基于多維多息指紋圖譜的中藥藥性特征標(biāo)記模式識(shí)別研究.pdf

1、中藥藥性理論是中藥的核心基礎(chǔ)理論，是中藥學(xué)的特色理論之一。近年來，對(duì)于中藥藥性的研究以寒、熱藥性與物質(zhì)基礎(chǔ)的研究最為突出。國家“973”項(xiàng)目-“中藥藥性基礎(chǔ)理論研究”提出“性-效-物質(zhì)三元論”假說，指出產(chǎn)生藥性的基礎(chǔ)是物質(zhì)成分，但是某種物質(zhì)成分不能表征中藥的整體藥性。一味中藥的整體藥性并不是其多種成分活性簡單的相加，而多種成分之間的協(xié)調(diào)，互補(bǔ)或制約的復(fù)雜作用，有明顯的非線性特點(diǎn)，因此，在識(shí)別中藥藥性寒熱特征標(biāo)記時(shí)，必須采用多種技術(shù)手段分

2、離寒熱藥性成分，進(jìn)而將多種方法獲得的寒熱藥性特征信息進(jìn)行綜合分析方能比較全面的闡明整體藥性。采用單一性狀或單一物質(zhì)也有可能對(duì)中藥藥性進(jìn)行識(shí)別，但均不能表征其整體藥性。因此，識(shí)別中藥寒熱藥性特征物質(zhì)必須采用綜合手段，即采用多維多息指紋圖譜方法，在不同層面上采用綜合分析的方法和模式進(jìn)行研究。中藥指紋圖譜作為一種現(xiàn)代分析技術(shù)，能夠標(biāo)識(shí)中藥中的復(fù)雜物質(zhì)成分，將其用于中藥藥性的識(shí)別，有助于定量研究藥性與物質(zhì)成分之間的相關(guān)關(guān)系。該“973”項(xiàng)目給出

3、了20種基于不同層面的圖譜數(shù)據(jù)用于識(shí)別中藥藥性特征標(biāo)記。對(duì)中藥藥性的研究應(yīng)該建立在對(duì)中藥指紋圖譜與現(xiàn)代模式識(shí)別技術(shù)充分了解的基礎(chǔ)上，借助現(xiàn)代圖譜技術(shù)得到中藥的多維多息圖譜，基于中藥多維多息化學(xué)圖譜技術(shù)，采用現(xiàn)代統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別方法，從化學(xué)圖譜信息中篩選出識(shí)別中藥藥性的物質(zhì)基礎(chǔ)，即中藥藥性特征標(biāo)記。本研究采用偏最小二乘判別模型(PartialLeastSquareDiscriminantAnalysis，PLS-DA)評(píng)價(jià)基于不同圖譜檢測技術(shù)

4、、不同物質(zhì)層面數(shù)據(jù)識(shí)別中藥藥性的可行性。
　　 依據(jù)上述研究思路，本研究依據(jù)《神農(nóng)本草經(jīng)》、《中藥學(xué)》和《中華人民共和國藥典》等書籍，挑選藥性明確、無爭議的60種中藥樣本（30種寒性藥和30種熱性藥），采用20種不同的圖譜分析技術(shù)，得到中藥指紋圖譜數(shù)據(jù)庫。分別從無機(jī)元素、初生物質(zhì)和次生物質(zhì)三個(gè)物質(zhì)層面研究藥性與物質(zhì)成分的關(guān)系。即，首先以單一指紋圖譜技術(shù)的中藥圖譜數(shù)據(jù)為單元采用偏最小二乘判別模型識(shí)別中藥寒熱特征標(biāo)記，進(jìn)而挑選出不同

5、圖譜技術(shù)下的特征標(biāo)記。然后將挑選出的特征標(biāo)記組成中藥寒熱特征標(biāo)記物質(zhì)組群向量，以此向量分別在無機(jī)元素、初生物質(zhì)和次生物質(zhì)三個(gè)層面上再建立偏最小二乘判別模型，以識(shí)別各物質(zhì)層面上的中藥寒熱特征標(biāo)記;最后綜合三個(gè)物質(zhì)層面上的所有特征標(biāo)記建立中藥寒熱整體藥性的偏最小二乘模型，以顯示中藥整體寒熱特征標(biāo)記物質(zhì)組群及其分布特征。
　　 主要結(jié)果為:
　　 (1)根據(jù)無機(jī)元素的含量建立的PLS-DA模型的判別結(jié)果:回代一致率為75％(4

6、5/60)，交叉驗(yàn)證正確率為54.33％(326/600)，訓(xùn)練集回代正確率為70.83％(34/48)，預(yù)測及預(yù)測正確率為66.67％(8/12)。由此可見，僅根據(jù)無機(jī)元素對(duì)中藥寒熱藥性進(jìn)行判別或預(yù)測，其效果不佳。其中，在模型中VIP＞1的微量元素包括:Al，F(xiàn)e，Mg，V，Co，Zn，Sr和Cd。據(jù)此重新建立PLS-DA模型，其判別結(jié)果:回代一致率為63.33％(38/60)，交叉驗(yàn)證正確率為54.33％(326/600)，訓(xùn)練集回

7、代正確率為62.50％(30/48)，預(yù)測及預(yù)測正確率為66.67％(8/12)。
　　 (2)初生物質(zhì)方面，僅基于單類初生物質(zhì)進(jìn)行中藥寒熱藥性的回代一致率、交叉驗(yàn)證正確率、訓(xùn)練集回代正確率和測試集預(yù)測正確率均與50％差別不大，說明判別和預(yù)測效果均較差。提示僅基于單類初生物質(zhì)難以正確識(shí)別中藥寒熱藥性。對(duì)于上述單一初生物質(zhì)（多糖、游離糖、脂類和氨基酸）的PLS-DA判別模型，按照VIP＞1的準(zhǔn)則挑選出對(duì)寒熱藥性貢獻(xiàn)較大的物質(zhì)成分，

