質譜技術在中藥研究中的應用進展

張俊杰，賈金萍，秦雪梅

(1.山西大學 大型科學儀器中心，山西 太原 030006；2.山西大學 中醫藥現代研究中心,山西 太原 030006)

特約來稿

質譜技術在中藥研究中的應用進展

張俊杰1，賈金萍1，秦雪梅2*

(1.山西大學 大型科學儀器中心，山西 太原 030006；2.山西大學 中醫藥現代研究中心,山西 太原 030006)

中藥是中華傳統醫學的瑰寶，在我國已廣泛應用于疾病預防和治療中，但其存在化學成分復雜、作用機制不明確等問題，制約了中藥現代化及國際化的發展進程。質譜技術具有高靈敏度、高選擇性、高穩定性及高通量的特點，特別適合于中藥復雜成分及其代謝物的定性定量分析。該文綜述了近年來質譜技術在中藥成分鑒定及質量控制、中藥代謝組學及中藥藥代動力學研究方面的典型應用，并對存在的問題及改進方法進行了展望。

質譜(MS)；中藥；質量控制；代謝組學；藥代動力學

中藥是中華文明值得驕傲的財富，歷經了幾個世紀的發展，在中國本土范圍內，對疾病的預防和治療發揮了重要作用。相比傳統西藥化學成分單一，靶點單一，藥物代謝機制明確，中藥中的化合物種類眾多，結構復雜，濃度范圍分布廣泛，活性成分往往是未知的次級代謝產物，且結構復雜多樣，作用于機體后，靶點多，作用機制尚待進一步明確[1]，中藥的這些特性對其分離分析技術提出了很高的要求，亟需發展靈敏度高、選擇性好、抗干擾能力強和化合物覆蓋度高的分析方法。質譜具有靈敏度高、特異性強、穩定性佳、分析化合物種類廣泛等優點[2]，可滿足中藥研究的需求，非常適用于中藥成分分析及質量控制、作用機制和藥物代謝等方面的研究，已成為中藥研究的重要工具。本文在介紹質譜分析技術特長的基礎上，綜述了近年來其在中藥質控、代謝組學和藥代動力學方面的應用進展，旨在為中藥研究提供借鑒。

1 質譜技術的特點

質譜(Mass spectrometry,MS)是測定同位素峰的儀器，是質量篩選和分析器，通過檢測無機或者有機化合物的質荷比(m/z)對物質進行定性定量。中性分子可通過多種進樣方式被引入質譜儀，經不同離子化方式，生成帶電離子。多種帶電離子在施加電場或者磁場的高真空質量分析器中，根據自身特定的質荷比形成各自不同的運動軌跡而相互分離，經數據記錄和轉換，生成質譜圖[3-5]。

1.1 技術特點

核磁共振、紅外光譜、紫外光譜和質譜是物質結構鑒定的4大波譜工具。核磁共振技術檢測無偏向性，對所有物質的靈敏度相同，樣品處理無損傷性且較為簡單，通量高，有良好的重復性和低成本性，但存在靈敏度低、檢測動態范圍窄等缺點[6]。紫外光譜只適應于含不飽和鍵及芳香環基團的物質的定性定量分析，適用范圍小，定量靈敏度低，通常只能達到微克級別的物質定量。紅外光譜技術能夠實現許多無機化合物和幾乎所有有機化合物的無損定性分析，分析快速，但定量分析時受到的干擾因素較多，分析結果誤差較大，靈敏度較低，不適合痕量化合物的分析。相比而言，質譜技術適用于多種化合物的同時高選擇性分析，重復性好，檢測靈敏度在納克以下，線性范圍寬[7]，因此，質譜在化合物定性定量分析領域的應用越來越廣泛。

自1912年第一臺質譜儀的誕生，經過100多年，質譜技術在進樣方式、離子化種類、質量分析器類型、檢測器、數據處理技術及軟件等方面有了長足的發展，質譜分辨率、掃描速度、靈敏度和分析化合物的覆蓋度等性能得到了不斷提高[3-5]。

