通草類中藥微量元素的主成分分析和聚類分析*

申明金，陳麗，曹洪斌

（1.川北醫(yī)學(xué)院化學(xué)教研室，四川南充 637000； 2.武警南充醫(yī)院腎內(nèi)科，四川南充 637000）

通草為五加科植物通脫木［tetrapanax papyriferus(Hook.) K.Koch］的干燥莖髓,主產(chǎn)于貴州、云南、四川、臺(tái)灣、廣西等地,其性味甘、淡、微寒，歸肺、胃經(jīng)。現(xiàn)代藥理研究表明，通草具有利尿、抗炎、解熱作用，同時(shí)該類藥物對(duì)人體的免疫功能也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。在臨床應(yīng)用方面，通草類藥物氣寒味淡而體輕，入太陰肺經(jīng)引熱下降而利小便，既通淋，又消腫，尤宜熱淋之小便不利，淋瀝澀痛方面的治療；另外由于本品入胃經(jīng)，使胃氣上達(dá)而下乳汁，且味甘淡，多用于產(chǎn)后乳汁不暢或不下［1］。

現(xiàn)代中醫(yī)藥理論認(rèn)為，中藥藥效不僅同中藥材中的有機(jī)成分有關(guān)，而且同其無(wú)機(jī)微量元素有關(guān)。實(shí)驗(yàn)證明，中藥微量元素不僅影響藥效，有的甚至直接參與作用。因此中藥微量元素含量測(cè)定是探索中藥療效機(jī)制的物質(zhì)基礎(chǔ)［2–3］。中藥中無(wú)機(jī)元素的種類和含量受中藥品種和特定生長(zhǎng)環(huán)境的影響，來(lái)源于不同產(chǎn)地和品種的通草類中藥在無(wú)機(jī)元素的含量上存在差異，因此無(wú)機(jī)元素的含量可作為區(qū)分通草類中藥品質(zhì)功效的重要指標(biāo)。筆者以11種通草類中藥中的無(wú)機(jī)元素 Zn，Cu，F(xiàn)e，Mn，Se，Co的含量為指標(biāo)，運(yùn)用主成分分析和聚類分析對(duì)這11種通草類中藥進(jìn)行了分類研究，解釋了這些微量元素與藥材療效之間的相關(guān)性，以期為中草藥的開(kāi)發(fā)和利用提供科學(xué)依據(jù)和理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

11種通草類中藥微量元素?cái)?shù)據(jù)來(lái)自文獻(xiàn)［4］，其原始數(shù)值見(jiàn)表1。先將原始數(shù)據(jù)作標(biāo)準(zhǔn)化處理，以消除由原始變量的量綱不同和數(shù)據(jù)差異過(guò)大而對(duì)結(jié)果產(chǎn)生的影響，使標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)具有可比性并遵循正態(tài)分布規(guī)律(0，1)。

表1 11種通草類中藥中微量元素含量 mg/kg

2 結(jié)果與討論

2.1 通草類中藥的主成分分析

主成分分析是一種降維或者把多個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個(gè)綜合指標(biāo)的一種方法。假設(shè)有來(lái)自某個(gè)總體的n個(gè)樣本，而每個(gè)樣本測(cè)得p個(gè)指標(biāo)數(shù)(p≤n)。這p個(gè)指標(biāo)之間往往互有影響，需要從p個(gè)指標(biāo)中尋找少數(shù)幾個(gè)綜合性的指標(biāo)，而這幾個(gè)綜合性的指標(biāo)既能反映原來(lái)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)特征而不丟失信息，又能達(dá)到彼此之間互不相關(guān)［5］。

2.1.1 相關(guān)分析

先計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化處理后數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)矩陣R，然后計(jì)算相關(guān)矩陣R的特征值、特征向量和方差的貢獻(xiàn)率，計(jì)算所得6個(gè)特征值及其方差貢獻(xiàn)率和累計(jì)方差貢獻(xiàn)率，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 特征值和貢獻(xiàn)率

