偏最小二乘回歸分析應(yīng)用于中藥譜效關(guān)系的研究進(jìn)展

肖瑞瑤，滕攀攀，胡超，楊齡，張亮，廖大敏

開發(fā)與應(yīng)用

偏最小二乘回歸分析應(yīng)用于中藥譜效關(guān)系的研究進(jìn)展

肖瑞瑤1，滕攀攀2，胡超1，楊齡1，張亮1，廖大敏1

（1. 銅仁職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 銅仁 554300； 2. 銅仁市人民醫(yī)院，貴州 銅仁 554300）

譜效關(guān)系是近些年應(yīng)用于中藥活性成分篩選和質(zhì)量控制評(píng)價(jià)的一種新型、有效的方法。而偏最小二乘回歸分析法是譜效關(guān)系分析中常用、可靠的數(shù)據(jù)處理法。目前已有大量文獻(xiàn)報(bào)道偏最小二乘回歸分析應(yīng)用于各種中藥的譜效關(guān)系研究。綜述了偏最小二乘回歸分析應(yīng)用于各種中藥指紋圖譜和其他數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法聯(lián)用的譜效關(guān)系研究。它們對(duì)于譜效關(guān)系的深層次研究具有十分重要的意義。

譜效關(guān)系； 指紋圖譜；偏最小二乘回歸分析

自從引進(jìn)指紋圖譜，很多國家使用它來進(jìn)行中草藥的鑒定和質(zhì)量評(píng)價(jià)。然而，單獨(dú)使用指紋圖譜分析不能表征中草藥發(fā)揮藥效作用的活性成分，故指紋圖譜不適合中草藥整體內(nèi)在質(zhì)量和藥效學(xué)評(píng)價(jià)。因此，為了實(shí)現(xiàn)全面而合理的中藥質(zhì)量評(píng)價(jià)系統(tǒng)，2002年李戎等系統(tǒng)地提出中藥譜效學(xué)（即譜效關(guān)系學(xué)）[1]。即通過將中藥指紋圖譜信息與藥效信息相結(jié)合，繼而采用合適的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，篩選出與藥效關(guān)系密切的特征峰，為闡明中藥發(fā)揮藥效的物質(zhì)基礎(chǔ)提供新的思路。其中數(shù)據(jù)處理技術(shù)是中藥譜效學(xué)結(jié)果可靠性的關(guān)鍵因素。

偏最小二乘回歸分析（partial least squares, PLS）是一種融合了多因變量對(duì)自變量的回歸建模以及主成分分析在內(nèi)的多元統(tǒng)計(jì)分析方法[2]。因其具有獨(dú)到之處，已滲透到社會(huì)和自然科學(xué)各個(gè)領(lǐng)域，如農(nóng)業(yè)、政法、環(huán)保、地質(zhì)、氣象、藥學(xué)等等。近年來，PLS已廣泛應(yīng)用于中藥譜效關(guān)系的研究，為中藥譜效關(guān)系提供堅(jiān)實(shí)可靠的數(shù)據(jù)分析方法，推動(dòng)了中藥譜效學(xué)的發(fā)展。因此，本文將PLS在幾種指紋圖譜和聯(lián)用其他數(shù)據(jù)處理方法在中藥譜效關(guān)系學(xué)的應(yīng)用的現(xiàn)狀進(jìn)行綜述。

