אנו מתארים פרוטוקול כללי המשלב ניתוח ספקטרומטריית מסה ברזולוציה גבוהה ועגינה מולקולרית במחקר הרפואה הסינית המסורתית.
מאמר שיטה
* These authors contributed equally
אנו מתארים פרוטוקול כללי המשלב ניתוח ספקטרומטריית מסה ברזולוציה גבוהה ועגינה מולקולרית במחקר הרפואה הסינית המסורתית.
ההפרדה והניתוח של המרכיבים הכימיים הרצויים הם נושאים חשובים למחקר הבסיסי של הרפואה הסינית המסורתית (TCM). כרומטוגרפיה נוזלית בעלת ביצועים גבוהים במיוחד Quadrupole זמן טיסה טנדם ספקטרומטריית מסה (UPLC-Q-TOF-MS/MS) הפכה בהדרגה לטכנולוגיה מובילה לזיהוי רכיבי TCM. Gynura bicolor DC. (BFH), צמח רב-שנתי ללא גזע המשמש לרפואה ולמזון בסין יש השפעות רפואיות כגון פינוי חום, הרטבת הריאה, הקלה על שיעול, פיזור קיפאון והקלה על נפיחות. פוליפנולים ופלבנואידים מכילים איזומרים רבים, המעכבים את זיהוי התרכובות המורכבות ב-BFH. מאמר זה מציג פרוטוקול שיטתי לחקר מרכיבים כימיים של BFH המבוסס על מיצוי ממס ונתונים משולבים באמצעות UPLC-Q-TOF-MS.
השיטה המתוארת כאן כוללת פרוטוקולים שיטתיים לטיפול מקדים בדגימה, כיול טרשת נפוצה, רכישת טרשת נפוצה, עיבוד נתונים וניתוח תוצאות. טיפול מקדים לדוגמה כולל איסוף, ניקוי, ייבוש, ריסוק ומיצוי. כיול טרשת נפוצה מורכב מתיקון רב-נקודתי וחד-נקודתי. עיבוד נתונים כולל ייבוא נתונים, הקמת שיטות, עיבוד ניתוח והצגת תוצאות. תוצאות מייצגות של דפוס הפיצול האופייני של חומצות פנוליות, אסטרים וגליקוזידים ב- Gynura bicolor DC. (BFH) מוצגות במאמר זה. בנוסף, בחירת ממס אורגני, מיצוי, שילוב נתונים, בחירת אנרגיית התנגשות ושיפור השיטה נדונים בפירוט. פרוטוקול אוניברסלי זה יכול להיות בשימוש נרחב לזיהוי תרכובות מורכבות ב- TCM.
הרפואה הסינית המסורתית (TCM) מיושמת קלינית בסין כבר אלפי שנים, והיא ממלאת תפקיד חיוני בשמירה על בריאותם של הסינים1. הרכב ה-TCM מגוון ומורכב, וה-TCM דווח רבות במחקרים איכותניים רבים המתמקדים בהרכב הכימי2. ניתן לחלק באופן גס את המרכיבים הכימיים ברפואה סינית מסורתית לקטגוריות הבאות כגון אלקלואידים, חומצות אורגניות, פנילפרופנואידים, קומרין, ליגננים, קווינונים, פלבנואידים, טרפנואידים, ספונינים טריטרפנואידים, ספונינים סטרואידים, גליקוזידים לבביים וטאנינים3. בהתחשב במספר הגדול של רכיבים לא ידועים ואיזומרים בלתי ניתנים להבחנה ב- TCM, ההפרדה והניתוח של המרכיבים הכימיים הרצויים הם נושאים חשובים למחקר הבסיסי של TCM4.
כרומטוגרפיה נוזלית בעלת ביצועים גבוהים במיוחד Quadrupole זמן טיסה ספקטרומטריית מסה (UPLC-Q-TOF-MS) יושמה לניתוח חומרים ברפואה הסינית המסורתית (TCM), אשר ניתן להפריד על ידי כרומטוגרפיה נוזלית בעלת ביצועים גבוהים במיוחד 5,6. הרזולוציה הגבוהה של MS יכולה לספק מידע יונים נרחב, המשמש לניתוח מסד נתונים עם שגיאה פחות מ 5 עמודיםלדקה 7. לאחר הפעלת אנרגיית ההתנגשות, מצב MS המשני יכול לקבל יוני פרגמנט משניים, שעוצמתם ומספרם מושפעים מגודל האנרגיה8.