1.2 質譜技術分類與應用范圍

1.2.1 低分辨質譜與高分辨質譜 按照質量分析器特性，質譜分為低分辨和高分辨質譜。低分辨質量分析器如四極桿分析器(Quadrupole analyzer，Q)、離子阱(Ion trap，IT)、串聯四極桿(Triple quadrupole，QQQ)和四極桿-線性離子阱(Q-Trap)等在化合物定性方面表現稍差，但可通過離子選擇作用，極大提高化合物的定量靈敏度和穩定性，且成本相對低廉，是化合物定量的可靠方法。使用靜電場軌道阱(Orbitrap)、飛行時間(Time of flight，TOF)和傅立葉變換離子回旋共振(Fourier transform ion cyclotron resonance，FT-ICR)等質量分析器的高分辨質譜儀，質量分辨率可達到幾萬至幾千萬，適合于化合物精確分子量及二級結構的精準分析，同時，高分辨質譜在化合物的定量方面表現優越，但高分辨質譜價格和維護成本均較高。

1.2.2 有機質譜與無機質譜 按照分析對象，質譜可分為無機質譜和有機質譜。對無機化合物進行定性定量分析的質譜方法是無機質譜。早期以火花源質譜儀為主，目前，將電感耦合等離子體(Inductively coupled plasma，ICP)電離源與質譜成功地結合的電感耦合等離子體質譜(ICP-MS)，成為無機質譜的典型代表，使質譜法更廣泛地用于無機物的分析。ICP起到離子源的作用，高溫的等離子體使樣品中的大多數元素電離出一個電子而形成了一價正離子，它利用在電感線圈上施加強大功率的高頻射頻信號而在線圈內部形成高溫等離子體，并通過氣體的推動，保證了等離子體的平衡和持續電離。無機質譜具有超高靈敏度，可對納克或納克以下的微量元素進行定性定量分析，與其他元素分析技術相比，ICP-MS具有測定速度快、線性范圍寬、靈敏度高、可同時分析多種元素等優點[8]。

有機質譜針對有機化合物進行定性定量分析，可獲得有機物分子的質荷比及相關結構信息。該技術適合于對自然界小分子代謝物及大分子代謝物如多肽、蛋白質和核酸等多種有機物質進行分離分析。有機質譜的離子化方式具有多樣性，如電子轟擊電離(Electronic ionization，EI)、化學電離(Chemical ionization，CI)、電噴霧電離(Electrospray ionization，ESI)、基質輔助激光解吸電離(Matrix assisted laser desorption ionization，MALDI)及環境離子化電離(Desorption electrospray ionization，DESI)等，適合于不同化合物的分析[9]。

1.2.3 直接進樣質譜與色譜-質譜聯用技術 按照進樣方式，有機和無機質譜均可分為直接進樣及色譜-質譜聯用。直接進樣無機質譜通常在2 min內即可實現元素含量的準確測定，方便快捷，但僅能測出元素的總量。由于同一種元素，在自然界存在不同形態，且同一元素不同形態間的性質和毒性差異很大，需分別對其進行測定分析，氣相色譜(Gas chromatography，GC)、液相色譜(Liquid chromatography，LC)和毛細管電泳(Capillary electrophoresis，CE)偶聯ICP-MS技術，是元素形態分析的重要工具[10]。

采用直接進樣有機質譜對復雜樣品分析時不需任何前處理過程，具有快速、高通量的優點[11]。但直接進樣存在基質效應，靈敏度稍差。而采用色譜-有機質譜聯用，如氣相色譜-質譜聯用(GC-MS)、液相色譜-質譜聯用(LC-MS)及毛細管電泳-質譜聯用(CE-MS)等技術，既具有色譜分離效率高、離子抑制小和分離機制多樣化的特點，又兼有質譜靈敏度高、選擇性好和分辨率高的特點，尤其適合于復雜樣品的分離分析[12-15]。具體來說，GC-MS根據揮發性及質荷比的差異進行物質的分離檢測，主要適用于揮發性和半揮發性化合物，也可借助衍生方法，將非揮發的物質轉化成易揮發組分進行測定，如將氨基酸、有機酸、糖、脂肪酸等含有活潑氫的代謝物硅烷化衍生后進行GC-MS檢測[16]。GC-MS的優點是靈敏度高、穩定性好及分離效率高，另外，色譜的保留時間、保留指數及可參考的標準樣品質譜庫(如NIST，Wiley，Fiehn等)便于代謝產物的定性指認。LC-MS兼具液相色譜高效的分離能力、選擇性和質譜的高靈敏度、高分辨率等優點，適合于高沸點、強極性、熱穩定性差及高分子量化合物的檢測，方法可塑性強，可通過改變液相色譜填料類型、流動相種類、離子化方式及質譜檢測模式，實現不同代謝物的分析檢測[17]。由于中藥約80%的成分屬于非揮發性和熱不穩定成分，不適合GC-MS無衍生分析，因此，LC-MS是中藥分析的主流技術[18-19]。CE-MS則以毛細管柱為分離通道，在高壓電場作用下，根據化合物質荷比及遷移速度不同進行分離檢測。該方法結合了毛細管電泳的簡單、高效、快速、進樣方式多樣、進樣體積微量，以及質譜分辨率高的優點，特別適合帶電、親水、極性化合物(如氨基酸、核苷酸、磷酸糖和胺類等物質)的分離[20]。Soga等[21]基于標準樣品實驗及保留時間校正方法，建立了CE-MS平臺標準樣品數據庫，可達到對氨基酸、胺類、磷酸糖、有機酸及核苷類等約352種代謝物的分析。此外，CE-MS還具有納升進樣，試劑消耗少，污染小，環境友好等優勢。近年來，不同分離性質的色譜柱正交使用，如二維氣相色譜及二維液相色譜技術，極大地增強了分析靈敏度、分辨率和峰容量[22-23]，其中全二維的GC-MS和LC-MS，尤其適合于中藥復雜體系化合物的定性定量分析。

