白术饮片的指纹图谱形状特征与质量标志物(Q-Marker)研究
2021-08-24谭小娟李世雄李璎峪李原华刘瑞连刘文龙张喜利
谭小娟,李世雄,李璎峪,赵 靖,李原华,刘瑞连,刘文龙*,张喜利*
白术饮片的指纹图谱形状特征与质量标志物(Q-Marker)研究
谭小娟1, 2, 4,李世雄1, 4#,李璎峪1, 4,赵 靖1, 4,李原华1, 4,刘瑞连3,刘文龙1, 4*,张喜利1, 4*
1. 湖南中医药大学药学院,湖南 长沙 410208 2. 浏阳市中医医院,湖南 浏阳 410300 3. 湖南省中医药研究院,湖南 长沙 410208 4. 中药成药性与制剂制备湖南省重点实验室,湖南 长沙 410208
根据白术指纹图谱形状特征,建立一种快速精准辨识不同产地与炮制品的方法。建立45批不同产地与炮制法的白术UPLC指纹图谱库,运用总量统计矩及相似度法、正交偏最小二乘-判别分析(orthogonal partial least squares- discriminant analysis,OPLS-DA)法辨析此指纹图谱的形状特点,捕获其特征指纹图谱及特征峰。生品、麸炒、土炒白术UPLC指纹图谱的共有峰16个;安徽与湖南、安徽与浙江、湖南与浙江产地的生白术的总量统计矩相似度分别为0.774~0.982、0.799~0.969、0.788~0.886;3产地的生品与麸炒、生品与土炒、麸炒与土炒白术的总量统计矩相似度中最大值为0.990,最小值为0.774。再结合OPLS-DA法中变量重要性投影(variable importance for the projection,VIP)分析获得其中1~3、6、16号为区分贡献度最大的5个标志峰,确认6号峰为白术内酯II。这5个标志峰对应物质可认定白术的潜在质量标志物(Q-Marker),为白术的产地、炮制法的精准识别及其质量控制与评价提供理论与实验依据,同时也为中药指纹图谱辨形论质做了积极探索。
白术;指纹图谱;辨形论质;总量统计矩相似度法;OPLS-DA;质量标志物;炮制;质量控制
中药指纹图谱具有整体性的特点,突出中药的完整面貌,在中药及其复方的质量研究中已逐渐展现出独特的优势[1-10]。中药整张指纹图谱的形状特征能够全面反映所含成分的种类与含量,欲从宏观上评价控制中药质量,需对其形状特征进行定性定量分析。常见的指纹图谱分析法有夹角余弦法、相关系数法、主成分分析法等。总量统计矩相似度法是本实验团队早期建立的定性定量辨识中药指纹图谱形状特征的新方法[11]。该方法在指纹图谱的数学分析方面有其独特优势,不仅具有抗干扰性,能够降低各峰分离状态、形状等测试方法的要求,并且具有加合运算的特征,能消除溶剂干扰,获得纯品的总量统计矩参数;能与多维向量偶联构成多维曲线中心矩及偏差分析。其中总量零阶矩为定量分析参数,总量一阶矩与总量二阶矩为定性分析参数[12-15]。
白术为菊科苍术属植物白术Koidz.的干燥根茎。味苦、甘,温。归脾、胃经。有健脾益气、燥湿利水、止汗、安胎功效[16]。白术在《神农本草经》中被列为上品,主产于南方各地,其中浙江地区产量最大,质量最 好[17]。麸炒法和土炒法为白术现代炮制的常用方法,且《中国药典》2020年版收载了白术和麸炒白术2种饮片规格。研究表明,麸炒白术能够“减酮减燥,增酯增效”,减少对胃肠的刺激性,缓和药 性[18-19];土炒白术有提高机体抗炎和抗癌效果,增强抗氧化、免疫能力等功效[20]。
中药质量标志物(quality markers,Q-Marker)能够以整体、系统、量化的标准对中药质量进行综合性评价,其与中药的本身属性,炮制工艺、药理作用、生物代谢等息息相关[21]。近年来有关白术的药理作用、化学成分等研究较为全面,而指纹图谱研究更多针对于单一产地或单一炮制品,未曾系统建立白术的UPLC指纹图谱库,缺乏系统内部比较与大数据更难以寻找Q-Marker,且缺乏一种快速精准判断的方法。本研究将基于总量统计矩相似度法及正交偏最小二乘判别分析(orthogonal partial least squares-discriminant analysis,OPLS-DA)法分析指纹图谱,通过辨析白术饮片指纹图谱形状特点,评论生白术、麸炒白术、土炒白术3种炮制品,安徽、湖南、浙江3个产地白术饮片之间的质量异同,获得白术饮片的特征指纹图谱,锁定其质量标志物,为白术的产地、炮制的精准识别及其质量控制与评价提供新思路与方法。最终为中药质量控制与评价提供新视野与实验依据。
1 仪器与材料
1.1 仪器
