基于投影寻踪模型的不同产地锁阳药材多指标综合质量评价

郭 燕，顾志荣，祁 梅，吕 鑫，张 锐，许爱霞，葛 斌*

（1.甘肃中医药大学药学院，甘肃兰州730000；2.甘肃省人民医院，甘肃兰州730000）

锁阳为锁阳科植物锁阳［Cynomorium songaricumRupr.］的干燥肉质茎［1］，别名黄骨狼、锈铁棒、不老药［2］，其性甘、温，具有补肾阳、益精血、润肠通便的功效，用于肾阳不足、精血亏虚、腰膝痿软、阳痿滑精、润燥便秘等［3］。锁阳主要分布在新疆、宁夏、青海、甘肃、内蒙古等干旱地区［4］，因其富含多种生物活性物质，具有增强机体免疫力［5］、防癌抗癌［6］、抗氧化［7］、抗疲劳［8］、改善肾功能［9］等多种药理作用，故有“沙漠人参”之称；同时，锁阳中含有丰富的氨基酸，是人体必需的营养成分，与微量元素共同调节人体机能。受到气候、水量、阳光、土壤中有机物含量等多种环境因素的影响，不同产地锁阳的化学成分差异较大，所以在对锁阳进行质量评价时选用多个指标，这也是近年来评价中药材质量的一个趋势；这样既可以有效地避免单因素评价药材质量造成的片面性、局限性以及不相容性，也可以充分利用有用信息，使研究结果更加科学、准确［10］。

投影寻踪模型是一种将高维数据投影到低维空间的方法，其目的是要找到高维数据的结构投影，对其进行分析和处理，以达到研究和分析高维数据的目的［11］。它能有效排除与数据结构特征及特征关系很小的变量间干扰，满足高维非正态数据分析的需要［12］，通过多因素评价为其优选提供参考依据。其在环境、水利、农业、建筑方面的应用十分广泛，但在中药领域的应用相对较少，仅在当归［13］、板蓝根［10］、雷公藤［14］的药材质量评价中得到了应用。故为研究不同产地锁阳的质量差异，优选出质量较好的锁阳，本研究基于投影寻踪模型，综合评价锁阳药材的质量，为锁阳药材质量的评价提供一种新方法，为其临床用药提供参考依据。

1 投影寻踪原理及其建模方法

1.1 投影寻踪模型的原理

投影寻踪是处理和分析高维数据的一类统计方法，其基本思想是将高维数据通过某种组合，投影到低维子空间上，并通过极小化某个投影指标，寻找出反映原高维数据结构或特征的投影，在低维空间上对数据结构进行分析，以达到研究和分析高维数据的目的［15］。这样不仅能在一定程度上解决数据的高维及非线性问题，还能充分挖掘数据本身的特征，以便于全面评价锁阳的质量。

1.2 投影寻踪建模方法［13］

1.2.1 建立评价矩阵

设第i个样本的第j个指标为xij（i=1，2，……，e；j=1，2，…，f），e为样本集的样本数量，f为指标集的指标个数，所有的的指标数据均可用矩阵X*ef来表示。

1.2.2 样本指标数据预处理

由于各指标的量纲和数值范围相差较大，因此在建模前用下式对数据进行无量纲化处理；对于正向类指标（越大越好）和逆向类指标（越小越好），分别采用公式（2）和（3）进行处理：

式中：x*jmax和x*jmin为第j个指标值的最大值和最小值，x（i，j）为规范化后的值；由此得到无量纲化的e×f的标准化评价矩阵X：

1.2.3 线性投影

投影寻踪方法的实质就是把t维数据｛x（i，j）｝（i=1，2，……，e；j=1，2，……，f）综合成以a=｛a1，a2，a3，…，af｝为投影方向的一维投影值Zi。

