中藥數(shù)字化指紋圖譜基礎框架和核心框架

中藥數(shù)字化指紋圖譜基礎框架和核心框架

7000年前，人們使用指紋作為文檔，并使用簽名作為身份識別工具。由于指紋終生不變,人各不同,成為世界公認的最重要的個體特征而被廣泛應用于刑事偵探、保密工作。借用“指紋”一詞形象鮮明地表述經(jīng)現(xiàn)代分析儀器檢測得到的各種反映中藥材、半成品和中成藥(或植物藥)所含復雜化學物質(zhì)成分分布的量化特征關聯(lián)藥效活性控制為特點,從宏觀上整體反映中藥材、半成品和中成藥(或植物藥)中所含化學物質(zhì)成分的種類、數(shù)量和含量特征,并能量化揭示潛在復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,它不僅代表化學成分復雜性和分布的特征性而更重要的是代表中藥化學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)新實踐和生產(chǎn)所必備的基本要求。廣泛、豐富和高度自動化的現(xiàn)代分析儀器技術基本能消除環(huán)境和操作中各種因素對系統(tǒng)穩(wěn)定性和重現(xiàn)性變動的影響,可很容易獲得指紋圖譜,但其信息評價、獲取以及深層次數(shù)據(jù)挖掘卻難以簡便、快速、高效地進行。目前,分析中藥指紋圖譜特征信息時更多地采用了原始基礎性方法,效率低且方法單一,獲得有用信息量極少。面對研究中獲得的海量數(shù)據(jù)讓人有無所適從、束手無策的感覺,表現(xiàn)為對花費大量人力和物力獲得的中藥指紋圖譜數(shù)據(jù)的評價和數(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)學原理或數(shù)學方法對指紋圖譜本質(zhì)特征進行定義、表達、重組、模擬、信息挖掘等處理過程,將檢測方法和儀器檢測的信號數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成易于判別、能揭示潛在復雜的化學和生物活性信息特征的數(shù)字化信息。利用現(xiàn)代信息技術對中藥色譜指紋圖譜原始信息進行數(shù)字化加工處理,與現(xiàn)代分析技術、中藥學、中藥化學、藥理學、化學計量學和虛擬現(xiàn)實技術有機結(jié)合,簡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)學原理在中藥指紋圖譜研究中運用的具體化,是指紋圖譜研究的前沿性和核心課題。本文針對數(shù)字化指紋圖譜構(gòu)建內(nèi)容展開基礎性方法探討研究,本文所公布的指標全部實現(xiàn)軟件化計算即可使用孫國祥等研制的“中藥色譜指紋圖譜超信息特征數(shù)字化評價系統(tǒng)3.0”軟件進行數(shù)字化指紋圖譜研究(支持國內(nèi)外最常用的7種色譜工作站數(shù)據(jù)),具有簡單、便捷、快速和十分利于生產(chǎn)實踐質(zhì)控應用的特點,有重要的應用價值。1指紋圖譜的數(shù)字化基礎信息指紋峰特征技術參數(shù)是標定數(shù)字化指紋圖譜峰信息的基本特征和本質(zhì)屬性的指標,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間、峰高、半峰寬、理論塔板數(shù)、峰面積和峰面積百分數(shù)的基礎信息;以單參照物峰體系確定的相對時間和相對峰面積;以統(tǒng)一化參照物峰確定的統(tǒng)一化相對時間和統(tǒng)一化相對積分;以雙參照物峰體系確定的洗脫動量數(shù)和折合相對積分,一定程度上代表定量結(jié)構(gòu)性質(zhì)相關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);同時給出了代表指紋峰對相似度貢獻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)字化基礎信息來描述指紋系統(tǒng)的基本特征。考察和研究系統(tǒng)指紋峰特征技術參數(shù)變動情況能夠發(fā)現(xiàn)中藥質(zhì)量變異或檢測系統(tǒng)恒定性是否出現(xiàn)問題,指導科研或檢驗人員對供檢品的質(zhì)量作出適當?shù)奶幚?。指紋峰特征技術參數(shù)是數(shù)字化色譜指紋圖譜的根本參數(shù),是建立和應用指紋圖譜的基石。檢測中藥材、中藥飲片、標準浸膏、標準提取物、中藥配方顆粒和中藥制劑的指紋對照品可直接獲得即時檢測條件下的對照指紋圖譜特征技術參數(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)果是一個巨大的潛信息庫,一張二維HPLC指紋圖譜的數(shù)據(jù)量低者5000多個,多者幾十萬(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)中挖掘出的對中藥創(chuàng)新研究和質(zhì)量控制有效的、新穎的、潛在有價值的特征數(shù)據(jù)。