우리는 고분해능 질량 분석 및 분자 도킹을 중국 전통 의학 연구에서 통합하는 일반 프로토콜에 대해 설명합니다.
방법 논문
* These authors contributed equally
우리는 고분해능 질량 분석 및 분자 도킹을 중국 전통 의학 연구에서 통합하는 일반 프로토콜에 대해 설명합니다.
원하는 화학 성분의 분리 및 분석은 중국 전통 의학(TCM)의 기초 연구에서 중요한 주제입니다. 초고성능 액체 크로마토그래피 사중극자 비행 시간 탠덤 질량 분석법(UPLC-Q-TOF-MS/MS)은 점차 TCM 성분 식별을 위한 선도적인 기술이 되었습니다. Gynura 바이 컬러 DC. (BFH)는 중국에서 의약품 및 식품에 사용되는 다년생 줄기 없는 허브로 열을 맑게 하고 폐를 촉촉하게 하며 기침을 완화하고 정체를 분산시키며 붓기를 완화하는 등의 의약 효과가 있습니다. 폴리페놀과 플라보노이드에는 수많은 이성질체가 포함되어 있어 BFH의 복잡한 화합물을 식별하는 데 방해가 됩니다. 이 논문은 UPLC-Q-TOF-MS를 통한 용매 추출 및 통합 데이터를 기반으로 BFH의 화학 성분을 연구하기 위한 체계적인 프로토콜을 제시합니다.
여기에 설명된 분석법에는 시료 전처리, MS 보정, MS 수집, 데이터 처리 및 결과 분석을 위한 체계적인 프로토콜이 포함되어 있습니다. 시료 전처리에는 수집, 세척, 건조, 분쇄 및 추출이 포함됩니다. MS 교정은 다지점 및 단일 지점 보정으로 구성됩니다. 데이터 처리에는 데이터 가져오기, 분석법 설정, 분석 처리 및 결과 제시가 포함됩니다. Gynura bicolor DC. (BFH)에서 페놀산, 에스테르 및 배당체의 전형적인 단편화 패턴의 대표적인 결과가 이 논문에 제시되어 있습니다. 또한 유기 용매 선택, 추출, 데이터 통합, 충돌 에너지 선택 및 방법 개선에 대해 자세히 설명합니다. 이 범용 프로토콜은 TCM에서 복잡한 화합물을 식별하는 데 널리 사용될 수 있습니다.
중국 전통 의학(TCM)은 수천 년 동안 중국에서 임상적으로 시행되어 왔으며 중국인의 건강을 유지하는 데 중요한 역할을 합니다1. 한의학의 구성은 다양하고 복잡하며, 한의학은 화학적 조성에 초점을 맞춘 많은 질적 연구에서 널리 보고되고 있다2. 한의학에서 사용되는 화학성분은 크게 알칼로이드, 유기산, 페닐프로파노이드, 쿠마린, 리그난, 퀴논, 플라보노이드, 테르페노이드, 트리테르페노이드 사포닌, 스테로이드 사포닌, 심장배당체, 탄닌 등으로 나눌 수 있다3. TCM에는 알려지지 않은 성분이 많고 구별할 수 없는 이성질체가 많기 때문에 원하는 화학 성분의 분리 및 분석은 TCM4의 기초 연구에서 중요한 주제입니다.
초고성능 액체 크로마토그래피 사중극자 비행 시간 질량 분석법(UPLC-Q-TOF-MS)은 초고성능 액체 크로마토그래피 5,6으로 분리할 수 있는 중국 전통 의학(TCM)의 물질을 분석하는 데 적용되었습니다. MS의 고분해능은 광범위한 이온 정보를 제공할 수 있으며, 이는 오차가 5ppm 미만인데이터베이스 분석에 사용됩니다7. 충돌 에너지를 켠 후 2차 MS 모드는 2차 단편 이온을 얻을 수 있으며, 그 강도와 수는 에너지8의 크기에 의해 영향을 받습니다.