2 質譜技術在中藥研究中的應用

2.1 中藥成分鑒定及質量控制

2.1.1 中藥成分鑒定 中藥成分鑒定主要關注中藥活性物質的發現及結構鑒定，其中，次級代謝產物如芳香類、生物堿、萜類、甾體類和長鏈脂肪族類成分等，往往是中藥發揮其治療作用的物質基礎[24]，因此，對中藥次級代謝物的研究至關重要。但中藥次級代謝產物研究存在已知物種類和數量有限，未知物濃度低，且分離、發現和鑒定困難等問題。

(1)次級代謝物的定性分析：質譜的高分辨率為定性的準確性提供了保障。FT-ICR是目前為止質量準確度和分辨率最高的質譜儀，在蛋白組學、代謝組學等對復雜生物樣品的分析研究中起到很大作用。Han等[25]比較了FT-ICR直接進樣法與液相色譜-FT-ICR質譜聯用法對中藥苦碟子注射液中化學成分的發現和鑒定能力。兩種方法可檢測到包括酚酸、核苷、黃酮和倍半萜內酯等在內的42種一致的化合物，直接進樣雖比液質聯用分析少測出5種成分，但其分析時間只需2 min，說明兩種方法定性效果相當，但直接進樣法有效縮短了分析時間，適用于中藥成分的高通量、快速識別鑒定。Xu等[26]采用LC-QTOF技術，發展了一種新的定性策略，對吳茱萸湯中的化合物進行了定性研究。采用先進的數據處理方法，經過質量精確篩選、質量缺失過濾、碎片過濾及干擾離子過濾，去除假陽性，使定性結果更加準確可靠。35 min內即可對23種吳茱萸堿及其類似生物堿、12種類檸檬苦素、17種姜辣素、38種人參皂苷、15種黃酮、16種有機酸、14種生物堿和5種皂角苷等168種化合物進行定性。二維色譜-質譜聯用，適合于中藥復雜次級代謝物的定性分析。全二維GC-MS通過調制器將不同分離機制的兩根氣相色譜柱進行偶聯，極大地增強了分析靈敏度、分辨率和峰容量，全二維氣相色譜的族分離特性，有利于中藥未知化合物的定性。如Qiu等[27]利用全二維氣相色譜-飛行時間質譜法鑒定出人參中36種萜類化合物，建立了人參藥材的萜類圖譜。二維LC-MS與一維LC-MS相比，具有更強的分辨能力，Li等[28]發展了LCxLC-QTOF-MS的方法，用于白花蛇舌草提取物中黃酮和環烯醚萜苷的分析，可實現黃酮醇苷、酰化黃酮醇苷和環烯醚萜苷及一些新的黃酮類化合物的準確鑒定。

