2. 中国医学科学院北京协和医学院药用植物研究所, 北京 100193;
3. 华润三九医药股份有限公司, 深圳 518110
2. Institute of Medicinal Plant Development, Chinese Academy of Medical Sciences and Peking Union Medical College, Beijing 100193, China;
3. China Resources Sanjiu Medical & Pharmaceutical Co., Ltd., Shenzhen 518110, China
野菊花(Flos Chrysanthemi Indici)为菊科(Asteraceae)植物野菊(Chrysanthemum indicum L.)的干燥头状花序,其性凉,味苦、辛,归肺肝经,具有清热解毒、抗菌消炎之功效,为常用中草药[1]。药理学研究表明野菊花具有抗细胞凋亡、清除氧自由基、抗菌和抗炎等生物活性[2-5]。毒理试验表明野菊花具有低毒的特性,可长期安全服用[6]。近年来化学研究表明,野菊花中主要含黄酮类、酚酸类和萜类等化学成分[7]。有研究表明其清热解毒的药效组分主要来自黄酮和有机酸类化合物[8]。
商品的野菊花药材来源包括野生型和栽培型2种。然而栽培与野生型野菊花间化学成分是否存在差异尚不清楚。中药材中的化学成分是其药效的物质基础,因此,揭示栽培与野生型野菊花的化学成分差异是野菊花质量评价的基础。然而野菊花化学成分非常复杂[7],依据单一或者多个指标成分无法全面表征栽培型与野生型野菊花的化学成分差异。植物代谢组学可对植物提取物中代谢组进行无差别代谢成分全分析[9],该技术已用于人参和西洋参叶[10]、栽培型和野生型大豆[11]、红参和白参[12]、草麻黄根和茎[13]、不同产地人参[14]等的比较研究。它不仅可以反映不同样品之间的相似性,而且可以确定不同样本的差异性,为中药质量控制提供了一种有别于指纹图谱的整体性分析方法[15]。
因此,本研究将采用基于超高效液相色谱-四极杆-飞行时间质谱(UPLC-Q-TOF/MS)技术的植物代谢组学方法对栽培型和野生型野菊花药材的整体化学轮廓进行比较,并采用超高效液相色谱建立主要差异成分的定量分析方法,为野菊花的质量评价提供参考。
1 仪器、材料与方法 1.1 仪器与试剂Acquity UPLC超高效液相色谱系统,配备了二元溶剂输送系统和自动进样器(Waters Corp.,Milford,USA);代谢组学分析采用Waters SYNAPY G2 HDMS系统(Waters Corp.,Manchester,UK);超声仪(KQ500-DE,昆山市超声仪器有限公司);色谱柱为Kinetex C18(Phenomenex Corp.,USA);HPLC级甲醇和乙腈均购自J.T. Baker(Phillipsburg,NJ,USA);HPLC级甲酸购于Tedia公司(Fairfield,USA);超纯水(18.2 MΩ)用Milli-Q水净化系统制备(Millipore,France);其他试剂均为分析纯。
1.2 材料对照品3,5-二咖啡酰奎宁酸(含量≥98%,批号141209)、蒙花苷(含量≥98%,批号111528-201107)、木犀草素(含量≥98%,批号111520-200504)、芹菜素(含量≥98%,批号111901-201102)、刺槐素(含量≥98%,批号20140616),购自于中国食品药品检定研究院。实验所需野菊花药材由华润三九医药股份有限公司提供(见表 1),经中国医学科学院药用植物研究所张本刚研究员鉴定为野菊Chrysanthemum indicum L.的干燥头状花序。凭证标本保存于中国医学科学院药用植物研究所(标本号:C201411)。
将干燥的野菊花药材粉碎,过40目筛,精密称定0.2 g,置具塞50 mL锥形瓶中,加入70%甲醇50 mL,称定质量,超声提取30 min(功率:500 W,频率:40 kHz),放冷,再称定质量,70%甲醇补充至原质量,摇匀,吸取提取液,13 000 g离心15 min,0.22 μm微孔滤膜过滤,备检。