1 PLS應(yīng)用于各種指紋圖譜的譜效關(guān)系研究

中藥譜效關(guān)系學(xué)主要包括三部分的內(nèi)容，即指紋圖譜、藥效學(xué)和數(shù)據(jù)分析技術(shù)。其中數(shù)據(jù)分析技術(shù)是譜效關(guān)系研究的重要組成部分，是建立“譜-效”數(shù)學(xué)模型的工具和方法，選擇合理的數(shù)據(jù)分析技術(shù)有利于闡明中藥作用的整體性與機(jī)制。目前，應(yīng)用于譜效關(guān)系分析的數(shù)據(jù)處理技術(shù)主要有典型相關(guān)分析、灰色關(guān)聯(lián)度分析、偏最小二乘回歸分析、聚類分析和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析等[3 ]。與其他分析方法比較，偏最小二乘回歸分析具有計(jì)算量小，預(yù)測(cè)精度高，無須剔除樣本點(diǎn)、易于定性解釋等特點(diǎn)，已普遍應(yīng)用于中藥譜效學(xué)的研究[4 ]。近年來，PLS已廣泛應(yīng)用于各種指紋圖譜與不同藥效模型的“譜-效”建立。

1.1 PLS應(yīng)用于HPLC指紋圖譜

高效液相色譜法具有分離效能高、檢測(cè)靈敏度高、分析速度快、選擇性高、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)，故大多數(shù)中藥成分均可在 HPLC 儀上進(jìn)行檢測(cè)分析[5]。姜紅等[6]采用HPLC分析建立三果湯的指紋圖譜，測(cè)定三果湯的抗氧化活性，應(yīng)用PLS對(duì)數(shù)據(jù)分析，結(jié)果說明有12個(gè)色譜峰為重要的活性成分。崔方等[7]通過HPLC建立紅芪的指紋圖譜，測(cè)定紅芪提高免疫功能活性，并采用PLS分析研究圖譜中的色譜峰與其提高免疫功能活性的譜效相關(guān)性。結(jié)果表明，有8個(gè)峰所對(duì)應(yīng)的化學(xué)成分對(duì)紅芪提供免疫功能活性表現(xiàn)為正相關(guān)。而常用于表征紅芪質(zhì)量的指標(biāo)化合物對(duì)紅芪提供免疫功能活性表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)。吳霞等[8]利用HPLC建立各產(chǎn)地雷公藤提取物的指紋圖譜，采用PLS進(jìn)行分析，最后發(fā)現(xiàn)主要的活性成分以及貢獻(xiàn)大小。

1.2 PLS應(yīng)用于UPLC-MS指紋圖譜

色譜與質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)的出現(xiàn)，解決了鑒定未知化合物的難題，因此廣泛應(yīng)用于中藥指紋圖譜的研究中[9]。王晴等[10]利用UPLC-MS技術(shù)建立玄參不同部位的指紋圖譜并鑒定主要化學(xué)峰，而后運(yùn)用PLS建立玄參指紋圖譜和抗內(nèi)毒素性急性肺損傷的譜效關(guān)系，結(jié)果顯示3個(gè)化學(xué)成分貢獻(xiàn)最大。姚元貴等[11]采用超高壓液相色譜-飛行時(shí)間質(zhì)譜儀建立頭花蓼的指紋圖譜，96孔板法測(cè)定抑菌效果。利用PLS分析不同極性部位頭花蓼指紋圖譜與抑菌的譜效關(guān)系，結(jié)果表明4個(gè)化學(xué)成分為主要抑菌活性成分。王金梅等[12]采用HPLC-Q-Exactive四極桿-靜電場軌道阱高分辨質(zhì)譜聯(lián)用建立白芷的指紋圖譜，并鑒定白芷特征色譜的化學(xué)成分。PLS建立白芷的指紋圖譜與調(diào)控酪氨酸酶活性的譜效關(guān)系，結(jié)果表明9個(gè)化合物與白芷對(duì)酪氨酸酶活性抑制作用呈正相關(guān)，6個(gè)化合物則呈負(fù)相關(guān)。

1.3 PLS應(yīng)用于GC-MS指紋圖譜

GC-MS具有高靈敏度、分離度高、分析速度快等優(yōu)點(diǎn)，常用于表征和鑒定揮發(fā)性化合物[13]。張壯麗等[14]通過GC-MS技術(shù)建立不同產(chǎn)地魚腥草揮發(fā)油的指紋圖譜，鑒定了主要的化學(xué)成分。運(yùn)用PLS建立不同產(chǎn)地魚腥草揮發(fā)油GC-MS指紋圖譜與抗腫瘤作用之間的譜效關(guān)系，結(jié)果表明7個(gè)化學(xué)成分與藥理作用呈正相關(guān)。

