中藥數(shù)字化指紋圖譜基礎(chǔ)框架和核心框架

中藥數(shù)字化指紋圖譜基礎(chǔ)框架和核心框架

7000年前，人們使用指紋作為文檔，并使用簽名作為身份識(shí)別工具。由于指紋終生不變,人各不同,成為世界公認(rèn)的最重要的個(gè)體特征而被廣泛應(yīng)用于刑事偵探、保密工作。借用“指紋”一詞形象鮮明地表述經(jīng)現(xiàn)代分析儀器檢測(cè)得到的各種反映中藥材、半成品和中成藥(或植物藥)所含復(fù)雜化學(xué)物質(zhì)成分分布的量化特征關(guān)聯(lián)藥效活性控制為特點(diǎn),從宏觀上整體反映中藥材、半成品和中成藥(或植物藥)中所含化學(xué)物質(zhì)成分的種類(lèi)、數(shù)量和含量特征,并能量化揭示潛在復(fù)雜的生物活性信息特征的圖譜,稱為中藥指紋圖譜。這里沿用了指紋的特征性和恒定不變性內(nèi)涵,它不僅代表化學(xué)成分復(fù)雜性和分布的特征性而更重要的是代表中藥化學(xué)成分分布比例和含量特征、潛在的生物活性和藥效量化特征,滿足了天然藥物創(chuàng)新實(shí)踐和生產(chǎn)所必備的基本要求。廣泛、豐富和高度自動(dòng)化的現(xiàn)代分析儀器技術(shù)基本能消除環(huán)境和操作中各種因素對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性和重現(xiàn)性變動(dòng)的影響,可很容易獲得指紋圖譜,但其信息評(píng)價(jià)、獲取以及深層次數(shù)據(jù)挖掘卻難以簡(jiǎn)便、快速、高效地進(jìn)行。目前,分析中藥指紋圖譜特征信息時(shí)更多地采用了原始基礎(chǔ)性方法,效率低且方法單一,獲得有用信息量極少。面對(duì)研究中獲得的海量數(shù)據(jù)讓人有無(wú)所適從、束手無(wú)策的感覺(jué),表現(xiàn)為對(duì)花費(fèi)大量人力和物力獲得的中藥指紋圖譜數(shù)據(jù)的評(píng)價(jià)和數(shù)據(jù)挖掘工作的淺嘗輒止而放棄或拋棄有非常重要價(jià)值的控制中藥質(zhì)量的重要信息數(shù)據(jù)。數(shù)字化指紋圖譜是利用數(shù)學(xué)原理或數(shù)學(xué)方法對(duì)指紋圖譜本質(zhì)特征進(jìn)行定義、表達(dá)、重組、模擬、信息挖掘等處理過(guò)程,將檢測(cè)方法和儀器檢測(cè)的信號(hào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成易于判別、能揭示潛在復(fù)雜的化學(xué)和生物活性信息特征的數(shù)字化信息。利用現(xiàn)代信息技術(shù)對(duì)中藥色譜指紋圖譜原始信息進(jìn)行數(shù)字化加工處理,與現(xiàn)代分析技術(shù)、中藥學(xué)、中藥化學(xué)、藥理學(xué)、化學(xué)計(jì)量學(xué)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有機(jī)結(jié)合,簡(jiǎn)易化和最大限度揭示指紋圖譜隱含的定性、定量和生物活性信息。因此數(shù)字化指紋圖譜是數(shù)學(xué)原理在中藥指紋圖譜研究中運(yùn)用的具體化,是指紋圖譜研究的前沿性和核心課題。本文針對(duì)數(shù)字化指紋圖譜構(gòu)建內(nèi)容展開(kāi)基礎(chǔ)性方法探討研究,本文所公布的指標(biāo)全部實(shí)現(xiàn)軟件化計(jì)算即可使用孫國(guó)祥等研制的“中藥色譜指紋圖譜超信息特征數(shù)字化評(píng)價(jià)系統(tǒng)3.0”軟件進(jìn)行數(shù)字化指紋圖譜研究(支持國(guó)內(nèi)外最常用的7種色譜工作站數(shù)據(jù)),具有簡(jiǎn)單、便捷、快速和十分利于生產(chǎn)實(shí)踐質(zhì)控應(yīng)用的特點(diǎn),有重要的應(yīng)用價(jià)值。1指紋圖譜的數(shù)字化基礎(chǔ)信息指紋峰特征技術(shù)參數(shù)是標(biāo)定數(shù)字化指紋圖譜峰信息的基本特征和本質(zhì)屬性的指標(biāo),用以描述指紋系統(tǒng)的整體特征概貌。