1.3.2 色谱条件色谱柱为Kinetex C18(100 mm × 2.1 mm,1.7 μm),乙腈-水(50:50,0.1%甲酸,A)-乙腈:水(2:98,0.1%甲酸,B)为流动相,以体积流量0.4 mL·min-1进行梯度洗脱:0~2.0 min,88%B;2.0~4.0 min,88%→75%B;4.0~10.0 min,75%→70%B;10.0~15.0 min,70%→64%B;15.0 min~20.0 min,64%→0%B,检测波长326 nm,柱温40 ℃,进样量3.0 μL。
1.3.3 质谱条件以氮气作为雾化、锥孔气;电喷雾电离:负离子模式;飞行管检测模式:W型;毛细管电压2.5 kV(负离子模式);锥孔电压:40 V;萃取锥孔:4 V;源温:100 ℃;脱溶剂气温度:350 ℃;反向锥孔气流:100 L·h-1;脱溶剂气流:800 L·h-1;扫描时间:1 s;扫描时间间隔:0.015 s;质荷比范围:m/z 100~1 200 Da;数据采集形式:centroid;灵敏性:normal;动态范围:extended;锁定质量数:554.261 5(负离子模式)。
1.4 主要差异成分的定量分析 1.4.1 样品制备样品制备方法与UPLC-Q-TOF/MS分析相同。
1.4.2 混合对照品溶液的制备分别精密称取3,5-二咖啡酰奎宁酸、木犀草素、蒙花苷、芹菜素和刺槐素对照品适量,加70%甲醇溶解并定容,必要时加热溶解,制成质量浓度分别为3,5-二咖啡酰奎宁酸41.6 mg·L-1、木犀草素8.24 mg·L-1、蒙花苷34.3 mg·L-1、芹菜素6.24 mg·L-1、刺槐素4.12 mg·L-1的混合对照品储备液,存放于4 ℃冰箱中备用,临用时0.22 μm微孔滤膜滤过。
1.4.3 色谱条件液相色谱条件与UPLC-Q-TOF/MS分析中液相色谱方法一致。
1.5 数据预处理数据预处理采用UPLC-Q-TOF/MS系统操作软件MassLynx V4.1中的MarkerLynx软件包,该软件包能够自动完成谱峰识别、滤噪等前处理程序,处理参数设置如下:时间范围:0~21 min;质量范围:100~1 200 Da;质量偏差:0.01;最小强度:1%;质量窗:0.02 Da;保留时间窗口:0.20 min;消除噪音水平:6;变化峰强度阈值:300。最后输出由保留时间、精确质荷比和峰面积组成的三维矩阵。
1.6 数据的多元统计分析多元统计分析采用SIMCA-P(v13.0,Umetric,Umeå,Sweden)软件,首先应用主成分分析(PCA)对数据进行模式识别,考察各组数据轮廓的分离情况,评价所建立模型的解释能力和预测能力。在PCA分析的基础上,利用正交偏最小二乘-判别分析法(OPLS-DA)对能在PCA模型中具有较好分离的两组样品进行加载分析,联合载荷图(S-plot)和变量重要性分析(VIP > 1)寻找造成组间差异的变量。
1.7 统计学分析实验数据采用(平均值±标准偏差)表示。利用SPSS 20.0数据处理软件进行统计分析。两组间比较采用t检验。P < 0.05时,组间存在显著性差异。
2 结果 2.1 栽培型与野生型野菊花化学成分轮廓分析采用UPLC-Q-TOF/MS对栽培型与野生型野菊花样本进行分析,由于黄酮及酚酸类成分在负离子模式(ESI-)下离子化效果较好,且酚酸类成分在正离子模式下无响应,因此本文采用负离子模式进行检测。典型的基峰色谱图(BPI图)如图 1所示。经过MarkerLynx软件进行数据处理,生成578个变量的数据矩阵。采用非监督性的主成份分析(PCA)方法对数据集进行相似性和差异性分析,结果如图 2所示。栽培型与野生型野菊花各自能较好的聚为一类,且在主成分t[1]方向有明显区分,表明两者在化学成分种类及含量上差异明显。