式中：a为单位长度向量，Zi为样本i的综合线性投影特征值。

1.2.4 投影目标函数的构建

找到反映高维数据特征结构的最佳投影方向a是确定特征值Zi的核心，投影值的分布特征应尽可能满足下列要求：局部投影点应尽可能密集，最好凝聚成若干点团；整体投影点团之间应尽可能散开，即应使t维数据在1维空间散布的类间距离S（z）和类内密度D（z）同时取得最大值，由此将投影目标函数表示为类间距离和类内密度的乘积，即

式中：Q（a）为投影指标函数；S（z）为综合投影值Zi的标准差；D（z）为综合投影值Zi的局部密度；Ez为综合投影值Zi的平均值；R为局部密度窗口半径，其取值要求使包含在窗口内的投影点的平均个数不能太少，以避免滑动平均偏差太大，又不能使它随着样本容量m的增大而增加太高，一般选取R＝0.1；rij＝Zi－Zj，为样本之间的距离；ut为单位阶跃函数，当t＜0时其值为0，反之其值为1。

1.2.5 确定最佳投影指标函数，优化投影方向

最佳投影方向的实质是从不同角度去观察分析数据，投影方向不同得到的值所代表的数据结构特征是不一样的，而最佳投影方向意味着能够最大程度的暴露高维数据特征的方向矢量。由公式（5）可知，最佳投影方向使其所得值达到最大，因此，最佳投影方向的确定实质是投影指标函数Q（a）取得最大值所对应的投影方向。其中最大化目标函数、约束条件分别见公式（9）和（10）：

1.2.6 综合分析

采用DPS V 7.50 得到最佳投影方向，计算反映各评价指标综合信息的投影特征值Zi，以Zi的大小对样本进行评价，最终得到各样本质量排序，分析不同产地锁阳的质量优劣。

2 实例分析

2.1 样本集信息

60 批锁阳样本采集自甘肃、内蒙古、宁夏、新疆、青海等5 个省（区）的12 个市（区/州/旗），分别为张掖、酒泉、敦煌、武威、阿拉善左旗、阿拉善右旗、石嘴山、喀什、阿勒泰、和田、海南、海西，均经甘肃中医药大学中药鉴定教研室李硕副教授鉴定为锁阳的干燥肉质茎。将样品晒干，粉碎后过筛（80目），冷藏备用。样本信息见表1。

表1 60批不同产地锁阳样本信息Tab.1 Information of 60 batches of C.songaricum samples from different producing areas

2.2 评价指标体系的构建

本研究从有效成分、氨基酸与无机元素3 个方面全面建立锁阳药材质量评价的指标体系。有效成分选择已经研究证实的没食子酸、原儿茶酸及儿茶素；再结合氨基酸、微量元素含量对来自5 个省（区）12个市（区/州/旗）所采集的60批锁阳进行质量评价。

2.3 指标集数据的获取

采用高效液相色谱法测定锁阳样本中没食子酸（x1）、原儿茶酸（x2）、儿茶素（x3）的含量（x±s，mg/g）；采用微波消解电感耦合等离子体质谱法（ICPMS）测定锁阳样本Na（x4）、K（x5）、Ca（x6）、Mg（x7）、Fe（x8）、Zn（x9）、Mn（x10）、Co（x11）、Sr（x12）、Ni（x13）、Ag（x14）、Ba（x15）、Ti（x16）、Cu（x17）、Pb（x18）、Cr（x19）、Cd（x20）、As（x21）、Hg（x22）等19 种无机元素含量（x±s，μg/g）；用HPLC 法同时测定锁阳样本门冬氨酸（x23）、谷氨酸（x24）、丝氨酸（x25）、甘氨酸（x26）、组氨酸（x27）、精氨酸（x28）、苏氨酸（x29）、丙氨酸（x30）、脯氨酸（x31）、酪氨酸（x32）、缬氨酸（x33）、蛋氨酸（x34）、胱氨酸（x35）、异亮氨酸（x36）、亮氨酸（x37）、苯丙氨酸（x38）、赖氨酸（x39）等17 种氨基酸含量（x±s，mg/g）。以上述39项指标构成锁阳综合质量评价的指标集，见表2。

