中医药

中药质量问题 “对症下药” ,以数字化赋能中药产业升级

中医药是我国悠久历史文化的无价传承, 从 十一五” 规划以来,中医药便被列为国家级发展战略规划,其后一系列利好的政策陆续颁布。继而,在 “十四五” 规划中更提出将进一步加快中医药科技创新体系建设,提升中医药传承创新。规划发布后,国家医疗保障局、国家中医药管理局联合发布 《关于支持中医药传承创新发展的实施意见》 将符合条件的中药纳入医保药品目录。近年新冠疫情的蔓延,更见证了中医药的独特价值。在长时间对抗疫情、病毒快速变种的威胁下,中药固本培元的概念成为后疫情时代的关注热点。2021 年,在国家医疗保障局公布的国家医保药品目录中,化湿败毒颗粒、宣肺败毒颗粒等作为治疗新冠肺炎的新增品种首次进入目录,这一调整标志着中药独特的预防与治疗效用在我国新冠疫情的抗击中可以得到更充分的发挥。

然而,众所周知,中药所面临最严峻的问题从来都不是大众的重视程度或者是对其有效性的质疑,而是中药的质量控制问题。只有用发展的思维去传承,充分结合时代的创新科技,坚守质量保障监督,才能使中药稳建发展,走向国际,绽放其应有的光辉。这一任务必然是伟大而艰巨的,随着国际环境和行业的发展,对中药的质量标准要求也日益提高,尤其要走进国际市场,中药产业的数字化转型升级势在必行。

中药质量控制研究发展的必然途径:
自动化 —— 信息化 —— 数字化

中药数字化转型需要海量数据的支持,而大量的可靠数据的产生如果仅仅只是依靠人员丰富的经验和传统的实验模式,必然无法满足数字化中药数据基础建设的高速发展需求。因此,自动化绝对是中药产业数字化转型的起点,稳健的自动化设备将有助奠定中药产业数字化的基础。中药质量控制的研究一般起始于药效物质的确认,基于中药成分的复杂性,中药化学成分的分离过程是主要的限速步骤之一。如果能在自动化设备的协作下实现快速分离,研究的工作周期得以加快,可更高效的进入中药药效成分分析的下一研究阶段。

以 2015 年发表于 PLoS ONE 期刊的一篇研究成果为例[1],作者通过自动化的二维分离制备系统 —— Sepbox,进行 20 小时的自动运转,得到 150 个馏分,再于薄层色谱生物自显影 a-葡萄糖苷酶抑制活性筛查模型上对这 150 个馏分进行快速筛查,最终得到 15 个馏分且参比阳性对照具有明显的抑制活性。再进一步对这 15 个活性馏分进行细分纯化以及结构鉴定,最终得到 20 个活性化合物。

作者在研究中应用的 Sepbox 二维高效液相分离系统是德国 Sepiatec 公司专为中药化学分离研发,将 SPE 与 HPLC 功能巧妙结合,实现 24 小时内完成中药提取物的全自动分离和收集,单次运行最多可收集近 500 个馏分。 在快速拿到分离馏分后,即可利用薄层色谱技术进行药效活性成分的初步快速筛查。活性成分确认后,也可再次应用 Sepbox 二维分离制备系统进行目标化合物的快速富集,通常单次运行 小时即可完成目标化合物的一次富集,以供后续药理等下一阶段的研究应用。在自动化分离设备和薄层色谱快速筛查技术的辅助下,从粗提物到确定初筛潜在的活性单体,全部工作周期可在 个工作日内完成。高效的自动化技术,快速对大批量的样品进行处理,同时收集准确的研究数据,建立及巩固了中药数字化转型的流程基础。

自动化不仅是稳健高效的工具,更是实验室数据重复性、可靠性和完整性的保障。对于中药质量控制标准执行过程中的大量样品制备和样品检测工作,这些特性尤为重要。如 《中国药典》中最常见的中药材薄层色谱鉴别检测项目,很多品种单单是样品制备过程就需要 2 ~ 3 天,需经过粉粹 – 提取 – 萃取 – 过柱净化 – 收集 – 浓缩 – 复溶等诸多步骤,越是繁琐的过程,出现检验结果偏差 (OOS) 的可能性就越高,如果整个操作过程均由人工完成,那么 OOS 的溯源调查难度也是可想而知。因此,中药质量控制需要可灵活应用到不同样品制备流程的自动化技术,以确保实验数据的完整性及准确性。国内已经有企业开拓相关领域,例如力扬企业正与瑞士的实验室自动化技术专家 —— Chemspeed 合作,展开 “中药样品制备自动化平台“ 项目,借助其定制流程自动化实验平台的丰富经验,针对中药样品制备的常见操作,将中药样品制备步骤集成在一个紧凑的平台上,通过软件编辑流程,实现全流程自动化与信息化的样品制备。目前 Chemspeed 的全自动研发平台已经在国内多家石油化工、有机合成和精细化工等企业落地应用,期待东西方智慧碰撞出更适合中国国情和中药特性的自动化样品制备平台,为中药产业带来更多革新的动力。