PCA为无监督的分析方法,反映了数据的原始状态,同时反映了组内和组间的差异;为了突出组间差异,便于后续寻找差异成分,采用有监督的正交偏最小二乘判别分析法(OPLS-DA)(图 3)对数据进行分析。投影变量权重值(VIP)反映了代谢物对分组的贡献大小。S-Plot中变量远离原点(P(corr)[1]>0.65或者P(corr)[1] < -0.65)[16]且VIP值>1的变量被认为对分组有显著性贡献。结果,负离子模式下共筛选出28个变量。通过精确质量数测定,MS/MS分析,并与文献报道相比较,及与对照品保留行为及质谱数据进行比对,共鉴定出9个差异性成分,分别为香叶木素-7-O-芸香苷、刺槐素-7-O-(6″-O-α-L-鼠李吡喃糖-β-槐糖苷)、木犀草素、蒙花苷、5-羟基-4′-甲氧基-黄酮-7-O-α-L-吡喃鼠李糖(1→6)[2-O-乙酰-β-D-吡喃葡萄糖(1→2)]-β-D吡喃葡萄糖苷、芹菜素、3,5-二咖啡酰奎宁酸、4,5-二咖啡酰奎宁酸和刺槐素(见表 2)。
为进一步明确上述成分在栽培型和野生型野菊花药材中的差异,我们以峰面积作为指标进行分析,结果如表 2和图 4所示。栽培型野菊花药材中,FCI-1(3,5-二咖啡酰奎宁酸)、FCI-3(香叶木素-7-O-芸香苷)、FCI-4(刺槐素-7-O-(6″-O-α-L-鼠李吡喃糖-β-槐糖苷))、FCI-6(蒙花苷)、FCI-7(5-羟基-4′-甲氧基-黄酮-7-O-α-L-吡喃鼠李糖(1→6)[2-O-乙酰-β-D-吡喃葡萄糖(1→2)]-β-D吡喃葡萄糖苷)、FCI-8(芹菜素)、FCI-9(刺槐素)含量显著高于野生型;而FCI-2(4,5-二咖啡酰奎宁酸)、FCI-5(木犀草素)在野生型野菊花药材中的含量显著高于栽培型。
植物代谢组学结果显示,栽培型与野生型野菊花的化学成分含量差异显著,然而以峰面积作为指标的相对定量并不能反映其在药材中的准确含量,因此有必要建立差异性成分的定量分析方法。3,5-二咖啡酰奎宁酸(酚酸类)、蒙花苷(黄酮苷类)及木犀草素(黄酮类)、芹菜素(黄酮类)和刺槐素(黄酮类)分别作为酚酸、黄酮苷及黄酮中的主要成分,且对区分栽培型与野生型野菊花有显著性贡献,因此本次研究将采用UPLC方法建立同时测定野菊花中这5种成分的定量分析方法。
2.4.1 系统适应性试验取混合对照品溶液及样品溶液按照“1.3”项色谱条件下进样。结果6种成分均能达到基线分离,与相邻色谱峰的分离度均大于2.0,以各成分色谱峰计算理论塔板数均超过2 000,峰形较好,其UPLC色谱图如图 5。
精密量取混合对照品溶液0.10、0.25、0.5、1.0、2.5、5、10 mL于10 mL量瓶中,70%甲醇稀释至刻度,摇匀,得系列混合对照品溶液。分别吸取上述溶液各3 μL,在“1.3”项色谱条件下进样,记录色谱峰峰面积,以峰面积积分值为纵坐标(Y),对照品质量浓度为横坐标(X)进行线性回归,得回归方程。测定检测限(S/N=3)和定量限(S/N=10),结果见表 3。
取混合对照品溶液,在“1.3”项色谱条件下连续进样6次,记录色谱峰面积,计算3,5-二咖啡酰奎宁酸、蒙花苷、木犀草素、芹菜素、刺槐素峰面积的RSD分别为0.65%、0.37%、0.33%、0.29%、0.40%,表明仪器精密度良好。
取同一份供试品溶液,分别在0、2、4、8、12、24 h按“1.3”项下色谱条件测定,记录色谱峰面积。结果3,5-二咖啡酰奎宁酸、蒙花苷、木犀草素、芹菜素、刺槐素峰面积的RSD分别为0.85%、0.76%、0.59%、1.6%、1.0%,说明供试品溶液中的5种指标成分在室温条件下24 h内稳定。
取同一批(批号YX20141105)样品6份,按“1.3”项下方法操作,平行制备供试品溶液6份,在“1.3”项下色谱条件下进样。结果3,5-二咖啡酰奎宁酸、木犀草素、蒙花苷、芹菜素和刺槐素含量平均值(n=6)分别为11.93、0.76、26.11、0.71、0.19 mg·g-1,RSD分别为1.2%、2.0%、1.7%、0.71%、0.84%,表明该方法的重复性良好。
2.4.4 加样回收率试验取同一批(批号YX20141105)已测定的样品9份,每份0.2 g,精密称定,加入相当于样品中各成分含有量的80%,100%,120%的对照品溶液各3份,按“1.3”项下方法制备供试品溶液,在“1.3”项色谱条件下进样,记录峰面积,计算回收率,结果见表 4。平均加样回收率在97%~102%,RSD均小于4.0%。
