龔旭昊,李慧杰,董玲玲,顧進華*
(1.中國獸醫(yī)藥品監(jiān)察所,北京 100081;2.農業(yè)農村部中獸醫(yī)生物學重點實驗室,北京 100081)
獸用中藥是在中獸醫(yī)藥理論指導下使用的藥物及其制劑,具有多成分、多靶點,整體調節(jié)等特點。近年來,隨著我國養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展,獸用中藥因具有綠色天然、毒副作用低、整體功效強、不易產生耐藥性等優(yōu)點,越來越得到人們的重視和認可[1]。
中藥質量是保障藥品安全有效、穩(wěn)定可控的基礎。中藥的質量控制問題一直是制約我國獸用中藥現代化發(fā)展的熱點與難點問題。我國現行的獸用中藥質量評價體系主要以西方國家對化學藥品的理化檢測控制方法為借鑒。然而,化學藥品成分單一、療效與機制明確,對于成分復雜、藥效物質基礎研究相對薄弱的獸用中藥,該體系并不完全適用,探索符合獸用中藥自身特點的質量控制體系就尤為重要。
隨著技術的發(fā)展,生物學檢測與評價技術逐步應用于中藥質量控制研究之中,可以較好地彌補現行質控方法的不足,有利于提高獸用中藥質量的可控性。生物學檢測方法主要包括動植物顯微鑒別、DNA分子鑒定、生物效價測定,以及正在不斷發(fā)展的基因組學和代謝組學等技術。由于生物學評價技術具有藥效相關、整體可控等優(yōu)勢,是符合中醫(yī)藥特點的質量標準控制模式及方法,亦是中藥質量標準化的重要發(fā)展方向[2]。以下就生物學檢測方法與評價技術在獸用中藥質量控制中的應用價值進行闡述,以期為提升獸用中藥質量控制水平,保證臨床用藥的有效性和安全性提供更多選擇。
1.1 顯微鑒別技術 1838年德國學者Schleiden闡明了細胞是植物體的基本單位,并利用顯微鏡觀察了多種生藥的顯微構造,發(fā)現根據顯微構造的不同,各種生藥可以準確區(qū)別[3]。自此,利用顯微鏡鑒別生藥的方法得到了逐步的發(fā)展。我國中藥的顯微鑒別研究雖然起步較晚,但經過半個多世紀的系統(tǒng)性研究,現今顯微鑒別已成為我國中藥及制劑鑒別的重要方法之一,因具有快速、簡便、準確的特點而得到廣泛的應用。
中藥來源于植物、動物和礦物,其微觀結構因種類的不同而有顯著差異,這些微觀結構的差異可以作為顯微鑒別的依據。獸用中藥相比人藥,其制劑品種多為散劑,在《中國獸藥典》2020年版二部中,有近80%的成方制劑有顯微鑒別項。應用顯微鑒別技術,不但可檢測出成方制劑所列出的組分,還能夠通過專屬性鑒別特征檢測出處方中某些未列出的組分,包括真?zhèn)?、?yōu)劣、摻雜、改變處方等情況,從而彌補了理化鑒別的不足,對獸用中藥的質量控制具有重要作用。
1.2 顯微數碼成像技術 獸用中藥大多來源于植物,顯微鑒別的要點是鑒別其組織、細胞或內含物等特征。在進行顯微鑒別操作時,傳統(tǒng)的操作只能一邊通過目鏡觀察特征,一邊進行手繪圖像,這種方法難免使研究結果有人為的主觀誤差,且工作效率較低[4]。顯微鏡數碼成像技術是將光學顯微鏡技術、數碼攝影成像技術、光電轉換技術及液晶屏幕技術完美結合的一項顯微成像技術,其通過顯微數碼成像系統(tǒng),可以直接在電腦上更為清晰、實時的觀察中藥顯微特征圖像,還能將觀測的圖像在電腦上以圖片的形式保存下來,大大的方便了使用者將圖像數據保存的要求,也更加方便了資料數據的管理和編輯。此外,其能通過專業(yè)的配套軟件對圖像進行調整,標注,拼接,合成,測量、錄像等,形成所需的圖文文件,且可以互相傳閱,實現多人同時觀察,顯著提高了工作效率。目前,顯微數碼成像技術在獸用中藥顯微鑒別工作中最為常用。