时势造就: 承前启后的数字化薄层色谱技术

正如前文提及,薄层色谱技术 (TLC) 可应用于中药活性成分的快速筛查,与此同时它更是最早应用于中药鉴别检测的重要技术手段之一。长期以来,随着薄层色谱技术在自动化和标准化上的升级和突破,形成了区别于传统 TLC 的高效薄层色谱法 (HPTLC)。与传统的 TLC 相比,HPTLC  具有更高的标准化要求,因此具有优秀的重现性和更广泛的适用性,现已被部分国家的药典所收录。技术升级除了需要具备完备的理论阐述,还需要实践论证,而与技术相关的设备系统的升级换代就是最有力的实践先行者。就如近年薄层色谱设备的全球领导品牌 —— 瑞士 CAMAG 全新研发的全自动数字薄层色谱系统 —— HPTLC PRO,在自动化技术上为高效薄层色谱技术带来了创新的升级和突破。承前,完美解决 HPTLC 无法全流程自动化难题;启后,开启数字化薄层色谱系统的新时代,助力中药行业数字化转型,为迎接智能化实验室时代做足充分的准备。此系统有很多创新的思路,在推动中药产业数字化的过程中值得我们借鉴:

1)    全自动流程化,建立数字化基础

CAMAG HPTLC PRO 全自动数字薄层色谱系统通过系统自动化对薄层分析的全流程进行数字化管理,系统由多个模块组成,从点样、展开、衍生、检测、分析、报告,各环节实现了全流程封闭式自动化连续运作,无需人员干预,大大降低了人为操作引入的实验误差,同时记录全流程的完整数据。另外,HPTLC PRO 凭借气相再生、雾化微滴喷涂等创新专利技术,成功突破了传统薄层色谱法灵敏度低、重现性差的应用瓶颈。

CAMAG HPTLC PRO
2)    平面视觉 多维度评价指标

CAMAG HPTLC PRO 全自动数字薄层色谱系统首创了多维检测评价体系,使 HPTLC 结果的呈现不仅仅只停留在直观平面彩图的层面,而是可以通过图像信息的数据分析和转换实现峰积分参数优化及基线校正,辅助定性和定量分析研究,还可以通过三维建模技术,将多种检测指标的多重结果进行整合,形成多维度的立体评价标准,可平面或立体展示综合评价结果,构建符合中药复杂药效成分协同作用的全面的评价体系。例如某中药制剂样品在 200 – 1000nm 下进行多波长检测,得到不同波长下的标志性吸收成分。传统的做法是反复比较论证,选择其中最具有代表性的一个波长检测结果中的某一或几个成分作为最终的检测指标,这其中必然要有一定的取舍。而多维度的检测系统可将各波长下的检测结果进行整合,构建出一个立体的评价指标,在不错过任何重要的指标性成分信息的同时,还提高了方法的整体检测灵敏度。在后续检测其他批次的产品时,对比系统多维评价数据,就可以全方位多角度地对中药进行数字化检测、分析和评估,做足数字化系统未来升级到智能学习水平的准备。

3)    HPTLC 数字化数据库,信息共享,储备系统智能学习资源

我们全篇所讲的中药数字化,需要通过自动化,实现信息化,充分信息共享才能更顺利的转型到数字化阶段,说到根本,这些必经之路都是在为将来的智能化布局。国际上,众多高效薄层色谱的应用专家已经率先觉醒信息共享意识,他们共同成立了国际高效薄层色谱协会 (www.hptlc-association.org),已然开始推动信息共享,共同开展国际 HPTLC 图谱集和 HPTLC 天然物质数据库构建等项目,免费分享最新 HPTLC 应用成果,定期提供免费的 HPTLC 技术培训活动,以期实现全球的 HPTLC 数据信息共享。协会主席 Reich Eike 教授作为专家顾问,与 《中国药典》  委员会也一直保持良好的沟通和经验交流。国际高效薄层色谱协会还在国内知名中药质量控制研究专家谢培山先生和上海中医药大学首席教授王峥涛先生的大力支持下,成立了 高效薄层色谱协会中国分会,共同推动高效薄层色谱技术在国内的教育普及和应用,为中药走向国际化以及迎接数字化转型而精诚合作。

