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关键词：化学计量学；代谢组学；模式识别；中药；药物分析；综述
中图分类号：R285 文献标识码：A 文章编号：1005-5304（2013）10-0108-03
代谢组学是后基因时代出现的一门新兴“组学”学科，用能反映整体的代谢物图直接认识生理和生化状态，因此，能提供区别于其他“组学”的大量信息。而化学计量学作为一门以实验为基础的边缘学科，可将多变量的分析方法引入化学研究，并对实验中产生的海量数据进行提取分析，对中药的复杂性和多样性的分析能提供切实的技术支持。以临床实效为生命力的中医药学，是具有重大的理论和应用价值的实际复杂系统[1]。对这一复杂科学系统，运用还原法研究是必需的，但不是研究的落脚点和最终目的，最终要回到其理论体系即整体观上来，这就要有认识方法上的还原论、控制论与整体论、系统论的结合[2]。笔者现就化学计量学结合代谢组学的方法应用于中药分析中的研究作一综述。
1 关于代谢组学和化学计量学
代谢组学（metabonomics）是20世纪90年代中期发展起来的一门新兴学科，是关于生物体系受刺激或扰动（如将某个特定的基因变异或环境变化）后其代谢产物（内源代谢物质）种类、数量及其变化规律的科学[3]。它研究的是生物整体、系统或器官的内源性代谢物质的代谢途径及其所受内在或外在因素的影响。代谢组学研究的思想，不是把人作为一个孤立的体系，而是对人与环境（地理的、社会的）、人与肠道菌群之间的相互作用加以综合考虑[4]。这种思想与传统中医强调人与社会环境的整体观、四时和饮食对人的影响、辨证施治等思想是十分契合的[5]。近年来，随着分析科学、生命科学和药物动力学等学科的迅速发展，中外学者对中药复杂体系整体研究的手段日益丰富，研究所获取的各类信息数量也与日俱增。中草药复杂的成分加之新的分析技术，不可避免地需要对大量的化学测量数据进行处理，于是，如何对海量的信息进行有效的提取分析成为中药复方分析化学面临的一个新课题。
化学计量学（chemometrics）自20世纪70年代初诞生起，在施行化学量测的各个领域应用中得到了迅速发展和完善。国际化学计量学学会（International Chemometrics Society， ICS）对化学计量学作出了如下的定义：“化学计量学是一门通过统计学或数学方法将对化学体系的测量值与体系的状态之间建立联系的学科。”[6]化学计量学可以优化化学测量过程，并从化学测量数据中最大限度地提取有用的化学信息。另外，化学计量学的最大特征是将多变量分析方法引入化学研究[7]。从这些特点分析，化学计量学方法与中药整体研究思路相一致，同时结合代谢组学的方法为中药现代化与国际化的研究提供理论帮助。
2 基于化学计量学的代谢组学方法在中药分析中的研究
2.1 在中药药用植物代谢组学的应用
根据代谢组学的概念，植物代谢组学简单的定义是以植物为研究对象的代谢物组学。具体地说，植物代谢物组学研究不同物种、不同基因类型或不同生态类型的植物在不同生长时期或受某种刺激干扰前后的所有小分子代谢产物，对其进行定性、定量分析，并找出代谢变化的规律[8]。代谢组学为较为全面地研究植物复杂代谢过程及其产物，从而分析植物次生代谢网络结构、限速步骤，解析细胞活动过程，以及寻找植物间的亲缘关系等提供了可能，同时也为阐明中草药“黑箱体”、更好地评价中药提供了一个良好的平台[9]。
随着科技的进步，高通量分析技术为研究纷繁复杂的植物次生代谢体系提供了可能，同时也产生了前所未有的海量数据。可应用模式识别和多维统计分析等方法从这些大量的数据中获得有用的信息，这些方法能够为数据降维，使它们更易于可视化和分类[10]。
2.1.1 中药指纹图谱分析 基于代谢组学思想的化学分析平台得出的中药成分指纹图谱（数据库），包括了体现药效信息的多个有效部位的各种指纹图谱。中药的指纹图谱大都比较复杂，色谱图中各色谱峰的保留值易受各种因素的影响，海量的数据为分析人员带来了重大的挑战。化学计量学方法在分析指纹图谱数据领域受到了越来越多的关注，并且成功地解决了在研究中药代谢组学指纹图谱中遇到的难题。
