We beschrijven een algemeen protocol dat massaspectrometrie-analyse met hoge resolutie en moleculaire docking integreert in onderzoek naar traditionele Chinese geneeskunde.
Methodenartikel
* These authors contributed equally
We beschrijven een algemeen protocol dat massaspectrometrie-analyse met hoge resolutie en moleculaire docking integreert in onderzoek naar traditionele Chinese geneeskunde.
Het scheiden en analyseren van de gewenste chemische componenten zijn belangrijke onderwerpen voor het fundamenteel onderzoek van de traditionele Chinese geneeskunde (TCM). Ultra-high-performance vloeistofchromatografie quadrupole time-of-flight tandem massaspectrometrie (UPLC-Q-TOF-MS/MS) is geleidelijk uitgegroeid tot een toonaangevende technologie voor de identificatie van TCM-ingrediënten. Gynura tweekleurig gelijkstroom. (BFH), een overblijvend stengelloos kruid dat in China wordt gebruikt voor medicijnen en voedsel, heeft geneeskrachtige effecten zoals het opruimen van warmte, het bevochtigen van de longen, het verlichten van hoest, het verspreiden van stasis en het verlichten van zwelling. Polyfenolen en flavonoïden bevatten talrijke isomeren, die de identificatie van de complexe verbindingen in BFH belemmeren. Dit artikel presenteert een systematisch protocol voor het bestuderen van chemische bestanddelen van BFH op basis van oplosmiddelextractie en geïntegreerde gegevens via UPLC-Q-TOF-MS.
De hier beschreven methode omvat systematische protocollen voor de voorbehandeling van monsters, MS-kalibratie, MS-acquisitie, gegevensverwerking en analyse van resultaten. De voorbehandeling van het monster omvat het verzamelen, reinigen, drogen, vermalen en extraheren. MS-kalibratie bestaat uit meerpunts- en enkelpuntscorrectie. Gegevensverwerking omvat het importeren van gegevens, het vaststellen van methoden, analyseverwerking en presentatie van resultaten. Representatieve resultaten van het typische fragmentatiepatroon van fenolzuren, esters en glycosiden in Gynura bicolor DC. (BFH) worden in dit artikel gepresenteerd. Daarnaast worden de selectie van organische oplosmiddelen, extractie, data-integratie, selectie van botsingsenergie en methodeverbetering in detail besproken. Dit universele protocol kan op grote schaal worden gebruikt om complexe verbindingen in TCM te identificeren.
Traditionele Chinese geneeskunde (TCM) wordt al duizenden jaren klinisch beoefend in China en speelt een cruciale rol bij het behoud van de gezondheid vanChinezen. De samenstelling van TCM is divers en complex, en TCM is op grote schaal gerapporteerd in veel kwalitatieve onderzoeken die zich richten op de chemische samenstelling2. De chemische componenten in TCM kunnen grofweg worden onderverdeeld in de volgende categorieën, zoals alkaloïden, organische zuren, fenylpropanoïden, coumarines, lignanen, chinonen, flavonoïden, terpenoïden, triterpenoïde saponinen, steroïde saponinen, hartglycosiden en tannines3. Gezien de grote aantallen onbekende componenten en niet van elkaar te onderscheiden isomeren in TCM, zijn de scheiding en analyse van de gewenste chemische componenten belangrijke onderwerpen voor het fundamentele onderzoek van TCM4.
Ultra-high-performance vloeistofchromatografie quadrupole time-of-flight massaspectrometrie (UPLC-Q-TOF-MS) is toegepast om stoffen in de traditionele Chinese geneeskunde (TCM) te analyseren, die kunnen worden gescheiden door ultra-high-performance vloeistofchromatografie 5,6. De hoge resolutie van MS kan uitgebreide ioneninformatie opleveren, die wordt gebruikt voor database-analyse met een fout van minder dan 5 ppm7. Na het inschakelen van de botsingsenergie kan de secundaire MS-modus secundaire fragmentionen verkrijgen, waarvan de intensiteit en het aantal worden beïnvloed door de grootte van energie8.
Gynura tweekleurig gelijkstroom. (BFH), een overblijvend stengelloos kruid dat veel wordt gebruikt voor medicijnen en voedsel (Figuur 1A), is een zeldzame en bedreigde plant die uniek is voor China9. BFH heeft een overvloed aan anthocyanen, polyfenolen, flavonoïden en een sterke antioxidantcapaciteit10. BFH heeft medicinale effecten, waaronder het opruimen van warmte, het koelen van bloed, het bevochtigen van de longen, het verlichten van hoest, het verspreiden van stasis, het verlichten van zwelling, het verlichten van zomerhitte en het elimineren van hitte. Er zijn maar weinig studies die zich hebben gericht op de chemische samenstelling van BFH11. Polyfenolen en flavonoïden bevatten talrijke isomeren, die de identificatie van de complexe verbindingen in BFH bemoeilijken. Er moet een universele methode worden ontwikkeld voor de identificatie van chemische componenten, die kan worden toegepast op alle soorten TCM. Deze studie had tot doel een systematisch protocol te rapporteren voor het bestuderen van chemische bestanddelen van BFH op basis van oplosmiddelextractie en geïntegreerde gegevens via UPLC-Q-TOF-MS.