Gynura bicolor DC. (BFH), צמח רב-שנתי חסר גזע שנמצא בשימוש נרחב לרפואה ולמזון (איור 1A), הוא צמח נדיר שנמצא בסכנת הכחדה ייחודי לסין9. BFH עשיר באנתוציאנינים, פוליפנולים, פלבנואידים ויכולת נוגדת חמצון חזקה10. ל-BFH יש השפעות רפואיות הכוללות פינוי חום, קירור דם, הרטבת ריאות, הקלה על שיעול, פיזור קיפאון, הקלה על נפיחות, הקלה על חום הקיץ וסילוק חום. מחקרים מעטים התמקדו בהרכב הכימי של BFH11. פוליפנולים ופלבנואידים מכילים איזומרים רבים, מה שמקשה על זיהוי התרכובות המורכבות ב-BFH. יש לפתח שיטה אוניברסלית לזיהוי רכיבים כימיים, אשר ניתן ליישם על כל מיני TCM. מחקר זה נועד לדווח על פרוטוקול שיטתי לחקר מרכיבים כימיים של BFH המבוסס על מיצוי ממס ונתונים משולבים באמצעות UPLC-Q-TOF-MS.
1. טיפול מקדים לדוגמה
2. כיול טרשת נפוצה
3. רכישת טרשת נפוצה
4. עיבוד נתונים
5. ניתוח תוצאות
זיהוי ההרכב הכימי של BFH שימש כמודל להצגת התוצאות המייצגות. כרומטוגרמות שיא בסיס של Gynura bicolor DC שחולץ ממס. מוצגים בקובץ משלים 1-משלים איור S1-S6, וזמן השמירה שנצפה (RT), שם הרכיב, הנוסחה, יחס המסה לטעינה (m/z) ושגיאת המסה מפורטים בטבלאות S1-S6. ב-ZBTK זוהו כל 35 סוגי התרכובות מפסגות מופרדות ב-UPLC-TOF-MS. כפי שמוצג בקובץ משלים 1-טבלה משלימה S1, הכימיקלים העיקריים הכילו חומצה (חומצה קווינית, חומצה DL-מאלית, חומצת לימון, חומצה O-קומרית וחומצה 3-O-trans-coumaroylquinic), גליקוזידים (gentiopicrin, picroside II, suffruticoside J, copoline, and borneol-2-O-β-D-apiofuranosyl-(1→6)-β-D-glucoside), ואזרים (bilobalide, trimethyl citrate ו- trans-O-glucosyl-methyl-trans-cinnamate). ב- ZBTK-CT התגלו 25 סוגים של תרכובות נוספות (קובץ משלים 1 - טבלה משלימה S2), ונצפו 45 סוגים של תרכובות בסך הכל.
כאשר כלורופורם שימש כחומר מיצוי, נמצאו כל 50 התרכובות. ביניהם, 28 סוגים של תרכובות נוספות כללו חומצה כלילית, חומצה sanleng, agrimol A, ומתיל artemisate (קובץ משלים 1 - טבלה משלימה S3). כאשר אתר נפט שימש כמיצוי, נצפו 44 סוגים של תרכובות בסך הכל. מצאנו 17 סוגים של תרכובות נוספות כולל notopterol, onjisaponin, ו cnideol B (קובץ משלים 1 - טבלה משלימה S4). בסך הכל התקבלו 65 תרכובות בממס באמצעות אתיל אצטט כחומר מיצוי. בהשוואה לארבע התמציות הקודמות, נצפו 37 תרכובות נוספות כגון דפנטין, אצטובנילון B וסטיגמסטרול-3-O-β-D-גלוקוזיד (קובץ משלים 1-טבלה משלימה S5). במיצוי אלכוהול בוטיל מצאנו 67 סוגים של תרכובות סה"כ, שהכילו 26 סוגים של תרכובות נוספות, כולל rengyoside C, כרומונים, aturametelin F ו-deacetylmatricarin-8-O-β-D-glucopyranoside (קובץ משלים 1-טבלה משלימה S6). לסיכום, מצאנו 168 תרכובות המבוססות על כל התוצאות המורכבות של שישה חומרי מיצוי.