Li等[11]利用局部最小二乘法结合主成分分析（PCA）来分析33个飞蓬样品的分类情况，结果表明该法更能从化学的角度来研究飞蓬中药色谱指纹图谱，从而评价飞蓬样品的质量，同时还为其他中药的质量评价提供了模式识别方法。Kim等[12]对3种麻黄植物Ephedra进行了核磁氢谱指纹图谱分析，通过主成分分析找到了它们之间的代谢物差异，证明指纹图谱分析是植物化学分类学的一个有力工具，并为其全面质量控制带来了可能。同时，代谢指纹图谱在拟南芥[13]和番茄[14]的研究中取得了成功。
2.1.2 不同“型”中药药用植物的代谢产物比较 中药材化学成分复杂，且多为植物的干燥器官，由于其生长土壤、产地气候、采收期、储存和炮制方法的不同而导致其化学成分产生差异[15]。同一名称的中药材可能来自不同基源的植物，同时中成药生产过程中各工艺环节的稳定性等多种因素对其产品的化学组成也有很大的影响[16]。利用代谢组学的方法可对中药的质量进行良好的控制，并通过数据的分析处理，对大量代谢物分析表征，为辨别中药混淆品种、应对中药材质量良莠不齐等问题提供依据。
Yamazaki等[17]应用代谢组学技术并利用PCA、偏最小二乘（PLS）处理方法对2个Perillafrutescens品种（红色和绿色型）进行了研究，发现花青素（Anthocyanin）在红色型的叶中含量较高，而在绿色型的叶中却没有发现，其他一些主要代谢物含量和分布并没有明显差别，因此认为花青素是区分2个品种的标志性成分。Choi等[18]用代谢组学结合PCA方法区分12种大麻（Cannabis sativa）的栽培品种，提供了优质种植品种。孟氏等[19]利用PLS回归分析方法确定影响刺五加茎品质的生态因子，为优化可持续利用药用植物资源提供理论依据。 对于珍稀名贵中药材，代谢组学提供了全面评价培养型和野生型之间的异同、筛选优良品种的方法学平台，为解决资源匮乏中药材提供了可能。
2.2 在中药复方研究中的应用
方剂（复方）是中医临床治疗经验的具体体现，是中药创新药物的源泉，充分认识方剂中药物之间的关系，有助于基于中医临床经验的创新药物研究工作[20]。基于整体观点的代谢组学将研究代谢调控网络变化应用于中药及复方的整体效应评价中符合中医药的整体观以及辨证论治的特点[21]。中药复方代谢组学产生的海量数据需要进行深层次的挖掘，化学模式识别的的数据挖掘方法成为其有利的应用手段。
Wang等[22]利用PCA、正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA）的数据处理方法对六味地黄丸的代谢轮廓进行表征，结果表明，全方相对于拆方对甲状腺素合用利血平造成的大鼠肾阴虚模型具有良好的回调效果。王氏等[23]利用PCA数据挖掘手段对茵陈蒿汤进行研究，初步确认乙醇性肝损伤的发生、发展和回调的的4个潜在生物标记物；并对CCl4导致的肝损伤模型利用茵陈蒿汤进行干预治疗，利用PCA及PLS的方法进行分析，只有在全方的条件下，茵陈蒿汤才能使CCl4导致的大鼠代谢紊乱得以调整，使尿液代谢组轮廓向正常回调[24]。另外，利用代谢组学技术对六味地黄丸干预前后的人尿液和血浆代谢组学研究，通过PCA方法研究初步表明六味地黄丸的长期给予对机体多级代谢通路的代谢表达展示了明显的积极调节作用[25]。
用代谢组学的方法结合化学计量学探究中药可能的作用机制和寻找其主要的生物活性物质，为快速找到中药的分子靶标提供了可能。
3 小结
代谢组学同基因组学、蛋白质组学、生物信息学一样，是系统生物学的重要组成部分，处于初步发展阶段。同时，化学计量学作为一个年轻学科还有大量基础工作有待完善。如果说分析技术打开了“一扇门”，那么，正确的数据分析方法和模型建立则是“找到宝藏”的钥匙。可以说，代谢组学研究离不开化学计量学，而代谢组学研究也为化学计量学的发展提供了新的平台。如何将化学计量学合理地与中药复方物质基础实验研究相结合，建立一套系统的、规范的物质基础研究体系，使化学计量学在中药现代化进程中发挥更加积极的作用，依然是研究者面临的课题。我们相信，将化学计量学与代谢组学有机结合是引领中药现代化的重要之举。
参考文献：
[1] 白云静，申洪波，孟庆刚，等.中医证候复杂性特性及证候研究思路探析[J].中国中医药信息杂志，2004，11（9）：7541.
[2] 吴巧凤，颜贤忠.代谢组学在我国中医药领域的应用[J].四川中医， 2008，26（3）：7-9.
