全 文 ：中药现代化论坛
中药材指纹体系
李晓波1,屠鹏飞2
( 1 上海交通大学药学院, 上海 200030; 2 北京大学药学院 中医药现代研究中心,北京 100083)
摘 要:建立反映中药材整体信息的指纹体系是现阶段全面、有效控制中药材质量的手段。中药材指纹体系是采
用化学指纹图谱和基因指纹图谱来分别表述、控制中药材的多元化学组份和源于生物体的特性, 从有效成分和遗
传物质两方面实现对中药材质量的控制。基因指纹图谱可从遗传物质上进一步佐证中药区别于化学药品的特性。
基因指纹与化学指纹相结合,对于中药的品种鉴定、质量评价、药用优良品种的选育都具有重要的意义。实施中药
材指纹体系, 首先要建立药典品种的含多种检测方法的化学指纹和基因指纹图谱库, 其次要建立指纹图谱的计算
机模式识别系统。
关键词:中药材; 质量标准;指纹图谱; 基因指纹图谱;中药现代化
中图分类号: R282 文献标识码: A 文章编号: 0253 2670( 2003) 05 0385 03
Fingerprint system of Chinese medicinal materials
LI Xiao-bo
1
, TU Peng- fei
2
( 1 School of Pharmacy, Shanghai Jiao Tong University , Shanghai 200030, China; 2 School of
Pharmaceutical Sciences, Modern Research Center fo r TCM , Peking University, Beijing 100083, China)
Abstract: A novel f ingerprint system of Chinese medicinal materials employing both DNA and chem ical
means has been proposed To establish the fing erprint system is very effect ive to the quality cont rol of Chinese
medicinal materials, because it w ill be controlled f rom chemical substance and genet ic informat ion The chem ical
components and DNA fingerprints w ill show the complex chemical components and biological source, respect ive-
ly DNA fingerprint could g ive a further proof to dist inguish Chinese materia medica from the chemical T he
combination of chem ical and DNA fingerprints is const ruct ive to quality cont rol of Chinese materia medica, the
cult ivar identificat ion and the select ive breed of good varieties for medicinal use To carry out the fing erprint sys-
tem of Chinese medicinal materials, it is necessary to establish f ingerprint database of Chinese medicinal mater-i
als, including chem ical and DNA fingerprint , as well as many detection methods, and the pattern recognit ion
system by computer is also necessary
Key words: Chinese medicinal materials; quality standard; f ingerprint ; DNA fingerprint; modernizat ion of
Chinese materia medica
中药引入指纹图谱的概念和技术其目的在于将
中药与化学药品区别开来, 充分体现中药的整体效
应。然而, 多组份的化学指纹图谱虽解决了中药非
单一组份、单一化合物的问题,却依旧是将中药定位
于化学物质的层面上,中药的另一重要特征, 即源于
自然的生物特性不能表述, 尤其对于原料药的中药
材和饮片。因此健全、发展中药材质量标准, 必须建
立反映中药材全貌的指纹体系, 即反映中药材的多
元化学组分特性的化学指纹图谱和反映生物体(除
矿物、树脂类外)特性的基因指纹图谱[ 1] , 从有效成
分和遗传物质两方面实现对中药材的完全质量控
制,为中药材以及中成药提供综合的、可量化的质量