(2)次級代謝物的定量分析：通過定量準確的三重四極桿質譜或者高分辨質譜等技術，可達到對有限數量中藥次級代謝物的靶向分析，從而極大地提高了分析靈敏度和選擇性，且抗干擾能力強，可對中藥單一成分，某一類成分或者多種類成分進行準確定量。金石蠶苷為傳統中藥廣東紫珠藥材的主要活性成分，Qian等[29]首先采用10%三氯乙酸進行蛋白沉淀法對給藥后大鼠血漿的金石蠶苷進行有效提取，再使用超高效液相色譜，以含0.1%甲酸的純水溶液和乙腈作為流動相，Waters公司的BEH C18色譜柱(2.1 mm×100 mm,1.7 μm)進行分離，最后通過四極桿-飛行時間質譜進行檢測，建立了大鼠血漿中金石蠶苷的穩定、準確、快速的分析方法。結果顯示，金石蠶苷的線性范圍為50～10 000 ng/mL，相關系數均大于0.99，且日內和日間精密度均小于7.97%，準確度范圍為7.00%～3.36%。此方法為大鼠血漿中金石蠶苷的藥代動力學研究提供了技術支撐。Nardin等[30]使用在線固相萃取前處理，利用高分辨Q-Orbitrap質譜全掃描結合自動二級掃描方式，在140 000分辨率的條件下，對中藥提取物中的生物堿類化合物(包括經過標準物質驗證的35種，通過質量數、保留規律及參考文獻裂解規律進行確認的48種生物堿，以及通過文獻信息、精確質量數及同位素分布進行確認的250種生物堿)進行了靶向和非靶向定量分析。該方法準確穩定，生物堿類物質的回收率相對偏差為7.4%，精密度均小于10%，且方法的線性范圍寬，檢出限為0.04～10 μg/L，線性高濃度可達1000/3000 μg/L，線性相關系數均達到0.99以上 。Chang等[31]使用LC-QQQ，建立了73個種類的次級代謝物，包括生物堿、蒽醌衍生物、香豆素類、香豆素衍生物、黃酮類、黃酮苷類、萘的衍生物、苯基丁酮吡喃葡萄糖苷、酚酸、紫檀烷、苯乙烯、二苯乙烯衍生物和單寧等多種類物質的定量方法，分析了中藥配方制劑與其來源植物藥之間化學成分的關系。

2.1.2 中藥質量控制 中藥質量關乎其用藥安全及藥效的發揮，目前中藥種植技術未實現標準化，并且生產加工過程缺乏相應的監管，造成中藥質量參差不齊，亟需對其質量進行控制。中藥質量控制涉及到中藥成分分析、外源性污染物檢測、生產過程控制和體內過程分析研究等方面[32]。傳統的質量控制方法，只對特定的一種或者幾種藥物活性物質本身或者前體進行定性定量分析，不能完整、全面地反映中藥的質量特征。近年來，隨著完整、系統性的中藥質量控制需求，代謝指紋分析法及色譜-質譜聯用技術在中藥質量控制領域的應用更加廣泛，質控技術包括了生物色譜、色譜-質譜、光譜、DNA技術及代謝指紋分析等[33]。

(1)中藥安全性控制：中藥無機元素的含量及分布與中藥質量、分級和毒性密切相關[34-35]。基于ICP-MS檢測中藥的痕量及重金屬元素，可用于中藥的安全性檢查。如硫磺熏蒸是一種傳統的中藥材養護方法，具有干燥、增白、防蟲、防腐和防霉變等作用，在中藥材及飲片的加工貯藏過程中應用普遍。但硫磺熏蒸后，中藥材及飲片中會殘留大量的二氧化硫，為保證安全性，有必要對二氧化硫的殘留量進行檢測。王曉偉等[36]建立了基于ICP-MS/MS技術測定中藥中二氧化硫的方法，采用氧氣作為反應氣，提高了二氧化硫定量的選擇性和靈敏度，方法準確，干擾小，檢出限低且通量高，可對中藥生產保存過程的硫磺熏蒸環節的硫元素濫用進行有效監督。此外，農殘檢測也是中藥安全性分析及質量控制的重要方面。QuEChERS(Quick,Easy,Cheap,Effective,Rugged,Safe)技術用于中藥農殘提取制備具有快速、方便、廉價、有效、耐用和安全的特點，如Palenikova等[37]使用QuEChERS進行樣品凈化前處理，采用GC-MS對銀杏保健制品中的150種農藥進行了快速、準確分析測定。Nie等[38]使用QuEChERS樣品制備/氣相色譜-負化學電離串聯質譜，同時測定了中藥中107種農藥殘留，負化學電離具有高靈敏度和高選擇性，適合于具有吸電子基團的化合物的分離，而且背景干擾低 。