Gynura 바이 컬러 DC. (BFH)는 의약품 및 식품에 널리 사용되는 다년생 줄기 없는 허브로(그림 1A) 중국 특유의 희귀하고 멸종 위기에 처한 식물이다9. BFH는 풍부한 안토시아닌, 폴리페놀, 플라보노이드 및 강력한 항산화 능력을 가지고 있습니다10. BFH는 열 제거, 혈액 냉각, 폐 보습, 기침 완화, 정체 분산, 부기 완화, 여름 더위 완화 및 열 제거 등의 의약 효과가 있습니다. BFH11의 화학적 조성에 초점을 맞춘 연구는 거의 없다. 폴리페놀과 플라보노이드에는 수많은 이성질체가 포함되어 있어 BFH의 복잡한 화합물을 식별하기 어렵게 만듭니다. 모든 종류의 TCM에 적용할 수 있는 화학 성분을 식별하기 위한 보편적인 방법을 개발해야 합니다. 이 연구는 UPLC-Q-TOF-MS를 통한 용매 추출 및 통합 데이터를 기반으로 BFH의 화학 성분을 연구하기 위한 체계적인 프로토콜을 보고하는 것을 목표로 했습니다.
1. 시료 전처리
2. MS 캘리브레이션
3. MS 취득
4. 데이터 처리
5. 결과 분석
BFH의 화학적 조성 식별을 대표 결과를 표시하기 위한 모델로 사용하였다. 용매 추출된 Gynura bicolor DC의 기본 피크 크로마토그램. 는 보충 파일 1-보충 그림 S1-S6에 나타내며, 관찰된 머무름 시간(RT), 성분명, 공식, 질량 대 전하 비율(m/z) 및 질량 오차는 표 S1-S6에 나열되어 있습니다. ZBTK에서는 UPLC-TOF-MS의 분리된 피크에서 35가지 종류의 화합물을 모두 식별했습니다. 보충 파일 1-보충 표 S1에 나타난 바와 같이, 주요 화학물질은 산(퀴닉산, DL-말산, 시트르산, o-쿠마르산, 및 3-O-트랜스-쿠마로일퀸산), 배당체(겐티오피크린, 피크로시드 II, 서프루티코시드 J, 코폴린, 및 보르네올-2-O-β-D-아피오푸라노실-(1→6)-β-D-글루코시드) 및 에스테르(빌로발라이드, 트리메틸시트레이트, 및 트랜스-O-글루코실-메틸-트랜스-신나메이트)를 함유하였다. ZBTK-CT에서는 25종의 추가 화합물이 검출되었고(보충 파일 1-보충 표 S2), 45종의 총 화합물이 관찰되었다.
클로로포름을 추출제로 사용했을 때 50가지 화합물이 모두 발견되었습니다. 그 중 28종의 추가 화합물에는 코로나산(coronaric acid), 산렝산(sanleng acid), 아그리몰 A(agrimol A) 및 메틸아르테미세이트(methyl artemisate)가 포함되었다(보충 파일 1-보충 표 S3). 석유 에테르를 추출제로 사용했을 때 44 종류의 총 화합물이 관찰되었습니다. notopterol, onjisaponin 및 cnideol B를 포함한 17 종류의 추가 화합물을 발견했습니다 (Supplemental File 1-Supplemental Table S4). 총 65 개의 화합물을 추출제로 사용하여 에틸 아세테이트를 사용하여 용매에서 수득하였다. 앞의 4가지 추출물과 비교하여, 다프네틴, 아세토바닐론 B, 스티그마스테롤-3-O-β-D-글루코시드 등 37종의 추가 화합물이 확인되었다(보충 파일 1-보충 표 S5). 부틸 알코올 추출물에서 우리는 렌교사이드 C, 크로몬, 아투라메텔린 F 및 데아세틸마트리카린-8-O-β-D-글루코피라노시드를 포함한 26종의 추가 화합물을 포함하는 67종의 총 화합물을 발견했습니다(보충 파일 1-보충표 S6). 요약하면, 우리는 6 개의 추출제의 모든 화합물 결과를 기반으로 168 개의 화합물을 발견했습니다.
