DNA條形碼： 讓中藥材鑒定擺脫經(jīng)驗依賴

　　科技賦能中醫(yī)藥①

　　編者按 在我國抗擊新冠肺炎疫情的過程中，中醫(yī)藥發(fā)揮了獨特作用。中醫(yī)藥的傳承、創(chuàng)新和發(fā)展對我國醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)的發(fā)展具有積極的現(xiàn)實意義。近年來，人工智能、大數(shù)據(jù)等高新科技為傳統(tǒng)中醫(yī)藥的發(fā)展不斷賦能，中醫(yī)藥領(lǐng)域取得了大量的創(chuàng)新成果。為此，本報推出“科技賦能中醫(yī)藥”系列報道，將中醫(yī)藥在診療方法、藥材研發(fā)與鑒定等方面的創(chuàng)新成果一一呈現(xiàn)。

　　中藥材造假的現(xiàn)象自古有之。近年來，由于中藥材種類繁多、來源復(fù)雜以及受市場利益的驅(qū)使，中藥材品種混淆、摻偽現(xiàn)象時有發(fā)生，不僅導(dǎo)致中藥材的聲譽受損，而且也對患者的生命安全造成了威脅。以白鮮皮為例，許多患者由于服用了與植物白鮮皮相似的偽品中藥材加工成的飲片，導(dǎo)致藥物性肝損傷。

　　因此，識別藥材真假偽劣尤為重要。然而，許多混偽品與藥材形態(tài)相似，用傳統(tǒng)的理化鑒定方法區(qū)別較為困難。人們亟待發(fā)現(xiàn)一種能準(zhǔn)確、快速、可靠地鑒定藥材的新方法，在此背景下，中國中醫(yī)科學(xué)院中藥研究所所長陳士林研究員帶領(lǐng)科研人員研發(fā)出一種新的中藥材鑒定方法——中藥材DNA條形碼鑒定技術(shù)。

　　為中藥材量身定做“基因身份證”

　　中藥材傳統(tǒng)鑒定方法主要包括基原鑒定、性狀鑒定、顯微鑒定和理化鑒定。

　　這些鑒定方法各有側(cè)重。基原鑒定應(yīng)用植物、動物或礦物的形態(tài)學(xué)和分類學(xué)特征，對中藥材的來源進(jìn)行指認(rèn)，因而對所鑒定材料的完整度有較高的要求；性狀鑒定是對藥材宏觀性狀的感官鑒定；而顯微鑒定主要依據(jù)的是藥材微觀構(gòu)造和特征；理化鑒定則是根據(jù)藥材的某些物理性質(zhì)或化學(xué)性質(zhì)，采用物理或化學(xué)手段，對其進(jìn)行真?zhèn)舞b別。

　　“不過，這些方法在一些近緣種、易混種的中藥材鑒定上存在局限。此外，傳統(tǒng)鑒定方法依賴經(jīng)驗，對鑒定人的專業(yè)素質(zhì)要求較高。由于相關(guān)人才培養(yǎng)周期長，很多地方的老藥工已經(jīng)很少，面臨人才斷代的困境。”中國中醫(yī)科學(xué)院中藥研究所所長陳士林告訴科技日報記者，中藥材DNA條形碼鑒定技術(shù)很好地解決了這一難題，讓中藥材鑒定不再依賴藥工。

　　陳士林介紹，DNA條形碼的概念由加拿大動物學(xué)家保羅·赫伯特首次提出，是指使用一段較短的、標(biāo)準(zhǔn)的、易擴(kuò)增的DNA片段對物種進(jìn)行快速、準(zhǔn)確、標(biāo)準(zhǔn)化的鑒定。而中藥材DNA條形碼主要記錄的是現(xiàn)行分類系統(tǒng)下代表中藥材物種的DNA序列信息。中藥材DNA條形碼鑒定技術(shù)就是適用于中藥材物種鑒定的DNA條形碼，通俗來講，就是為中藥材量身定做的“基因身份證”。中藥材要獲得屬于自己的“基因身份證”，需要利用分子生物學(xué)手段，進(jìn)行DNA提取、PCR擴(kuò)增和序列測定、序列分析等。

　　陳士林認(rèn)為，相比傳統(tǒng)的中藥材鑒定方法，中藥材DNA條形碼鑒定技術(shù)具有多方面優(yōu)勢。

　　“該技術(shù)具有通用性，只需選用一個或少數(shù)幾個基因片段即可對絕大部分物種進(jìn)行準(zhǔn)確鑒定；鑒定過程更加快速；重復(fù)性和穩(wěn)定性高；實驗過程標(biāo)準(zhǔn)、操作簡單；可通過互聯(lián)網(wǎng)和信息平臺對現(xiàn)有物種序列信息進(jìn)行集中統(tǒng)一管理；可有效緩解分類鑒定人才缺乏的現(xiàn)狀。”陳士林說。

　　近年來，DNA條形碼鑒定技術(shù)在中藥材鑒定中已得到成功應(yīng)用，擺脫了傳統(tǒng)形態(tài)鑒定方法依賴長期經(jīng)驗的束縛。陳士林強(qiáng)調(diào)，該技術(shù)有利于標(biāo)準(zhǔn)化，是中藥分子鑒定方法學(xué)上的創(chuàng)新。

　　不過，這項鑒定技術(shù)也存在短板。陳士林解釋：“由于DNA條形碼鑒定技術(shù)主要在核酸層面對物種進(jìn)行鑒定，不包含物種的性狀和物理化學(xué)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)信息。所以，對于在炮制或加工過程中DNA降解的藥材鑒定能力有限。另外，DNA條形碼不能鑒定礦物藥材。”