1.3 激光共聚焦顯微技術 激光掃描共聚焦顯微鏡(Laser Scanning Confocal Microscope, LSCM)是20世紀80年代發(fā)展起來的高技術光電儀器,是對普通顯微鏡質的飛躍,更是對電子顯微鏡的補充。其工作原理主要是通過在熒光顯微鏡成像的基礎上加裝激光掃描裝置,使用紫外光或可見光激光熒光探針,利用計算機進行圖像處理,從而可得到樣品內部細微結構的熒光圖像[5]。該技術具有高分辨率、高靈敏度和空間結構靈活性觀察的獨特優(yōu)勢,不僅可觀察固定的細胞和組織結構,還可提供定量熒光測定、定量圖像分析等實用研究手段,達到對細胞內的物質和信號進行定量分析的目的,現已廣泛應用于現代生物學研究的各個領域,在中藥研究中也發(fā)揮著日趨重要的作用。
首先,激光共聚焦顯微技術基于對藥材細胞無損、三維重建點掃描成像技術及強大的軟件處理程序實現對藥材細胞結構、細胞骨架、細胞器結構和分布及變化的動態(tài)追蹤。通過共振熒光分子作用推定分子之間的距離,為中藥材鑒別及道地藥材質量評價提供了良好的思路與方法。如劉向東[6]利用激光掃描共聚焦顯微鏡研究植物細胞發(fā)育的形態(tài)學,結果細胞發(fā)育的形態(tài)學變化過程能被清楚地觀察到。
2.1 DNA條形碼分子鑒定法 DNA條形碼分子鑒定法(DNA barcoding)是利用基因組中一段公認的、相對較短的DNA序列來進行物種鑒定的一種分子生物學技術,是對傳統(tǒng)形態(tài)鑒別方法的有效補充[7]。由于不同物種的DNA序列是由腺嘌呤(A)、鳥嘌呤(G)、胞嘧啶(C)、胸腺嘧啶(T)四種堿基以不同順序排列組成,因此對某一特定DNA片段序列進行分析即能夠區(qū)分不同物種,具有準確、穩(wěn)定和可靠的特點,該方法在物種鑒定方面具有廣闊的應用前景[8]。
中藥材DNA條形碼分子鑒定通常是以核糖體DNA第二內部轉錄間隔區(qū)(ITS2)為主體條形碼序列鑒定中藥材的方法體系,其中植物類中藥材選用ITS2/ITS為主體序列,以葉綠體psbA-trnH為輔助序列,動物類中藥材釆用細胞色素C氧化酶亞基I(COI)為主體序列,ITS2為輔助序列[9]。中藥材DNA條形碼分子鑒定技術被譽為中藥鑒定學的“文藝復興”,可將中藥基原鑒定至物種水平。經過大量實踐證實,該技術能有效實現對中藥種子種苗、基原物種、藥材、飲片及中成藥等的基原鑒定[10]?!爸兴幉腄NA條形碼分子鑒定法指導原則”自2014年首次被收載于《中國藥典》(2010年版第三增補本)至今已有9年,也使其逐漸成為藥檢機構的檢測項目[11],越來越多的中藥生產加工企業(yè)亦開始采用該技術來監(jiān)控其原料藥基原。隨著該技術的不斷推廣,不僅有利于規(guī)范藥材市場,而且促進了中藥質量控制水平的提高,在中藥全產業(yè)鏈各關鍵環(huán)節(jié)均發(fā)揮著重要作用。
2.2 DNA測序技術 DNA測序技術系指分析DNA堿基構成和堿基順序的技術,一般采用雙脫氧鏈終止法進行DNA測序。其原理是利用2′,3′-雙脫氧核苷三磷酸(2′,3′-ddNTP)作為鏈終止試劑,通過DNA聚合酶催化和引物延伸產生一系列長度相差一個堿基的寡核苷酸,進行電泳分離,通過放射自顯影或熒光確定DNA的序列。除雙脫氧鏈終止法外,DNA測序技術還包括邊合成邊測序、單分子實時測序、納米孔測序等技術。DNA測序分析可分為手工測序和自動測序,當前以自動測序為主流[12]。通過高精度的DNA序列分析手段測定中藥材、中藥飲片等所需被測的基因片段,并加以對比分析,進而實現鑒別的目的。選擇用于DNA測序的基因片段需在種內高度保守,而在種間序列的差異較大,進而適用于中藥材種間的鑒定[13]。