UPLC-TOF-MS에서 화합물 유형의 절단 경로를 깊이 이해하기 위해 세 가지 화합물을 예로 선택했습니다. 산의 경우, m/z = 337.09222인 3-O-트랜스-쿠마로일퀴닉산은 가수분해 반응을 통해C7H10O5 또는C9H8O2 그룹을 손실하여 각각 m/z = 163.04116 또는 199.05557인 중간체를 형성할 수 있습니다(그림 4D). 에스테르의 경우, m/z = 385.11308인 트랜스-O-글루코실-메틸-트랜스-신나메이트는 다른 부위에서 C-C 절단을 통해 m/z = 153.07485 또는 135.04679의 중간체로 전환될 수 있습니다(그림 4E). 배당체의 경우, m/z = 385.11308인 시트러스 C는 지방족 사슬의 C-C 결합 절단을 통해 m/z = 272.09174의 중간체로 변형된 반면, C7H6O2 그룹의 손실은 m/z = 113.02534의 중간체로 이어졌습니다(그림 4F). 또 다른 경로에서는 벤젠 고리의 COC 결합이 끊어지면서 m/z = 163.11245의 중간체가 형성되고 헥소스 단위가 사라졌습니다.
분자 도킹의 대표적인 결과로 그림 4G,H에서 각각 2D 및 3D 구조를 나타냈습니다. 유전자 온톨로지 농축 분석은 생물학적 과정(BP), 세포 구성 요소(CC) 및 분자 기능(MF; 그림 4I). Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes 경로 주석 분석은 차등적으로 발현된 유전자의 경로 결과를 보여주었으며, 이는 유전자의 기능을 더 잘 이해하는 데 사용할 수 있습니다(그림 4J). 분자 도킹의 상세한 결과는 보충 파일 1-보충 표 S7 및 보충 파일 1-보충 그림 S7-S9에 나타내어져 있습니다.

그림 1: 중국 전통 의학의 전처리 방법. (A) Gynura 바이컬러 DC. (B) 청소 및 건조. (C) 분쇄. (D) 유기 용매 첨가. (E) 초음파 추출. (F) 혼합물의 원심 분리. (G) 상층액의 여과. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2: UPLC-Q-TOF-MS/MS의 작동 절차. (A) 포름산나트륨 제제. (B) 질량 축 교정. (C) MS 튠. (D) 샘플 배치. (E) 질량 스펙트럼 획득. (F) 질량 스펙트럼 표시. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3: 데이터 처리 및 통합. (A) 데이터 변환. (B) 방법 수정. (C) 데이터 처리. (D) 결과의 통계적 분석. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 4: 심층 결과 분석. (A) 2차 질량 스펙트럼. (B) 2차 단편 이온 디스플레이. (C) 골절 부위 표시. (D) 단편화 패턴 1. (E) 단편화 패턴 2. (F) 단편화 패턴 3. (G) 활성 성분 작용 목표의 시연. (H) 활성 성분 작용 대상의 3D 구조. (I) GO 농축 분석. (J) KEGG 경로 주석 분석. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
보충 파일 1: 화합물 식별, 분자 도킹 결과, 염기 피크 크로마토그램 및 네트워크 분석. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
물 달인12 외에도, 유기 용매 추출은 TCM 전처리13의 또 다른 일반적인 방법이다. 유사 상 용해의 원리에 따라, 다양한 유기 용매(14)의 조합에 의해 수많은 성분이 추출되었다. 초음파 보조 추출은 TCM15에서 구성 요소를 얻는 데 사용되는 주요 방법 중 하나입니다. 초임계 이산화탄소 추출은 리그난16과 같은 특정 종류의 물질을 추출하는 데 좋습니다. 또한, 이온 액체(IL)에서 마이크로파 보조 추출은 기존의 유기 용매 추출에 대한 대안으로 조사되었습니다17. 그러나 마이크로파 에너지의 정밀한 제어는 달성하기 어렵기 때문에 에테르화 탈수 및 에스테르화 탈수와 같은 2차 반응을 유발할 수 있습니다.