　　讓中藥材鑒定更趨標(biāo)準(zhǔn)化

　　近年來，國內(nèi)相關(guān)團(tuán)隊正在推動中藥材DNA條形碼鑒定技術(shù)體系的建立。

　　比如，陳士林本草基因組學(xué)團(tuán)隊在大樣本量中藥材基因序列篩選研究基礎(chǔ)上，出版了《中國藥典中藥材DNA條形碼標(biāo)準(zhǔn)序列》和《中藥DNA條形碼分子鑒定》，建立了中藥材DNA條形碼分子鑒定體系。

　　“該體系包括以ITS2+psbA-trnH為主體的植物類藥材DNA條形碼鑒定體系和COI+ITS2的動物類藥材DNA條形碼鑒定體系。”陳士林介紹。

　　2010年，陳士林團(tuán)隊比較了7個候選DNA條形碼，篩選的標(biāo)準(zhǔn)包括PCR擴(kuò)增效率、種內(nèi)/種間遺傳變異等。通過對7個門753個屬4800個物種6600多個樣品的ITS2序列鑒定能力進(jìn)行分析，顯示ITS2在物種水平的鑒定效率高達(dá)92.7%。

　　因此，陳士林團(tuán)隊建議將ITS2作為藥用植物標(biāo)準(zhǔn)DNA條形碼，同時建議ITS2可作為新的通用條形碼用于鑒定更廣泛的植物類群。2011年，中國DNA條形碼植物工作組對來自75科141屬1757物種6286樣本的4個DNA條形碼進(jìn)行研究，建議把ITS/ITS2作為種子植物的核心條形碼。

　　為了保證鑒定結(jié)果的準(zhǔn)確性，陳士林團(tuán)隊還建立了DNA條形碼數(shù)據(jù)庫。DNA條形碼數(shù)據(jù)庫不僅是存儲樣品信息和DNA條形碼序列的工具，而且是DNA條形碼研究和物種鑒定分析的生物信息學(xué)平臺，對推進(jìn)中藥材鑒定方法通用化、標(biāo)準(zhǔn)化和國際化具有重要作用。

　　在研究基礎(chǔ)上，陳士林團(tuán)隊建立了中藥材DNA條形碼鑒定系統(tǒng)，核心數(shù)據(jù)庫涵蓋了《中國藥典》(2010年版，2015年版)收錄的幾乎所有動物、植物藥材及常見混偽品，并包含了《韓國藥典》《日本藥局方》《印度藥典》《歐洲藥典》以及《美國藥典》所記錄的草藥藥材，擴(kuò)展數(shù)據(jù)庫中涵蓋的物種數(shù)超過十萬種，序列超過百萬條。

　　助力中藥材產(chǎn)業(yè)發(fā)展

　　“中藥材DNA條形碼鑒定技術(shù)近年來發(fā)展迅速。”陳士林表示。

　　2019年，陳士林團(tuán)隊與深圳華大智造科技股份有限公司合作開發(fā)了我國具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的首創(chuàng)中草藥基因測序智能鑒定儀——中草藥DNA條形碼高通量基因測序一體機(jī)，成功攻克產(chǎn)業(yè)鏈條上游壁壘，完成硬件儀器的自主知識產(chǎn)權(quán)和國產(chǎn)化，讓我國中草藥基因鑒定擺脫了對國外儀器的依賴。

　　此外，通過將DNA條形碼技術(shù)與等溫DNA擴(kuò)增技術(shù)、側(cè)向流檢測試紙(LFD)裝置相結(jié)合，陳士林團(tuán)隊還成功研發(fā)出一種快速鑒定劇毒植物鉤吻的方法。

　　“該方法易于執(zhí)行且不需要專業(yè)設(shè)備，可在30分鐘內(nèi)產(chǎn)生可靠結(jié)果，適用于鉤吻的現(xiàn)場快速鑒定，也為包括植物和動物在內(nèi)的其他物種的快速現(xiàn)場鑒定提供了新的思路。”陳士林說。

　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，高通量測序具有測序讀數(shù)更長、測序深度更深的優(yōu)勢，成為潛在的測序方法。陳士林表示：“我們基于中藥材條形碼數(shù)據(jù)庫和長讀測序技術(shù)，提出了全長多條形碼方法，該方法能夠識別多物種混合物的生物起源，詮釋了DNA條形碼技術(shù)在多物種混合物中的應(yīng)用，對于來源復(fù)雜、形狀不明顯，或者已經(jīng)被粉碎的中藥材的鑒定研究，提供了切實可行的方向。”

　　據(jù)介紹，中藥材DNA條形碼已被納入《中國藥典》(2020)，為中藥材建立了“基因身份證”，從基因?qū)用娼鉀Q了中草藥與混偽品的物種識別問題，同時也被納入了《英國藥典》，應(yīng)用在中藥的種植、生產(chǎn)、加工、流通及臨床應(yīng)用等多個環(huán)節(jié)。

　　提及中藥材產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，陳士林建議，要以無公害種植為抓手，瞄準(zhǔn)藥材品質(zhì)提升領(lǐng)域關(guān)鍵核心技術(shù)，盡快開展中藥材品質(zhì)提升工程戰(zhàn)略，種植、生產(chǎn)安全且優(yōu)質(zhì)的中藥材，從源頭上提升中藥材的質(zhì)量，保障用藥安全，助力中藥材產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

　　“中醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)發(fā)展必須依靠科學(xué)和技術(shù)，只有掌握原創(chuàng)性的技術(shù)才能更好地助力中藥材產(chǎn)業(yè)發(fā)展。”陳士林強(qiáng)調(diào)。

　　本報記者 代小佩