分子拓撲指數(shù)表征中藥質(zhì)量的前沿性探索

劉文龍，余 格，文 雯，趙 靖，李原華，梁慧慧，劉志軍，賀福元，張喜利*，葛金文*

(1.湖南中醫(yī)藥大學常德附屬醫(yī)院/藥學院，湖南 常德/長沙 415000/410208；2.中藥成藥性與制劑制備湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410208)

中藥包括中藥材、中藥飲片、中藥提取物中間體及中成藥等，每一種形式中藥的質(zhì)量優(yōu)劣均影響著中醫(yī)藥的臨床療效。近年來，隨著中醫(yī)藥事業(yè)的發(fā)展壯大，有關(guān)中藥質(zhì)量的有關(guān)問題將面臨更嚴峻的挑戰(zhàn)。為了獲得優(yōu)質(zhì)的中藥以確保穩(wěn)定的中醫(yī)藥療效，國家加強了對中藥材規(guī)范化種植、中藥飲片炮制加工、中藥提取物規(guī)范化及中成藥批準與生產(chǎn)等環(huán)節(jié)的監(jiān)控與管理；許多學術(shù)思想不斷涌現(xiàn)，有形態(tài)學宏觀評控、化學成分微觀評控、臨床療效終端評控，種植加工過程評控、分析新方法評控，以及超分子印跡模板等[1-10]，卓有成效。然中藥是特指在中醫(yī)藥基本理論指導下所使用的藥物總稱，因此中藥的質(zhì)量研究思路理應在遵循中醫(yī)藥基本理論基礎(chǔ)上而另辟蹊徑。

1 中藥質(zhì)量研究現(xiàn)狀

就中藥質(zhì)量研究現(xiàn)狀而言，多采用以化學成分為主、生物效應為輔的研究模式，這種模式為中藥的質(zhì)量做出了重要貢獻，兩種模式各有所長短。許多學者認為，中藥所含化學成分無疑是中醫(yī)藥發(fā)揮臨床療效的微觀物質(zhì)基礎(chǔ)，能成為其質(zhì)量研究的根本點與出發(fā)點。學者從不同角度進行了基于化學成分的中藥質(zhì)量研究，如中藥的Quality-Marker提出[11]，采用多色譜分析[12-14]，電子舌技術(shù)、基因技術(shù)研究其化學成分及中藥質(zhì)量等級[15]；中藥成分的一測多評[16]、深入淺出質(zhì)量評控標準體系[17]；形態(tài)學關(guān)聯(lián)DNA條形碼及基因組學的新質(zhì)量評控方法[18]，建立了以烏奴龍膽和白花龍膽為代表的藏藥質(zhì)量標準[19]；采用先進的分析檢測技術(shù)如UPLC-Q/TOF、近紅外技術(shù)等進行微觀物質(zhì)基礎(chǔ)研究[20-21]；此外，中藥的Quality-Marker質(zhì)量觀研究已全面鋪開[22]。上述觀點均認為中藥單個分子是最終的顯效形式，然中藥所含成分種類繁多且含量很低，按西藥的藥效學與藥動學理論，各單個中藥成分的量達不到最低有效濃度，因此，本團隊認為必然有另一種過渡態(tài)的顯效形式，很有可能是小分子聚集形成中藥超分子體的“和諧體系”。

檢驗中藥質(zhì)量優(yōu)劣的金標準是臨床安全性與有效性，以中藥臨床安全性與有效性為導向的中藥質(zhì)量研究不斷出現(xiàn)。主要包括①采用效應成分指數(shù)(Zm)、效價當量(E)等整合的“7級評控力金字塔”式生物效應評測研究[23-24]；②中藥各成分效應疊加而毒性分散的顯效理論研究[25]、基于中醫(yī)方證的代謝組學證候研究[26]；③基于中藥成分特有性與有效性的生物鑒定方法、質(zhì)量Q-marker研究[27-28]等。然而基于臨床有效性的中藥質(zhì)量研究方法屬于終端研究方法，只能評價中藥質(zhì)量而不能管控其質(zhì)量[29]，另因未涉及中藥起效的微觀物質(zhì)基礎(chǔ)，而達不到滿意的效果。

2 中藥質(zhì)量研究超分子化學理論的介入

超分子化學(Supra-molecular Chemistry)源于配位化學，而中藥多成分體系的形成過程就是自然界生物超分子的聚集過程。其中藥有效成分群便是這一超分子體系的印跡模板聚集體。糖類、氨基酸、核苷酸可作為功能單體形成超分子體，也可以作為客體“印跡模板”[30-33]小分子；苷類(醌類、黃酮類、香豆精類、木脂素類、皂苷類)、萜類、生物堿等成分常作為客體“印跡模板”小分子。因此對中藥的前處理、炮制加工、提取分離均是作用于中藥超分子聚集體。在這些過程中分分合合，最終在臨床使用時又聚集成超分子而顯效。透過中藥飲片炮制與制劑制備、評價過程所遇到的飲片質(zhì)量不穩(wěn)、中藥制劑質(zhì)量不穩(wěn)等問題，無一不與中藥超分子化學相關(guān)，故應展開中藥超分子與中藥質(zhì)量的相關(guān)研究。本團隊介入中藥超分子化學研究已經(jīng)6年，提出了中藥是一個巨復超分子體等理論，已發(fā)表論文15篇。

