降脂中药微量元素的主成分分析和聚类分析*

申明金，曹洪斌

（川北医学院化学教研室，四川南充 637000 ）



降脂中药微量元素的主成分分析和聚类分析*

申明金，曹洪斌

（川北医学院化学教研室，四川南充 637000 ）

摘要探讨降脂中药中微量元素的种类和含量与其药用价值的相关性。以常用的10种降脂中药作为研究对象，采用原子吸收光谱法（AAS）对其所含微量元素进行测定，运用化学计量学方法中的主成分分析和聚类分析方法进行信息解析。主成分分析结果表明，前4个主因子含有降脂类中药微量元素含量88.96%的信息。根据主成分得分图和聚类分析谱图，可将10种中药分为两类。找出了与每类中药相关性密切的微量元素，解释了10种中药之间的相似性与差异。通过主成分分析和聚类分析初步揭示出10种降脂中药的微量元素与其功效存在相关性，为该类中药的开发提供了科学依据和理论基础。

关键词降脂中药；微量元素；主成分分析；聚类分析；化学计量学

研究表明微量元素不仅在中药中占有重要地位，而且与人的生命健康息息相关，对人的生命起至关重要的作用。其摄入过量、不足、不平衡或缺乏都会不同程度地引起人体生理的异常或发生疾病［1-3］。

随着生活水平的提高，高血脂和脂肪肝已经成为现在的流行病。高脂血症对身体的损害是隐匿、逐渐、长期和全身性的，多数人需长期用药治疗。但如果长期服用调血脂西药，又会因药物的副作用而使患者的身体健康受到损害。有些中草药对降低血脂有明显的作用且因为其安全性而日益受到重视。中药中的众多元素常常同时存在，它们相互协同或竞争抑制，富含丰富而又复杂的信息。化学计量学是解析白、灰、黑复杂体系多维信息的重要工具，在中药模式识别、成分提取、制剂生产和药效研究中已得到广泛应用。笔者选用10种降脂中草药并根据文献报道［4-6］选择Zn，Cu，Cr，Mn，Mg，Fe等与降脂有关的微量元素，用原子吸收分光光度法测定其在中药中的含量，并用化学计量学中的主成分分析和聚类分析对这些微量元素与中药疗效的相关性进行讨论，以期为该类中药的研究与开发应用提供参考。

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

原子吸收分光光度计：TAS-990型，北京普析仪器公司；

Zn，Cu，Cr，Mn，Mg，Fe空心阴极灯：日本Hitachi公司；

超纯水器：法国Millipore公司；

微型植物粉碎机：FZ102型，天津市泰斯特仪器有限公司；

Zn，Cu，Cr，Mn，Mg，Fe标准溶液：100 µg/mL，阿拉丁试剂（上海）有限公司；

HClO4，H2SO4，HNO3等：分析纯，成都艾科达化学试剂公司；

姜黄、蒲黄、大黄、决明子、茵陈、泽泻、柴胡、首乌、山楂、虎杖均：南充德胜堂大药房；

实验用水为超纯水。

1.2 仪器工作条件

Zn，Cu，Cr，Mn，Mg，Fe均采用空气-乙炔火焰原子吸收光度法测定，各元素测定条件见表1。将Zn，Cu，Cr，Mn，Mg，Fe单元素标准储备液用1% HNO3逐级稀释成系列标准溶液进行测定，选择的仪器参数见表1。

表1 仪器工作条件

1.3 实验方法

将姜黄、蒲黄、大黄、决明子、茵陈、泽泻、柴胡、首乌、山楂、虎杖等10种中草药编码，分别称取50 g，以去离子水清洗干净后烘干并研成粉末。准确称取样品0.500 0 g置于高脚烧杯中，加入15 mL消化液HNO3-HClO4（体积比4∶1）浸泡，以表面皿覆盖，放置过夜。在电热板加热消化约1 h至冒白烟，溶液变为澄清为止。冷却后用1% HNO3定容至50 mL容量瓶中备用。用同样方法消化空白样品。