1. Voorbehandeling van de steekproef
2. MS-kalibratie
3. Overname van LS
4. Gegevensverwerking
5. Analyse van de resultaten
De identificatie van de chemische samenstelling van BFH werd gebruikt als model om de representatieve resultaten weer te geven. Basispiekchromatogrammen van met oplosmiddel geëxtraheerde Gynura bicolor DC. worden weergegeven in aanvullend bestand 1-aanvullende figuur S1-S6, en de waargenomen retentietijd (RT), componentnaam, formule, massa-tot-ladingsverhouding (m/z) en massafout worden vermeld in tabellen S1-S6. In de ZBTK werden alle 35 soorten verbindingen geïdentificeerd uit afzonderlijke pieken in UPLC-TOF-MS. Zoals weergegeven in aanvullend dossier 1-Aanvullende tabel S1, bevatten de belangrijkste chemicaliën zuur (kininezuur, DL-appelzuur, citroenzuur, o-coumarinezuur en 3-O-trans-coumaroylquininezuur), glycosiden (gentiopicrine, picroside II, suffruticoside J, copoline en borneol-2-O-β-D-apiofuranosyl-(1→6)-β-D-glucoside) en esters (bilobalide, trimethylcitraat en trans-O-glucosyl-methyl-trans-cinnamaat). In de ZBTK-CT werden 25 soorten extra verbindingen gedetecteerd (Supplemental File 1-Supplemental Table S2) en 45 soorten totale verbindingen werden waargenomen.
Toen chloroform als extractiemiddel werd gebruikt, werden alle 50 verbindingen gevonden. Onder hen omvatten de 28 soorten extra verbindingen coronarinezuur, sanlengzuur, agrimol A en methylartemisaat (aanvullend bestand 1-aanvullende tabel S3). Toen petroleumether als extractiemiddel werd gebruikt, werden 44 soorten totale verbindingen waargenomen. We vonden 17 soorten extra verbindingen, waaronder notopterol, onjisaponine en cnideol B (aanvullend bestand 1-aanvullende tabel S4). In totaal werden 65 verbindingen verkregen in oplosmiddel met behulp van ethylacetaat als extractiemiddel. Vergeleken met de vorige vier extractieven werden 37 extra verbindingen opgemerkt, zoals daphnetine, acetovanillon B en stigmasterol-3-O-β-D-glucoside (aanvullend bestand 1-aanvullende tabel S5). In de extractivische butylalcohol vonden we 67 soorten totale verbindingen, die 26 soorten extra verbindingen bevatten, waaronder rengyoside C, chromonen, aturameteline F en deacetylmatricarine-8-O-β-D-glucopyranoside (aanvullend bestand 1-aanvullende tabel S6). Samenvattend vonden we 168 verbindingen op basis van alle verbindingsresultaten van zes extracten.
Om de splitsingsroute van verbindingstypen in UPLC-TOF-MS diepgaand te begrijpen, hebben we drie verbindingen als voorbeelden geselecteerd. Voor zuren zou 3-O-trans-coumaroylquininezuur met m/z = 337,09222 een C7H10O5 of C9H8O2 groep kunnen verliezen via de hydrolysereactie om tussenproducten te vormen met respectievelijk m/z = 163,04116 of 199,05557 (Figuur 4D). Voor esters kan trans-O-glucosyl-methyl-trans-cinnamaat met m/z = 385,11308 worden omgezet in intermediair met m/z = 153,07485 of 135,04679 via C-C-splitsing op verschillende plaatsen (Figuur 4E). Voor glycosiden werd citrusine C met m/z = 385,11308 getransformeerd in intermediair met m/z = 272,09174 via C-C bindingssplitsing in de alifatische keten, terwijl het verlies van de C7H6O2-groep resulteerde in intermediair met m/z = 113,02534 (Figuur 4F). In een andere route leidde de breuk van de C-O-C-binding op de benzeenring tot de vorming van een tussenproduct met m/z = 163,11245, terwijl de hexose-eenheid verdween.
De representatieve resultaten van moleculaire docking onthulden respectievelijk 2D- en 3D-structuren in figuur 4G,H. Analyse van de verrijking van de genontologie toonde de resultaten van de genfunctie in termen van biologisch proces (BP), cellulaire component (CC) en moleculaire functie (MF; Figuur 4I). De Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes pathway annotation analysis toonde de pathway-resultaten van differentieel tot expressie gebrachte genen, die zouden kunnen worden gebruikt om de functie van genen verder te begrijpen (Figuur 4J). De gedetailleerde resultaten van moleculaire docking worden weergegeven in Supplemental File 1-Supplemental Table S7 en Supplemental File 1-Supplemental Figure S7-S9.