取不同野菊花样品,按“1.3”项下方法制备供试品溶液,每批平行3份,在“1.3”项色谱条件下进样,记录峰面积,计算每批样品中5种差异成分的质量分数,结果见表 5及图 6。结果表明,栽培型野菊花中化学成分3,5-二咖啡酰奎宁酸、蒙花苷、芹菜素和刺槐素含量显著高于野生型;而木犀草素含量则显著低于野生型,且定量分析结果与代谢组学分析结果的变化趋势一致。
2015年版中国药典要求野菊花中蒙花苷含量不少于0.8%,从本研究的定量分析结果来看,栽培型野菊花均达到了药典标准,而野生型野菊花均未达到药典标准,表明了蒙花苷作为品质评价指标的部分合理性。然而药理实验结果显示,3,5-二咖啡酰奎宁酸和3,4-二咖啡酰奎宁酸等酚酸类具有较强的抗炎活性[17-19],木犀草素[20-21]和芹菜素[22]具有抗炎、抗氧化、抗菌及抗病毒等多种生物活性,刺槐素具有较强的镇痛和抗病毒活性[23],其他药理实验结果也显示,野菊花中的药效组分主要来自黄酮和有机酸类化合物[8]。因此,单以蒙花苷作为评价指标不足以全面表征野菊花药材质量,提示多指标成分检测作为野菊花质量评价的必要性。前人对于野菊花的质量控制研究多采用绿原酸、蒙花苷、木犀草素等成分进行定量分析[24-27],然而选取的这些成分在质量评价时是否具有特异性尚未清楚。
商品的野菊花药材来源包括野生型和栽培型两种。由于缺乏全面、综合的定性及定量分析手段,对于栽培型与野生型野菊花的化学成分是否存在差异目前尚未清楚。本次研究通过基于UPLC-Q-TOF/MS技术的代谢组学方法对栽培与野生野菊花的代谢轮廓及化学成分差异进行了分析。结果显示栽培与野生野菊花的代谢轮廓差异明显,表明两者在化学成分上存在明显差异。分析结果表明,香叶木素-7-O-芸香苷、刺槐素-7-O-(6″-O-α-L-鼠李吡喃糖-β-槐糖苷)、木犀草素、蒙花苷、5-羟基-4′-甲氧基-黄酮-7-O-α-L-吡喃鼠李糖(1→6)[2-O-乙酰-β-D-吡喃葡萄糖(1→2)]-β-D吡喃葡萄糖苷、芹菜素、3,5-二咖啡酰奎宁酸、4,5-二咖啡酰奎宁酸和刺槐素含量在两者间存在显著性差异,可以作为区分栽培和野生野菊花的特征性成分。这些成分可归属为以3,5-二咖啡酰奎宁酸(含量最高)为代表的有机酸类、蒙花苷(含量最高)为代表的黄酮苷类及木犀草素(含量最高)为代表的黄酮类成分。
3,5-二咖啡酰奎宁酸(酚酸类)、蒙花苷(黄酮苷类)及木犀草素(黄酮类)、芹菜素(黄酮类)和刺槐素(黄酮类)分别作为酚酸类、黄酮苷类及黄酮类中的主要成分,且对区分栽培与野生野菊花有显著性贡献。为进一步准确表征这5种成分在野菊花药材中的含量,本研究采用UPLC建立了其定量分析方法。结果表明,5种成分在栽培与野生野菊花中的含量差异显著,栽培品中除木犀草素外,其他4种成分含量均高于野生型。定量分析与代谢组学的分析结果具有一致性,表明代谢组学在分析其他差异成分的可靠性。
此外,本研究还考察了野菊花样本的提取方式(回流提取2 h、超声提取30 min)、提取溶剂(甲醇、80%甲醇、70%甲醇、60%甲醇、50%甲醇)、提取时间(20、30、40、50 min)以及料液比(1:125、1:250、1:500),结果发现,采用料液比1:250 70%甲醇超声处理30 min,该条件下野菊花中5个成分可以达到最佳提取效率。色谱条件分别考察了乙腈-乙酸-水,甲醇-乙酸-水、乙腈-甲醇-水等多个流动相、梯度洗脱程序及柱温对色谱分离的影响,结果乙腈-水(50:50,0.1%甲酸,A)和乙腈-水(2:98,0.1%甲酸,B)为流动相,柱温40 ℃时,色谱图基线平稳且分离度较好。
4 小结本研究采用植物代谢组学技术分析了栽培型与野生型野菊花间化学成分差异状况,结果显示,香叶木素-7-O-芸香苷、刺槐素-7-O-(6″-O-α-L-鼠李吡喃糖-β-槐糖苷)、木犀草素、蒙花苷、5-羟基-4′-甲氧基-黄酮-7-O-α-L-吡喃鼠李糖(1→6)[2-O-乙酰-β-D-吡喃葡萄糖(1→2)]-β-D吡喃葡萄糖苷、芹菜素、3,5-二咖啡酰奎宁酸、4,5-二咖啡酰奎宁酸和刺槐素含量在两者间存在显著性差异,可以作为区分栽培和野生野菊花的特征性成分。并采用UPLC对其中的5个主要成分进行定量分析。结果表明,代谢组学结合定量分析方法可为野菊花的质量评价提供有效的手段。
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