表1中給出了色譜峰的保留時(shí)間、峰高、半峰寬、理論塔板數(shù)、峰面積和峰面積百分?jǐn)?shù)的基礎(chǔ)信息;以單參照物峰體系確定的相對(duì)時(shí)間和相對(duì)峰面積;以統(tǒng)一化參照物峰確定的統(tǒng)一化相對(duì)時(shí)間和統(tǒng)一化相對(duì)積分;以雙參照物峰體系確定的洗脫動(dòng)量數(shù)和折合相對(duì)積分,一定程度上代表定量結(jié)構(gòu)性質(zhì)相關(guān)原理的表觀分子量和描述峰位的表觀保留指數(shù)等參數(shù);同時(shí)給出了代表指紋峰對(duì)相似度貢獻(xiàn)大小的方向余弦平方。這些參數(shù)構(gòu)成了色譜指紋圖譜的數(shù)字化基礎(chǔ)信息來(lái)描述指紋系統(tǒng)的基本特征?？疾旌脱芯肯到y(tǒng)指紋峰特征技術(shù)參數(shù)變動(dòng)情況能夠發(fā)現(xiàn)中藥質(zhì)量變異或檢測(cè)系統(tǒng)恒定性是否出現(xiàn)問(wèn)題,指導(dǎo)科研或檢驗(yàn)人員對(duì)供檢品的質(zhì)量作出適當(dāng)?shù)奶幚?。指紋峰特征技術(shù)參數(shù)是數(shù)字化色譜指紋圖譜的根本參數(shù),是建立和應(yīng)用指紋圖譜的基石。檢測(cè)中藥材、中藥飲片、標(biāo)準(zhǔn)浸膏、標(biāo)準(zhǔn)提取物、中藥配方顆粒和中藥制劑的指紋對(duì)照品可直接獲得即時(shí)檢測(cè)條件下的對(duì)照指紋圖譜特征技術(shù)參數(shù)。2指紋圖譜特征判據(jù)質(zhì)控方法由于中藥色譜指紋圖譜結(jié)果是一個(gè)巨大的潛信息庫(kù),一張二維HPLC指紋圖譜的數(shù)據(jù)量低者5000多個(gè),多者幾十萬(wàn)(3D色譜光譜圖)。以HPLC、GC、HPCE、TLC等色譜方法為主要手段,包括質(zhì)譜和光譜等多方面的大量信息,必須采用多維數(shù)據(jù)處理的方法和理論,對(duì)大量信息提取、加工、精練和挖掘,才能從多維數(shù)據(jù)角度揭示中藥指紋圖譜所具有的潛信息特征。色譜指紋圖譜潛信息特征判據(jù)參數(shù)是從大量的、分散的、多側(cè)面的色譜數(shù)據(jù)中挖掘出的對(duì)中藥創(chuàng)新研究和質(zhì)量控制有效的、新穎的、潛在有價(jià)值的特征數(shù)據(jù)。結(jié)合不斷發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)和化學(xué)計(jì)量學(xué)手段,通過(guò)指紋圖譜變異研究追溯產(chǎn)生變異的中藥質(zhì)量研究,最終構(gòu)成了中藥色譜指紋圖譜的特征判據(jù)質(zhì)控方法。表2給出了42個(gè)從整體上描述色譜指紋圖譜潛信息特征判據(jù)參數(shù),可劃分為5類(lèi):Ⅰ.系統(tǒng)基本特征參數(shù)(6個(gè)):單因素直接獲得參數(shù),描述系統(tǒng)的簡(jiǎn)單性特征;Ⅱ.系統(tǒng)分離特征參數(shù)(7個(gè)):二因素相關(guān)聯(lián)參數(shù),描述系統(tǒng)的有效分離特征;Ⅲ.系統(tǒng)指紋成分分布與含量參數(shù)(15個(gè)):描述峰信號(hào)大小、含量分布特征和均化性;Ⅳ.系統(tǒng)絕對(duì)綜合指數(shù)(5個(gè)):描述系統(tǒng)總信號(hào)強(qiáng)弱、均化性、分離率以及信息量綜合大小;Ⅴ.系統(tǒng)相對(duì)綜合指數(shù)(9個(gè)):描述系統(tǒng)獲得總信號(hào)強(qiáng)度、均化性、分離率、信息量的時(shí)間效率或樣品化學(xué)信息率大小。用此42個(gè)數(shù)字化特征參數(shù)可判斷不同種類(lèi)藥材或制劑的指紋圖譜差異,也可比較同種藥材或制劑批間質(zhì)量差異。可實(shí)現(xiàn)從多維數(shù)據(jù)角度、多側(cè)面、全方位揭示色譜指紋圖譜的特征性與變異性,其中多數(shù)指標(biāo)可作為試驗(yàn)條件的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。