[3] Nicholson JK， Wilson ID. Understanding global systems biology：metabonomics and the continuum of metabolism[J]. Nat Rev Drug Discov，2003，2（8）：668-676.
[4] Nicholson JK， Lindon JC， Holmes E. “Metabonomics”：understanding the metabolic responses of living systems to pathophysiological stimuli via multivariate statistical analysis of biological NMR spectroscopic data[J]. Xenobiotica，1999，29：1181-1189.
[5] 薛骞.代谢组学技术：中医药发展的重大契机[J].中华中医药学刊， 2008，26（1）：176-177.
[6] 倪永年.化学计量学在分析化学中的应用[M].北京：科学出版社，2004：1.
[7] 梁逸曾，龚范，俞汝勤.化学计量学用于中医药研究[J].化学进展，1999， 2（11）：208-212.
[8] 刘祥东，罗国安，王义明.代谢物组学应用的领域之二——植物代谢物组学[J].中成药，2006，28（10）：1515-1517.
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[11] Li BY， Hu Y， Liang YZ， et al. Quanality evalution of fingerprints of herbal medicine with chromatographic data[J]. Anal Chim Acta，2004，514：69-77.
[12] Kim HK， Choi YH， Erkelens C， et al. Metabolic fingerprinting of Ephedra species using 1H-NMR spectroscopy and principal component analysis[J]. Chem Pharm Bul，2005，53（1）：105.
[13] Gidmana E， Goodacreb R， Emmettc B， et al. Investigating plant-plant interference by metabolic fingerprinting[J]. Phytochemistry，2003，63：705-710. [14] Johnsonh E， Broadhurstd， Goodacrer， et al. Metabolic fingerprinting of salt-stressed tomatoes[J]. Phytochemistry， 2003，62：919-928.
[15] 周玉新.中药指纹图谱研究技术[M].北京：化学工业出版杜，2002：15.
[16] Hendriks MWB， Leyre CJ， Drice DB. Preprocessing and exploratory analysis of chromatographic profiles of plant extracts[J]. Anal Chim Acta，2005，545（1）：273-280.
[17] Yamazaki M， Nakajima J. Metabolomics and differential gene expression in anthocyanin chemovarietal forms of Perilla frutescens[J]. Phytochem，2003，62（6）：9872-995.
[18] Choi YH， Kim HK， Hazekamp A， et al. Metabolomic differentiation of cannabis sativa cultivars using 1H-NMR spectroscopy and principal component analysis[J]. J Nat Prod，2004，67（6）：953-957.
[19] 孟祥才，于冬梅，孙晖，等.偏最小二乘回归分析刺五加茎活性成分与生态因子相关性[J].现代中药研究与实践，2010，24（1）：17-21.
[20] 王喜军.基于药物代谢组学的中药及方剂中组分间协同增效作用[J].中国天然药物，2009，7（2）：90-94.
[21] 周明眉，刘平，贾伟，等.基于代谢网络变化的中药整体效应评价方法研究[J].世界科学技术—中医药现代化，2006，8（6）：113-119.
[22] Wang P， Sun H， Lv H， et al. Thyroxine and reserpine-induced changes in metabolic profiles of rat urine and the therapeutic effect of Liu Wei Di Huang Wan detected by UPLC-HDMS[J]. J Pharm Biomed Anal，2010，53：631-645.
[23] 王喜军，孙文军，孙晖，等.CCl4诱导大鼠肝损伤模型的代谢组学及茵陈蒿汤的干预作用研究[J].世界科学技术—中医药现代化，2007，8（6）：101-106.
[24] Wang X， Lv H， Sun H， et al. Metabolic urinary profiling of alcohol hepatotoxicity and intervention effects of Yin Chen Hao Tang in rats using ultra-performance liquid chromatography/ electrospray ionization quadruple time-of-flight mass spectrometry[J]. J Pharm Biomed Anal，2008，48：1161-1168.
[25] Wang X， Lv H， Zhang G， et al. Development and validation of a UPLC-ESI/MS method for analysis of metabolic phenotypes of healthy men in day and night[J]. Journal of Separation Science， 2008，31：2994-3001.