主成分的特征值及貢獻(xiàn)率是選擇主成分的依據(jù)，前3個(gè)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率為84.50%，大于80%，故前3個(gè)主成分能代表通草類中藥微量元素含量84.50%的信息。

2.1.2 主成分分析

選取前3個(gè)主成分來(lái)表示原始無(wú)機(jī)元素在中藥中的主要信息，對(duì)主成分分析的意義作解釋，一般由權(quán)重較大的幾個(gè)指標(biāo)的綜合意義來(lái)確定。在主成分分析中，一般認(rèn)為大于0.30的載荷就是顯著的，可用來(lái)解釋原始變量與主成分的相關(guān)性。計(jì)算所得第1、第2、第3個(gè)主成分得分值及根據(jù)特征值的貢獻(xiàn)率大小為分配系數(shù)，計(jì)算綜合得分并排名，所得結(jié)果見(jiàn)表3。

建立的主因子模型如下：

表3 主因子和綜合主因子得分值

2.1.3 結(jié)果分析

從主因子模型來(lái)看，第一主成分F1在變量XCu，XMn，XCo元素上有高的載荷系數(shù)，即說(shuō)明變量Cu，Mn，Co與第1主成分有高的相關(guān)。研究表明，Cu是體內(nèi)多種酶的輔基，如細(xì)胞色素氧化酶等，銅離子在將電子傳遞給氧的過(guò)程中是不可缺少的。Cu是血紅蛋白的活化劑，參與多種酶的代謝，它能影響能量代謝，缺銅時(shí)機(jī)體易受到自由基的損害［6］。Mn主要為多種酶的組成成分及活性劑，如RNA聚合酶、超氧化物歧化酶等。缺錳時(shí)生長(zhǎng)發(fā)育會(huì)受到影響。此外，Mn與刺激紅細(xì)胞生成素和促進(jìn)造血功能有關(guān)，能提高機(jī)體免疫力，刺激抗毒素的合成；Mn與消除自由基、鈣磷代謝、生殖與生長(zhǎng)發(fā)育都有密切關(guān)系，并有改善動(dòng)物睪丸退化，性功能低下的作用［7］。Co在體內(nèi)主要以維生素B12的形式發(fā)揮作用，B12的缺乏可引起巨幼紅細(xì)胞性貧血。

第2主成分F2在變量XFe，XSe元素上有高的載荷系數(shù)，即說(shuō)明變量Fe，Se與第2主成分有高的相關(guān)。Fe是血紅蛋白、肌紅蛋白、細(xì)胞色素系統(tǒng)、過(guò)氧化物酶及過(guò)氧化氫酶的重要組成部分。Fe與機(jī)體造血過(guò)程密切關(guān)，參與機(jī)體血紅蛋白的形成，而血紅蛋白與機(jī)體的物質(zhì)代謝相關(guān)。此外Fe參與機(jī)體多種酶的反應(yīng)，對(duì)細(xì)胞能量代謝和對(duì)細(xì)胞膜的穩(wěn)定性具有促進(jìn)作用［8］。Se主要作為谷胱甘肽過(guò)氧化物酶的活性中心的一部分，該種酶具有利用H2O2使有毒的過(guò)氧化物還原成相對(duì)無(wú)毒的羥化物，此外，Se還可加強(qiáng)維生素E的抗氧化作用，并參與輔酶Q和輔酶A的合成。

第3主成分F3在變量XZn元素上有高的載荷系數(shù)，說(shuō)明變量Zn與第3主成分有高的相關(guān)。鋅在體內(nèi)與80多種酶的活性有關(guān)，如碳酸酐酶、DNA和RNA聚合酶等。許多蛋白質(zhì)如反式作用因子、類固醇激素及甲狀腺素的受體的DNA結(jié)合區(qū)，都有鋅參與形成的鋅指結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)錄調(diào)控中起著重要的作用，故缺鋅必然會(huì)引起機(jī)體代謝紊亂［9］；同時(shí)，鋅能加速創(chuàng)傷組織愈合，增加機(jī)體抗感染力，是參與免疫功能的一種重要元素。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，如果缺鋅將導(dǎo)致內(nèi)分泌功能低下或腺體萎縮、習(xí)慣性流產(chǎn)等腎主生殖發(fā)育的病理變化，即表現(xiàn)為中醫(yī)腎虛癥候。