中藥質(zhì)量的微小變異能夠通過(guò)此42個(gè)指標(biāo)清晰反映出來(lái),能為進(jìn)行中藥組方與配伍研究提供重要的信息參量變化晴雨表。色譜指紋圖譜潛信息特征判據(jù)參數(shù)法有效地考慮了單位質(zhì)量藥材含有的化學(xué)信息量。通過(guò)對(duì)大量數(shù)據(jù)的精確分析進(jìn)行評(píng)價(jià)和揭示數(shù)據(jù)背后的質(zhì)量變異而作為中藥信息質(zhì)控的依據(jù),是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化中藥質(zhì)量控制的重要方法之一。3建立中藥色譜指紋圖譜的宏觀定性定量分析孫國(guó)祥等提出宏觀定性分析和宏觀定量分析是中藥色譜指紋圖譜評(píng)價(jià)中藥質(zhì)量的2個(gè)重要功能,前者是基礎(chǔ)和前提,后者是評(píng)價(jià)的高級(jí)階段,二者有機(jī)結(jié)合才能得到最合理質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果,撇開(kāi)宏觀定量分析等于喪失中藥指紋圖譜的高級(jí)功能,宏觀定性定量分析恰當(dāng)結(jié)合才能利用指紋圖譜最大限度地控制好中藥質(zhì)量。定性分析是指紋圖譜分析的初級(jí)階段,定量分析是高級(jí)階段,其準(zhǔn)確與否與檢測(cè)時(shí)采集數(shù)據(jù)的代表性和準(zhǔn)確性密切相關(guān)。從目前建立中藥材色譜指紋圖譜操作規(guī)程來(lái)看,收集代表性藥材樣品還有很大難度,這會(huì)直接影響所建立的對(duì)照指紋圖譜的可靠性,進(jìn)而影響質(zhì)量評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。制劑工藝的恒定性也直接影響著制劑對(duì)照指紋圖譜的真實(shí)性。我們認(rèn)為只有系統(tǒng)地建立中藥指紋對(duì)照品標(biāo)準(zhǔn)系,才能真正實(shí)現(xiàn)中藥指紋圖譜的宏觀定性定量分析,才能真正地控制好中藥質(zhì)量。通常中藥色譜指紋圖譜宏觀定性分析是宏觀定量分析的基礎(chǔ)和必要前提,它解決中藥所含化學(xué)成分的種類(lèi)、數(shù)量和分布比例等問(wèn)題,顯得更為重要;宏觀定量分析建立在宏觀定性分析合格的基礎(chǔ)上,它直接判別中藥成分在總體上含量是否合格問(wèn)題,具有鮮明的實(shí)用性和可操作性。孫國(guó)祥等將中藥指紋圖譜的相似度評(píng)價(jià)劃分為定性相似度和定量相似度評(píng)價(jià)2個(gè)側(cè)面真實(shí)地符合指紋圖譜的特點(diǎn),提出了中藥色譜指紋圖譜全定性相似度和全定量相似度質(zhì)控體系,用定性相似度SF和比率定性相似度S′F構(gòu)成全定性相似度法,徹底地解決了中藥指紋圖譜定性相似度評(píng)價(jià)問(wèn)題;用模長(zhǎng)百分比W(%)與宏觀含量相似度R(%)、投影含量相似度C(%)與定量相似度P(%)、平均質(zhì)量百分?jǐn)?shù)M(%)與含量相似度Q(%)、校正平均質(zhì)量百分?jǐn)?shù)MF(%)與校正含量相似度QF(%)分別構(gòu)成第1、第2、第3、第4級(jí)全定量相似度法。規(guī)定全定性相似度大于0.9為必要條件;任選一組全定量相似度控制在85%～120%(藥材)和90%～110%(制劑)且組內(nèi)相差不超過(guò)10%為合格,建立了系統(tǒng)的中藥指紋圖譜的宏觀定性和定量評(píng)價(jià)新體系。其中以全定性相似度和第2級(jí)全定量相似度組合所構(gòu)成的雙定性雙定量相似度法是這一體系方法的最合理的集中代表。孫國(guó)祥等建立了定性定量評(píng)價(jià)功能兼?zhèn)涞闹兴幧V指紋圖譜乘方相似度評(píng)價(jià)法,具有很實(shí)用的特點(diǎn)。表3列出了目前可進(jìn)行相似度評(píng)價(jià)的共15種定性相似度法和17種定量相似度法,使用時(shí)應(yīng)根據(jù)需要選擇其中幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)即可。