表2 锁阳综合质量评价指标集数据Tab.2 Comprehensive quality evaluation index set data of C.songaricum

样本 甘肃ZY JQ1 JQ2 DH WW内蒙古AZ AY x11 x12 x13 x14 x15 x16 x17 x18 x19 x20 x21 x22 x23 x24 x25 x26 x27 x28 x29 x30 x31 x32 x33 x34 x35 x36 x37 x38 x39 2.037 5±0.943 9 15.091 8±3.419 5 1.476 0±0.350 0 0.410 5±0.286 7 1.721 5±0.542 5 7.341 5±2.007 2 11.485 8±9.931 4 2.181 0±0.786 0 0.602 8±0.464 9 0.201 0±0.057 0 0.476 5±0.224 0 0.006 0±0.003 2 8.810 8±1.212 8 0.867 8±0.407 2 0.600 1±0.213 4 0.365 7±0.275 1 0.442 3±0.257 9 0.974 1±0.321 6—4.160 4±3.427 7 0.596 8 0.293 0±0.063 8 0.434 5 0.154 2±0.018 8 0.051 3±0.018 6 0.099 1 0.056 8±0.036 8 0.010 2±0.006 6 0.093 0±0.014 6 8.379 0±9.743 1 7.333 2±4.816 4 2.229 0±1.842 6 0.497 2±0.282 5 1.860 4±0.760 1 7.954 2±4.105 9 10.911 4±8.629 8 2.251 0±1.774 1 0.502 2±0.342 8 0.349 3±0.501 6 0.669 2±0.339 9 0.005 3±0.003 8 9.830 7±6.856 9 1.109 5±0.965 3 0.718 5±0.329 3 0.280 8±0.158 8 0.526 5±0.391 4 0.523 9±0.498 4 1.396 1±0.411 0 3.880 1±3.909 2 0.991 7±0.022 7 0.304 4±0.071 3 0.114 5±0.005 2—0.045 8±0.037 4 0.145 4±0.011 2—0.033 6±0.026 4 0.077 4±0.018 8 3.460 2±3.217 7 11.063 4±3.139 5 1.544 4±1.012 2 0.524 6±0.405 8 2.233 6±0.352 2 7.900 8±1.645 3 6.727 6±6.270 9 2.150 6±1.098 0 0.777 8±0.693 6 0.089 0±0.036 3 0.453 0±0.083 5 0.003 0±0.002 6 10.989 4±1.742 4 1.825 3±0.577 7 0.833 9±0.179 3 0.351 0±0.198 1 0.782 2 0.942 4±0.355 0 1.226 0±0.140 5 1.501 0±0.481 4 0.920 1±0.003 9 0.406 4±0.162 9 1.130 0 0.175 0 0.067 1±0.031 1 0.179 3±0.027 3 0.093 0±0.004 6 0.097 3±0.013 6 0.116 5±0.051 2 1.927 4±1.624 7 14.283 0±5.094 7 2.197 5±0.861 0 0.703 6±0.233 4 2.248 8±0.502 9 6.234 0±1.297 7 6.118 8±3.243 2 2.178 4±0.134 5 0.709 0±0.332 2 0.087 2±0.105 4 0.621 0±0.255 6 0.006 4±0.003 4 10.182 7±1.582 6 1.0383±0.082 6 1.428 6±0.733 0 0.278 2±0.161 3 3.851 9±4.648 2 0.806 2±0.462 4 1.054 9±0.110 7 1.676 3±1.028 5 2.086 6 0.728 8±0.186 3 1.033 6±0.072 0 0.190 3±0.006 4 0.059 3±0.034 9 0.176 6 0.067 5±0.010 2 0.062 9±0.021 1 0.080 6±0.011 1 1.525 0±1.779 1 12.664 8±0.926 6 1.568 0±0.848 9 0.156 5±0.260 7 1.980 3±0.610 0 6.101 3±2.252 9 4.556 8±2.591 6 1.790 0±0.389 7 0.720 3±0.121 8 0.0565 ±0.064 3 0.5755±0.132 7 0.007 7±0.005 7 9.197 3±0.811 1 1.051 4±0.083 0 0.492 4±0.218 5 0.233 7±0.141 6 0.757 8±0.971 1 0.887 6±0.093 8 1.013 6±0.082 7 1.318 1±0.780 3 0.757 5 0.610 8±0.360 6 1.016 5±0.006 2—0.033 6 0.165 8±0.012 7— —0.087 7±0.014 0 3.054 2±2.910 0 