评价方法。基因与化学指纹相结合, 对于中药的品
种鉴定、质量评价、药用优良品种的选育都具有重要
意义。
1 中药材指纹体系的组成
指纹识别技术是一种重要的生物特征鉴别技术,
不仅指纹具有唯一性,决定指纹的遗传物质本身同样
385中草药 Chinese T raditional and Herbal Drugs 第 34 卷第 5 期 2003年 5月
收稿日期: 2002-08- 19作者简介:李晓波( 1963- ) ,女,博士,教授, 1991年 1998年赴日留学攻读学位,主要从事生药学、分子生物学研究。
T el: ( 021) 62932500 E-mail: xbli@ mailsjtu edu cn
具有唯一性。以遗传物质分析为基础的遗传指纹图
谱技术(包括种子蛋白、同工酶和 DNA)可进行物种
鉴定。基于中药所含化学成分的多样性而提出的中
药指纹图谱是标示中药化学物质特性,并力图使化
学成分的色谱/光谱具有指纹特异性,用于评价中
药及其产品质量。中药不同于化学药品, 中药中
90%以上来自生物体, 这其中又有 90%是来自于植
物。那么,中药除化学成分特性外的另一特性 生
物特性就必须标示,只有这样才能实现对中药的药效
特异性的化学表述和中药的自身特异性的生物学表
述。通过化学指纹图谱的量(表现型, phenotype)控
制中药产品的质(等效性, equivalence) ; 通过基因指
纹图谱的质 生物本质(基因型, genotype)控制
化学指纹图谱的量,从而实现中药材指纹控制的
整体性和特征性。此外,基因指纹可从遗传物质上进
一步佐证中药区别于化学药品。
2 建立中药材指纹体系的必要性
21 实现中药材的质量控制标准的规范化、现代
化:药材质量的优劣与产地、品种、栽培技术、采收、
炮制、贮藏等多种因素有特定的相关性, 如道地药
材、品种的真伪优劣所造成疗效差异; 不同采收季
节、年限所含有效物质含量的差异等。据此, 中药注
射剂指纹图谱是在固定中药材品种、产地和采收期
的前提下建立的。但栽培药材由于长期栽培, 导
致品种退化,其是否还具有与最初研究结果等同的
药效, 目前尚未与药效结合的化学指纹图谱依然无
法回答。因此, 在制定以有效成分(组分)标准、化学
指纹图谱的同时,应制定出物种的生物学标准。
实施中药材指纹体系的质量控制, 可充分体现
中药材的整体特性(多成分的化学特性、源于自然的
生物特性) ,更准确鉴别不同中药以及识别中药本身
的真伪优劣。
22 实现道地药材为代表的中药的全息描述:加入
WTO,以道地药材为代表的传统中药将发挥其比较
优势。道地药材是来源于特定区域的优质药材, 实
质上是遗传物质和生态因子的长期相互作用的产
物。道地药材的优质性不仅仅体现在有效成分的含
量上,在性状特征上也有其特定的表述,而这些性状
特性是无法通过化学指纹图谱表述出来的。化学指
纹图谱解决了中药材品种真伪(如珍稀名贵药材的
以假乱真)、采收时间(化学成分积累与生长季节的
不同)的问题,但无法解决品种不纯(如同属植物的
成分相似性情况下的替代)、道地药材与非道地药材
除化学成分以外的道地品质的控制等。中药材的基
因指纹可以揭示道地的本质、评价道地性,从而实
现优质中药材的全息描述。
23 药用基因资源,中药品种的保护: 药用动植物
的保护是中药材可持续利用的先决条件, 也是中药
持续发展的决定因素。虽然我国有着丰富的中药资
源,但是 1999年公布的国家重点保护野生植物名
录(第一批) 中的 419种 ( 13 类)中, 药用植物 101
种。濒危药用动植物的保护已被列入了十五国家
科技攻关计划重大项目的中医药现代化及产业化
计划中。建立中药材指纹体系,并结合中药材特征
性基因[ 2] , 从遗传多样性上保护中药的基因资源,
尤其是濒危种和我国特有种,防止国有资源的流失。
同时,由于指纹图谱体系中包括了原料药的生物信
息 品种的分子遗传标记, 在入世后的今天则更
有利于中药品种的产权保护,为今后的进一步开发
利用提供基础和保障。
3 中药材指纹体系实施的可行性
31 化学指纹图谱:我国中药指纹图谱的研究已有
相当的基础,最早可以追溯到 20世纪 60年代, 如采
用薄层色谱、紫外光谱、红外光谱法制定中药材的指
纹图谱。迄今,研究方法涉及了高效液相色谱、高效
毛细管电泳、核磁共振等。然而,总结、制定出适合
于中药材的化学指纹图谱的技术标准是当务之急。
谢培山[ 3, 4]全面分析了色谱指纹图谱作为中草药质
量控制的可行性, 并列举了人参、黄连、高良姜、厚朴
等的指纹图谱的研究实例。屠鹏飞[ 5]系统探讨了
采用高效液相色谱法制定中药材及中药注射剂特征
指纹图谱的方法学。还有学者认为, 在药效学指导
下进行中药材指纹图谱的研究, 能够保证指纹图谱
反映化学成分包括中药材中有效部位所含绝大部分
成分,或有效成分的全部,将其综合分析可以对中药
材的优劣和真伪做出判断;在没有药效学实验佐证
的情况下,以中药材的指纹图谱峰为特征,进行数学
分类处理,并与生药学鉴定结果相比较,可以对其质
量进行分类[ 6]。指纹图谱作为一项新技术用于中
药尚有许多有待解决的问题,特别是怎样从学术成
果转变成产业界可实际应用的技术。