2 微量元素测定结果

在1.2仪器工作条件下，对1.3中的样品溶液和空白溶液进行测定，10种降脂中药材的微量元素测定数据见表2。

表2 10种中药微量元素的含量 µg/g

3 降脂中药微量元素的主成分分析

主成分分析是一种通过数学降维把多个指标或变量转化为少数几个综合变量即主成分来揭示多个变量间的内部结构，这些主成分作为新的综合指标尽可能多地保留原始变量的信息，且彼此间互不相关，避免了各化学信息的相互重叠［7-10］。对10种降脂中药的微量元素数据进行标准化处理后，首先计算其相关系数矩阵，然后计算相关系数矩阵的特征值、特征向量和方差贡献率。计算所得7个特征值及其方差贡献率和累积方差贡献率的结果见表3。主成分的特征值及贡献率是选择主成分的依据，由表3可知，前4个主成分贡献率分别为32.63%，26.30%，16.77%，13.26%，累计贡献率达88.96%，故选择保留4个主成分，这4个主成分可以反映原始变量88.96%的信息。

表3 特征值和贡献率

根据相关系数矩阵计算所得特征向量，这4个主成分的模型可表达如下：

从主成分模型看，变量Zn，Zn/Cu与第1主成分相关性较高。体内锌含量对血脂代谢有重要的影响，缺锌可引起血脂代谢异常这已被大量实验研究所证实，但摄入量要适当。锌与铜在体内的摄取和运转中彼此竞争、遏止。故锌铜比值也会对血脂代谢产生影响，药材的铜/锌比值与药材心血管作用有关［11］。

第2主成分与变量Mn，Mg有较高的相关性，与变量Cr，Fe负相关。Mn是葡萄糖和脂肪代谢的诸多酶的激活剂，维持体内血压值、血糖和血脂的正常含量［12］。缺锰会导致葡萄糖耐量减小及脂质代谢反常。Mg是Na+-K+-ATP重要辅酶，具有降低血脂中甘油三酯和低密度脂蛋白的作用，可降低胆固醇和动脉硬化指数，在维持心肌生物电方面起着重要作用［13］。Cr有助于增加胆固醇的分解和排泄，减少血清胆固醇的含量［14］，Cr的生物化学作用主要是作为胰岛素的增强剂，通过胰岛素影响糖、蛋白质、脂肪和核酸的代谢。

第3主成分与变量Cu高度相关。Cu参与多种酶的代谢，它能影响能量代谢［15］。动物实验研究发现，缺Cu的动物体内血清总胆固醇TC水平升高，这也说明Cu对血脂代谢有一定影响。

第4主成分与变量Fe，Mg有较高的相关性。作为生物代谢过程中大部分酶的辅助因子，铁参与机体内各种代谢过程以及氧气和电子的运输，因此铁缺乏或过量都可引发各种疾病。铁具有促进脂肪消化、脂类运转，调节脂质代谢等广泛的生物学功能。

由主成分模型计算可得相应的主成分得分值。以第一主成分得分值PC1作为横坐标、第二主成分得分值PC2作为纵坐标，绘制10种降脂中药的二维得分谱图，见图1。

图1 主成分得分图

由图1可以看出，10种降脂中药可分为两大类。其中，1号（姜黄）、2号（蒲黄）和8号（首乌）可划分为一大类，姜黄、蒲黄和首乌都具有较高的Zn /Cu比。但这3种药物在图1中彼此位置相距较远，又可各自划为一类，其余药物可分为一大类。

