白 鋼，田 璐，叢龍飛，盧玉杰，張凱雪，姜 民，侯媛媛，楊志剛，張鐵軍，劉昌孝*

基于質(zhì)量標(biāo)志物（Q-Marker）“量效轉(zhuǎn)換”的藥材質(zhì)量快速整合評(píng)價(jià)研究

白 鋼1，田 璐1，叢龍飛1，盧玉杰1，張凱雪2，姜 民1，侯媛媛1，楊志剛2，張鐵軍3，劉昌孝3*

1. 南開大學(xué)藥學(xué)院 天津市分子藥物研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300353 2. 蘭州大學(xué)藥學(xué)院，甘肅 蘭州 730000 3. 天津藥物研究院 天津市中藥質(zhì)量標(biāo)志物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300462

質(zhì)量標(biāo)志物；量效轉(zhuǎn)換；質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指數(shù)；科學(xué)監(jiān)管；當(dāng)歸；血小板聚集；NO；抗炎；抗纖維化；核轉(zhuǎn)錄因子-κB；Smad3；阿魏酸；綠原酸；洋川芎內(nèi)酯I；歐當(dāng)歸內(nèi)酯A；-藁本內(nèi)酯

藥品的科學(xué)監(jiān)管貫穿了藥品生命周期的全過(guò)程。由于中藥科學(xué)內(nèi)涵的復(fù)雜性、化學(xué)成分的多樣性、制備過(guò)程的特殊性，其質(zhì)量控制遠(yuǎn)比化藥和生物藥更困難[1-2]。雖然《中國(guó)藥典》2020年版一部要求根據(jù)需要選擇一些化學(xué)成分進(jìn)行定性和定量分析，或?qū)τ泻ξ镔|(zhì)進(jìn)行限量測(cè)定，以確保中藥的安全性和有效性。然而對(duì)這些成分在制造過(guò)程中的可追溯性，以及與功效的關(guān)聯(lián)性沒(méi)有明確的要求[3]。要保障中成藥的質(zhì)量，從源頭控制投料藥材的均一性和穩(wěn)定性是必要的前提條件[4]。劉昌孝院士[5-6]提出的中藥質(zhì)量標(biāo)志物（quality markers，Q-Marker）概念聚焦了中藥質(zhì)量屬性的本質(zhì)。中藥Q-Marker以中醫(yī)理論為基礎(chǔ)、以有效性為核心、以成分的特有性為依據(jù)，從可測(cè)性及可傳遞溯源等“五要素”角度為中藥質(zhì)量研究指明了方向[7]。建立以中藥Q-Marker為核心的全程質(zhì)量控制體系，對(duì)促進(jìn)中藥行業(yè)的健康發(fā)展有重要的意義。

1 中藥Q-Marker的研究策略

自Q-Marker概念提出后，其研究思路與技術(shù)方法也在不斷發(fā)展與完善。Ren等[8]和閆廣利等[9]提出基于方證代謝組學(xué)發(fā)現(xiàn)中醫(yī)證候的生物學(xué)本質(zhì)，通過(guò)血清藥物化學(xué)與方劑有效性的聯(lián)系，建立與臨床療效相關(guān)、體現(xiàn)方劑配伍并可追溯的研究體系?；魤?mèng)琪等[10]強(qiáng)調(diào)要加強(qiáng)對(duì)中藥功效的整體把控，將Q-Marker引入中藥功效研究中，構(gòu)建系統(tǒng)中藥學(xué)的理論體系。葉霽等[11]提出以活性為導(dǎo)向，以多元統(tǒng)計(jì)分析為手段，以多維變量為基礎(chǔ)，整合系統(tǒng)生物學(xué)和網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)的研發(fā)策略。許海玉等[12]提出基于整合藥理學(xué)，建立“化學(xué)指紋-代謝指紋-網(wǎng)絡(luò)靶標(biāo)-生物效應(yīng)-中醫(yī)功效”多維關(guān)聯(lián)的研究路徑。孟憲生等[13]提出“組效相關(guān)、多組多效”，基于功效、明確主治、通過(guò)譜效關(guān)系分析實(shí)現(xiàn)“見(jiàn)譜見(jiàn)效”的研究思路。此外，He等[14]建議將體內(nèi)暴露成分作為Q-Marker篩選手段，以“體外-體內(nèi)”多維化學(xué)物質(zhì)組關(guān)聯(lián)為基礎(chǔ)，為Q-Marker的發(fā)現(xiàn)提供了重要路徑。