(2)不同產地來源的中藥區分：ICP-MS進行多種元素的同時測定后，結合化學計量學等統計學分析手段，可對中藥的真偽、產地、品種和生產方式進行鑒別，以區分不同品種、不同產地、不同生產過程、不同來源及級別的中藥[34]。如Chen等[39]對四川和安徽產地的石菖蒲根莖中的40種元素進行了ICP-MS分析，通過偏最小二乘判別分析和t檢驗篩選出了鋅和釤兩種元素，可以快速有效區分四川和安徽兩個產地的中藥石菖蒲根莖樣品。另外，Tang等[40]采用微波輔助提取，HPLC-ICP-MS對不同產區金銀花中的砷元素形態進行了分析，發現不同產地金銀花中的砷形態分布有顯著性差異，這種差異有望成為不同產地金銀花的區分標志。

(3)中藥質量分級：MALDI-TOF MS作為一種軟電離技術，廣泛應用于中藥活性成分識別、生物堿分析、中藥復雜基質內小分子化合物的測定、蛋白組學分析及植物組織的直接分析等方面[41]。Bai等[41]建立了基于MALDI-TOF-質譜成像(Mass spectrometry imaging，MSI)方法，通過簡單的樣品制備過程，對植物組織進行直接成像分析，可實現化合物的快速定位和定量，該研究通過人參軟木組織的離子圖像數據結合后續主成分分析(Principal components analysis，PCA)，對生長2，4，6年的人參進行了區分。

(4)中藥真偽鑒別：環境離子化質譜的進樣和離子化過程均在開放的大氣壓環境中進行，且不需樣品前處理，節省了費時的前處理步驟及處理成本，近年來被廣泛用于植物成像[11]。實時直接分析(Direct analysis in real time，DART)是一種應用廣泛的環境離子化技術，已經用于中藥領域研究。如李樂樂等[42]將DART離子源與高分辨率Orbitrap質譜聯用，建立了一種用于黃芩藥材快速定性定量的分析方法，該方法適用于復雜基質條件下對中藥的指標性成分進行快速分析，方法準確、快速、簡便且綠色，可為中藥材、飲片以及中成藥的分析和質量控制提供參考。CE-MS適用于中藥極性物質的分析。Liu等[43]采用CE-納升噴霧MS建立了以生物堿為指標，用于黃連質量鑒別的研究方法，使用納升多孔噴霧器，極大地提高了分析靈敏度，檢出限可達到18～24 fg，比超高效液相色譜(UHPLC)-MS的靈敏度高1 000倍，且重復性好，信號穩定，CE-MS有望成為中藥質量鑒別的有效方法。Ning等[44]采用HPLC-QQQ-MS，提出了比多組分單一標準(Single standard to determine multi-components，SSDMS)更加優越的質量控制方法，定性出18種活性皂苷成分，用于人參屬植物的鑒別表征。Chen等[45]采用LC-QTOF-MS，對肉桂皮、肉桂枝和肉桂心的代謝指紋進行了分析，通過8個化合物的檢出率結合主成分分析，區分了不同部位的肉桂樣品，揭示了肉桂質量控制的化學基礎。

(5)中藥生產過程監控：羅益遠等[46]對何首烏炮制前后24種無機元素進行了ICP-MS分析，揭示了何首烏炮制前后10種無機元素的不同變化規律，為該藥材的質量控制及安全性評價提供了參考依據 。Cai等[47]采用全二維氣相色譜-飛行時間質譜聯用對非煙熏和硫磺熏蒸金銀花的揮發性成分進行了分析，鑒定出包括呋喃、堿、酸、醛、酮、醇、萜類、酯類等73個金銀花有代表性的揮發油成分，該方法已成功地應用于金銀花及其相關藥材和制劑的快速準確質量評價中，同樣的方法也可應用于白芷的質量評價[48]。

(6)本課題組在中藥質量控制方面也做了研究：Xing等[49]利用GC-MS技術，結合多變量統計學分析，比較了柴胡生品及不同種類柴胡經醋炮制前后揮發性組分的差異，通過NIST05檢索匹配并結合文獻定性，共指認了59種成分，約占總成分的75%，結果表明柴胡用醋炮制后揮發油的含量顯著降低，經不同種類醋炮制后其揮發油種類及含量也發生了不同的變化，為柴胡的生產過程及質量評定提供了一定依據。本草記載款冬花花蕾未開花時根據經驗方可采收，但并未明確指出具體采收時期，導致市場上款冬花蕾質量參差不齊。薛水玉等[50]采用基于GC-MS的植物代謝組學技術，研究了不同生長發育階段款冬花序芽，從化學角度闡明了其10月、11月和12月的代謝組成相近，與3月、9月的化學組分差異顯著，并指認了54個代謝產物，為確定款冬花的適宜采收期奠定了基礎。另外還對不同藥用部位(花蕾，葉子，花梗和根)的款冬藥材的代謝組分進行分析，發現與花蕾相比，花梗中所含的化學成分很少，而根和葉子中的化合物則較多[51-53]。但由于指認的成分多為初級代謝產物，需借助其他技術手段(如LC-MS)對不同藥用部位進行進一步評價。Li等[54]利用GC-MS技術將中藥黃芪的傳統質量評價指標甜度歸屬到7種甜味成分，確定了依據甜度評價黃芪的化學物質基礎，并發現這些指標與傳統評價指標黃芪甲苷、毛蕊異黃酮苷和多糖的含量等具有很強的正相關性。