2.3 獸用中藥標準核酸序列的建立 標準核酸序列系指供藥品標準中要求的種屬源性鑒別或鑒定的核酸序列,其具有確定的堿基排列順序,是實施核酸檢測的基礎,用于藥品檢驗、藥品質量控制中涉及的動物、植物、微生物以及重組生物制品的種屬鑒別或鑒定。藥品標準中采用核酸序列進行鑒定的品種,都建有標準核酸序列[14]。標準核酸序列庫的可靠性是DNA條形碼分子鑒定的基礎。目前已有的數據庫,如GenBank,中藥材DNA條形碼鑒定系統(tǒng),EMBL等,數據之間缺乏驗證,由各位科研人員單獨提供,質量參差不齊,為保證DNA條形碼分子鑒定的可靠性,標準核酸序列應具備權威性、準確性、專屬性和溯源性的標準。
據統(tǒng)計,獸醫(yī)臨床及畜牧養(yǎng)殖中常用的獸醫(yī)專用中藥有60余種[1],缺乏DNA分子鑒定研究基礎,為了不與人藥爭資源,保障獸用中藥原料質量,開展獸醫(yī)專用中藥DNA分子鑒定研究對促進獸用中藥行業(yè)高質量發(fā)展具有重要意義。建立獸醫(yī)專用中藥DNA條形碼標準要滿足以下條件,首先應確保藥材基原的準確性,然后應采用標準的序列校準程序。
2.3.1 確保藥材基原準確 了解獸用中藥材的產地和分布區(qū)域,樣品應采自道地產區(qū)和主要分布區(qū),所有采集的樣品均應經過鑒定專家進行鑒定以確保藥材基原準確。樣品經專家鑒定后應進行規(guī)范化管理,根據樣品編碼規(guī)則對采集樣品進行標準編碼,并進行專門存放。
2.3.2 確保DNA條形碼序列可靠性 對拼接好的中藥DNA條形碼序列進行質量評估時,主要以堿基的Q值(quality value)為依據,Q值代表了堿基測序的質量值,計算公式為Q=-10×lgP,P為每個堿基出錯的概率。例如,若每100個堿基有1個錯誤,那么P=0.01,Q就為20,即Q20表示堿基錯誤率為1%。一般情況下,單向測序的堿基質量需要大于Q20(99%的可靠性),經雙向測序拼接后的堿基質量需要大于Q30(99.9%的可靠性)[15]。序列質量判斷標準采用國際DNA條形碼協(xié)會(CBOL)通用的標準[16]。
2.3.3 保證序列和基原樣品的一致性 除采集樣品和實驗過程規(guī)范操作外,需采用嚴格校對機制,即通過BLAST分析防錯等措施,確保實驗獲得的序列和基原樣品的一致性,避免在實驗過程中由于操作不當引入的真菌污染和樣品交叉污染。
所建立的獸用中藥標準核酸序列信息應具有完整性,包括物種名稱、編號、用途、樣本來源、堿基序列和基于現有實物鑒定標準的相關描述。標準核酸序列建立后,應提交至國家有關管理部門審核,經批準后方可納入標準核酸序列數據庫使用。此外,標準核酸序列的建立單位應建立常規(guī)的質量保障體系,對其發(fā)行的標準核酸序列進行定期監(jiān)測,確保標準核酸序列的及時更新。
3.1 基因芯片的優(yōu)勢 基因芯片(Gene chip) 又稱DNA微陣列,是生物芯片的一種,由美國Fodors等[17]在20世紀90年代初提出并研究,是專門用于核酸檢測的生物芯片。其原理是將大量的分子探針附著固定于載體支持物上,與待測樣品基因組DNA序列雜交進行核酸序列測定,借由熒光或電流等方式檢測每個探針分子的雜交信號強度,進而獲取樣品分子的數量和序列信息。由于基因芯片技術能夠一次性將大量探針固定在支持物上,因此可以同時對待測樣品進行序列檢測及分析,從而簡化了傳統(tǒng)核酸印跡雜交技術操作繁瑣、效率低下等不足,同時減少了所需檢測序列的數量,自動化程度顯著提高[18]。