Acquity UPLC H-Class系统,四元溶剂泵、自动进样装置、在线真空脱气装置、PDA检测器、Empower3色谱工作站、柱温箱,美国沃特世公司;MS205DU电子分析天平,Mettler Toledo集团;JCS-31002C电子天平,哈尔滨众汇衡器有限公司;SHZ-D(III)循环水式真空泵,巩义市予华仪器有限责任公司;DHG-9140A电热恒温鼓风干燥箱,杭州蓝天化验仪器厂;SB-5200 DTD超声波清洗机,宁波新芝生物科技股份有限公司。
1.2 药材与试剂
白术原药材来源于安徽、湖南、浙江当地药材市场,经湖南中医药大学中药鉴定教研室石继连教授鉴定为菊科植物白术Koidz.的干燥根茎,批号及产地见表1。
对照品白术内酯I(批号DST181006-014,质量分数≥99%)、白术内酯II(批号DST180122-015,质量分数≥99%),成都德斯特生物技术有限公司;磷酸,重庆川东化工有限公司,分析纯,批号20140801;乙腈(批号19035217)、甲醇(批号20035265),色谱纯,美国天地公司;麦麸,中粮面业(濮阳)有限公司;灶心土为湖南当地采购;水为怡宝纯净水;0.22 μm微孔滤膜。
表1 白术原药材产地批次信息
2 方法与结果
2.1 麸炒白术、土炒白术的制备
2.1.1 麸炒白术 取安徽、湖南、浙江共15批白术饮片,按《全国中药炮制经验与规范集成(增修版)》麸炒白术(湖南2010)[22]进行麸炒白术的炮制。取净白术片,按白术-麦麸10∶1比例,将麦麸撒入热铁锅内,待冒烟时,投入白术片,不断翻炒,炒至白术呈黄棕色,偶见焦斑。略有焦香气。筛去麦麸即可。安徽产地对应编号为AH6~AH10,湖南产地对应编号为HN6~HN10,浙江产地对应编号为ZJ6~ZJ10。
2.1.2 土炒白术 取安徽、湖南、浙江共10批白术饮片,按《全国中药炮制经验与规范集成(增修版)》土白术(湖南2010)[22]进行土炒白术的炮制。取净白术片,按白术-灶心土4∶1比例,将土粉置铁锅内,用中火加热,炒至土呈灵活状态时,投入白术片,炒至白术表面均匀挂土粉时,筛去土粉即可。安徽产地对应编号为AH11~AH15,湖南产地对应编号为HN11~HN15,浙江产地对应编号为ZJ11~ZJ15。
2.2 溶液的制备
2.2.1 对照品溶液的制备 精密称取白术内酯I对照品1.13 mg,置5 mL量瓶中,加甲醇制成226 μg/mL的溶液,即得;精密称取白术内酯II对照品2.40 mg,置25 mL量瓶中,加甲醇制成96 μg/mL的溶液,即得。取白术内酯I、II对照品溶液各500 μL,制成混合对照品溶液。
2.2.2 供试品溶液的制备 取白术饮片粉末(过四号筛)约2 g,称定后置50 mL锥形瓶中,加入甲醇35 mL,称定质量,超声处理30 min,放冷,再称定质量,用甲醇补足减失的质量,摇匀,0.22 μm微孔滤膜滤过,取续滤液,即得。
2.3 色谱条件
Waters Acquity UPLC BEH C18色谱柱(100 mm×2.1 mm,1.7 μm);流动相为0.05%磷酸水溶液-乙腈,梯度洗脱:0~4 min,5%~48%乙腈;4~15 min,48%~49%乙腈;15~28 min,49%~95%乙腈;28~30 min,95%~5%乙腈;柱温28 ℃;体积流量0.3 mL/min;进样量2 μL;全波长扫描200~400 nm,通过比对,选取240 nm。
2.4 精密度试验
取ZJ2白术药材粉末,按“2.2.2”项方法制备供试品溶液,按上述色谱条件重复进样6次,记录指纹图谱,以白术内酯I为参比峰,计算图谱中各共有峰的相对保留时间及相对峰面积。结果各特征峰相对保留时间的RSD为0.01%~0.88%,相对峰面积RSD为0.20%~3.08%,表明仪器精密度良好,符合指纹图谱的技术要求。
2.5 重复性试验
取ZJ2白术药材粉末6份,按“2.2.2”项方法平行制备供试品溶液6份,按上述色谱条件测定,记录色谱图,以白术内酯I色谱峰为参比峰,计算各主要色谱峰相对峰面积和相对保留时间。结果各特征峰相对保留时间的RSD为0.01%~0.66%,相对峰面积RSD为1.42%~4.73%,表明实验重复性良好,符合指纹图谱的技术要求。
2.6 稳定性试验
取ZJ2白术药材粉末,按“2.2.2”项方法制备供试品溶液,按上述色谱条件下分别于0、2、4、8、12、24 h进行测定,记录色谱图,以白术内酯I色谱峰为参照峰,计算各主要色谱峰相对峰面积和相对保留时间。结果在0~24 h内,各特征峰相对保留时间的RSD为0.01%~0.28%,相对峰面积RSD为0.89%~4.91%,表明供试品溶液在24 h内稳定。
2.7 白术、麸炒白术、土炒白术HPLC指纹图谱的建立