2.2 中藥代謝組學研究

代謝組學是繼基因組學、蛋白組學之后，系統生物學的又一重要分支，該研究強調從整體上研究生物體受到外界擾動后代謝物的變化。中藥代謝組學著重研究中藥給藥后，對生物體代謝通路的影響[1]。由于中藥作用靶點多，往往會對多條代謝通路造成影響，質譜是中藥代謝組學研究的有力工具。基于色譜-質譜聯用(如GC-MS，LC-MS等)的代謝組學技術已廣泛應用于中藥代謝輪廓及作用機制研究[13-15]。

(1)中藥藥效與作用機制研究：對中藥給藥后的動物模型或者人體的血清、尿液或者糞便等生物樣本進行代謝組學分析，有利于解釋中藥的治療機制。Zou等[55]通過GC-MS尿液代謝組學研究了復方丹參滴丸對大鼠心肌缺血的治療機制，發現能量、氨基酸、脂肪酸和多元醇的代謝在心肌缺血時被打亂，在復方丹參滴丸治療后被恢復 。Chen等[56]通過GC-MS血清代謝組學分析，研究了去著痛痹湯對高尿酸血癥大鼠的作用，采用t檢驗和主成分分析篩選標志物，使用正交信號校正偏最小二乘判別分析(Orthogonal signal correction-partial least squares-discriminate analysis，OSC-PLS DA)評價了酵母和中藥治療的影響，證明了去著痛痹湯可以有效地降低血清尿酸水平，并推測它可能是高尿酸血癥的一個有效的治療候選藥物。Shui等[57]采用LC-MS/MS對角叉菜膠誘導及易冠建湯治療后的大鼠血漿和尿液的代謝組學進行了分析，研究了易冠建湯的抗炎機制，并對正常對照組、模型組、阿司匹林治療組和易冠建湯給藥組進行了代謝組學研究，篩選出可能與炎癥抵抗相關的25種化合物，涵蓋了5個主要代謝途徑如色氨酸的代謝、脂代謝、氧化應激、乙醛酸鹽代謝和牛磺酸代謝等。Li等[58]采用UHPLC-QTRAP-MS/MS，研究了高脂飲食小鼠在澤瀉三萜類化合物成分給藥后，血漿中溶血磷脂酰膽堿的變化，闡述了澤瀉降脂作用的機制。Zhang等[59]研究了不同劑量大黃對肝臟淤積的治療作用，證明了大黃干預影響膽汁酸代謝和氨基酸代謝，這些代謝可以解釋大黃治療膽汁淤積的劑量-反應關系和治療機制。Lu等[60]采用超高效液相色譜(UPLC)LTQ-Orbitrap-MS代謝組學，分析了補腎化痰配方對多囊卵巢綜合征的干預作用及治療機制，結合顯著變化的代謝物和臨床生化數據，證明補腎化痰配方可通過降低炎癥反應和氧化應激等代謝通路對多囊卵巢綜合征進行有效的治療。

(2)中藥副作用產生機制研究：中藥除了具有典型藥效，也可能在體內產生副作用，對這些副作用的代謝組學機制進行研究，有利于中藥的安全施用。Ma等[61]通過GC-MS代謝組學方法，評估了雷公藤內酯引發生殖毒性的作用機理，同時對精子發生功能障礙早期檢測的潛在生物標志物進行了篩查，認為過氧化物酶體增殖物激活受體及其相關脂肪酸代謝可能是雷公藤內酯引發男性不育的潛在治療靶點。Lu等[62]使用LC-ESI-TOF-MS研究了人參皂苷Rd誘導的小鼠過敏反應的代謝機制，發現在過敏性反應的早期階段與炎癥和過敏性疾病相關的代謝物包括甘油磷脂、皮質類固醇激素、膽汁酸、甾醇脂質和脂肪酸等均發生了顯著變化，脂質代謝(如甘油磷脂和類固醇激素代謝)的紊亂可能與人參皂苷Rd誘導的過敏反應相關，推測Rd可能是含Rd的中藥注射劑產生過敏反應的過敏因子。使用單一平臺所測定化合物具有偏向和局限性，而使用多平臺組合，則有利于全面、多角度地分析中藥的代謝機制。Xie等[63]對暴露于半夏和姜半夏的妊娠大鼠胎盤及羊水進行了LC-MS和GC-MS的代謝組學研究，評估了半夏及其產品姜半夏的副作用，分別使用多元統計分析和MetaboAnalyst 3.0軟件，篩查受到顯著擾動的代謝物和代謝途徑，發現有20個分別歸屬于甘油磷脂、氨基酸和糖代謝途徑的代謝物受到了擾動。