2 化學(xué)計(jì)量學(xué)為中藥質(zhì)量屬性研究提供了科學(xué)評(píng)價(jià)方法

由于中藥來(lái)源的不穩(wěn)定性、化學(xué)成分的多樣性、配伍環(huán)境的復(fù)雜性以及功效主治的多向性等因素導(dǎo)致影響其質(zhì)量的變量極其復(fù)雜，簡(jiǎn)單的定量分析不能準(zhǔn)確地反映實(shí)際情況，需要借助化學(xué)計(jì)量學(xué)算法[15]。于是將Q-Marker作為分子連接指數(shù)，通過(guò)綜合療效指數(shù)分析來(lái)提高中藥的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[16-17]；通過(guò)總量統(tǒng)計(jì)矩陣技術(shù)將指紋圖譜轉(zhuǎn)化成正態(tài)分布函數(shù)對(duì)中藥質(zhì)量進(jìn)行整體表征[18]；基于等效成分群辨析技術(shù)建立“蜘蛛網(wǎng)”多維評(píng)價(jià)體系[19]；采用層次分析-熵權(quán)法對(duì)核心質(zhì)量屬性進(jìn)行權(quán)重分析[20]等新的研究方法不斷出現(xiàn)。

白鋼等[21]將近紅外光譜技術(shù)引入Q-Marker研究，整合生物活性預(yù)判與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，探索將光譜屬性與功效相關(guān)聯(lián)，并結(jié)合多批次數(shù)據(jù)分析嘗試進(jìn)行中藥質(zhì)量的智能化評(píng)價(jià)；同時(shí)又提出了質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指數(shù)（q）的概念[22]，通過(guò)對(duì)多項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)離散度的系統(tǒng)分析，建立了一種綜合評(píng)價(jià)體系。中藥質(zhì)量評(píng)價(jià)研究雖然呈現(xiàn)多元化趨勢(shì)，采用單一或某幾種簡(jiǎn)單的指標(biāo)作為質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)難以被共識(shí)所接受[23]。因此整合化學(xué)計(jì)量學(xué)方法，建立符合中藥特點(diǎn)的多維質(zhì)量評(píng)價(jià)體系，可能對(duì)中藥的科學(xué)監(jiān)管將提供更好的解決方案。

3 基于Q-Marker的關(guān)鍵質(zhì)量屬性的多元量效轉(zhuǎn)換

目前，基于中藥化學(xué)基準(zhǔn)的質(zhì)量控制方法仍存在：質(zhì)控指標(biāo)與功能主治的關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)；質(zhì)量屬性的完整性表達(dá)沒(méi)有充分體現(xiàn)；復(fù)雜藥物的可測(cè)性尚存在技術(shù)突破等挑戰(zhàn)。由于單純的化學(xué)基準(zhǔn)不能全面反映中藥質(zhì)量，因此Wu等[24]建議基于效應(yīng)基準(zhǔn)的中藥質(zhì)量控制模式，提出生物標(biāo)志物（Q- biomarker）的概念，將Q-Marker與Q-biomarker相關(guān)聯(lián)更能全面地反映藥物有效性和安全性。肖小河等[25]也提出以藥效為中心的“大質(zhì)量觀”的質(zhì)量控制模式，認(rèn)為中藥質(zhì)量控制模式應(yīng)該多元化。