2 PLS與其他方法聯(lián)合應(yīng)用于中藥譜效關(guān)系

用于中藥譜效關(guān)系的數(shù)據(jù)處理分析方法很多，每一種方法都具有其優(yōu)缺點(diǎn)、適應(yīng)性。在實(shí)際的分析中，為了便于準(zhǔn)確合理對(duì)藥效關(guān)系評(píng)估，通常采用兩種以上的方法聯(lián)合應(yīng)用于譜效關(guān)系中。

2.1 PLS與灰色關(guān)聯(lián)度（Grey relational analysis, GRA）聯(lián)用

灰色關(guān)聯(lián)度分析能夠表征各因素間的關(guān)聯(lián)程度，關(guān)聯(lián)度值越大，說明關(guān)系越密切，對(duì)藥效的“貢獻(xiàn)”越大。但不能分析各特征峰對(duì)藥效的綜合貢獻(xiàn)。因此，在實(shí)際研究中常將灰色關(guān)聯(lián)度與PLS聯(lián)合應(yīng)用于譜效關(guān)系的分析，從而獲得更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。王樂等[15]采用GRA與PLS聯(lián)用法，對(duì)女兒茶清除自由基活性和其HPLC指紋圖譜進(jìn)行譜效關(guān)系分析。灰色關(guān)聯(lián)度分析和PLS綜合分析表明，6個(gè)特征色譜峰為藥效物質(zhì)基礎(chǔ)。馬寧寧等[16]采用UPLC技術(shù)建立川芎不同提取物的指紋圖譜，繼而聯(lián)用GRA和PLS建立譜效關(guān)系。結(jié)果顯示有16個(gè)峰的關(guān)聯(lián)度均大于0.9，PLS分析表明有11個(gè)峰與藥效作用呈正相關(guān)，且對(duì)藥效有顯著作用。通過將GRA和PLS進(jìn)行交叉對(duì)比，最終確定8個(gè)峰為川芎對(duì)細(xì)胞抗炎作用的主要貢獻(xiàn)成分。吳興東等[17]采用HPLC技術(shù)建立虎耳草的指紋圖譜，測(cè)定虎耳草的抗前列腺增生活性。應(yīng)用GRA和PLS研究虎耳草HPLC指紋圖譜和抗前列腺增生活性之間的譜效關(guān)系,結(jié)果表明3個(gè)色譜峰為虎耳草抗前列腺增生的主要活性成分。

2.2 PLS與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Artificial neural network ，ANN）聯(lián)用

ANN是一種由生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)啟發(fā)的非線性數(shù)學(xué)計(jì)算模型。它能夠識(shí)別和模擬輸入和輸出之間復(fù)雜的非線性關(guān)系。因此，通常應(yīng)用ANN將復(fù)雜化合物的指紋圖譜與生物活性相關(guān)聯(lián)，從而篩選出代表性生物活性標(biāo)記物。王蘭金等[18]運(yùn)用PLS和ANN統(tǒng)計(jì)學(xué)方法研究青風(fēng)藤的指紋圖譜和抗炎活性的譜效關(guān)系，綜合結(jié)果表明有6個(gè)化合物為青風(fēng)藤發(fā)揮抗炎作用的重要活性成分。進(jìn)而通過6個(gè)化合物的單個(gè)及其組合驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示其中4個(gè)化合物為主要的活性成分。王飛等[19]應(yīng)用PLS和反向傳播人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)兩種統(tǒng)計(jì)學(xué)方法篩選槐米和槐花的有效活性成分。首先采用PLS建立57個(gè)樣品的色譜數(shù)據(jù)與其抗氧化活性、抑制透明質(zhì)酸酶活性數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)，其次為消除多組分引起的潛在協(xié)同或拮抗作用，應(yīng)用非線性反向傳播人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步闡明其譜效關(guān)系。結(jié)果表明化合物1，3，4為發(fā)揮抗氧化活性、抑制透明質(zhì)酸酶活性的主要活性成分。