2.2 通草類中藥的系統(tǒng)聚類分析

中藥的鑒別與質(zhì)量評(píng)價(jià)與中藥生產(chǎn)和應(yīng)用密切相關(guān)。聚類分析是一種探索性的統(tǒng)計(jì)分析方法。按照“物以聚類”的原則，首先將研究對(duì)象各自成類，用距離測(cè)量方法定義類與類之間的距離，然后將距離最近的兩類合并，再重新計(jì)算新類和其它類間的距離并按照最小距離歸類。重復(fù)此過(guò)程，每次減少一類，直到所有對(duì)象成為一類為止，這樣就可以把研究對(duì)象的多種特征綜合為一個(gè)可供比較研究對(duì)象之間親疏關(guān)系的相似性統(tǒng)計(jì)量。

在原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上，采用平均距離法將11種通草類中藥進(jìn)行聚類分析，得到聚類譜系圖見(jiàn)圖1。聚類譜系圖直觀地反映了11種通草類中藥之間的相似性和差異。從聚類譜系圖可看出11種通草類中藥可聚為3類，其中7號(hào)（中國(guó)旌節(jié)花）、8號(hào)（青莢葉）、6號(hào)（喜馬山旌節(jié)花）、2號(hào)（盤(pán)葉掌葉樹(shù)）聚為一類，這幾種藥材Zn、Mn含量較抵，但Fe含量高；4號(hào)（粗毛楤木）、10號(hào)（西南繡球）、9號(hào)（棣棠花）、11號(hào)（穗序鵝掌柴）聚為一類，這幾種藥材Zn含量相對(duì)較低，但Fe、Mn含量相對(duì)較高；3號(hào)（羅傘）、5號(hào)（紅河鵝掌柴）、1號(hào)（通脫木）聚為一類，這幾種藥材Zn、Fe、Mn含量都比較高，尤其是1號(hào)（通脫木）Zn、Fe、Mn含量都高，但其Zn含量最高，故而在聚類譜系圖上與其它藥材相比位置要突出一些。這個(gè)聚類結(jié)果和主成分分析結(jié)果是一致的，說(shuō)明通草類中藥的微量元素譜系存在相似性，為進(jìn)一步開(kāi)展通草類中藥的藥理研究提供了依據(jù)。

圖1 11種通草類中藥聚類譜系圖

3 結(jié)論

通草類中藥的6種微量元素都是對(duì)人體有一定功能的元素，從這11種藥材來(lái)看其Zn，F(xiàn)e，Mn含量都比較高。Zn，F(xiàn)e，Mn與藥材中的有機(jī)成分形成絡(luò)合物和鹽類，從而起到清熱、抗菌作用［10–11］；另一方面，Zn，Mn被視為“歸腎經(jīng)”的物質(zhì)基礎(chǔ)，它們?cè)谘a(bǔ)腎方面發(fā)揮著重要的作用［12］。

綜上所述，無(wú)論是主成分分析還是聚類分析都證實(shí)微量元素與中藥藥效存在相關(guān)性。通過(guò)測(cè)定中藥中微量元素的含量，在一定程度上能反映中藥性能，為進(jìn)一步研究中藥的藥效提供指導(dǎo)。中藥中微量元素對(duì)機(jī)體而言，一方面直接作用于機(jī)體發(fā)揮藥理作用；另一方面在一定條件下與有機(jī)分子形成絡(luò)合物，增加有機(jī)成分的藥理活性。在中藥方劑應(yīng)用中，單獨(dú)使用方劑中某一單味中藥則效果不明顯，而應(yīng)用整個(gè)方劑有明顯療效，這需要合適的配方。通過(guò)測(cè)定中藥中所含微量元素的種類、含量，再運(yùn)用主成分分析和聚類分析等方法解析藥物中微量元素的含量、各藥物的相似性和差異性，可以為中藥組方提供豐富的信息和理論指導(dǎo)。

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