（收稿日期：2012-11-19，编辑：梅智胜）
中图分类号：R285 文献标识码：A 文章编号：1005-5304（2013）10-0108-03
代谢组学是后基因时代出现的一门新兴“组学”学科，用能反映整体的代谢物图直接认识生理和生化状态，因此，能提供区别于其他“组学”的大量信息。而化学计量学作为一门以实验为基础的边缘学科，可将多变量的分析方法引入化学研究，并对实验中产生的海量数据进行提取分析，对中药的复杂性和多样性的分析能提供切实的技术支持。以临床实效为生命力的中医药学，是具有重大的理论和应用价值的实际复杂系统[1]。对这一复杂科学系统，运用还原法研究是必需的，但不是研究的落脚点和最终目的，最终要回到其理论体系即整体观上来，这就要有认识方法上的还原论、控制论与整体论、系统论的结合[2]。笔者现就化学计量学结合代谢组学的方法应用于中药分析中的研究作一综述。
1 关于代谢组学和化学计量学
代谢组学（metabonomics）是20世纪90年代中期发展起来的一门新兴学科，是关于生物体系受刺激或扰动（如将某个特定的基因变异或环境变化）后其代谢产物（内源代谢物质）种类、数量及其变化规律的科学[3]。它研究的是生物整体、系统或器官的内源性代谢物质的代谢途径及其所受内在或外在因素的影响。代谢组学研究的思想，不是把人作为一个孤立的体系，而是对人与环境（地理的、社会的）、人与肠道菌群之间的相互作用加以综合考虑[4]。这种思想与传统中医强调人与社会环境的整体观、四时和饮食对人的影响、辨证施治等思想是十分契合的[5]。近年来，随着分析科学、生命科学和药物动力学等学科的迅速发展，中外学者对中药复杂体系整体研究的手段日益丰富，研究所获取的各类信息数量也与日俱增。中草药复杂的成分加之新的分析技术，不可避免地需要对大量的化学测量数据进行处理，于是，如何对海量的信息进行有效的提取分析成为中药复方分析化学面临的一个新课题。
化学计量学（chemometrics）自20世纪70年代初诞生起，在施行化学量测的各个领域应用中得到了迅速发展和完善。国际化学计量学学会（International Chemometrics Society， ICS）对化学计量学作出了如下的定义：“化学计量学是一门通过统计学或数学方法将对化学体系的测量值与体系的状态之间建立联系的学科。”[6]化学计量学可以优化化学测量过程，并从化学测量数据中最大限度地提取有用的化学信息。另外，化学计量学的最大特征是将多变量分析方法引入化学研究[7]。从这些特点分析，化学计量学方法与中药整体研究思路相一致，同时结合代谢组学的方法为中药现代化与国际化的研究提供理论帮助。
2 基于化学计量学的代谢组学方法在中药分析中的研究
2.1 在中药药用植物代谢组学的应用
根据代谢组学的概念，植物代谢组学简单的定义是以植物为研究对象的代谢物组学。具体地说，植物代谢物组学研究不同物种、不同基因类型或不同生态类型的植物在不同生长时期或受某种刺激干扰前后的所有小分子代谢产物，对其进行定性、定量分析，并找出代谢变化的规律[8]。代谢组学为较为全面地研究植物复杂代谢过程及其产物，从而分析植物次生代谢网络结构、限速步骤，解析细胞活动过程，以及寻找植物间的亲缘关系等提供了可能，同时也为阐明中草药“黑箱体”、更好地评价中药提供了一个良好的平台[9]。
随着科技的进步，高通量分析技术为研究纷繁复杂的植物次生代谢体系提供了可能，同时也产生了前所未有的海量数据。可应用模式识别和多维统计分析等方法从这些大量的数据中获得有用的信息，这些方法能够为数据降维，使它们更易于可视化和分类[10]。
2.1.1 中药指纹图谱分析 基于代谢组学思想的化学分析平台得出的中药成分指纹图谱（数据库），包括了体现药效信息的多个有效部位的各种指纹图谱。中药的指纹图谱大都比较复杂，色谱图中各色谱峰的保留值易受各种因素的影响，海量的数据为分析人员带来了重大的挑战。化学计量学方法在分析指纹图谱数据领域受到了越来越多的关注，并且成功地解决了在研究中药代谢组学指纹图谱中遇到的难题。
Li等[11]利用局部最小二乘法结合主成分分析（PCA）来分析33个飞蓬样品的分类情况，结果表明该法更能从化学的角度来研究飞蓬中药色谱指纹图谱，从而评价飞蓬样品的质量，同时还为其他中药的质量评价提供了模式识别方法。Kim等[12]对3种麻黄植物Ephedra进行了核磁氢谱指纹图谱分析，通过主成分分析找到了它们之间的代谢物差异，证明指纹图谱分析是植物化学分类学的一个有力工具，并为其全面质量控制带来了可能。同时，代谢指纹图谱在拟南芥[13]和番茄[14]的研究中取得了成功。
2.1.2 不同“型”中药药用植物的代谢产物比较 中药材化学成分复杂，且多为植物的干燥器官，由于其生长土壤、产地气候、采收期、储存和炮制方法的不同而导致其化学成分产生差异[15]。同一名称的中药材可能来自不同基源的植物，同时中成药生产过程中各工艺环节的稳定性等多种因素对其产品的化学组成也有很大的影响[16]。利用代谢组学的方法可对中药的质量进行良好的控制，并通过数据的分析处理，对大量代谢物分析表征，为辨别中药混淆品种、应对中药材质量良莠不齐等问题提供依据。