10.536 8±3.252 2 1.327 8±0.437 6 0.472 6±0.279 1 2.595 8±1.144 8 4.338 8±1.720 3 4.410 6±1.353 6 1.537 0±1.061 2 1.271 4±0.635 4 0.474 5±0.365 9 0.511 0±0.355 1 0.009 3±0.011 0 11.625 5±3.422 0 1.399 9±0.700 8 1.353 4±1.438 7 0.370 5±0.165 1 1.159 9±0.881 0 0.547 6±0.505 4 0.918 1±0.201 7 1.310 5±0.976 8 4 607.000 0 0.557 8±0.341 9 0.815 6±0.434 5 1.086 2 0.032 9 0.156 0±0.035 5 0.117 3 0.055 6±0.029 8 0.100 3±0.056 3 8.099 0±13.075 1 11.058 6±4.076 7 2.025 4±0.976 4 0.600 5±0.340 0 2.095 8±0.808 8 6.162 0±1.825 8 14.571 2±8.108 8 2.321 4±0.754 8 0.683 0±0.472 5 0.163 7±0.142 0 0.321 5±0.125 8 0.006 5±0.006 4 11.162 6±2.554 3 1.069 2±0.319 7 0.875 1±0.369 6 0.425 9±0.159 7 0.843 8±0.837 2 0.890 5±0.104 9 1.148 5±0.151 8 1.544 5±0.459 3 0.988 9 0.381 5±0.082 8 0.635 1±0.222 6 0.162 0±0.014 5 0.033 3±0.025 5 0.144 6±0.064 5 0.084 6 0.078 8±0.002 5 0.075 2±0.022 1 x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8 x9 x10 x11 x12 x13 0.681 0±0.323 5 0.083 3±0.022 6 0.461 9±0.241 6 10 043.714 6±1 671.124 0 13 441.793 0±1 273.586 3 565.239 0±105.608 3 816.718 2±280.546 5 574.929 4±316.564 6 26.425 8±4.513 7 18.194 2±7.787 3 3.193 0±2.790 0 11.574 8±2.308 6 0.885 6±0.491 3 1.165 7±1.142 9 0.221 2±0.120 0 0.229 9±0.067 9 9 877.1935 ±1 712.204 7 9 747.202 5±5 930.785 2 860.135 0±215.969 3 1 192.223 5±422.151 4 305.212 0±53.860 2 11.499 5±3.340 4 9.058 0±1.219 9 2.341 5±3.403 4 8.224 3±2.526 3 2.198 8±1.505 5 0.992 7±0.131 8 0.132 4±0.049 3 0.223 2±0.059 9 9 667.234 4±1 141.773 9 12 292.919 4±2 026.494 1 702.734 2±134.447 0 763.900 8±219.669 7 288.568 8±91.755 3 35.136 2±24.442 6 11.265 4±2.726 3 2.037 4±1.711 5 12.032 0±6.451 5 2.379 2±1.420 9 1.045 3±1.116 1 0.198 4±0.097 9 0.243 5±0.137 5 9 316.819 5±831.700 4 11 791.5 830±1 451.110 5 460.431 0±289.407 0 695.925 5±113.915 0 412.581 3±135.751 4 21.734 0±5.190 0 13.483 8±5.591 6 7.360 8±6.720 4 10.381 5±1.692 7 1.062 5±0.4522 0.477 8±0.137 2 0.121 5±0.044 0 0.136 0±0.069 0 9 365.521 5±509.080 9 11 658.370 5±2 382.630 3 493.834 3±283.277 6 1 041.321 5±270.396 5 345.147 0±142.362 2 13.319 5±2.916 9 10.287 3±3.854 0 5.083 5±6.561 2 10.366 5±4.214 7 1.099 0±0.151 2 1.151 8±0.684 0 0.057 2±0.015 0 0.321 0±0.148 0 9 928.060 4±906.111 5 11 805.904 4±3 245.368 2 456.455 4±264.372 3 530.170 0±339.936 8 684.660 2±272.524 5 27.314 8±7.000 4 11.779 8±2.659 2 3.194 0±4.195 5 10.589 0±3.335 6 2.344 5±0.884 2样本 宁夏NX新疆KS AL HT青海HN HX