分子的結(jié)構(gòu)決定著該分子的性質(zhì)，中藥分子亦是如此，故分子拓撲結(jié)構(gòu)與其質(zhì)量和生物活性息息相關(guān)。分子連接性指數(shù)(molecular connectivity index,MCI)是其實是一種表達分子化學結(jié)構(gòu)的指數(shù)，因為其拓樸結(jié)構(gòu)充分考慮與原子數(shù)目、種類及周圍環(huán)境等因素，使得該指數(shù)與分子的多種理化性質(zhì)及生物活性可以定量地聯(lián)系起來。使用程序軟件[33]計算得到這類拓撲參數(shù)系列。且大量實驗表明其與中藥的有效性密切相關(guān)，而且有關(guān)拓撲指數(shù)與藥物的生物活性相關(guān)性研究報道屢見不鮮，這都為中藥的分子連接性指數(shù)與中藥質(zhì)量之間關(guān)系的研究開展奠定了基礎(chǔ)[34-41]。

3 基于分子拓撲指數(shù)表征中藥質(zhì)量的初探與數(shù)學模型的建立

現(xiàn)階段，本團隊前期預實驗建立了全國不同產(chǎn)地11批次魚腥草揮發(fā)油的GC/MS數(shù)據(jù)庫，并對其進行了相關(guān)分析，結(jié)果顯示，11批魚腥草揮發(fā)油的指紋圖譜的峰數(shù)、峰面積波動均較大，分別為32.22%、21.88%，但總量平均一階分子連接性指數(shù)的RSD變化很小(2.573%)，在眾多變量中發(fā)現(xiàn)了不變量。據(jù)此提出科學假說，分子拓撲指數(shù)是連接中藥化學成分與生物效應的橋梁，其相關(guān)拓撲指數(shù)統(tǒng)計量科學表征中藥宏觀質(zhì)量。

分子的結(jié)構(gòu)決定著分子的性質(zhì)，中藥分子亦是如此。首先應用Chem Draw Ultra9.0軟件構(gòu)建每一批次魚腥草總揮發(fā)油在氣質(zhì)色譜下相應的物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)，采用Chew3D Ulter9.0中MOPAC軟件進行化合物分子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，采用AM1方法得到相應結(jié)構(gòu)，在MATLAB軟件下使用其3D分子結(jié)構(gòu)，最后計算得到這類拓撲指數(shù)系列[41]。

現(xiàn)2,2,3-三甲基丁醇為例展示其隱氫圖及子圖(圖1)，根據(jù)此圖計算MCI。

圖1 隱氫圖及子圖

根據(jù)上述公式采用程序軟件，可求算多批次魚腥草在GC-MS分析中響應的所有成分的MCI值，即每一張指紋圖譜下檢測出多少個成分結(jié)構(gòu)就能計算出多少個MCI值，同理可獲得其他3類拓撲參數(shù)，據(jù)此可獲得一個海量數(shù)據(jù)庫。

研究多產(chǎn)地多批次魚腥草抑菌效應強度與這0～8階分子連接性指數(shù)及其統(tǒng)計量(參數(shù))相關(guān)聯(lián)，作主成分分析和回歸分析。

用抑菌活性E對多批次的魚腥草總揮發(fā)油的總量MCI(XT)做線性回歸分析，得到其回歸方程，并作驗證性實驗。據(jù)此可知總量MCI(XT)可定量描述魚腥草總揮發(fā)油的宏觀質(zhì)量；同時統(tǒng)計分析總量平均MCI(UT)是否在多批次的魚腥草總揮發(fā)油中保持穩(wěn)定，據(jù)此可判定總量平均MCI(UT)可定性表征魚腥草總揮發(fā)油的宏觀質(zhì)量。

4 結(jié)語

本文基于前期理論研究與小試結(jié)果的基礎(chǔ)上，提出超分子化學理論與中藥質(zhì)量研究相結(jié)合新觀點，并建立了測算的數(shù)學模型。這將為中藥宏觀質(zhì)量研究提供了新思路與新方法，為構(gòu)建中藥質(zhì)量評價控制新方法奠基基礎(chǔ)。同時也將實現(xiàn)中藥質(zhì)量評控指標性成分的動態(tài)性、傳遞性與溯源性，助力中藥質(zhì)量標志物等相關(guān)研究。