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、來源復雜以及受市場利益的驅使，中藥材品種混淆、摻偽現(xiàn)象時有發(fā)生，不僅導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)科學院中藥研究所所長陳士林研究員帶領科研人員研發(fā)出一種新的中藥材鑒定方法——中藥材DNA條形碼鑒定技術。

　　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重。基原鑒定應用植物、動物或礦物的形態(tài)學和分類學特征，對中藥材的來源進行指認，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)的是藥材微觀構造和特征；理化鑒定則是根據(jù)藥材的某些物理性質或化學性質，采用物理或化學手段，對其進行真?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)素質要求較高。由于相關人才培養(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家保羅·赫伯特首次提出，是指使用一段較短的、標準的、易擴增的DNA片段對物種進行快速、準確、標準化的鑒定。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手段，進行DNA提取、PCR擴增和序列測定、序列分析等。

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

　　“該技術具有通用性，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行準確鑒定；鑒定過程更加快速；重復性和穩(wěn)定性高；實驗過程標準、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條形碼鑒定技術在中藥材鑒定中已得到成功應用，擺脫了傳統(tǒng)形態(tài)鑒定方法依賴長期經(jīng)驗的束縛。陳士林強調，該技術有利于標準化，是中藥分子鑒定方法學上的創(chuàng)新。

　　不過，這項鑒定技術也存在短板。陳士林解釋：“由于DNA條形碼鑒定技術主要在核酸層面對物種進行鑒定，不包含物種的性狀和物理化學質量標準信息。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準化

　　近年來，國內相關團隊正在推動中藥材DNA條形碼鑒定技術體系的建立。

　　比如，陳士林本草基因組學團隊在大樣本量中藥材基因序列篩選研究基礎上，出版了《中國藥典中藥材DNA條形碼標準序列》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，陳士林團隊比較了7個候選DNA條形碼，篩選的標準包括PCR擴增效率、種內/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序列鑒定能力進行分析，顯示ITS2在物種水平的鑒定效率高達92.7%。

　　因此，陳士林團隊建議將ITS2作為藥用植物標準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。

　　為了保證鑒定結果的準確性，陳士林團隊還建立了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平臺，對推進中藥材鑒定方法通用化、標準化和國際化具有重要作用。

　　在研究基礎上，陳士林團隊建立了中藥材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條形碼鑒定技術近年來發(fā)展迅速。”陳士林表示。

　　2019年，陳士林團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，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條形碼技術與等溫DNA擴增技術、側向流檢測試紙(LFD)裝置相結合，陳士林團隊還成功研發(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)設備，可在30分鐘內產(chǎn)生可靠結果，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。

　　隨著科學技術的發(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，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條形碼技術在多物種混合物中的應用，對于來源復雜、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”，從基因層面解決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》，應用在中藥的種植、生產(chǎn)、加工、流通及臨床應用等多個環(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，瞄準藥材品質提升領域關鍵核心技術，盡快開展中藥材品質提升工程戰(zhàn)略，種植、生產(chǎn)安全且優(yōu)質的中藥材，從源頭上提升中藥材的質量，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)展必須依靠科學和技術，只有掌握原創(chuàng)性的技術才能更好地助力中藥材產(chǎn)業(yè)發(fā)展。”陳士林強調。

　　本報記者 代小佩