32 基因指纹图谱:基因指纹图谱是指采用分子标
记技术得到的某一中药材品种的 DNA 指纹图谱。
自 1994 年 Cheung [ 7] 首 次 将 任意 引 物 PCR
( arbitarily primer polymerase chain react ion, AP-
PCR)技术用于区别西洋参和人参后,近年来大量的
研究结果表明,通过基因指纹图谱可以有效地鉴别
中药的品种, 尤其适合于同属不同种类或同种不同
386 中草药 Chinese T raditional and Herbal Drugs 第 34 卷第 5 期 2003年 5月
变种、变型、品系的鉴别。Kohjyouma等[ 8]用随机扩
增多态性 DNA ( randomly amplified polymorphic
DNA, RAPD ) 技术比较了苍术属 ( A tracty lodes
DC) 5种植物茅苍术 A lancea ( T hunb) DC、北
苍术 A chinese ( DC ) Koidz、单叶苍术 A
lancea var simp licif olia Kitamura、关苍术 A
j aponica Koidz ex Kitam 和白 术 A ovata
T hunb, 24个地理品种的遗传关系。在筛选 20 个
随机引物中 3个引物产生的多态可区分苍术的几个
品种, 并可解释不同苍术间所含精油成分的差异。
Gillan等[ 9] 对来源于 3 个组 17 份大麻 Cannabis
sat iva L 样品同时应用 RAPD与 HPLC法鉴别,其
中有 2组的样品 HPLC 法难以区分, 但 RAPD技术
可有效地区别所有 3组样品。此外, Shirota等[ 10]对
大麻的 RAPD分析结果表明, 用 DNA 标记的方法
可以同来区分不同的化学型。
基因指纹图谱在中药方面的应用还在于揭示化
学成分变化的遗传本质。Sangw an 等[ 11]对引种 10
年的印度艾属植物黄花蒿 Ar temisia annua L
青蒿进行 RAPD 分析, 结果显示出明显的差
异, RAPD和化学分析数据表明了化学多样性是包
含在遗传多样性之中的。Baum 等[ 12]对 50 个以上
紫锥菊 Echinacea purpurea Moench 栽培样品进行
AFLP 分析,同时采用 HPLC测定 teriaene和菊苣酸
( cichoric acid)的含量变化, 结果证明化学成分的变
化与 DNA多态有极强的关联性, 指出 DNA指纹可
以作为定量的化学标示。可见, 将基因指纹与化学
指纹相结合,对于中药的品种鉴定、质量评价、药用
优良品种的选育都具有重要的意义。
4 中药材指纹体系的实施办法
41 建立药典品种的中药材指纹图谱库:首先对药
典品种进行系统研究, 建立药典品种的含多种检测
方法的中药材指纹图谱库, 包括化学指纹和基因指
纹。对于单一来源的药材, 可通过多产地 (或栽培
地)的样品分析、比较, 确定特征性的指纹。对于多
来源中药材的指纹图谱, 应先鉴定药材品种, 各品种
分别研究其指纹图谱,通过比较、找出各品种之间指
纹图谱的共性和特性, 采用其共性指纹标定该类药
材的质量, 采用特性指纹标定药材的品种和该药材
的质量。有了标准药材的指纹图谱库, 在制定具体
中成药品种的质量标准时便更简单、易行。
42 建立指纹图谱的计算机模式识别系统: 指纹体
系可通过光谱/色谱的峰高、峰数和 DNA电泳图像中
的DNA条带的有无、多少来反映中药整体信息, 实质
上是中药的物质形态的数字化。数字化的结果应采
用相应的数字分析手段,建立评价中药材质量的最优
方法和程序。计算机解析和识别技术可以避免人工
比较造成的工作繁重、准确性差等弊端。指纹图谱的
计算机模拟识别系统是实现将数字化的中药推向世
界的最佳手段。计算机模式识别系统可识别不同检
测方法的化学指纹图谱以及各种基因指纹图谱,并能
评价指纹图谱的相关性,以相关性判断供试品合格与
否,简便、客观、实用。国内已有 TLC,HPLC, IR以及
RAPD的计算机模式识别的研究报道。
5 结语
化学与基因指纹图谱相结合的中药材指纹体系
的全面实施将使中药材质量量化、标准化、现代化,
无限量推动中药现代化、国际化进程。
References:
[ 1] Li X B Endow ed Chinese t radit ional m edicines w ith fingerprint s
[ A] I nter national Sy mp osium on S tr ategic Goal s of Phar ma-
cognost ical S tud ies Dur ing the 21 st Century ( 21世纪国际生药
学研究战略目标研讨会论文集) [ C] 2001, 68- 69
[ 2] Li X B A tentat ive study on characterist ic DNA sequence of
Chinese crude drugs [ J] Wor ld S ci T ech - Mod T radi t Chin