結(jié)合不斷發(fā)展的計算機技術和化學計量學手段,通過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:Ⅰ.系統(tǒng)基本特征參數(shù)(6個):單因素直接獲得參數(shù),描述系統(tǒng)的簡單性特征;Ⅱ.系統(tǒng)分離特征參數(shù)(7個):二因素相關聯(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):描述峰信號大小、含量分布特征和均化性;Ⅳ.系統(tǒng)絕對綜合指數(shù)(5個):描述系統(tǒng)總信號強弱、均化性、分離率以及信息量綜合大小;Ⅴ.系統(tǒng)相對綜合指數(shù)(9個):描述系統(tǒng)獲得總信號強度、均化性、分離率、信息量的時間效率或樣品化學信息率大小。用此42個數(shù)字化特征參數(shù)可判斷不同種類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?？蓪崿F(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)指標可作為試驗條件的優(yōu)化目標函數(shù)。中藥質(zhì)量的微小變異能夠通過此42個指標清晰反映出來,能為進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)量藥材含有的化學信息量。通過對大量數(shù)據(jù)的精確分析進行評價和揭示數(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價中藥質(zhì)量的2個重要功能,前者是基礎和前提,后者是評價的高級階段,二者有機結(jié)合才能得到最合理質(zhì)量評價結(jié)果,撇開宏觀定量分析等于喪失中藥指紋圖譜的高級功能,宏觀定性定量分析恰當結(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階段,定量分析是高級階段,其準確與否與檢測時采集數(shù)據(jù)的代表性和準確性密切相關。從目前建立中藥材色譜指紋圖譜操作規(guī)程來看,收集代表性藥材樣品還有很大難度,這會直接影響所建立的對照指紋圖譜的可靠性,進而影響質(zhì)量評價的準確性。制劑工藝的恒定性也直接影響著制劑對照指紋圖譜的真實性。我們認為只有系統(tǒng)地建立中藥指紋對照品標準系,才能真正實現(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和必要前提,它解決中藥所含化學成分的種類、數(shù)量和分布比例等問題,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上,它直接判別中藥成分在總體上含量是否合格問題,具有鮮明的實用性和可操作性。孫國祥等將中藥指紋圖譜的相似度評價劃分為定性相似度和定量相似度評價2個側(cè)面真實地符合指紋圖譜的特點,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價問題;用模長百分比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)量百分數(shù)M(%)與含量相似度Q(%)、校正平均質(zhì)量百分數(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價新體系。其中以全定性相似度和第2級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。孫國祥等建立了定性定量評價功能兼?zhèn)涞闹兴幧V指紋圖譜乘方相似度評價法,具有很實用的特點。表3列出了目前可進行相似度評價的共15種定性相似度法和17種定量相似度法,使用時應根據(jù)需要選擇其中幾個參數(shù)進行評價即可。從宏觀定性和宏觀定量2個方面兼顧評價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)在研究指紋圖譜時遇到的一個基本問題就是不同儀器采用相同方法檢測同一樣品的指紋圖譜的比較問題,儀器間的系統(tǒng)差別導致比較有困難甚至無法進行。孫國祥等提出統(tǒng)一化色譜指紋圖譜即取末指紋峰為參照物峰計算各峰統(tǒng)一化相對時間作橫坐標,取積分最大峰為另一參照物峰計算各峰統(tǒng)一化相對積分為縱坐標,所作圖稱為統(tǒng)一化色譜指紋圖譜。進一步提出了中藥統(tǒng)一化色譜指紋圖譜理論假設:1.假設指紋峰通過后移(保留時間延長)能夠使其峰面積增大至與最大峰相等而得到相對積分統(tǒng)一化參數(shù);2.