注：“—”表示未检出。

2.4 投影寻踪模型的建立与分析

2.4.1 投影寻踪模型建立的方法

将锁阳质量评价的指标集数据（表2）导入DPS V 7.0.5 数学软件中，选择“数据规格化”进行无量纲化处理，选中无量纲化指标集数据，然后选择“投影寻踪综合评价法”功能，设定局部密度控制参数α为0.01。α的窗口半径R的取值要能够使窗口内投影点的平均个数达到一定数量，为避免滑动平均偏差太大，不能使密度阈值随着指标数量的增加而增大太多，一般取0.1、0.01、0.001［16］。

2.4.2 最佳投影方向分量值的确定

按“2.4.1”项运行后得出39 项评价指标的最佳投影方向分量值为a*=（1.842 7、1.467 3、1.232 3、1.053 3、0.936 9、0.837 0、0.729 4、0.665 5、0.550 9、0.485 8、0.436 2、0.368 1、0.356 4、0.314 2、0.287 9、0.257 0、0.227 2、0.210 4、0.185 3、0.168 0、0.148 3、0.135 1、0.124 3、0.115 9、0.098 7、0.094 7、0.084 7、0.073 6、0.073 9、0.070 2、0.058 0、0.053 1、0.051 4、0.045 2、0.044 9、0.041 6、0.035 2、0.033 6、0.033 9）；最佳投影方向分量值代表了相应各指标的权重，实际反映出各评价指标对锁阳药材质量的贡献程度。39 项评价指标对锁阳药材质量的贡献程度由大到小排序为：没食子酸＞原儿茶酸＞儿茶素＞Na＞K＞Ca＞Mg＞Fe＞Zn＞Mn＞Co＞Sr＞Ni＞Ag＞Ba＞Ti＞Cu＞Pb＞Cr＞Cd＞As＞Hg＞门冬氨酸＞谷氨酸＞丝氨酸＞甘氨酸＞组氨酸＞苏氨酸＞精氨酸＞丙氨酸＞脯氨酸＞酪氨酸＞缬氨酸＞蛋氨酸＞胱氨酸＞异亮氨酸＞亮氨酸＞赖氨酸＞苯丙氨酸。根据公式（5）计算得到各样本的投影值，结果见表3。其中，样本投影值越大，表示该样本综合质量越好；各产地锁阳样本的平均投影值见图1。由表3及图1可知，排名在前20名内的样本甘肃产有9批，其中张掖市产有2批，酒泉市瓜州县、金塔县分别产有1批、3批，敦煌市产有3批；内蒙古产有6批；新疆产有4 批；青海产有1 批；分别占各自产地样本总数的37.5%、60%、30.77%、11.11%。经计算，甘肃、内蒙古、宁夏、新疆、青海5 个省（区）的平均投影值分别为4.50、5.02、4.30、4.16、3.89，二者均表明内蒙古地区、甘肃省酒泉市金塔县、甘肃省敦煌市的锁阳药材排名靠前，质量较好。

表3 样本投影值及排名Tab.3 The sample of projection value and ranking

图1 各产地锁阳样本的平均投影值Fig.1 Average projection values of C.songaricum samples from different producing areas