Yamazaki等[17]应用代谢组学技术并利用PCA、偏最小二乘（PLS）处理方法对2个Perillafrutescens品种（红色和绿色型）进行了研究，发现花青素（Anthocyanin）在红色型的叶中含量较高，而在绿色型的叶中却没有发现，其他一些主要代谢物含量和分布并没有明显差别，因此认为花青素是区分2个品种的标志性成分。Choi等[18]用代谢组学结合PCA方法区分12种大麻（Cannabis sativa）的栽培品种，提供了优质种植品种。孟氏等[19]利用PLS回归分析方法确定影响刺五加茎品质的生态因子，为优化可持续利用药用植物资源提供理论依据。 对于珍稀名贵中药材，代谢组学提供了全面评价培养型和野生型之间的异同、筛选优良品种的方法学平台，为解决资源匮乏中药材提供了可能。
2.2 在中药复方研究中的应用
方剂（复方）是中医临床治疗经验的具体体现，是中药创新药物的源泉，充分认识方剂中药物之间的关系，有助于基于中医临床经验的创新药物研究工作[20]。基于整体观点的代谢组学将研究代谢调控网络变化应用于中药及复方的整体效应评价中符合中医药的整体观以及辨证论治的特点[21]。中药复方代谢组学产生的海量数据需要进行深层次的挖掘，化学模式识别的的数据挖掘方法成为其有利的应用手段。
Wang等[22]利用PCA、正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA）的数据处理方法对六味地黄丸的代谢轮廓进行表征，结果表明，全方相对于拆方对甲状腺素合用利血平造成的大鼠肾阴虚模型具有良好的回调效果。王氏等[23]利用PCA数据挖掘手段对茵陈蒿汤进行研究，初步确认乙醇性肝损伤的发生、发展和回调的的4个潜在生物标记物；并对CCl4导致的肝损伤模型利用茵陈蒿汤进行干预治疗，利用PCA及PLS的方法进行分析，只有在全方的条件下，茵陈蒿汤才能使CCl4导致的大鼠代谢紊乱得以调整，使尿液代谢组轮廓向正常回调[24]。另外，利用代谢组学技术对六味地黄丸干预前后的人尿液和血浆代谢组学研究，通过PCA方法研究初步表明六味地黄丸的长期给予对机体多级代谢通路的代谢表达展示了明显的积极调节作用[25]。
用代谢组学的方法结合化学计量学探究中药可能的作用机制和寻找其主要的生物活性物质，为快速找到中药的分子靶标提供了可能。
3 小结
代谢组学同基因组学、蛋白质组学、生物信息学一样，是系统生物学的重要组成部分，处于初步发展阶段。同时，化学计量学作为一个年轻学科还有大量基础工作有待完善。如果说分析技术打开了“一扇门”，那么，正确的数据分析方法和模型建立则是“找到宝藏”的钥匙。可以说，代谢组学研究离不开化学计量学，而代谢组学研究也为化学计量学的发展提供了新的平台。如何将化学计量学合理地与中药复方物质基础实验研究相结合，建立一套系统的、规范的物质基础研究体系，使化学计量学在中药现代化进程中发挥更加积极的作用，依然是研究者面临的课题。我们相信，将化学计量学与代谢组学有机结合是引领中药现代化的重要之举。
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[22] Wang P， Sun H， Lv H， et al. Thyroxine and reserpine-induced changes in metabolic profiles of rat urine and the therapeutic effect of Liu Wei Di Huang Wan detected by UPLC-HDMS[J]. J Pharm Biomed Anal，2010，53：631-645.
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[24] Wang X， Lv H， Sun H， et al. Metabolic urinary profiling of alcohol hepatotoxicity and intervention effects of Yin Chen Hao Tang in rats using ultra-performance liquid chromatography/ electrospray ionization quadruple time-of-flight mass spectrometry[J]. J Pharm Biomed Anal，2008，48：1161-1168.
[25] Wang X， Lv H， Zhang G， et al. Development and validation of a UPLC-ESI/MS method for analysis of metabolic phenotypes of healthy men in day and night[J]. Journal of Separation Science， 2008，31：2994-3001.
（收稿日期：2012-11-19，编辑：梅智胜）