将45批白术及炮制品药材样品,按照“2.2.2”项下方法制备供试品溶液,并按照“2.3”项下的色谱条件进样,记录各样品溶液的色谱图。将45批白术及其炮制品指纹图谱数据导入国家药典委员会“中药色谱指纹图谱相似度软件评价系统(2012版)”,以中位数法,时间窗宽度为0.5 min,经多点校正后,分别生成生白术、麸炒白术、土炒白术的对照指纹图谱。
通过比对筛选确定生白术、麸炒白术土炒白术共有16个共有标志峰。经过色谱比对,指认出其中6号峰为白术内酯II,10号峰为白术内酯I,且峰6、10分离度均大于1.5。45批白术及炮制品指纹图谱叠加见图1,生白术、麸炒白术、土炒白术对照指纹图谱及白术内酯I、白术内酯II混合对照品溶液图谱见图2。
2.8 不同产地白术原药材分析
2.8.1 指纹图谱总量统计矩相似度法分析 总量统计矩相似度法计算3产地15批白术UPLC指纹图谱相似度,其相似度结果见表2。安徽白术与湖南白术相似度为0.774~0.982,安徽白术与浙江白术相似度为0.799~0.969,湖南白术与浙江白术相似度为0.788~0.886,结果表明,3产地之间的相似度明显较低,尤其是湖南与浙江的白术相似度没有高于0.89的样品。表明白术不同产地之间成分群含量差异明显。
图1 45批白术饮片UPLC指纹图谱
6-白术内酯II 10-白术内酯I
2.8.2 OPLS-DA 将15批3产地白术指纹图谱16个特征峰峰面积数据导入SMICA 13.0中进行OPLS-DA,根据白术UPLC指纹图谱16个特征峰峰面积得到得分图结果见图3。依据得分图,生白术饮片按照产地不同,依据本方法可以明显的区分为3类,即安徽、湖南、浙江。其中该模型的主成分回归系数2Y=0.894>0.5,说明模型的预测能力较强,表明样本间具有明显分离的趋势;2Y=0.971,说明自变量(共有峰)的变化能够解释导致97.1%不同分类(因变量)的发生,表明模型的拟合度较好。其分离程度明显也与相似度差异较大相佐证。16个特征峰在区别白术不同产地的贡献程度,按照变量重要性投影(variable importance for the projection,VIP)值>1为原则,得出1~3、5、6、10、12、15、16峰对区分样品作用较大,是区分不同产地间样品的关键峰。
表2 3产地15批白术指纹图谱总量统计矩相似度
图3 3产地白术OPLS-DA得分图和VIP图
2.9 不同白术炮制品分析
2.9.1 总量统计矩相似度法分析 总量统计矩方法计算45批白术及其炮制品的UPLC指纹图谱相似度,其总量统计矩参数结果见表3。总量零阶矩(AUCT),总量一阶矩(T)、总量二阶矩(T2)依据总量统计矩相似度法[11-15]计算,15批白术指纹图谱的总量统计矩相似度为0.800~0.998,15批麸炒白术相似度为0.847~0.995,15批土炒白术相似度为0.907~0.998。15批白术与麸炒白术的相似度为0.746~0.990,白术与土炒白术相似度为0.789~0.990,麸炒白术与土炒白术相似度为0.760~0.989,不同炮制品之间相似度下降,白术与各炮制品之间存在差异性。
2.9.2 不同炮制品指纹图谱分析 以白术、麸炒白术、土炒白术的对照指纹图谱为依据进行分析可知,麸炒白术、土炒白术与白术指纹图谱差异不大,但其中化学成分的含量发生明显的变化,其含量变化也是区分不同炮制品的关键方向。结果见图4。白术麸炒后,峰1、7有所增加,峰16含量有了明显的增加;峰3、6含量有明显的减少。白术土炒后、峰8、9含量有所增加,峰7、16有明显增加,其余峰含量与白术相近。通过图4可明显看出,峰7、15、16的相对峰面积,均为白术炮制后(麸炒、土炒)>炮制前(生品),且变化较为明显,峰5、6、12的相对峰面积均为白术炮制前(生品)>炮制后(麸炒、土炒),其中峰12减少较为明显,其余峰炮制前后峰面积相近。白术内酯I炮制前后含量并没有明显改变,表明其作为评价研究不同炮制品的属性差异作用较小。白术内酯II在土炒后含量变化较小,但麸炒之后白术内酯II的含量有明显的减少。
2.9.3 OPLS-DA 将白术炮制品指纹图谱16个特征峰峰面积数据导入SMICA 13.0中,按照3个产地分别进行OPLS-DA,根据白术炮制品UPLC指纹图谱16个特征峰峰面积得到OPLS-DA得分图结果见图5。根据OPLS-DA得分图,3个产地中的白术炮制品均可以明显的区分为3类,即白术、麸炒白术、土炒白术,表明白术炮制前后具有明显的差异性,该结果具有规律性,且与相似度分析佐证。16个特征峰在区别白术炮制前后的贡献程度,按照VIP>1为原则,综合3个产地的结果得出1~3、6、16峰对区分样品作用大,是区分样品的关键色谱峰,其中峰6即为白术内酯II。
表3 45批白术、麸炒白术、土炒白术总量统计矩参数
图4 白术炮制前后共有峰峰面积及白术内酯I、白术内酯II含量变化