中藥的藥效發(fā)揮是多種活性成分共同貢獻(xiàn)的綜合結(jié)果，這些活性單體間存在復(fù)雜的協(xié)同或拮抗相互作用，體現(xiàn)的是一個(gè)整體效應(yīng)，而這又是傳統(tǒng)中藥質(zhì)量控制方法所無(wú)法完成的。為了解決質(zhì)量屬性完整表達(dá)的科學(xué)問(wèn)題，本文提出同時(shí)以Q-Marker和生物效價(jià)為依據(jù)，通過(guò)基于Q-Marker的化學(xué)計(jì)量學(xué)建模預(yù)測(cè)，建立針對(duì)不同功效的多元量效轉(zhuǎn)換關(guān)系，可以突破化學(xué)基準(zhǔn)與生物效應(yīng)基準(zhǔn)之間“量效轉(zhuǎn)換”的技術(shù)瓶頸。具體是針對(duì)藥材特定的生物效價(jià)（y），首先需要指認(rèn)其專屬的Q-Marker（x），并獲得其含量信息；同時(shí)對(duì)其相應(yīng)的樣本進(jìn)行活性測(cè)定，使用誤差反向傳輸人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、隨機(jī)森林、支持向量回歸等非線性回歸算法建立含量（x）與活性（y）之間的函數(shù)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)“量效轉(zhuǎn)換”的目的。依據(jù)上述研究策略進(jìn)行當(dāng)歸舒張血管和免疫調(diào)節(jié)功效的評(píng)價(jià)研究[26-27]，以及金銀花、菊花抗炎活性的Q-Marker為基礎(chǔ)的量效轉(zhuǎn)換研究已見(jiàn)報(bào)道[28-29]，為特定功效的藥材質(zhì)量評(píng)價(jià)提供了一種有效的研究范式。

4 關(guān)鍵質(zhì)量屬性對(duì)應(yīng)生物效價(jià)離散度的分析與整合

基于各功能主治所對(duì)應(yīng)的生物效價(jià)的貢獻(xiàn)程度不同，本研究引入q的概念，賦予各生物效價(jià)不同的權(quán)重分配系數(shù)（w），并建立加和公式（2），通過(guò)生物效價(jià)Bio的系統(tǒng)整合來(lái)表現(xiàn)整體質(zhì)量的穩(wěn)定性。式中，q代表樣品的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)得分，w為第個(gè)功效指標(biāo)的權(quán)重分配系數(shù)，為相關(guān)功效指標(biāo)的個(gè)數(shù)。

以w的合計(jì)≤100%計(jì)算，依據(jù)枚舉算法考察w的變化對(duì)q值分布的影響，最大限度保證樣本的q值呈現(xiàn)高斯分布狀態(tài)。

5 基于Q-Marker“量效轉(zhuǎn)換”的當(dāng)歸重要功效的整合評(píng)價(jià)

Ca2+拮抗劑是臨床一線的擴(kuò)張血管藥物，而NO對(duì)血管功能也有調(diào)節(jié)作用[30]。研究表明動(dòng)脈粥樣硬化與纖維化、炎癥密切相關(guān)，其中核轉(zhuǎn)錄因子κB（nuclear factor-κB，NF-κB）和Smad3蛋白（drosophilamothers against decapentaplegic protein-3）等的轉(zhuǎn)錄水平對(duì)心血管系統(tǒng)疾病的發(fā)生發(fā)展有著重要作用[31]。

當(dāng)歸為傘形科當(dāng)歸屬植物當(dāng)歸(Oliv.) Diels的干燥根，具有補(bǔ)血活血等主要功效。目前《中國(guó)藥典》2020年版雖然對(duì)當(dāng)歸藥材的水分、灰分、浸出物、揮發(fā)油、阿魏酸等的含量進(jìn)行了限定，但還不能充分反映其質(zhì)量屬性。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)歸中的-藁本內(nèi)酯和歐當(dāng)歸內(nèi)酯A具有Ca2+拮抗作用[26]；綠原酸、洋川芎內(nèi)酯I和-藁本內(nèi)酯具有抑制NF-κB的作用[27]；-藁本內(nèi)酯具有調(diào)節(jié)NO和Smad3的活性[32]；阿魏酸在抗血栓、抑制血小板聚集、血管保護(hù)方面有重要作用[33]，上述成分均可以作為當(dāng)歸補(bǔ)血活血的Q-Marker。本文以當(dāng)歸藥材為例，嘗試構(gòu)建了其補(bǔ)血活血功效與Q-Marker之間的量效轉(zhuǎn)換關(guān)系。