從宏觀定性和宏觀定量2個(gè)方面兼顧評(píng)價(jià)中藥色譜指紋圖譜所體現(xiàn)的中藥質(zhì)量是現(xiàn)代中藥質(zhì)控的最合理選擇和完善發(fā)展的必然方法。4統(tǒng)一化特征判據(jù)參數(shù)在研究指紋圖譜時(shí)遇到的一個(gè)基本問(wèn)題就是不同儀器采用相同方法檢測(cè)同一樣品的指紋圖譜的比較問(wèn)題,儀器間的系統(tǒng)差別導(dǎo)致比較有困難甚至無(wú)法進(jìn)行。孫國(guó)祥等提出統(tǒng)一化色譜指紋圖譜即取末指紋峰為參照物峰計(jì)算各峰統(tǒng)一化相對(duì)時(shí)間作橫坐標(biāo),取積分最大峰為另一參照物峰計(jì)算各峰統(tǒng)一化相對(duì)積分為縱坐標(biāo),所作圖稱為統(tǒng)一化色譜指紋圖譜。進(jìn)一步提出了中藥統(tǒng)一化色譜指紋圖譜理論假設(shè):1.假設(shè)指紋峰通過(guò)后移(保留時(shí)間延長(zhǎng))能夠使其峰面積增大至與最大峰相等而得到相對(duì)積分統(tǒng)一化參數(shù);2.假設(shè)所有指紋峰定點(diǎn)于最末峰位置時(shí)積分發(fā)生變化而得到相對(duì)時(shí)間統(tǒng)一化參數(shù)。據(jù)此建立了統(tǒng)一化中藥色譜指紋圖譜的特征判據(jù)參數(shù)包括:平均相對(duì)時(shí)間,平均相對(duì)積分,峰等距系數(shù),RA統(tǒng)一化相對(duì)時(shí)間均值,RA統(tǒng)一化相對(duì)時(shí)間和,峰后等距系數(shù),前等距RA統(tǒng)一化相對(duì)時(shí)間均值,后等距RA統(tǒng)一化相對(duì)時(shí)間均值,RT擴(kuò)展率,RT統(tǒng)一化相對(duì)積分和,RT統(tǒng)一化相對(duì)積分均值,RA擴(kuò)展率、積分速率指數(shù)和,平均積分速率指數(shù),峰體指數(shù)和,平均峰體指數(shù),擴(kuò)展比,積分效率指數(shù),色譜指紋圖譜定點(diǎn)指數(shù),色譜指紋圖譜定信號(hào)指數(shù),指紋相對(duì)空間占用率,相對(duì)時(shí)間斜率因子,RT對(duì)峰號(hào)的相關(guān)系數(shù),等距系數(shù)比率和定信號(hào)定點(diǎn)參數(shù)比值等25個(gè)參數(shù)。色譜指紋系統(tǒng)統(tǒng)一化特征判據(jù)參數(shù)可劃分為4類(lèi):Ⅰ.描述系統(tǒng)基本特征的判據(jù)參數(shù)(ˉrtrtˉˉˉ、ˉraraˉˉˉ、φ、k、r、α和α′,為雙因素直接獲得參數(shù)),7個(gè)參數(shù)用來(lái)揭示統(tǒng)一化色譜指紋圖譜和指紋峰相對(duì)特征變化特性規(guī)律;Ⅱ.描述系統(tǒng)指紋峰定點(diǎn)性質(zhì)參數(shù)(Fa/t、V,ˉvvˉ,g):4個(gè)參數(shù)描述在假設(shè)各指紋峰都在末指紋峰位置時(shí)相對(duì)積分的變化規(guī)律;Ⅲ.描述系統(tǒng)指紋峰定信號(hào)性質(zhì)參數(shù)(Ft/a、ˉbbˉ、B、ˉb′、ˉb″、f、π、p和ξ):9個(gè)參數(shù)描述在假設(shè)各指紋峰與最大指紋峰信號(hào)都相等時(shí)相對(duì)時(shí)間的變化規(guī)律。Ⅳ.描述系統(tǒng)指紋峰動(dòng)力參數(shù)(E、ˉe和ΣΛ、ˉΛ及q):5個(gè)參數(shù)描述綜合信號(hào)強(qiáng)度和時(shí)間因變量大小。π和ξ為新增參數(shù),定義見(jiàn)(1)、(2)式。上述4類(lèi)統(tǒng)一化參數(shù)總計(jì)25個(gè),通過(guò)對(duì)指紋峰積分、保留時(shí)間的統(tǒng)一化變換和對(duì)定信號(hào)、定點(diǎn)位置條件下的特征描述,實(shí)現(xiàn)對(duì)靜態(tài)圖譜的動(dòng)態(tài)化考察和揭示色譜指紋系統(tǒng)的固有特征。