2.3 PLS與變量投影重要性分析聯(lián)用

變量投影重要性分析作為PLS的輔助技術(shù)，兩者結(jié)合能更深入的研究數(shù)據(jù)。樊琴等[20]采用HPLC建立當(dāng)歸的指紋圖譜，通過DPPH和還原鐵抗氧化能力試驗(yàn)研究當(dāng)歸的抗氧化作用，聯(lián)合PLS和變量投影重要性指標(biāo)進(jìn)行綜合分析。結(jié)果表明當(dāng)歸的抗氧化能力是多種化合物協(xié)同作用的結(jié)果，其中峰X3，X7-X18為當(dāng)歸抗氧化作用的主要化學(xué)活性成分。

2.4 PLS與套索算法的聯(lián)用

套索算法建立的是回歸模型，為壓縮估計(jì)的一種方法。它能處理具有復(fù)共線性數(shù)據(jù)的有偏估計(jì)。PLS和套索算法聯(lián)用，可彌補(bǔ)PLS存在的不足，進(jìn)而提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。張季丹等[21]采用UPLC建立迷迭香的指紋圖譜，并測(cè)定迷迭香的血管舒張活性，聯(lián)合應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)度分析、PLS和套索算法建立迷迭香UPLC指紋圖譜和血管舒張活性的譜效關(guān)系。綜合三種方法的分析結(jié)果最終得以確認(rèn)鼠尾草酚，鼠尾草酸，表松香酚甲醚，鼠尾草酚異構(gòu)體和奧古斯丁酸為迷迭香發(fā)揮血管舒張作用的活性成分。

3 結(jié)束語

綜上所述，PLS具有很多優(yōu)點(diǎn)，但是PLS不能反映因變量與自變量之間精確的定量關(guān)系，存在不足。因此，在中藥譜效關(guān)系研究中，應(yīng)將PLS與多種統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行聯(lián)合應(yīng)用及交叉驗(yàn)證，從而充分挖掘數(shù)據(jù)，彌補(bǔ)單一統(tǒng)計(jì)學(xué)方法的缺陷。同時(shí)在中藥譜效關(guān)系研究中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)樣本的特性選擇適宜的指紋圖譜分析方法和數(shù)據(jù)處理方法，進(jìn)而快速、全面、準(zhǔn)確反映中藥的活性成分，推動(dòng)中藥譜效關(guān)系學(xué)的發(fā)展。

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Research Progress in Application of Partial Least Squares Regression Analysis in the Spectrum-effect relationship of Traditional Chinese Medicine

121111

（1. Tongren Polytechnic College, Guizhou Tongren 554300, China; 2. Tongren Municipal People’s Hospital, Guizhou Tongren 554300, China）

Spectrum-effect relationship is a new and effective method applied in the screening and quality control evaluation of active ingredients of traditional Chinese medicine in recent years. However, partial least squares regression analysis is a commonly used and reliable data processing method in spectrum-effect relationship analysis. At present, a large number of literatures have reported the application of partial least square regression analysis in the study of spectrum-effect relationship of various traditional Chinese medicine. In this paper, theapplication of partial least squares regression analysis in the research of spectrum-effect relationship of various traditional Chinese medicine was reviewed.

spectruml-effect relationship; fingerprint; partial least squares regression

銅仁職業(yè)技術(shù)學(xué)院課題，（編號(hào)：tzky-2019年JY17號(hào)）

2019-12-18

肖瑞瑤（1991-），女，碩士，湖南郴州人，2018年畢業(yè)于貴州醫(yī)科大學(xué)生藥學(xué)專業(yè)，研究方向：中藥藥理與質(zhì)量控制評(píng)價(jià)。

R932

A

1004-0935（2020）03-0303-03