충돌 에너지를 최적으로 설정하면 추가적인 2차 MS 단편 정보를 얻을 수 있습니다. 탠덤 MS, 즉 MSE 모드의 정보는 분자 이온 정보를 얻기 위해 낮은 에너지를 사용하거나 전체 스캔 정확한 질량 단편 이온18을 얻기 위해 높은 에너지를 사용하는 두 개의 병렬 교대 스캔에 의해 제공되었습니다. 고에너지 파라미터를 설정하는 동안, 10-35 V의 범위는 일반적으로 전구체 단편화 효율(precursor fragmentation efficiency19)을 향상시키기 위해 램프 전달 충돌 에너지에 사용된다.
방대한 양의 원시 MS 데이터는 고분해능 MS에서 생성되었으며, MS 스펙트럼의 분자 이온 피크와 MS/MS 스펙트럼의 단편 이온 피크를 포함하는 원시 MS 데이터는 철저하게 처리되고 통합되어야 합니다. 생물학적 샘플의 모든 대사 산물을 종합적으로 분석하는 것을 목표로 하는 MS 데이터 분석 소프트웨어20. 황산염 대사 산물의 스크리닝은 전체 MS 스캔 및 다차원 대사 산물 데이터의 데이터 의존적 획득을 기반으로 하였다21. 진화하는 기술을 기반으로 인공 지능 예측은 MS 데이터 분석의 실현 가능한 개발 방향이 될 것입니다.
대부분의 화합물은 이 방법으로 식별할 수 있습니다. 그러나, 제한된 2차 단편은 플라보노이드 및 탄닌을 포함한 모든 이성질체를 완전히 식별할 수 없습니다. 구조 식별을 달성하기 위해 연구자들은 탠덤 질량 분석법을 사용하여 화합물 구조8의 식별에 도움이 되는 단편 이온에 대한 추가 정보를 제공할 수 있습니다. 전기분무 이온화 이온 또는 대기압 화학 이온화 소스의 한계를 감안할 때 고분해능 MS는 고분자 분석에 적합하지 않습니다. 매트릭스 보조 레이저 탈착 이온화는 단백질과 같은 거대 분자 화합물의 이온화를 촉진할 수 있습니다22. 요약하면, UPLC-Q-TOF-MS/MS는 TCM 화합물 식별에 가장 널리 적용되는 기술 중 하나입니다. 임상 의학 및 에너지 화학을 포함한 다른 분야에도 적용될 수 있는 잠재력이 있습니다.
저자는 경쟁하는 재정적 이익이 없음을 선언합니다.
이 연구는 중국 국가자연과학재단(National Natural Science Foundation of China, 82104881), 한의학 면역질환 치료 유전 및 혁신팀, 충칭 의학 과학 연구 프로젝트(충칭 보건 위원회와 과학기술국 공동 프로젝트)(2022DBXM007), 충칭 과학 연구소 성과 인센티브 및 지도를 위한 특별 프로젝트(cstc2022jxjl120005), 충칭 박사후 과학 재단 특별 프로젝트(2022CQBSHTB3035)의 지원을 받았습니다. 용족과 중년을 위한 충칭 고위 의료 인재 프로그램, 충칭 과학 기관 프로그램(독립 연구 프로젝트 No.2022GDRC015).
| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 클로로포름 | Sinopharm 화학 시약Co., Ltd | CAS 67-66-3 | |
| 에탄올 | ChuandongChemical | CAS 64-17-5 | |
| 에틸 아세테이 | 트 Chuandong화학 | CAS 141-78-6 | |
| 액체 크로마토 그래프 | Waters | ACQUITY Class 1 plus | |
| MassLynx | Waters V4.2 | MS 제어 소프트웨어 | |
| n-부틸 알코올 | ChuandongChemical | CAS 71-36-3 | |
| 석유 에테르 | ChuandongChemical | CAS 8032-32-4 | |
| 사중극자 비행 시간 질량 분석기 | Waters | SYNAPT XS | |
| UNIFI | Waters | 데이터 분석 소프트웨어 |