8、組成綜合判別指標(biāo)向量。進(jìn)而，據(jù)此構(gòu)建中藥寒熱藥性識(shí)別的PLS-DA模型。結(jié)果表明，60味中藥的回代一致率為83.33％(50/60)，交叉驗(yàn)證正確率為65.83％(359/600)，訓(xùn)練集回代正確率為91.67％(44/48)，測試集預(yù)測正確率為83.33％(10/12)。由此可見，模型的判別和預(yù)測效果均較好，對(duì)于多數(shù)中藥均能正確判別，僅少數(shù)中藥（川貝母、厚樸、淫羊藿和紅花）判別錯(cuò)誤，僅絡(luò)石藤和陳皮預(yù)測錯(cuò)誤。
　　 (3)次生物

9、質(zhì)各種方法中最高的交叉驗(yàn)證率僅為68％（UV-三氯甲烷提），說明僅用單一技術(shù)判別和預(yù)測中藥寒熱藥性效果不佳。對(duì)于上述單一指紋圖譜方法的PLS-DA判別模型，按照VIP＞1的準(zhǔn)則挑選出對(duì)寒熱藥性貢獻(xiàn)較大的物質(zhì)成分，組成綜合判別指標(biāo)向量。進(jìn)而，據(jù)此構(gòu)建中藥寒熱藥性識(shí)別的PLS-DA模型。結(jié)果表明，60味中藥的回代一致率為100％(60/60)，交叉驗(yàn)證正確率為76.17％(457/600)，訓(xùn)練集回代正確率為100％(48/48)，測試集預(yù)

10、測正確率為75％(9/12)。由此可見，模型的判別和預(yù)測效果均較好，對(duì)于多數(shù)中藥均能正確判別，僅少數(shù)中藥預(yù)測錯(cuò)誤。
　　 (4)將上述無機(jī)元素、初生物質(zhì)和次生物質(zhì)的判別指標(biāo)向量進(jìn)一步合并為綜合判別指標(biāo)向量，據(jù)此建立的PLS-DA模型的判別結(jié)果:60味中藥的回代一致率為100％(60/60)，交叉驗(yàn)證正確率為78.17％(469/600)，訓(xùn)練集回代正確率為100％(48/48)，測試集預(yù)測正確率為75％(9/12)。采用聯(lián)合的多

11、維多息圖譜技術(shù)所建立的模型能夠顯著提供判別和預(yù)測效果。對(duì)于多數(shù)中藥均能正確判別和預(yù)測，僅天冬、薄荷和木瓜藥預(yù)測效果不佳。
　　 (5)根據(jù)PLS-DA模型判別系數(shù)可以繪制基于不同層面的中藥藥性特征標(biāo)記理論圖譜，這些理論圖譜有各自不同的特點(diǎn)。根據(jù)PLS-DA模型構(gòu)建的單味中藥的預(yù)測圖譜顯示:表征中藥寒、熱性的物質(zhì)是客觀存在的，無論寒性藥還是熱性藥，其內(nèi)均同時(shí)含有“寒”和“熱”的物質(zhì)，只是“寒”、“熱”物質(zhì)成分在數(shù)量和種類上的不同搭

12、配才使得一種中藥表現(xiàn)其整體的藥性。
　　 主要結(jié)論為:
　　 (1)基于單一指紋圖譜方法（如紫外光譜、紅外光譜等）因反應(yīng)寒熱特征的信息不足，均不能建立中藥寒熱藥性特征標(biāo)記的有效判別和預(yù)測模型。
　　 (2)在無機(jī)元素、初生物質(zhì)和次生物質(zhì)層面上，僅根據(jù)無機(jī)元素難以建立中藥寒熱藥性特征標(biāo)記的有效判別和預(yù)測模型，而在初生物質(zhì)和次生物質(zhì)層面上通過綜合多種多維多息圖譜信息而建立的中藥寒熱性特征標(biāo)記識(shí)別模型能夠較好的識(shí)別和預(yù)

13、測藥性。
　　 (3)將無機(jī)元素、初生物質(zhì)和次生物質(zhì)三個(gè)層面上的多種多維多息圖譜信息綜合而形成中藥寒熱藥性多維多息物質(zhì)組學(xué)圖譜，據(jù)此建立中藥藥性及其特征標(biāo)記的識(shí)別和預(yù)測模型，卻具有很高的預(yù)測和判別能力。
　　 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)為:
　　 (1)提出了綜合利用多種多維多息圖譜信息建立中藥寒熱藥性判別模型及其特征標(biāo)記識(shí)別和可視化的理論方法。
　　 (2)證明了單一指紋圖譜信息難以表征中藥寒熱藥性及其特征標(biāo)記，而在無

14、機(jī)元素、初生物質(zhì)和次生物質(zhì)三個(gè)層面上將多種指紋圖譜信息綜合為中藥寒熱性物質(zhì)組學(xué)圖譜，由此而建立的統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別模型，可以有效的識(shí)別和預(yù)測中藥寒熱藥性及其特征標(biāo)記。
　　 (3)所建立的中藥寒熱藥性物質(zhì)組學(xué)理論圖譜可以在物質(zhì)層面上還原中藥的整體藥性，而基于統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別模型建立的單味中藥寒熱特征標(biāo)記預(yù)測圖譜不僅能夠展示特定中藥的寒熱物質(zhì)成分組成圖譜，而且可以指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)人員提取和分離中藥寒熱特征物質(zhì)。
　　 中藥藥性、經(jīng)驗(yàn)要素、成