3 讨论

中药质量是保证临床用药安全性与有效性的基础，中药质量评价经历感官、理化、生物评价等发展过程，目前已形成传统经验、多指标成分、指纹图谱及谱效关系等多种评价模式［17］；但仅凭经验鉴别或是单纯用化学分析方法检测指标成分的含量，都不能反映中药整体药效，具有主观性强、稳定性差、层次单一的缺点。投影寻踪模型是一种处理多因素复杂问题的统计方法，其基本思路是将高维数据向低维空间进行投影，通过低维投影数据的散布结构来研究高维数据特征，最佳投影方向实际上反映了各指标对锁阳质量的影响程度，使结果较常规方法更合理、精确［18］；即依据数据本身寻找最优方向，获取最优投影特征值，实现客观赋权，减少人为因素干扰［19］，从而准确筛选出优质锁阳。该模型能够客观、多层次、多角度地评价药材质量，适用于化学成分复杂的中药材质量评价，评价指标不统一的问题得到了解决，已在当归、板蓝根等药材质量评价中得到了较好的运用。

各指标对锁阳药材质量的贡献程度为：没食子酸＞原儿茶酸＞儿茶素＞Na＞K＞Ca＞Mg＞Fe＞Zn＞Mn＞Co＞Sr＞Ni＞Ag＞Ba＞Ti＞Cu＞Pb＞Cr＞Cd＞As＞Hg＞门冬氨酸＞谷氨酸＞丝氨酸＞甘氨酸＞组氨酸＞苏氨酸＞精氨酸＞丙氨酸＞脯氨酸＞酪氨酸＞缬氨酸＞蛋氨酸＞胱氨酸＞异亮氨酸＞亮氨酸＞赖氨酸＞苯丙氨酸。没食子酸、原儿茶酸、儿茶素为锁阳的主要有效成分，是评价锁阳质量的关键性指标；其中，儿茶素属于黄酮类成分，具有抗菌、抗病毒、抗氧化、抗癌、抑制糖尿病血管并发症等作用［20］；没食子酸、原儿茶酸均属有机酸类，抗氧化、抗炎的作用尤为显著［21］。氨基酸是蛋白质的基本组成单元和人体必需营养成分，关联和影响着锁阳药材的生理活性，人体必需的8 种氨基酸中，锁阳含有6 种。同时，锁阳中富含Fe、Cu、Zn、Mn、Ni、Co、Mo 等7 种WHO 公布的人体必需微量元素［22］，顾志荣［23］等研究发现Ca、Mn、Ni、Cu、Zn、Co 等是锁阳的特征性元素，与补肾助阳、抗氧化、抗衰老、提高免疫等生物作用密切相关；K 在机体中分布广泛，与细胞外液的Na 共同维持体内酸碱平衡、正常的渗透压及水分；Mg 可以促进心肌代谢，抗心律失常作用显著；Fe 是人体造血所必需的主要微量元素，参与氧的运输和造血过程；Sr可以促进成骨细胞的生成、兴奋肌肉神经并刺激人体骨骼生长［24］，在骨生成中发挥着重要作用，与中医所讲的“肾藏精主骨”相呼应；而Pb、Hg、As、Ti、Cd 均为重金属及有害元素，与临床用药安全密切相关。锁阳含有如此多的生物活性物质，为其丰富的药理作用奠定了物质基础。

甘肃、内蒙古、宁夏、新疆、青海五个省（区）气候类型多样，海拔高度差异较大，在温度、湿度、降雨量、微生物、地形、日照时间等多个影响因素的作用下，不同产地的锁阳呈现出质量差异。顾志荣等［25］基于傅里叶变换红外光谱及化学计量学方法实现不同产地锁阳药材的分类鉴别，均体现了不同产地锁阳明显的地域聚集性特点。根据投影寻踪模型数据分析结果可以看出内蒙古地区的锁阳质量较好，其次为甘肃、宁夏、新疆、青海；这与其喜干旱少雨、耐旱的生长习性密切相关，与道地药材的认知经验相符。本研究从有效成分、氨基酸和无机元素含量三个方面对锁阳药材进行质量评价，这对于锁阳综合质量评价和道地性考察等工作具有非常重要的意义。