南京大学黄硕团队Nat. Commun.：纳米孔中草药分析

自古以来，草药便在人类对抗疾病的斗争中扮演了重要角色，其治疗范围涵盖了瘟疫 ^[1]、心脑血管疾病 ^[2] 等多种病症。随着时间的推移，草药的价值逐渐在全球范围内得到重视和深入研究，人们对于其安全性、疗效及作用机制的科学认知也在不断深化。草药之所以能够发挥治疗作用，关键在于其所含有的生物活性天然产物，例如青蒿中的抗疟成分青蒿素 ^[3]，以及罂粟中的镇痛成分吗啡 ^[4]。这些天然产物的发现和应用，不仅彰显了草药的巨大潜力，也为现代医学提供了宝贵的启示和资源。传统的色谱 ^[5] 和光谱 ^[6] 技术虽然在分析草药成分方面具有重要价值，但它们往往要求繁琐的样品预处理过程，复杂数据的处理，并且在同时鉴定和定量多种天然产物时面临挑战。因此，草药研究中迫切需要一种无需复杂的样品分离或纯化、简单快速且准确的分析检测方法。

纳米孔是一种多功能传感器，因为其无标记、高灵敏等优势，已经逐渐成为化学、生物等领域内一种重要的单分子分析检测方法。当用反应性适配器适当修饰纳米孔后，其就会成为一个可以与目标分析物发生特异性的结合和解离的纳米反应器。孔腔中发生的动态单分子反应会引起具有高度特征性的纳米孔事件，而这种传感模式则有利于排除干扰分子，并直接从复杂的基质中特异性地识别目标分析物。天然草药中兼有活性成分和背景分析物，非常适用于以上纳米孔传感模式。

近日，南京大学化学化工学院黄硕教授（点击查看介绍）课题组基于原创开发的单个苯硼酸修饰的异质耻垢分枝杆菌膜蛋白A（MspA）孔道（MspA-90PBA），首次实现了复杂草药中天然产物丹酚酸的纳米孔分析，且无需复杂的样品预处理。草药中生物活性成分的准确鉴定和定量对中药的生产和质量控制至关重要，而如何利用纳米孔来快速分析草药中的天然产物的工作则此前从未被报道。在本篇文章中，该课题组首先以具有治疗心脑血管效用的天然产物——丹酚酸B（SalB）^[7] 为例，进行了纳米孔的直接传感，得益于MspA孔道卓越的分辨率，SalB汇报出了差异显著的三种信号，体现了SalB与PBA适配器之间的不同结合模式（图1）。

图1. 基于MspA-90PBA的丹酚酸B传感

为了进一步拓展纳米孔检测丹酚酸的适用范围，作者利用该传感器实现了八种常见丹酚酸的完全区分与同时检测，包括咖啡酸（CA）、原儿茶酸（PCA）、原儿茶醛（PA）、丹参素（SAA）、迷迭香酸（RA）、紫草酸（LSA）、丹酚酸A（SalA）和丹酚酸B（SalB），机器学习识别准确率达99.0%。这是纳米孔领域首次报道丹酚酸的直接检测和完美区分，充分展示了MspA对微小结构差异的卓越分辨率。接着，作者利用机器学习辅助纳米孔策略对丹酚酸注射剂中的有效成分SalB进行定性和定量分析，其结果与所标注的信息近乎一致。此外，作者在注射剂测量时还发现了微量的其他丹酚酸成分的信号，充分证明了MspA纳米孔的高灵敏特性。最后，作者开发了基于简单水提法的天然草药中丹酚酸的检测策略，即通过超纯水溶解草药中的丹酚酸，并借助机器学习算法辅助纳米孔对草药中含有的八种丹酚酸进行鉴定和定量分析，以此准确测定了丹参、迷迭香和夏枯草中丹酚酸的含量（图2）。该策略无需对中药水提物进行复杂的分离纯化等操作，可快速定量鉴定天然草药中的丹酚酸，为草药成分分析及天然产物鉴定等领域带来新的动力。

图2. 天然草药中丹酚酸的快速分析

该工作近日发表在Nature Communications，南京大学化学化工学院黄硕教授为该论文的通讯作者。南京大学博士生樊萍萍为该论文第一作者，博士生张善雨为等同贡献第一作者。

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Nanopore analysis of salvianolic acids in herbal medicines

Pingping Fan^#, Shanyu Zhang^#, Yuqin Wang, Tian Li, Hanhan Zhang, Panke Zhang, Shuo Huang*

Nat. Commun., 2024, 15, 1970. DOI: 10.1038/s41467-024-45543-1

参考文献

1. Conroy MS. Herbal Medicine in Russia’s History: The Use of Herbal Medicine for Infectious Diseases in Russia’s History. Herbal Medicine: Back to the Future: Volume 4, Infectious Diseases 4, 90 (2021).

2. Mahadevan S, Park Y. Multifaceted Therapeutic Benefits of Ginkgo biloba L.: Chemistry, Efficacy, Safety, and Uses. J. Food Sci. 73, R14-R19 (2008).

3. Qinghaosu ACRg. ANTIMALARIA STUDIES ON QINGHAOSU. Chinese Medical Journal 92, 811-816 (1979).

4. Jesus A, et al. A morphometric approach to track opium poppy domestication. Sci. Rep. 11, 9778 (2021).

5. Wang C-Z, Wu JA, McEntee E, Yuan C-S. Saponins Composition in American Ginseng Leaf and Berry Assayed by High-Performance Liquid Chromatography. J. Agric. Food. Chem. 54, 2261-2266 (2006).

6. Bunaciu AA, Aboul-Enein HY, Fleschin S. Recent Applications of Fourier Transform Infrared Spectrophotometry in Herbal Medicine Analysis. Appl. Spectrosc. Rev. 46, 251-260 (2011).

7. Xuan L, Wang Y, Shi X, Li P. Salvianolate, preparation method and application thereof Patent CN103980236B.

导师介绍

黄硕

https://www.x-mol.com/university/faculty/56491 

课题组网站：

http://hysz.nju.edu.cn/bionano