聚为第三类，这类药物与Zn、Mn、Cu、V、Mo的关系密切。从图1可看出，Mu、Cu、V、Mn点相距较近，说明它们之间的相关性较其他元素之间的相关性强。

微量元素在体内具有重要的生理作用。Sr具有调节血压、扩张冠状动脉的作用[9]。Fe是血红蛋白和肌红蛋白的主要活性部分，微量元素铁具有提高免疫功能，从而起到预防疾病的作用[10]。Mn能激活人体内的多种酶，具有活血化瘀、抗衰老、抗突变的作用，缺Mn可促使胆固醇在血管壁沉积而导致动脉硬化，导致高血压、冠心病及肿瘤发病率增高[11-13]。Cu在血脂代谢中起重要作用，缺Cu会导致胆固醇升高，使血管组织失去弹性，诱发动脉硬化[14]。Zn是机体内200多种酶的组成成分，Zn参与蛋白质的合成和分解，具有影响胰岛素以调节血糖的作用，缺乏易患高血压和动脉硬化症[15]。V在正常生理浓度下能促进脂质代谢，抑制胆固醇合成，减轻其诱发动脉硬化的程度[16]。Mo在正常生理浓度下对维持心肌能量代谢有重要作用，缺钼可引起心血管疾病[17]。

4 治疗高血压中药中微量元素的聚类分析

聚类分析是将样品或变量按照它们性质上的相似程度进行分类的一种统计方法，它可以将多指标的数据进行分类[18]。先将12种中药的微量元素原始数据进行标准化处理，对标准化后的数据进行聚类分析，应用MATLAB6.1软件采用平均距离方法进行聚类，在MATLAB6.1软件中调用Z＝linkage（Y，'average'）函数和H＝dendrogram（Z）函数进行聚类分析并可得到聚类树图（图2）。

图2 聚类分析结果

从图2可知，12种治疗高血压的中药可分为三大类，其中，12号（石决明）单独聚为第一类，3号（大蓟）、1号（药芹）聚为第二类，其余的药物共聚为第三类，这个分类结果和对应分析聚类结果是一致的。进一步观察可以发现第三类药物中，4号（槐米）和6号（玉米丝）的相似程度比较高，5号（猪毛菜）和9号（刺蒺藜）的相似程度比较高。聚类分析的优越性在于可以把离散的数据标准化处理后，按照数据本身的内在规律进行合理的分类，这就大大缩小了主观判断造成的误差，使数据评判结果更具客观性。

5 结语

中药的疗效是其所含众多有机成分与含微量元素协同作用的结果，现代医学研究表明，微量元素能帮助药物达到归经部位，微量元素的种类及含量对阐明传统的药理、药效、毒理提供科学依据，为中药的开发利用指明方向[19-20]。因此，研究中药中微量元素的含量及其分布对进一步研究中药的组方、配伍和功效，开发新药具有重要的意义。化学计量学是解析白、灰、黑等复杂体系中多指标信息的有力工具，适合研究中药中微量元素所隐含的信息。将化学计量学中的对应分析和聚类分析结合起来，能够从不同侧面解析中药中微量元素与样品、微量元素与微量元素之间的内在关系，为进一步研究微量元素与药效提供了理论基础。

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（2013-07-25收稿 责任编辑：曹柏）

Study on Trace Elements in Traditional Chinese Medicines for Hypertension Therapy by Chemometrics Method

Shen Mingjin1，Cao Hongbin1，Chen Li2
（1 Department of Chemistry，North Sichuan Medical College，Nanchong，637000，China；2 Department of Nephrology，Nanchong Armed Police Hospital，Nanchong 637000，China）

Objective：To find the relevance between the quantity of trace elements and the effects of traditional Chinese Medicines treating hypertension.Methods：The trace elements in 12 species of traditional Chinese Medicines treating hypertension were selected and information analysis was carried out by correspondence analysis and cluster analysis of chemometricsmethod.Results：The calculated results such as R type，Q type factor loadingmatrix were gained and a clustering plane figure of correspondence analysis factors wasmade according to the content of trace element.The results indicated that 12 species of traditional Chinese Medicines could be classified into three classes and the elements which closely related to each class of traditional Chinese Medicine were determined.The class of clearing heat and detoxication has relation with Fe and Mg.The classification results of cluster analysis were in agreement with those of correspondence analysis and the similarities and differences among the twelve kinds of Chinese medicine were revealed.Conclusion：Through chemometricsmethod，it is revealed that there is a correlation between the trace element contents and effect of Chinese medicine.The result shows that the chemometricsmethod has the great advantage for the efficacy analysis of Chinese Medicines.

Traditional Chinese medicines for hypertension therapy；Trace element；Chemometrics；Correspondence analysis；Cluster analysis

R259；R284.1

A

10.3969/j.issn.1673-7202.2014.04.030

申明金（1971—），男，四川南充人，副教授，主要从事药物分析研究，E-mail：shm j318＠163.com