5.1 基于近紅外光譜的Q-Marker含量測(cè)定

近紅外光譜可以全面反映藥材的整體信息，通過(guò)有效提取Q-Marker對(duì)應(yīng)的特征性波譜信息，并聯(lián)合偏最小二乘法獲得光譜預(yù)處理方法、最適波長(zhǎng)組合區(qū)間以及潛在的變量數(shù)等信息，可以建立針對(duì)不同Q-Marker的近紅外檢測(cè)方法[34]。本課題組參照文獻(xiàn)方法[26-27]完成了對(duì)500批次的分別來(lái)自甘肅（476批），以及青海、湖北和云南（24批）的當(dāng)歸藥材的Q-Marker進(jìn)行近紅外光譜檢測(cè)。其具體含量測(cè)定結(jié)果如圖1所示。其中，阿魏酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.101 7～1.674 3 mg/g，均值為0.762 4 mg/g；-藁本內(nèi)酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.268 5～29.384 9 mg/g，均值為8.163 4 mg/g；歐當(dāng)歸內(nèi)酯A質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.072 9～1.349 0 mg/g，均值為0.193 7 mg/g；綠原酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.025 0～2.603 3 mg/g，均值為0.559 5 mg/g；洋川芎內(nèi)酯I質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.096 8～1.478 1 mg/g，均值為0.560 8 mg/g。

圖1 500批當(dāng)歸藥材中關(guān)鍵Q-Marker的含量分析

5.2 基于“量效轉(zhuǎn)換”的當(dāng)歸不同生物效價(jià)的KBio分析

針對(duì)當(dāng)歸補(bǔ)血活血的功效，選取藥材中具有抗血小板聚集、舒張血管以及抗炎、抗纖維化作用的關(guān)鍵藥效成分阿魏酸（1）、-藁本內(nèi)酯（2）、歐當(dāng)歸內(nèi)酯A（3）、綠原酸（4）和洋川芎內(nèi)酯I（5）作為Q-Marker，通過(guò)分別建立其含量與對(duì)應(yīng)的抗血小板聚集（1）、Ca2+拮抗（2）、NO（3）、NF-κB（4）和Smad3（5）抑制活性等生物效價(jià)之間的多元量效關(guān)系函數(shù)（表1）。嘗試了以各藥材不同生物效價(jià)的Bio表示其樣本功效之間的差異，結(jié)果如圖2所示。

表1 當(dāng)歸功效相關(guān)生物效價(jià)與其Q-Marker之間的多元量效轉(zhuǎn)換關(guān)系

5.3 基于Fq的當(dāng)歸功效的整合評(píng)價(jià)

其q值的散點(diǎn)分布圖如圖3-A所示，整合五項(xiàng)生物效價(jià)的q值呈現(xiàn)高斯分布趨勢(shì)（圖3-B）。依據(jù)樣本分布的情況，若置信區(qū)間設(shè)定在95%范圍內(nèi)有435個(gè)樣本符合要求，占比約86.8%（圖3-C）；若置信區(qū)間在90%范圍內(nèi)的有376個(gè)樣本符合要求，占比約75%（圖3-D）。偏差較大的樣本主要體現(xiàn)在對(duì)NF-κB抗炎效價(jià)的差異上，主要是由于歐當(dāng)歸內(nèi)酯A的含量差異所導(dǎo)致。因此通過(guò)選擇q值落在置信區(qū)間90%范圍內(nèi)的樣本可有效保障當(dāng)歸整體功效的基本穩(wěn)定；如果選擇高于90%置信區(qū)間的右側(cè)樣品，則其部分藥效可能較為突出；反之選擇小于90%置信區(qū)間的左右側(cè)樣品，則其整體功效可能較差。

6 結(jié)語(yǔ)

