降脂中藥微量元素的主成分分析和聚類分析*

申明金，曹洪斌

（川北醫(yī)學(xué)院化學(xué)教研室，四川南充 637000 ）

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降脂中藥微量元素的主成分分析和聚類分析*

申明金，曹洪斌

（川北醫(yī)學(xué)院化學(xué)教研室，四川南充 637000 ）

摘要探討降脂中藥中微量元素的種類和含量與其藥用價(jià)值的相關(guān)性。以常用的10種降脂中藥作為研究對(duì)象，采用原子吸收光譜法（AAS）對(duì)其所含微量元素進(jìn)行測(cè)定，運(yùn)用化學(xué)計(jì)量學(xué)方法中的主成分分析和聚類分析方法進(jìn)行信息解析。主成分分析結(jié)果表明，前4個(gè)主因子含有降脂類中藥微量元素含量88.96%的信息。根據(jù)主成分得分圖和聚類分析譜圖，可將10種中藥分為兩類。找出了與每類中藥相關(guān)性密切的微量元素，解釋了10種中藥之間的相似性與差異。通過主成分分析和聚類分析初步揭示出10種降脂中藥的微量元素與其功效存在相關(guān)性，為該類中藥的開發(fā)提供了科學(xué)依據(jù)和理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞降脂中藥；微量元素；主成分分析；聚類分析；化學(xué)計(jì)量學(xué)

研究表明微量元素不僅在中藥中占有重要地位，而且與人的生命健康息息相關(guān)，對(duì)人的生命起至關(guān)重要的作用。其攝入過量、不足、不平衡或缺乏都會(huì)不同程度地引起人體生理的異常或發(fā)生疾?。?-3］。

隨著生活水平的提高，高血脂和脂肪肝已經(jīng)成為現(xiàn)在的流行病。高脂血癥對(duì)身體的損害是隱匿、逐漸、長(zhǎng)期和全身性的，多數(shù)人需長(zhǎng)期用藥治療。但如果長(zhǎng)期服用調(diào)血脂西藥，又會(huì)因藥物的副作用而使患者的身體健康受到損害。有些中草藥對(duì)降低血脂有明顯的作用且因?yàn)槠浒踩远找媸艿街匾暋Ｖ兴幹械谋姸嘣爻３Ｍ瑫r(shí)存在，它們相互協(xié)同或競(jìng)爭(zhēng)抑制，富含豐富而又復(fù)雜的信息。化學(xué)計(jì)量學(xué)是解析白、灰、黑復(fù)雜體系多維信息的重要工具，在中藥模式識(shí)別、成分提取、制劑生產(chǎn)和藥效研究中已得到廣泛應(yīng)用。筆者選用10種降脂中草藥并根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道［4-6］選擇Zn，Cu，Cr，Mn，Mg，F(xiàn)e等與降脂有關(guān)的微量元素，用原子吸收分光光度法測(cè)定其在中藥中的含量，并用化學(xué)計(jì)量學(xué)中的主成分分析和聚類分析對(duì)這些微量元素與中藥療效的相關(guān)性進(jìn)行討論，以期為該類中藥的研究與開發(fā)應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器與試劑

原子吸收分光光度計(jì)：TAS-990型，北京普析儀器公司；

Zn，Cu，Cr，Mn，Mg，F(xiàn)e空心陰極燈：日本Hitachi公司；

超純水器：法國(guó)Millipore公司；

微型植物粉碎機(jī)：FZ102型，天津市泰斯特儀器有限公司；

Zn，Cu，Cr，Mn，Mg，F(xiàn)e標(biāo)準(zhǔn)溶液：100 μg/mL，阿拉丁試劑（上海）有限公司；

HClO4，H2SO4，HNO3等：分析純，成都艾科達(dá)化學(xué)試劑公司；

姜黃、蒲黃、大黃、決明子、茵陳、澤瀉、柴胡、首烏、山楂、虎杖均：南充德勝堂大藥房；

實(shí)驗(yàn)用水為超純水。

1.2 儀器工作條件

Zn，Cu，Cr，Mn，Mg，F(xiàn)e均采用空氣-乙炔火焰原子吸收光度法測(cè)定，各元素測(cè)定條件見表1。將Zn，Cu，Cr，Mn，Mg，F(xiàn)e單元素標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液用1% HNO3逐級(jí)稀釋成系列標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行測(cè)定，選擇的儀器參數(shù)見表1。

表1 儀器工作條件

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

將姜黃、蒲黃、大黃、決明子、茵陳、澤瀉、柴胡、首烏、山楂、虎杖等10種中草藥編碼，分別稱取50 g，以去離子水清洗干凈后烘干并研成粉末。準(zhǔn)確稱取樣品0.500 0 g置于高腳燒杯中，加入15 mL消化液HNO3-HClO4（體積比4∶1）浸泡，以表面皿覆蓋，放置過夜。在電熱板加熱消化約1 h至冒白煙，溶液變?yōu)槌吻鍨橹?。冷卻后用1% HNO3定容至50 mL容量瓶中備用。用同樣方法消化空白樣品。