假設所有指紋峰定點于最末峰位置時積分發(fā)生變化而得到相對時間統(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:平均相對時間,平均相對積分,峰等距系數(shù),RA統(tǒng)一化相對時間均值,RA統(tǒng)一化相對時間和,峰后等距系數(shù),前等距RA統(tǒng)一化相對時間均值,后等距RA統(tǒng)一化相對時間均值,RT擴展率,RT統(tǒng)一化相對積分和,RT統(tǒng)一化相對積分均值,RA擴展率、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),擴展比,積分效率指數(shù),色譜指紋圖譜定點指數(shù),色譜指紋圖譜定信號指數(shù),指紋相對空間占用率,相對時間斜率因子,RT對峰號的相關系數(shù),等距系數(shù)比率和定信號定點參數(shù)比值等25個參數(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: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個參數(shù)用來揭示統(tǒng)一化色譜指紋圖譜和指紋峰相對特征變化特性規(guī)律;Ⅱ.描述系統(tǒng)指紋峰定點性質(zhì)參數(shù)(Fa/t、V,ˉvvˉ,g):4個參數(shù)描述在假設各指紋峰都在末指紋峰位置時相對積分的變化規(guī)律;Ⅲ.描述系統(tǒng)指紋峰定信號性質(zhì)參數(shù)(Ft/a、ˉbbˉ、B、ˉb′、ˉb″、f、π、p和ξ):9個參數(shù)描述在假設各指紋峰與最大指紋峰信號都相等時相對時間的變化規(guī)律。Ⅳ.描述系統(tǒng)指紋峰動力參數(shù)(E、ˉe和ΣΛ、ˉΛ及q):5個參數(shù)描述綜合信號強度和時間因變量大小。π和ξ為新增參數(shù),定義見(1)、(2)式。上述4類統(tǒng)一化參數(shù)總計25個,通過對指紋峰積分、保留時間的統(tǒng)一化變換和對定信號、定點位置條件下的特征描述,實現(xiàn)對靜態(tài)圖譜的動態(tài)化考察和揭示色譜指紋系統(tǒng)的固有特征。見表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祥等以MicrosoftVisualS2003開發(fā)了基于Windows界面的“中藥色譜指紋圖譜超信息特征數(shù)字化評價系統(tǒng)3.0”軟件,將實驗的數(shù)據(jù)信號首先進行積分處理后,把獲得的積分信號直接調(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個參數(shù)的計算結(jié)果。這些參數(shù)能提供十分詳細的中藥質(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,參數(shù)數(shù)值的變異必然引起藥效的變化。因此,中藥數(shù)字化指紋圖譜技術所展示的應是化學指紋與藥效的互動性并應清晰滲透到指紋圖譜研究過程每一刻。中藥數(shù)字化指紋圖譜就是借助合理的數(shù)學建模規(guī)范處理中藥色譜指紋圖譜,將中藥中許多復雜的化學和生物活性特征的綜合信息轉(zhuǎn)變?yōu)榱炕臄?shù)字,實現(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用性,直接面向生產(chǎn)實踐,是一種將多元化學成分構(gòu)成的n元空間向量表現(xiàn)的非線性質(zhì)量控制技術簡易化、通俗化。通過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價中藥質(zhì)量。因此數(shù)字化指紋圖譜從整體性出發(fā)、強調(diào)特征性參數(shù)存在于整體性之中,整體性參數(shù)也不是簡單特征性參數(shù)的綜和。表1中參數(shù)用于標定系統(tǒng)基本特征,是基礎;表2中參數(shù)是對系統(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)量的評價方法,是最重要方法;表4中參數(shù)是對指紋圖譜虛擬變換評判和統(tǒng)一化處理;四者意義逐漸依次增強,但各以前面數(shù)據(jù)為重要前提和基礎。數(shù)字化指紋圖譜利用現(xiàn)代信息技術對中藥色譜指紋圖譜原始信息進行數(shù)字化加工處理,與現(xiàn)代分析技術、中藥學、中藥化學、藥理學、化學計量學和虛擬現(xiàn)實技術有機結(jié)合,簡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,一旦形成,就可利用計算機網(wǎng)絡共享中藥指紋圖譜研究成果,聚合全國或全世界中藥指紋圖譜研究的數(shù)據(jù)資源,對加速中藥現(xiàn)代化進程具有十分重要現(xiàn)實意義和迫切性。本文公布的指標均避免了復雜的數(shù)學處理方法,解決問題時力爭簡易化和可操作性