目前中藥的質(zhì)量評(píng)價(jià)一直沿用以藥效成分或指標(biāo)性成分的定性或定量分析為基礎(chǔ)的檢測(cè)模式，而以藥理活性為基礎(chǔ)的生物效價(jià)或生物標(biāo)志物的評(píng)價(jià)體系似乎更符合臨床的需求。長(zhǎng)期以來(lái)以生物效價(jià)為依據(jù)的中藥質(zhì)量的整合評(píng)價(jià)研究尚缺乏表征方法，基于大數(shù)據(jù)的藥材質(zhì)量溯源和評(píng)價(jià)體系也尚未建立。針對(duì)上述問(wèn)題本文提出基于Q-Marker的中藥質(zhì)量屬性的創(chuàng)新表達(dá)模式：1）通過(guò)Q-Marker與關(guān)鍵的生物效價(jià)的多元量效轉(zhuǎn)換表征藥材的特定藥理活性；2）通過(guò)生物效價(jià)Bio分析展示不同藥材藥理活性之間的差異；3）通過(guò)q對(duì)不同生物效價(jià)樣本的Bio值進(jìn)行整合分析用來(lái)反映藥材的整體質(zhì)量屬性；4）通過(guò)基于近紅外光譜的大樣本正態(tài)分布分析，選擇特定置信區(qū)間的樣本保證藥材品質(zhì)的均一性和穩(wěn)定性。綜上所述，本文所確立的基于Q-Marker的“量效轉(zhuǎn)換”評(píng)價(jià)模式，可以為中藥質(zhì)量的科學(xué)監(jiān)管提供創(chuàng)新的綜合解決方案。

A-抑制血小板聚集 B-Ca2+拮抗活性 C-NO抑制活性 D-NF-κB抑制活性 E-Smad3抑制活性

A-anti-platelet aggregation B-Ca2+antagonistic activity C-NO inhibitory activity D-NF-κB inhibitory activity E-Smad3 inhibitory activity

圖2 當(dāng)歸功效相關(guān)生物效價(jià)的多元量效轉(zhuǎn)換與Bio分析

Fig. 2 Multivariate dose-effect conversion data and dispersion analysis of bio-titers related to efficacy of ASR

A-整合生物效價(jià)的Fq值 B-Fq值的分布 C-95%置信區(qū)間的樣本分布 D-90%置信區(qū)間的樣本分布

利益沖突 所有作者均聲明不存在利益沖突

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Rapid and integrated evaluation of Chinese medicinal materials quality based on “dose-effect conversion” of quality markers (Q-Marker)

BAI Gang1, TIAN Lu1, CONG Long-fei1, LU Yu-jie1, ZHANG Kai-xue2, JIANG Min1, HOU Yuan-yuan1, YANG Zhi-gang2, ZHANG Tie-jun3, LIU Chang-xiao3

1. Tianjin Key Laboratory of Molecular Drug Research, College of Pharmacy, Nankai University, Tianjin 300353, China 2. School of Pharmacy, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China 3. Tianjin Key Laboratory of Quality Marker of Traditional Chinese Medicine, Tianjin Institute of Pharmaceutical Research, Tianjin 300462, China

quality markers; dose-effect conversion; quality comprehensive evaluation index factor; scientific supervision;; platelet aggregation; nitricoxide; anti-inflammation; anti-fibrosis; NF-κB; Smad3; ferulic acid; chlorogenic acid; senkyunolide I; levistilide A;-ligustilide

R283.6

A

0253 - 2670(2021)09 - 2527 - 07

10.7501/j.issn.0253-2670.2021.09.003

2021-03-28

天津市科技援助項(xiàng)目（18YFYZCG00060）

白 鋼，博士生導(dǎo)師，教授，研究方向?yàn)橹兴幭到y(tǒng)生物學(xué)與化學(xué)生物學(xué)。Tel: (022)23506792 E-mail: gangbai@nankai.edu.cn

劉昌孝，中國(guó)工程院院士。Tel: (022)23006860 E-mail: liuchangxiao@163.com

[責(zé)任編輯 鄭禮勝]