基因芯片技術以高通量、多因素、微型化和快速靈敏的特點而見長,在應用時可根據實際情況具體設計探針系列,選擇具有針對性的分析檢測方法,可極大地擴展此技術的應用范圍,如基因表達譜測定、突變檢測、多態(tài)性分析、基因組文庫作圖及雜交測序等[19]。經過近30年的發(fā)展,基因芯片作為高度集成化的分析和研究手段已成為進行藥物基因組學研究的主要平臺。
3.2 基因芯片與獸用中藥評價 早在三千多年以前,中藥就被應用于促進動物生長及疾病防治。雖然獸用中藥應用歷史悠久,但缺乏高質量的科學證據來證明其有效性。由于采用以理化分析為主的研究方法常存在較多的局限性,導致人們長期以來對獸用中藥的認識層次與研究手段基本保持在低效率與低通量。根據網絡藥理學理論,所有藥物都是通過直接或間接修飾或改變人體基因及基因產物產生作用[20]。因此,利用基因芯片技術分析藥物活性成分影響基因表達多態(tài)性變化就成為從分子水平上深入研究中藥活性成分作用機制、有效成分篩選、質量控制及安全性評價等研究難題的重要方法?;蛐酒夹g是中藥研究領域中一次具有深遠意義的改革,具有極廣的發(fā)展擴張性與應用深度,為中藥現代化的發(fā)展提供了新途徑。
3.2.1 基因芯片與中藥質量控制 確保獸用中藥的質量,是保證中獸醫(yī)臨床用藥安全有效的前提。鑒于中藥復方成分復雜,應用常規(guī)方法很難準確地鑒別其藥用組分,可將基因芯片與從正品中藥中得到的DNA雜交,得到標準基因圖譜,與待鑒定中藥的基因圖譜比較分析即可達到鑒定的目的。
基因芯片在21世紀初即被應用于中藥鑒定[21],發(fā)展至今,基因芯片在破碎藥材、近緣相似種、炮制藥材及貴重藥材等的鑒別鑒定中均發(fā)揮了不可替代的作用。但值得注意的是,中藥的藥效成分大多是其次生代謝產物,基因芯片只能鑒別中藥的真?zhèn)味荒軐ζ鋬?yōu)劣進行鑒定,不能取代中藥化學成分指紋圖譜等的鑒定[22]。
3.2.2 基因芯片與中藥安全性評價 中藥的安全性評價是中藥現代化發(fā)展中的熱點問題。中藥進入國際市場通常需要提供安全性研究報告,因此,中藥毒性的快速評價與篩選是中藥研究領域亟待解決的問題[23]。對于獸用中藥,除人畜共用中藥外,獸醫(yī)專用中藥在臨床及養(yǎng)殖中使用廣泛,該類藥材因毒性較大、安全性風險較高致人醫(yī)很少使用。為保障養(yǎng)殖安全,開展獸用中藥安全性評價極為重要。
傳統(tǒng)的藥理毒理研究方法很難對獸用中藥的安全性進行較為全面的評價,而且對于慢性毒性和不良反應,傳統(tǒng)研究方法需要消耗大量的人力、物力和時間,而且某些毒性和不良反應可能檢測不到[24]。利用基因芯片技術將中藥的毒副作用與基因表達特征聯系起來,通過快速分析中藥微量活性成分,高通量研究全組分作用靶點,依據基因的表達分析即可確定藥物的毒性[25-26],從而提高獸用中藥的安全性評價水平。
當前中藥質量控制與藥效評價主要采用常規(guī)的理化及藥理學方法,由于中藥化學組成復雜,作用靶點多,活性、毒性成分及作用機制等研究尚不明確,常規(guī)方法雖然簡單易行,但在有效性和安全性的控制上可能存在不足,較難保證中藥的質量可控性[27]。美國食品藥品管理局(FDA)將生物評價作為植物藥質量控制的重要方法,2016年美國FDA正式發(fā)布的《植物藥研發(fā)行業(yè)指南》(Botanical Drug Development Guidance for Industry)中要求,在僅采用化學檢驗不足以確保質量和療效一致性的情況下,申請人應在植物藥原料藥和(或)藥品放行質量標準和穩(wěn)定性試驗方案中納入生物學檢測方法。