结合“2.8.2”项中区分不同产地的关键峰,得出1~3、6、16峰既是区分不同炮制品,又是区分不同产地的关键峰。
图5 3产地白术3种炮制品指纹图谱OPLS-DA图和VIP图
3 讨论
在白术饮片指纹图谱探索中,流动相共研究了水-甲醇、水-乙腈、0.05%磷酸水溶液-乙腈,发现0.05%磷酸水溶液-乙腈按照洗脱程序洗脱时,色谱峰分离度较好,出峰稳定,峰形较好,故流动相选用0.05%磷酸水溶液-乙腈;柱温考察了28、30、35 ℃,发现柱温为28 ℃时,色谱峰分离度较好,出峰时间适中,故柱温选择了28 ℃。体积流量考察了0.1、0.2、0.3、0.4 mL/min,发现体积流量为0.3 mL/min时,出峰时间适中,色谱峰分离度较好,且考虑到时间成本等关系,故体积流量选择了0.3 mL/min。
本研究采用UPLC技术,建立了白术、麸炒白术、土炒白术的指纹图谱,研究辨析不同产地、不同炮制品的中药指纹图谱的形状特点,标定出16个指纹图谱特征峰,指认出白术内酯I、白术内酯II2个色谱峰,并基于本团队总量统计矩相似度计算相似度,结合OPLS-DA法发现不同炮制方法、不同产地的白术饮片及其炮制品均具有明显差异性,且不同产地的白术饮片相似度更低,分离趋势更为明显。表明相比较于炮制方法因素,产地因素对于白术饮片质量的影响更明显。盲法选取不同产地或炮制方法的白术样品,按照本研究所建立的方法进行实验验证,即依次采用液相指纹图谱的总量统计矩相似度法、OPLS-DA法统计分析,白术样品分别落在了OPLS-DA图所对应的不同产地或不同炮制方法区域内,表明可以快速精准地识别所不同产地和炮制法的白术。值得一提的是,需要进一步药效学实验研究才能探究本实验确定的5个质量标志物与白术的功效,如提高机体抗炎和抗癌效果等的内在关联性。
本研究所建立的方法能够明显的按照不同产地、不同炮制方法将白术样品进行分类,在现有缺乏快速精准识别药材产地、炮制品方法的情况下,该法为进行产地、炮制的精准识别及其质量控制与评价提供一个新的理论与实验的思路。本研究寻找到白术内这5种成分可作为后续的质量属性研究、质量评价与控制的关键性物质Q-Marker。本研究应用了肖小河教授团队的大质量观理念[23],结果表明整体辨析中药指纹图谱的形状特点,能精准辨析白术的不同产地与炮制品,助力了中药质量研究新进程。后续可利用UPLC-MS、药效学、药物代谢动力学等进一步探究本方法所筛选出的5个白术质量标志物的化学成分、药理作用、性味归经等相关内容,并可以此中药为基础,针对不同产地、炮制方法建立一整套质量控制评价体系模板。
利益冲突 所有作者均声明不存在利益冲突
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Study on fingerprint shape characteristics and quality markers of
TAN Xiao-juan1, 2, 4, LI Shi-xiong1, 4, LI Ying-yu1, 4, ZHAO Jing1, 4, LI Yuan-hua1, 4, LIU Rui-lian3, LIU Wen-long1, 4, ZHANG Xi-li1, 4
1. College of Pharmacy, Hunan University of Chinese Medicine, Changsha 410208, China 2. Liuyang Hospital of Chinese Medicine, Liuyang 410300, China 3. Hunan Academy of Chinese Medicine, Changsha 410208, China 4. Hunan Key Laboratory of Drug Gability and Preparation Modification of TCM, Changsha 410208, China
To establish a rapid and accurate identification method for different processed products and producing areas based on the fingerprint shape characteristics of Baizhu [(AMR)].A UPLC fingerprint database of 45 batches of AMR from different producing areas and processing methods was established. The shape