2 微量元素測(cè)定結(jié)果

在1.2儀器工作條件下，對(duì)1.3中的樣品溶液和空白溶液進(jìn)行測(cè)定，10種降脂中藥材的微量元素測(cè)定數(shù)據(jù)見表2。

表2 10種中藥微量元素的含量 μg/g

3 降脂中藥微量元素的主成分分析

主成分分析是一種通過數(shù)學(xué)降維把多個(gè)指標(biāo)或變量轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個(gè)綜合變量即主成分來揭示多個(gè)變量間的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，這些主成分作為新的綜合指標(biāo)盡可能多地保留原始變量的信息，且彼此間互不相關(guān)，避免了各化學(xué)信息的相互重疊［7-10］。對(duì)10種降脂中藥的微量元素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后，首先計(jì)算其相關(guān)系數(shù)矩陣，然后計(jì)算相關(guān)系數(shù)矩陣的特征值、特征向量和方差貢獻(xiàn)率。計(jì)算所得7個(gè)特征值及其方差貢獻(xiàn)率和累積方差貢獻(xiàn)率的結(jié)果見表3。主成分的特征值及貢獻(xiàn)率是選擇主成分的依據(jù)，由表3可知，前4個(gè)主成分貢獻(xiàn)率分別為32.63%，26.30%，16.77%，13.26%，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)88.96%，故選擇保留4個(gè)主成分，這4個(gè)主成分可以反映原始變量88.96%的信息。

表3 特征值和貢獻(xiàn)率

根據(jù)相關(guān)系數(shù)矩陣計(jì)算所得特征向量，這4個(gè)主成分的模型可表達(dá)如下：

從主成分模型看，變量Zn，Zn/Cu與第1主成分相關(guān)性較高。體內(nèi)鋅含量對(duì)血脂代謝有重要的影響，缺鋅可引起血脂代謝異常這已被大量實(shí)驗(yàn)研究所證實(shí)，但攝入量要適當(dāng)。鋅與銅在體內(nèi)的攝取和運(yùn)轉(zhuǎn)中彼此競(jìng)爭(zhēng)、遏止。故鋅銅比值也會(huì)對(duì)血脂代謝產(chǎn)生影響，藥材的銅/鋅比值與藥材心血管作用有關(guān)［11］。

第2主成分與變量Mn，Mg有較高的相關(guān)性，與變量Cr，F(xiàn)e負(fù)相關(guān)。Mn是葡萄糖和脂肪代謝的諸多酶的激活劑，維持體內(nèi)血壓值、血糖和血脂的正常含量［12］。缺錳會(huì)導(dǎo)致葡萄糖耐量減小及脂質(zhì)代謝反常。Mg是Na+-K+-ATP重要輔酶，具有降低血脂中甘油三酯和低密度脂蛋白的作用，可降低膽固醇和動(dòng)脈硬化指數(shù)，在維持心肌生物電方面起著重要作用［13］。Cr有助于增加膽固醇的分解和排泄，減少血清膽固醇的含量［14］，Cr的生物化學(xué)作用主要是作為胰島素的增強(qiáng)劑，通過胰島素影響糖、蛋白質(zhì)、脂肪和核酸的代謝。

第3主成分與變量Cu高度相關(guān)。Cu參與多種酶的代謝，它能影響能量代謝［15］。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，缺Cu的動(dòng)物體內(nèi)血清總膽固醇TC水平升高，這也說明Cu對(duì)血脂代謝有一定影響。

第4主成分與變量Fe，Mg有較高的相關(guān)性。作為生物代謝過程中大部分酶的輔助因子，鐵參與機(jī)體內(nèi)各種代謝過程以及氧氣和電子的運(yùn)輸，因此鐵缺乏或過量都可引發(fā)各種疾病。鐵具有促進(jìn)脂肪消化、脂類運(yùn)轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝等廣泛的生物學(xué)功能。

由主成分模型計(jì)算可得相應(yīng)的主成分得分值。以第一主成分得分值PC1作為橫坐標(biāo)、第二主成分得分值PC2作為縱坐標(biāo)，繪制10種降脂中藥的二維得分譜圖，見圖1。

圖1 主成分得分圖

由圖1可以看出，10種降脂中藥可分為兩大類。其中，1號(hào)（姜黃）、2號(hào)（蒲黃）和8號(hào)（首烏）可劃分為一大類，姜黃、蒲黃和首烏都具有較高的Zn /Cu比。但這3種藥物在圖1中彼此位置相距較遠(yuǎn)，又可各自劃為一類，其余藥物可分為一大類。