(3)本課題組應用質譜技術在中藥代謝組學方面做了如下研究：采用GC-MS技術研究了中藥傳統名方逍遙散對抑郁癥的作用機制。首先Li等通過GC-MS對慢性不可預知性刺激致大鼠抑郁癥模型血漿及尿液中的代謝物進行了研究，分別從血液及尿液中發現了37個[64]和15個[65]與抑郁癥模型相關的生物標志物，為抑郁癥早期診斷提供了一定的研究基礎。其次Gao等[64]采用GC-MS以大鼠尿液、血液為對象研究了逍遙散對慢性不可預知應激模型大鼠的治療作用及相關機制，結果表明逍遙散具有明顯的抗抑郁作用，其具有劑量依賴性，逍遙散對應激大鼠的治療與氨基酸代謝、能量代謝和糖代謝相關。Tian等[66]對招募的25個抑郁癥患者和33名健康志愿者進行了基于GC-MS的逍遙散治療抑郁癥臨床代謝組學研究，并結合多變量統計分析，比較得出抑郁癥患者在治療前后與健康組對照的尿液代謝組的差異，發現丙氨酸、檸檬酸、馬尿酸、苯丙氨酸和酪氨酸5個抑郁癥疾病及逍遙散治療的代謝標志物，推測出逍遙散治療抑郁癥的機理在于它可以調整神經遞質獲得最佳的治療效果，調節氨基酸代謝以促進產能，滿足身體的需要。Gao等[67]采用HPLC-MS研究了逍遙散對慢性不可預知應激模型大鼠的治療作用及相關機制，發現了17個與抑郁癥相關的潛在生物標志物，這些物質與能量代謝、氨基酸代謝及腸道菌群紊亂有關，而逍遙散可以回調與這些代謝相關的代謝物。對其他中藥的抗抑郁或者其他治療效果，本課題組也進行了相關研究。如Tian等[68]采用GC-MS尿液代謝組學研究了沙棘籽油對慢性不可預知應激模型大鼠的抗抑郁作用，篩查了沙棘籽油治療抑郁癥的潛在生物標志物，發現沙棘籽油給藥后，尿液中的庚二酸和棕櫚酸水平升高，辛二酸、檸檬酸、鄰苯二甲酸、肉桂酸和Sumiki酸降低，該研究有助于促進沙棘籽油對抑郁癥的療效評價和機理研究。王東琴等[69]還采用GC-MS代謝組學技術研究了狹葉柴胡(紅柴胡)的解熱作用，并初步探討了其作用機制，發現紅柴胡具有良好的解熱效果，解熱效果與劑量有關，中劑量效果與阿司匹林相當；紅柴胡可能從酶抑制作用、神經遞質、糖脂代謝、氨基酸及能量代謝等多層面協同發揮作用，具有多靶點性。

2.3 中藥藥代動力學研究

中藥藥代動力學借助于動力學原理，研究中草藥活性成分、組分及其復方在體內吸收、分布、代謝和排泄的動態變化規律及其體內時量-時效關系，以對中藥的安全性、有效性進行評價[70]。中藥成分復雜，藥效成分不明確，甚至缺乏標準品的未知化合物，發揮藥效的往往是中藥內含化合物原型的修飾形式，如硫酸酯化、葡萄糖醛酸化及谷胱甘肽結合等多種結合物[1]。另外，這些代謝物含量很低，檢測時需排除復雜基質的干擾，這些特點增加了中藥藥代動力學檢測的困難[71]，對其分析技術也提出了更高要求，質譜在對中藥原型藥物的鑒定、多種修飾形態的追蹤，以及高靈敏度的無干擾檢出等方面具有很大優勢，可對中藥藥代動力學進行有效分析。