生物學檢測系指采用生物學方法,以反映被測物的生物學特性為目的的測定方法。生物學測定方法可廣泛用于各種檢測目的,包括鑒別、生物活性和雜質檢測等,其中最主要的是生物活性(或效價、效力)測定。根據中藥特點,研究探索生物學方法用于中藥質量控制,與現行質控方法相互補充,為建立符合中醫(yī)藥特點的中藥質量控制體系提供了新的路徑,亦為保證臨床用藥的安全有效、質量可控提供更充分的科學依據。
4.1 中藥生物活性測定 生物活性測定法,是以藥物的生物效應為基礎,以生物統(tǒng)計為工具,運用特定的實驗設計,測定藥物有效性的一種方法,從而達到控制藥品質量的作用。該方法將復雜的中藥活性成分作為“黑箱”,直接以藥效為切入點評價中藥質量,可為現有的質量標準擴充與完善提供有力借鑒,逐漸得到大家的重視與認可[28]?!吨袊幍洹窂?010-2020年版均收載了《中藥生物活性測定指導原則》,明確了生物活性評價方法作為中藥質量控制的具體原則,側重于在中藥質量標準領域中的應用。該方法包括生物效價測定法和生物活性限值測定法。在應用時應優(yōu)先選用生物效價測定法,對于不能建立生物效價測定的品種可考慮采用生物活性限值測定法。
生物活性測定法操作簡便,實驗周期短,所測數據可直觀反映藥物功效,擺脫了“化學成分作為質控指標”的桎梏,有望在不斷實踐的同時得到蓬勃發(fā)展。然而由于生物活性測定法用于中藥質量評價起步較晚,在實施、衍化與發(fā)展過程中仍存在不少障礙,如找尋與待測樣品活性相似的對照品有一定難度,缺乏生物測定用的中藥對照品[29];對于多種適應癥的中藥,其相關病癥生物活性選擇范圍寬泛等。但對于功能主治明確、有效成分模糊、檢測方法不夠完善的中藥,生物活性檢測法能為其質量控制起到有效補充。
4.2 中藥生物效應檢測 生物效應檢測是指利用藥物對試驗系所產生的生物效應,運用特定的實驗設計,反映藥物有效性、安全性的一種方法,從而達到評價和控制藥品質量的目的。當前中藥質量控制方法較難與臨床有效性、安全性相關聯,為制定并完善符合中藥特點的中藥質量控制體系,國家藥品監(jiān)督管理局藥品審評中心于2020年12月17日發(fā)布了《中藥生物效應檢測研究技術指導原則(試行)》[30]。
中藥生物效應檢測方法是通過與中藥有效性、安全性相關聯,反映一類或多類活性/毒性成份的生物效應,是一種符合中藥多成份、整體作用特點的質量控制方法,可較好地彌補現行質量控制方法的不足,適用于中藥全生命周期的相關評價。目前,中藥生物效應檢測的相關評價方法可包括生物效價/生物毒價、生物活性限值、效應成份指數、生物標志物、生物效應表達譜等?;谥兴幱行浴踩院唾|量可控性等因素,建議在以下三種情形中優(yōu)先考慮該方法:①藥理作用清楚、活性明顯、量效關系明確,但有效成份不清楚的;②涉及毒性藥味和(或)現代研究表明對人體具有較強的毒性反應,但產生毒性反應的成份尚不明確的;③檢測的化學成份與臨床療效和安全性關聯性不強的。
中藥生物效應檢測方法作為一種新技術和新方法,不同于一般的藥理學實驗方法,需要具備藥理學與藥檢分析的雙重屬性和要求[2],其目前屬于前瞻性、探索性的研究方法,因此在方法的廣泛應用方面可能還存在一定困難,對方法的建立、技術難點和注意的問題還有待細化。