כדי להבין לעומק את מסלול המחשוף של סוגי תרכובות ב- UPLC-TOF-MS, בחרנו שלוש תרכובות כדוגמאות. עבור חומצות, חומצה 3-O-trans-coumaroylquinic עם m/z = 337.09222 עלולה לאבד קבוצת C7H10O5 או C9H8O2 באמצעות תגובת הידרוליזה ליצירת מתווכים עם m/z = 163.04116 או 199.05557, בהתאמה (איור 4D). עבור אסטרים, trans-O-glucosyl-methyl-trans-cinnamate עם m/z = 385.11308 יכול להיות מומר לביניים עם m/z = 153.07485 או 135.04679 באמצעות מחשוף C-C באתרים שונים (איור 4E). עבור גליקוזידים, הדר C עם m/z = 385.11308 הפך לביניים עם m/z = 272.09174 באמצעות מחשוף קשר C-C בשרשרת האליפטית, ואילו אובדן קבוצת C7H6O2 הביא לביניים עם m/z = 113.02534 (איור 4F). במסלול אחר, שבירת הקשר C-O-C על טבעת הבנזן הובילה להיווצרות ביניים עם m/z = 163.11245, בעוד יחידת ההקסוס נעלמה.
התוצאות המייצגות של עגינה מולקולרית חשפו מבנים דו-ממדיים ותלת-ממדיים באיור 4G,H, בהתאמה. ניתוח העשרה של אונטולוגיה גנטית הראה את התוצאות של תפקוד גנים במונחים של תהליך ביולוגי (BP), רכיב תאי (CC) ותפקוד מולקולרי (MF; איור 4I). ניתוח ביאור המסלול של אנציקלופדיית קיוטו לגנים וגנומים הראה את תוצאות המסלול של גנים המבוטאים באופן דיפרנציאלי, אשר יכולים לשמש להבנה נוספת של תפקוד הגנים (איור 4J). התוצאות המפורטות של עגינה מולקולרית מוצגות בקובץ משלים 1-טבלה משלימה S7 ובקובץ משלים 1-איור משלים S7-S9.

איור 1: שיטת קדם-טיפול ברפואה סינית מסורתית. (A) Gynura bicolor DC. (ב) ניקוי וייבוש. (ג) כתישת. (D) תוספת ממס אורגני. (E) שאיבת אולטרסאונד. (ו) צנטריפוגה של תערובת. (ז) סינון של סופרנטנט. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 2: הליך הפעולה של UPLC-Q-TOF-MS/MS. (A) הכנת נתרן פורמטה. (B) כיול ציר המסה. (C) מנגינה של MS. (ד) מיקום מדגם. (E) רכישת ספקטרום מסה. (F) תצוגת ספקטרום מסה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 3: עיבוד נתונים ואינטגרציה. (A) המרת נתונים. (ב) שינוי שיטה. (ג) עיבוד נתונים. (ד) ניתוח סטטיסטי של התוצאות. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 4: ניתוח תוצאות עמוק. (A) ספקטרום מסה משני. (B) תצוגת יון מקטע משני. (ג) תצוגת אתר שבר. (D) תבנית פיצול 1. (ה) תבנית פיצול 2. (ו) תבנית פיצול 3. (ז) הדגמה של יעד הפעולה של החומר הפעיל. (H) מבנה תלת-ממדי של יעד הפעולה של החומר הפעיל. (I) ניתוח העשרה GO. (J) ניתוח ביאור מסלול KEGG. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
קובץ משלים 1: זיהוי תרכובות, תוצאות עגינה מולקולרית, כרומטוגרמות שיא בסיס וניתוח רשתות. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
מלבד מרתח מים12, מיצוי ממס אורגני הוא שיטה נפוצה נוספת של טיפול מקדיםTCM 13. על פי העיקרון של פירוק פאזה דומה, רכיבים רבים הופקו על ידי שילוב של ממיסים אורגניים שונים14. מיצוי בסיוע אולטראסוני הוא אחת השיטות העיקריות המשמשות להשגת רכיבים ב- TCM15. מיצוי פחמן דו-חמצני סופר-קריטי טוב למיצוי סוגים מסוימים של חומרים כגון ליגנאנים16. יתר על כן, מיצוי בסיוע מיקרוגל בנוזלים יוניים (ILs) נחקר כחלופה למיצוי ממס אורגני קונבנציונלי17. עם זאת, קשה להשיג שליטה מדויקת באנרגיית מיקרוגל, מה שעלול לגרום לתגובות משניות כגון התייבשות אתרית והתייבשות אסטריפיקציה.