Zhang等[72]采用UPLC-TOF-MS研究了獨一味提取物對小鼠血漿、尿液、膽汁及糞便代謝譜的影響，鑒定出39種原型化合物及其47種代謝產物，研究顯示，其中超過一半的原型化合物已進行了硫酸鹽、葡萄糖醛酸、牛磺酸、甘氨酸和谷胱甘肽結合二相代謝。進一步對6種活性化合物的藥物代謝動力學進行了靶向LC-MS/MS分析，有效地解釋了獨一味的代謝機理。Wang等[73]采用LC-QTOF-MS技術研究了濟泰片口服給藥后大鼠腦脊液的代謝變化，結合后續多變量統計主成分分析和正交性偏最小二乘分析(Orthogonal PLS-DA)，發現了濟泰片的16種吸收形式及7種原型形式，代謝的主要形式包括半胱氨酸結合、去甲基化和葡萄糖醛酸化，并采用LC-QQQ-MS/MS，對其中一些化合物進行了定量驗證。可見，利用非靶向代謝組學篩查和靶向定量分析技術，有利于中藥代謝動力學全面深入的研究。

3 展 望

綜上所述，質譜已經廣泛應用于中藥元素和有機化合物的定性定量、中藥代謝組學和中藥藥代動力學研究等方面，并成為中藥質量控制及中藥作用機理研究的強有力工具。目前質譜方法存在諸多不足，對這些不足之處做進一步改進，是質譜技術未來的發展方向。如LC-MS具有高靈敏度及高分辨率，可得出化合物的精確質量數及二級結構信息，據此進行數據庫搜索，標準品驗證，可實現化合物的定性。實際測定時，由于缺乏標準品，液相色譜保留時間和質譜圖的重復性差，不同實驗室的結果之間的可比性及兼容性差[74]，所以化合物的鑒定一直是LC-MS面臨的難題。建立質譜分析方法的標準化流程，如使用固定色譜柱，固定流動相及梯度，固定質譜設備進行未知樣品的LC-MS定性，建立包含化合物保留時間、精確分子量、碎片組成圖的綜合數據庫，有利于不同國家、地域或者不同實驗室間實現數據比對和共享，從而提高化合物的鑒定效率，避免重復繁瑣的從頭開始的定性過程。另外，與一維相比，二維LC-MS和GC-MS具有更高的峰容量、分辨率及靈敏度，適合中藥化合物，尤其是復雜同分異構體的分離定量，但二維色譜質譜存在數據處理軟件發展滯后，難以滿足數據分析需求的不足，需要對傳統分析算法和軟件進一步改進。因此，進一步建立新型質譜方法，以提高質譜檢測化合物的覆蓋度、靈敏度、選擇性、穩定性和可靠性，以及提高質譜的定性定量能力，將有利于中藥研究的發展，解決中藥現代化建設的瓶頸問題，以加快我國的中藥國際化步伐。

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Applications Progress of Mass Spectrometry in Analysis of Traditional Chinese Medicine

ZHANG Jun-jie1,JIA Jin-ping1,QIN Xue-mei2*

(1.Scientific Instrument Center,Shanxi University，Taiyuan 030006,China；2.Modern Research Center for Traditional Chinese Medicine,Shanxi University,Taiyuan 030006,China)

Traditional Chinese medicine(TCM) is a treasure of Chinese medical science, and it has been widely applied in the prevention and treatment of disease at home for century.Owing to the reasons that the gradient of TCM is complex and the mechanism of drug efficiency is not clear,the process of modernization and internationalization for TCM has been restricted seriously.With the advantages of high sensitivity,high selectivity,high stability and high-throughput,mass spectrometric(MS) technology is especially suitable for the qualification and quantitation of complex components and their metabolites in TCM.In this paper,the typical application research of MS technology in composition identification and quality control,metabolomics and pharmacokinetics of TCM study in recent years are reviewed,and the problems existed and the improvements are discussed.

mass spectrometry(MS)；traditional Chinese medicine(TCM)；quality control;metabolomics;pharmacokinetics

2016-11-04；

2016-12-15

國家自然科學基金面上項目(31570346)

10.3969/j.issn.1004-4957.2017.05.001

O657.63；TQ460.72

A

1004-4957(2017)05-0579-09

*通訊作者：秦雪梅,博士，教授，研究方向：中藥質量標準及代謝組學研究，Tel：0351-7018379，E-mail：Qinxm@ sxu.edu.cn