Med (世界科学技术中药现代化) , 2000, 2( 3) : 19-21
[ 3] Xie P S On the feasibility of applicat ion of ch romatograph ic f in-
gerprint ident if icat ion to herbal medicat ion [ J] Chin Tr ad it
Pat Med (中成药) , 2000, 22( 6) : 391-394
[ 4] Xie P S A feasible strategy for applying chromatography f inger-
print to assess quality of Chinese herbal medicine [ J] Tr ad it
Chin Drug R es Clin Pharmacol (中药新药与临床药理 ) ,
2001, 12( 3) : 141- 151
[ 5] Tu P F Th e discussion about characterist ic fingerprint establ ish-
ment of Chinese medicinal materials and injection preparat ion by
high performance liquid ch romatography [ J ] Chin Tr ad it Pat
Med (中成药) , 2000, 22( 7) : 516
[ 6] Li Y J, Wang R, Che Z T , et al S tudies on quality cont rol of
crude drugs by f ingerprint [ J] T radi t Chin Dr ug Res Clin
Pharmacol (中药新药与临床药理) , 2001, 12( 3) : 192- 195
[ 7] Cheung K S, Kw an H S, But P P H , et al Pharmacognost ical
ident ificat ion of American and oriental ginseng roots by genomic
fingerprint ing using arbit rarily primer polymerase chain react ion
( AR-PCR) [ J] J Eth nopharm acol , 1994, 42: 67-68
[ 8] Kohjyouma M, Nakajima S, Namera A, et al Random ampl-i
fied polymorphic DNA analysis and variat ion of essential oil com-
ponents of A tractylodes plants [ J] Biol Pharm B ull , 1997, 20
( 5) : 502-506
[ 9] Gillan R, Cole M D, Linacer A, et al Comparison of Cann bis
sati v a by random amplification of polymorph ic DNA ( RAPD)
and HPLC of cannabinoids: a preliminary study [ J] Sci Jus-
t ice, 1995, 35( 3) : 169- 177
[ 10] Shirota O, Watanabe A, Yamazak i M , e t al Random amplified
polymorph ic DNA and rest rict ion fragment length polymorphism
analysis of Cannabi s sat iv a [ J] N at Med , 1998, 52( 2) : 160-
166
[ 11] Sangw an R S, S angwan N S, Jain D C, et al RAPD profile
based genet ic characterizat ion of chemotypic variants of
A rtemisia annua L [ J] Biochem Mol Biol I nt , 1999, 47
( 6) : 935-944
[ 12] Baum B R, M echanda S, L ivesey J F, et al Predict ing quant-i
tative phytochemical markers in singer Echinacca plants or
clones f rom their DNA f ingerprint s [ J] Phytochemist ry, 2001,
56( 6) : 543-549
387中草药 Chinese T raditional and Herbal Drugs 第 34 卷第 5 期 2003年 5月