הגדרות אופטימליות של אנרגיית התנגשות יכולות להניב מידע נוסף על מקטע MS מסדר שני. מידע מטנדם MS, כלומר מצב MSE , סופק על ידי שתי סריקות מקבילות לסירוגין תוך שימוש באנרגיה נמוכה כדי לקבל מידע על יונים מולקולריים או אנרגיה גבוהה כדי להשיג סריקה מלאה מדויקת של יוני שברמסה 18. במהלך הגדרת פרמטרים של אנרגיה גבוהה, הטווח של 10-35 V משמש בדרך כלל באנרגיית התנגשות העברת רמפה כדי לשפר את יעילות פיצול מבשר19.
הכמות העצומה של נתוני טרשת נפוצה גולמיים הופקה מטרשת נפוצה ברזולוציה גבוהה. נתוני MS גולמיים, שכללו שיאי יונים מולקולריים בספקטרום הטרשת הנפוצה ופסגות יון מקטעים בספקטרום MS/MS, חייבים להיות מעובדים ומשולבים היטב. תוכנת ניתוח נתונים MS נועדה לנתח את כל המטבוליטים במדגם ביולוגי באופן מקיף20. הסינון של מטבוליטים סולפטים התבסס על רכישה תלוית נתונים של סריקות טרשת נפוצה מלאות ונתוני מטבוליטים רב-ממדיים21. על בסיס הטכנולוגיה המתפתחת, חיזוי בינה מלאכותית יהיה כיוון פיתוח אפשרי לניתוח נתונים של MS.
ניתן לזהות את רוב התרכובות בשיטה זו. עם זאת, המקטעים המשניים המוגבלים אינם יכולים לזהות באופן מלא את כל האיזומרים כולל פלבנואידים וטאנינים. כדי להשיג זיהוי מבנים, חוקרים יכולים להשתמש בספקטרומטריית מסות טנדם כדי לספק מידע נוסף על יוני שברים, המסייעים בזיהוי מבנים מורכבים8. בהתחשב במגבלה של יון יינון אלקטרוספריי או מקור יינון כימי בלחץ אטמוספירה, טרשת נפוצה ברזולוציה גבוהה אינה מתאימה לניתוח מקרומולקולות. יינון ספיחה בלייזר בסיוע מטריצה יכול לקדם יינון של תרכובות מולקולריות גדולות, כגון חלבונים22. לסיכום, UPLC-Q-TOF-MS/MS היא אחת הטכניקות הישימות ביותר לזיהוי תרכובות TCM. יש לו פוטנציאל להיות מיושם בתחומים אחרים, כולל רפואה קלינית וכימיה אנרגיה.
המחברים מצהירים כי אין אינטרסים כלכליים מתחרים.
עבודה זו מומנה על ידי הקרן הלאומית למדעי הטבע של סין (82104881), צוות ירושה וחדשנות של טיפול TCM במחלות חיסוניות, פרויקט המחקר המדעי הרפואי של צ'ונגצ'ינג (פרויקט משותף של ועדת הבריאות של צ'ונגצ'ינג והלשכה למדע וטכנולוגיה) (2022DBXM007), פרויקט מיוחד לתמריץ ביצועים והדרכה של מכון המחקר המדעי של צ'ונגצ'ינג (cstc2022jxjl120005), פרויקט מיוחד עבור קרן המדע הפוסט-דוקטורט של צ'ונגצ'ינג (2022CQBSHTB3035), תוכנית כישרונות רפואיים בכירים של צ'ונגצ'ינג עבור יונג ובגיל העמידה, התוכנית למוסדות מדעיים של צ'ונגצ'ינג (פרויקט מחקר עצמאי מס '2022GDRC015).
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| כלורופורם | Sinopharm Chemical ReagentCo., Ltd | CAS 67-66-3 | |
| אתנול | ChuandongChemical | CAS 64-17-5 | |
| אתיל אצטט | ChuandongChemical | CAS 141-78-6 | |
| כרומטוגרף | נוזלי Waters | ACQUITY Class 1 פלוס | |
| MassLynx | Waters | V4.2 | MS תוכנת |
| בקרהn-בוטיל אלכוהול | ChuandongChemical | CAS 71-36-3 | |
| אתר נפט | ChuandongChemical | CAS 8032-32-4 | |
| ספקטרומטריית מסה של זמן טיסה מרובע | ווטרס | SYNAPT XS | |
| UNIFI | ווטרס | תוכנה לניתוח נתונים |