4.3 獸用中藥的生物活性測定 如何更有效的控制和評價產品質量及臨床療效是目前獸用中藥發(fā)展的焦點問題。中藥的生物活性測定相對于理化測定在獸用中藥藥效評價方面的臨床意義更大。早在上世紀90年代,獸藥行業(yè)就認識到有必要在現有含量測定的基礎上增加生物活性測定來控制獸用中藥質量。1992年,農業(yè)部批準的新藥“黃芪多糖注射液”采用生物活性限值測定法,用測定小鼠脾增重關聯中藥制劑提高動物機體免疫力的能力,有效的控制了產品療效。
隨技術的發(fā)展及普及,生物活性測定在醫(yī)藥領域的中藥質量控制實踐中也逐漸被采用,如2005年版《中國藥典》中水蛭的含量測定,消栓腸溶膠囊國家藥品標準WS3-571(Z-67)-2005(Z)的效價測定,均為借鑒生物制品中酶效價測定方法。目前,中醫(yī)藥證候類生物活性檢測方法一直是研究難點,張莉華等[31]基于活血化瘀藥物多數具有的抗血小板聚集的作用機制,以中藥活性成分丹酚酸B作為標準物質,建立了家兔體外抗血小板聚集生物效價檢測方法,經第三方實驗室驗證重現性良好。上述成果為中獸藥藥效和安全性評價技術研究提供了借鑒與參考。
中國藥典已經對清熱解毒類、活血化瘀類中藥制定了一些生物評價標準,以及動物藥如蘄蛇的模板DNA提取、PCR反應等等。為全面地提升獸用中藥材、飲片、提取物和制劑質量控制技術,建議加強生物學檢測技術研究,推動基因組學、代謝組學在獸用中藥質量控制及評價中的應用。
5.1 運用代謝組學開展中藥過程質量控制 中藥質量與有效成分的組成、含量、產地和種屬等因素直接相關,傳統(tǒng)的分析技術很難對多成分的中藥做出正確分析。代謝組學是基于藥物整體性的檢測技術,能對中藥的品種栽培、產地加工、飲片炮制、分離純化等各個生產加工環(huán)節(jié)進行質量管控,是臨床用藥安全性和中藥質量控制的有利手段[32]。
應用代謝組學對影響藥材質量的關鍵因素進行分析,提供代謝產物的整體信息,確定與質量變化相關的質量標志物,為中藥材的質量控制和炮制提供重要依據。中藥品種鑒定是中藥質量控制的關鍵,通過代謝組學差異研究,可廣泛應用于代謝信息相似的中藥質量控制,實現對多種同屬植物進行化學成分分析和真?zhèn)舞b別。生長年限是影響中藥成分的重要因素,直接關系藥材各成分的含量和藥效,隨著中藥栽培時間的延長,通過研究代謝物含量變化,揭示客觀的量效關系。此外,中藥炮制是中藥材采收之后處理加工的重要環(huán)節(jié),炮制過程中化學成分發(fā)生改變,運用代謝組學可對發(fā)生改變的成分進行綜合分析,通過研究代謝產物的空間分布,篩選差異代謝物,進而揭示炮制減毒增效的物質基礎[33]。
5.2 運用基因組學探索中藥藥性與功能主治關系中藥基因組學是從基因組水平研究中藥及其對人體作用的一門前沿學科,利用組學技術研究中藥基原物種的遺傳信息及其調控網絡,闡明中藥防治人類疾病的分子機制[34]。經過不斷發(fā)展,中藥基因組學已成為開展中藥有效成分篩選、中藥及復方藥性研究、中藥新藥研發(fā)、中藥質量控制與安全性研究及中藥基因芯片構建的基礎與重要依據。
中藥是在中醫(yī)藥理論下指導運用的藥物。中藥的基本理論,部分與現代醫(yī)學有一定相關性解釋,如活血化瘀、行氣止痛、清熱解毒等,可以優(yōu)先考慮進行生物活性測定,不強求完全反應中藥的本質特點,但可以達到以良好的生物效應控制標準符合國際公認的質量準則,從而推動中藥在臨床中的使用,并推動中藥質量標準的進步。對于中醫(yī)藥基礎理論,如寒熱溫涼、中醫(yī)證候的辨證論治,其本質也是一種生物體的過程和反應,那么就可以通過基因組學、蛋白組學等方法,從分子生物學基因層面闡述中藥藥性、作用機制,通過建立全新的生物檢定方法,進一步探索中藥的藥性與功能主治的關系[35],為中醫(yī)藥理論文化的繼承與發(fā)展提供有效技術支撐。