見(jiàn)表4。ξ=Ft/aFa/t=BV=ˉbˉv(1)π=ˉb′ˉb″(2)5中藥數(shù)字化指紋圖譜研究孫國(guó)祥等以MicrosoftVisualS2003開(kāi)發(fā)了基于Windows界面的“中藥色譜指紋圖譜超信息特征數(shù)字化評(píng)價(jià)系統(tǒng)3.0”軟件,將實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)信號(hào)首先進(jìn)行積分處理后,把獲得的積分信號(hào)直接調(diào)入該軟件中可即刻獲得中藥數(shù)字化色譜指紋圖譜的114個(gè)參數(shù)的計(jì)算結(jié)果。這些參數(shù)能提供十分詳細(xì)的中藥質(zhì)量變異信息,為理想地控制中藥質(zhì)量提供了重要的信息判定依據(jù),該軟件是進(jìn)行數(shù)字化指紋圖譜研究的最佳工具。雖然這些參數(shù)主要揭示化學(xué)指紋的質(zhì)量變異特征,隨著色譜指紋圖譜結(jié)合藥效活性規(guī)律研究的展開(kāi),參數(shù)數(shù)值的變異必然引起藥效的變化。因此,中藥數(shù)字化指紋圖譜技術(shù)所展示的應(yīng)是化學(xué)指紋與藥效的互動(dòng)性并應(yīng)清晰滲透到指紋圖譜研究過(guò)程每一刻。中藥數(shù)字化指紋圖譜就是借助合理的數(shù)學(xué)建模規(guī)范處理中藥色譜指紋圖譜,將中藥中許多復(fù)雜的化學(xué)和生物活性特征的綜合信息轉(zhuǎn)變?yōu)榱炕臄?shù)字,實(shí)現(xiàn)中藥數(shù)字化、定量化信息質(zhì)量控制[19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30]。6宏觀定性定量控制中藥質(zhì)量中藥數(shù)字化指紋圖譜具有通用性和實(shí)用性,直接面向生產(chǎn)實(shí)踐,是一種將多元化學(xué)成分構(gòu)成的n元空間向量表現(xiàn)的非線性質(zhì)量控制技術(shù)簡(jiǎn)易化、通俗化。通過(guò)n維參數(shù)采擷最大信息,著眼于宏觀規(guī)律性研究,能夠客觀化、整體化和多元化綜合化評(píng)價(jià)中藥質(zhì)量。因此數(shù)字化指紋圖譜從整體性出發(fā)、強(qiáng)調(diào)特征性參數(shù)存在于整體性之中,整體性參數(shù)也不是簡(jiǎn)單特征性參數(shù)的綜和。表1中參數(shù)用于標(biāo)定系統(tǒng)基本特征,是基礎(chǔ);表2中參數(shù)是對(duì)系統(tǒng)超信息特征的數(shù)據(jù)挖掘,揭示重要隱含信息;表3中參數(shù)是宏觀定性定量控制中藥質(zhì)量的評(píng)價(jià)方法,是最重要方法;表4中參數(shù)是對(duì)指紋圖譜虛擬變換評(píng)判和統(tǒng)一化處理;四者意義逐漸依次增強(qiáng),但各以前面數(shù)據(jù)為重要前提和基礎(chǔ)。數(shù)字化指紋圖譜利用現(xiàn)代信息技術(shù)對(duì)中藥色譜指紋圖譜原始信息進(jìn)行數(shù)字化加工處理,與現(xiàn)代分析技術(shù)、中藥學(xué)、中藥化學(xué)、藥理學(xué)、化學(xué)計(jì)量學(xué)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有機(jī)結(jié)合,簡(jiǎn)易化和最大限度揭示指紋圖譜隱含的定性、定量和生物活性信息。數(shù)字化指紋圖譜非常適合形成人工智能在線中藥指紋圖譜數(shù)據(jù)庫(kù),一旦形成,就可利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)共享中藥指紋圖譜研究成果,聚合全國(guó)或全世界中藥指紋圖譜研究的數(shù)據(jù)資源,對(duì)加速中藥現(xiàn)代化進(jìn)程具有十分重要現(xiàn)實(shí)意義和迫切性。本文公布的指標(biāo)均避免了復(fù)雜的數(shù)學(xué)處理方法,解決問(wèn)題時(shí)力爭(zhēng)簡(jiǎn)易化和可操作性