基于机器学习的桑叶特征指纹图谱构建：化学组成与生物活性的整合研究

为解决传统中药桑叶质量评价仅依赖单一成分芦丁(rutin)、缺乏全面性表征的问题，台北医学大学团队通过整合HPLC指纹图谱、化学计量学(PCA/PLS-DA)和人工神经网络(ANN)技术，建立了包含17个特征峰的识别模型(准确率100%)，发现芦丁与MMP-13抑制、隐绿原酸(cryptochlorogenic acid)与MMP-13/PAI-1抑制的相关性，并在博来霉素诱导的肺纤维化小鼠模型中验证了优质桑叶提取物的抗纤维化作用，为中药质量标志物(Q-marker)研究提供了新范式。

　　

桑叶作为传统中药在清肺散风热方面具有悠久应用历史，但现行《台湾中药典》(THP^4th)仅以芦丁(rutin)含量≥0.1%作为质量控制标准，这种单一指标难以全面反映其多组分协同作用的药理特性。更关键的是，芦丁在多种植物中广泛存在，缺乏对桑叶的特异性识别价值。与此同时，桑叶中丰富的多酚类物质如绿原酸(chlorogenic acid)和黄酮苷(flavonoid glycosides)已被证实具有抗炎、抗氧化等多元生物活性，但化学组成与生物效应间的关联机制尚未系统阐明。这种传统质量控制模式与现代精准医学需求间的矛盾，促使研究者探索更科学的评价体系。

台北医学大学联合国立嘉义大学的研究团队在《Journal of Ethnopharmacology》发表的研究中，创新性地将化学指纹图谱与生物活性验证相结合，通过机器学习算法构建了桑叶质量评价的新框架。研究收集了27个商业桑叶样本和12个新鲜叶片样本，采用高效液相色谱(HPLC)建立化学指纹图谱，结合主成分分析(PCA)、偏最小二乘判别分析(PLS-DA)等化学计量学方法筛选特征峰。通过人工神经网络(ANN)对17个特征峰建模实现100%分类准确率，并发现芦丁与基质金属蛋白酶-13(MMP-13)抑制、隐绿原酸(cryptochlorogenic acid)与MMP-13/纤溶酶原激活物抑制剂-1(PAI-1)双重抑制的显著相关性。最终在博来霉素诱导的肺纤维化小鼠模型中证实优质桑叶提取物的治疗潜力。

关键技术方法包括：1) HPLC-MS分析27个商业样本和不同成熟期新鲜叶片的化学成分；2) 采用PCA、PLS-DA和Pearson相关性分析筛选质量标志物(Q-marker)；3) 构建ANN模型实现基于全指纹图谱的样本分类；4) 通过体外酶抑制实验评估MMP-13和PAI-1活性；5) 建立博来霉素诱导的小鼠肺纤维化模型进行体内验证。

化学表征结果显示：年轻叶片中1-脱氧野尻霉素(1-DNJ)和咖啡酰奎宁酸(caffeoylquinic acid)含量显著高于成熟叶片，而成熟叶片富含异槲皮苷(isoquercitrin)和紫云英苷(astragalin)。商业样本总多酚含量达9.26 mg没食子酸当量/g，其中芦丁作为现行标准物质，其含量差异成功将样本分为高/低含量两组。

机器学习建模发现：ANN模型基于17个特征峰建立的分类系统对高/低芦丁含量样本实现完全区分，其中峰5(芦丁)、峰7(隐绿原酸)和峰12(异绿原酸B)具有关键判别价值。这为桑叶"识别标志物"(I-marker)的确定提供了数据支撑。

生物活性关联分析揭示：芦丁与MMP-13抑制率呈正相关(r=0.61)，隐绿原酸则同时与MMP-13(r=0.58)和PAI-1(r=0.53)抑制相关。这一发现将特定化学成分与抗纤维化关键靶点直接关联，为"关键标志物"的确定提供了生物学依据。

体内实验验证表明：符合质量标准的桑叶提取物能显著减轻博来霉素诱导的肺组织结构病变，降低羟脯氨酸(hydroxyproline)含量，其机制可能与调节MMP-13/TIMP-1(金属蛋白酶组织抑制剂-1)平衡有关。

在讨论与结论部分，研究者强调该研究首次建立了涵盖"识别-关键"双层次标志物的桑叶质量评价体系：6个化合物被确立为I-marker用于真伪鉴别，其中芦丁和隐绿原酸因活性关联被推荐为关键标志物。该方法突破了传统单一成分控制的局限性，通过化学指纹与生物效应的整合，实现了从"成分存在"到"功能实现"的质量评价升级。特别值得注意的是，年轻叶片中较高的隐绿原酸含量提示采收期对质量的影响，这为桑叶的规范化种植提供了科学指导。研究成果不仅为桑叶的临床应用和质量标准修订提供了理论依据，也为其他中药的多维质量评价提供了可借鉴的技术路线。

研究团队在CRediT作者贡献声明中明确：Lih-Geeng Chen负责样本鉴定，Che Chun Lin完成主要数据分析和论文撰写，Ching Chiung Wang担任项目负责人并指导实验设计。声明同时指出，论文撰写过程中使用了ChatGPT进行语法修正，但所有作者对内容完整性负责。该研究获得台湾科技部资助(110-5802-003-300)，实验动物操作经台北医学大学实验动物中心伦理审查。