CAMAG 也积极与国际高效薄层色谱协会联手合作,率先在全球建立了可资源共享的 HPTLC数字化数据库,公开 CAMAG 实验室的众多 HPTLC 方法和结果。在 HPTLC 数字化数据库中,可以下载 CAMAG 共享的中药材等以及一些其他物质应用 HPTLC 检测的完整实验报告,包括样品的制备、展开剂的配置、实验条件,以及设备参数的设置和最终结果的电子数据,所有实验的细节以及结果和讨论的都完整呈现。此外,还可以在 HPTLC 数字化数据库下载方法模板和标准结果对照图谱,加载于 HPTLC PRO 系统后直接运行,对自有样品进行自动化检测和数字化对照品的比对研究。以工业大麻成分的限量检测为例[2][3],拿到样品后,实验人员可以通过 HPTLC PRO 系统内置的 HPTLC 数字化数据库搜索并下载方法,按照方法中的内容完成样品制备和展开剂配置等准备工作,之后的点样、展开、衍生等工作由 HPTLC PRO 系统自动完成。拿到结果后,实验人员可将实验结果与 HPTLC 数字化数据库中其他实验室的结果做比对来进行评估,同时也可作为自有数据库的充实资料以备后续研发的参考查阅,实现资源共享。

自动化新思路,开启 “中药数字化” 时代

无论是国内还是国际,中药质量控制研究的自动化和信息化进程已经启动,并会逐步走向成熟。当然,数字化中药” 并不能一蹴而就。从 “十三五” 规划起始,国家已经大力推行信息化建设,透过不同的信息流程管理系统,开发利用信息资源,以信息技术记录海量的中医药信息数据,再对数据进行数字化分析及计算,这就是 “数字化中药” 的基础。稳健的自动化检测手段能够更全面和有效地监控和把握中药产品在生产前、生产过程中及产后品控和储存等各流程的关键指标,所有流程监控的关键指标将通过信息化处理,形成强大的基础数据库,现阶段常见的半自动或需要过多人为流程干预的检测系统并不能满足中药数字化转型的要求。而在自动化设备和多技术联用的辅助下,中药质量控制研究可以开辟出更多高效的新思路。如本文前述,中药药效成分基础研究从自动化的二维分离制备系统分离,到突破传统的全自动数字薄层色谱系统筛查,以自动化加速数据生产,通过信息共享实现不同实验室间的互联互助,为中药数字化提供夯实的助力。凭借先进的技术和设备提高中医药质量水平,既能节约成本和提升产能,又能保障品控,此外更是迈向国际的重要手段。在全球数字化趋势的环境下,中医药行业应抓紧数字化赋予的机遇,提升中药的质量标准,向中药数字化迈进,通过产业升级,中药智能制造在未来终将可期。

写在最后:

我国中药指纹图谱学奠基人、开拓者之一,中药薄层色谱应用的领路人,多届中国药典会委员,国际高效薄层色谱协会终身荣誉会员,中药质量研究科学家谢培山先生,于 2022 年 月在珠海辞世。老先生毕生都致力于中药质量控制方法的研究,思维敏锐且勇于开拓,是力扬企业 CEO  黄凯扬先生的良师益友也是事业伙伴。早在 90 年代,谢教授就与黄先生探讨了关于 “借助先进的自动化仪器对中药进行科学分析,深入挖掘中药的科学价值……” 的相关话题。也正因此,力扬企业成立至今二十载有余,不忘初心始终坚持实验室自动化革新,用心缔造新时代下的未来实验室,为中药科研事业贡献一己之力。借此,深切缅怀谢培山先生,力扬企业定将初心不改,砥砺前行。

参考文献:

[1] Yingbo Y, et al., Identification of α-Glucosidase Inhibitors from Phlomis tuberosa, PLoS ONE 10(2), February 6, 2015. doi: 10.1371/journal.pone.0116922.

[2] HPTLC Association HPTLC methods listwww.hptlc-association.org.

[3] CAMAG Application Note A-108.1: Identification and quantification of different cannabinoids in Cannabis sativa.

辑录自: 中国中医药产业发展报告 2021 – 2022

主编单位中国中医药研究促进会、北京共生文化传媒有限公司

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