图2 降脂中草药聚类谱系图

4 降脂中药微量元素的聚类分析

聚类分析是中药指纹图谱研究的常用方法［16-19］，该法是一种探索性的分析方法。在分类过程中，人们不必事先给出一个分类的标准，聚类分析能够从样本数据出发，自动进行分类。同一个类中的对象有很大的相似性，而不同类间的对象有很大的相异性。将10种降脂中药的微量元素原始数据进行标准化处理并采用离差平方和方法进行聚类，得到的聚类谱系图见图2。聚类谱系图反映了10种降脂中药的相似性和差异性，并体现出了各类之间的亲疏关系。从聚类图2可知，10种降脂中药可分为两大类。其中，1号（姜黄）、2号（蒲黄）和8号（首乌）聚为一大类，其余药物聚合为一大类。姜黄、蒲黄和首乌这3种中药的Fe，Zn的含量高，而且具有很高的Zn/Cu比值，这是它们相似性高的一面。但是，这3种中药的Fe，Zn，Mn，Cr的含量和Zn/Cu比值差异也大。首乌中的Cr、姜黄中的Mn，Zn含量远高于其它药物，而蒲黄中的铜与首乌中的镁又相对较低。从聚类情况看，蒲黄与首乌的相似性要高一些。在剩下的大类中，5号（茵陈）与7号（柴胡）相似性较高，从微量元素数据看这两种药物在Cr，Mn，Mg含量差异明显，但其Fe，Cu，Zn含量和Zn /Cu比值接近。3号（大黄）与4号（决明子）相似性较高；6号（泽泻）与9号（山楂）相似性较高；尽管这两组药物在元素含量上有明显差异，但元素之间的比例相似，这体现了中药中微量元素的协同作用。这个分类结果和主成分分析结果基本一致的。可见降脂中药的微量元素谱系可以为其药理研究提供依据。

5 结语

现代研究结果表明，中药药效发挥的过程是微量元素之间的协同作用以及微量元素与有机活性成分的协同作用。Zn，Cu，Cr，Mn，Mg，Fe都和降脂存在密切的关系，但微量元素的含量和分布与中药的品种密切相关。因此单纯地以某一元素的含量来比较药物的相似性不能从整体上体现出中医用药规律。由于中药所含微量元素众多，其数据呈高维、离散的特点。化学计量学在发展过程中形成了一系列解析高维数据信息的方法，运用其常用的主成分分析和聚类分析方法可以从整体性信息方面发掘药物微量元素之间的内在规律并找出其相似性和差异性，这为研究中药组方和用药提供了重要指导。

参 考 文 献

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*川北医学院科研发展基金项目（CBY13-A-ZP11）

联系人：申明金； E-mail： shmj1970@163.com

中图分类号：O652

文献标识码：A

文章编号：1008-6145（2016）01-0026-04

doi：10.3969/j.issn.1008-6145.2016.01.007

收稿日期：2015-10-18

Principal Component Analysis and Cluster Analysis of Trace Elements in Chinese Traditional Medicines for Depressing Lipid

Shen Mingjin， Cao Hongbin
（Department of Chemistry， North Sichuan Medical College， Nanchong 637000， China）

AbstractThe correlation of kinds and content of chinese traditional medicines for depressing lipid with its medicinal value was discussed. Ten kinds of traditional chinese medicines for depressing lipid were selected as subject of research. The trace elements in chinese traditional medicines were measured by atomic absorption spectrometry （AAS） and information analysis was carried out by principal component analysis and cluster analysis of chemometrics. The results indicated that the frontal four principal factors contained 88.96% information about trace element contents in chinese traditional medicines for depressing lipid. The results indicated that 10 kinds of chinese traditional medicines for depressing lipid could be classified into two classes according to the figure of principal component scores and clustering figure. On the basis of analysis results，the elements which closely related to each class were found and the similarities and differences among the ten kinds of traditional chinese medicines.With principal component analysis and clustering analysis method，it was revealed that there was correlation between the trace element and efficacy of ten kinds of traditional chinese medicines for depressing lipid. This study provided scientific basis and theoretical foundation for the exploitation.

Keywordschinese traditional medicine for depressing lipid； trace element； principal component analysis； cluster analysis； chemometrics