圖2 降脂中草藥聚類譜系圖

4 降脂中藥微量元素的聚類分析

聚類分析是中藥指紋圖譜研究的常用方法［16-19］，該法是一種探索性的分析方法。在分類過程中，人們不必事先給出一個(gè)分類的標(biāo)準(zhǔn)，聚類分析能夠從樣本數(shù)據(jù)出發(fā)，自動(dòng)進(jìn)行分類。同一個(gè)類中的對(duì)象有很大的相似性，而不同類間的對(duì)象有很大的相異性。將10種降脂中藥的微量元素原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理并采用離差平方和方法進(jìn)行聚類，得到的聚類譜系圖見圖2。聚類譜系圖反映了10種降脂中藥的相似性和差異性，并體現(xiàn)出了各類之間的親疏關(guān)系。從聚類圖2可知，10種降脂中藥可分為兩大類。其中，1號(hào)（姜黃）、2號(hào)（蒲黃）和8號(hào)（首烏）聚為一大類，其余藥物聚合為一大類。姜黃、蒲黃和首烏這3種中藥的Fe，Zn的含量高，而且具有很高的Zn/Cu比值，這是它們相似性高的一面。但是，這3種中藥的Fe，Zn，Mn，Cr的含量和Zn/Cu比值差異也大。首烏中的Cr、姜黃中的Mn，Zn含量遠(yuǎn)高于其它藥物，而蒲黃中的銅與首烏中的鎂又相對(duì)較低。從聚類情況看，蒲黃與首烏的相似性要高一些。在剩下的大類中，5號(hào)（茵陳）與7號(hào)（柴胡）相似性較高，從微量元素?cái)?shù)據(jù)看這兩種藥物在Cr，Mn，Mg含量差異明顯，但其Fe，Cu，Zn含量和Zn /Cu比值接近。3號(hào)（大黃）與4號(hào)（決明子）相似性較高；6號(hào)（澤瀉）與9號(hào)（山楂）相似性較高；盡管這兩組藥物在元素含量上有明顯差異，但元素之間的比例相似，這體現(xiàn)了中藥中微量元素的協(xié)同作用。這個(gè)分類結(jié)果和主成分分析結(jié)果基本一致的?？梢娊抵兴幍奈⒘吭刈V系可以為其藥理研究提供依據(jù)。

5 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)代研究結(jié)果表明，中藥藥效發(fā)揮的過程是微量元素之間的協(xié)同作用以及微量元素與有機(jī)活性成分的協(xié)同作用。Zn，Cu，Cr，Mn，Mg，F(xiàn)e都和降脂存在密切的關(guān)系，但微量元素的含量和分布與中藥的品種密切相關(guān)。因此單純地以某一元素的含量來比較藥物的相似性不能從整體上體現(xiàn)出中醫(yī)用藥規(guī)律。由于中藥所含微量元素眾多，其數(shù)據(jù)呈高維、離散的特點(diǎn)?；瘜W(xué)計(jì)量學(xué)在發(fā)展過程中形成了一系列解析高維數(shù)據(jù)信息的方法，運(yùn)用其常用的主成分分析和聚類分析方法可以從整體性信息方面發(fā)掘藥物微量元素之間的內(nèi)在規(guī)律并找出其相似性和差異性，這為研究中藥組方和用藥提供了重要指導(dǎo)。

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*川北醫(yī)學(xué)院科研發(fā)展基金項(xiàng)目（CBY13-A-ZP11）

聯(lián)系人：申明金； E-mail： shmj1970@163.com

中圖分類號(hào)：O652

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-6145（2016）01-0026-04

doi：10.3969/j.issn.1008-6145.2016.01.007

收稿日期：2015-10-18

Principal Component Analysis and Cluster Analysis of Trace Elements in Chinese Traditional Medicines for Depressing Lipid

Shen Mingjin， Cao Hongbin
（Department of Chemistry， North Sichuan Medical College， Nanchong 637000， China）

AbstractThe correlation of kinds and content of chinese traditional medicines for depressing lipid with its medicinal value was discussed. Ten kinds of traditional chinese medicines for depressing lipid were selected as subject of research. The trace elements in chinese traditional medicines were measured by atomic absorption spectrometry （AAS） and information analysis was carried out by principal component analysis and cluster analysis of chemometrics. The results indicated that the frontal four principal factors contained 88.96% information about trace element contents in chinese traditional medicines for depressing lipid. The results indicated that 10 kinds of chinese traditional medicines for depressing lipid could be classified into two classes according to the figure of principal component scores and clustering figure. On the basis of analysis results，the elements which closely related to each class were found and the similarities and differences among the ten kinds of traditional chinese medicines.With principal component analysis and clustering analysis method，it was revealed that there was correlation between the trace element and efficacy of ten kinds of traditional chinese medicines for depressing lipid. This study provided scientific basis and theoretical foundation for the exploitation.

Keywordschinese traditional medicine for depressing lipid； trace element； principal component analysis； cluster analysis； chemometrics