characteristics of the fingerprint were analyzed by presidential statistical moment similarity method and orthogonal partial least squares-discriminant analysis (OPLS-DA) method, and the characteristic fingerprint and characteristic peaks were captured.There were 16 common peaks in UPLC fingerprints of AMR, bran-processed AMR, soil-processed AMR; The presidential moment similarity between Anhui and Hunan, Anhui and Zhejiang, Hunan and Zhejiang were 0.774—0.982, 0.799—0.969 and 0.788—0.886, respectively. The maximum and minimum of the presidential moment similarity of crude products and bran-processed, crude products and soil-processed, bran-processed and soil-processed AMR from the three areas were 0.990 and 0.774, respectively. Combined with VIP analysis (variable importance for the projection) by OPLS-DA method, 1—3, 6, 16 peaks were the five marker peaks with the largest contribution to discrimination. Peak 6 was identified as atractylenolide II.The corresponding substances of these five marker peaks can be identified as the potential quality markers of AMR, which provides theoretical and experimental basis for accurate identification areas, processing method, quality control and evaluation of AMR, and mades active exploration on the quality of TCM fingerprint.
; fingerprint; quality by distinguishing shape; presidential moment similarity; OPLS-DA; quality markers; processing drugs; quality control
R283.6
A
0253 - 2670(2021)16 - 4844 - 08
10.7501/j.issn.0253-2670.2021.16.009
2021-04-08
国家自然科学基金资助项目(81874344);湖南省自然科学基金资助项目(2019JJ40220);湖南省自然科学基金资助项目(2021JJ30514);湖南省中管局项目(2021204);湖南省中管局项目(2021073);湖南省教育厅项目(19A366);湖南省教育厅项目(19A382);湖南省教育厅项目(19C1435);长沙市科技计划项目(kq1907136);湖南省一流学科开放基金项目(2018YX11)
谭小娟,女,硕士研究生,从事中药质量研究。Tel: 18711012368 E-mail: 18711012368@163.com
刘文龙,教授,博导,从事中药质量与药剂学等研究工作。Tel: 13974821547 E-mail: dragon5240@126.com
张喜利,女,副教授,从事中药成药性研究。Tel: 18229764227 E-mail: xiaoli610@126.com
#并列第一作者:李世雄,男,硕士研究生,从事中药质量研究。Tel: 15339772189 E-mail: 576555387@qq.com
[责任编辑 郑礼胜]