Figuur 1: Voorbehandelingsmethode van de traditionele Chinese geneeskunde. (A) Gynura bicolor DC. (B) Reinigen en drogen. (c) Verpulvering. (D) Additie van organische oplosmiddelen. (E) Ultrasone extractie. (F) Centrifugeren van het mengsel. (G) Filtratie van supernatant. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 2: Bedieningsprocedure van UPLC-Q-TOF-MS/MS. (A) Natriumformiaatpreparaat. (B) Kalibratie van de massaas. (C) MS-afstemming. (D) Plaatsing van de steekproef. (E) Massaal spectrum verwerven. (F) Weergave van het massaspectrum. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 3: Gegevensverwerking en -integratie. (A) Gegevensconversie. (B) Wijziging van de methode. (C) Gegevensverwerking. (D) Statistische analyse van de resultaten. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 4: Diepgaande analyse van de resultaten. (A) Secundair massaspectrum. (B) Weergave van secundaire fragmentionen. (C) Weergave van de fractuurplaats. (D) fragmentatiepatroon 1. (E) Fragmentatiepatroon 2. (F) Fragmentatiepatroon 3. (G) Demonstratie van het streefdoel voor de werkzame stof. (H) 3D-structuur van het actiedoel van de werkzame stof. (I) GO-verrijkingsanalyse. (J) Analyse van annotatie van de KEGG-route. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Aanvullend bestand 1: Identificatie van verbindingen, moleculaire dockingresultaten, basepiekchromatogrammen en netwerkanalyse. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Naast waterafkooksel12 is extractie met organische oplosmiddelen een andere veelgebruikte methode voor TCM-voorbehandeling13. Volgens het principe van gelijksoortige fase-oplossing zijn talrijke componenten geëxtraheerd door de combinatie van verschillende organische oplosmiddelen14. Ultrasoon geassisteerde extractie is een van de belangrijkste methoden die worden gebruikt om componenten in TCM15 te verkrijgen. Superkritische kooldioxide-extractie is goed voor het extraheren van bepaalde soorten stoffen, zoals lignanen16. Bovendien werd microgolf-geassisteerde extractie in ionische vloeistoffen (IL's) onderzocht als alternatief voor conventionele extracties met organische oplosmiddelen17. De precieze regeling van de microgolfenergie is echter moeilijk te bereiken, wat secundaire reacties kan veroorzaken, zoals etherificatie, uitdroging en verestering, uitdroging.
Optimale instellingen van botsingsenergie kunnen extra tweede-orde MS-fragmentinformatie opleveren. Informatie van tandem MS, d.w.z. MSE-modus , werd geleverd door twee parallelle afwisselende scans met behulp van ofwel lage energie om moleculaire ioneninformatie te verkrijgen of hoge energie om volledige scannauwkeurige massafragmentionen te verkrijgen18. Tijdens het instellen van hoogenergetische parameters wordt meestal het bereik van 10-35 V gebruikt bij de overdracht van botsingsenergie om de efficiëntie van de voorloperfragmentatie te verbeteren19.
De enorme hoeveelheid ruwe MS-gegevens werd gegenereerd uit MS-gegevens met een hoge resolutie. Ruwe MS-gegevens, waaronder moleculaire ionenpieken in het MS-spectrum en fragmentionenpieken in het MS/MS-spectrum, moeten grondig worden verwerkt en geïntegreerd. MS-software voor gegevensanalyse was gericht op het uitgebreid analyseren van alle metabolieten in een biologisch monster20. De screening van gesulfaatde metabolieten was gebaseerd op de gegevensafhankelijke verwerving van volledige MS-scans en multidimensionale metabolietgegevens21. Op basis van de evoluerende technologie zal het voorspellen van kunstmatige intelligentie een haalbare ontwikkelingsrichting zijn voor de analyse van MS-gegevens.
De meeste verbindingen kunnen met deze methode worden geïdentificeerd. De beperkte secundaire fragmenten kunnen echter niet alle isomeren volledig identificeren, inclusief flavonoïden en tannines. Om structuuridentificatie te bereiken, kunnen onderzoekers tandem-massaspectrometrie gebruiken om meer informatie te verstrekken over fragmentionen, die helpen bij de identificatie van samengestelde structuren8. Gezien de beperking van de chemische ionisatiebron elektrospray-ionisatie of atmosfeerdruk, is MS met hoge resolutie niet geschikt voor macromolecuulanalyse. Matrix-ondersteunde laserdesorptie-ionisatie kan de ionisatie van grote moleculaire verbindingen, zoals eiwitten, bevorderen22. Samenvattend is UPLC-Q-TOF-MS/MS een van de meest breed toepasbare technieken voor de identificatie van TCM-verbindingen. Het heeft het potentieel om te worden toegepast op andere gebieden, waaronder klinische geneeskunde en energiechemie.
De auteurs verklaren dat er geen concurrerende financiële belangen zijn.
Dit werk werd gefinancierd door de National Natural Science Foundation of China (82104881), Inheritance and Innovation Team of TCM Treatment of Immune Diseases, Chongqing Medical Scientific Research Project (gezamenlijk project van Chongqing Health Commission en Science and Technology Bureau) (2022DBXM007), Een speciaal project voor prestatieprikkeling en begeleiding van het Chongqing Scientific Research Institute (cstc2022jxjl120005), Een speciaal project voor Chongqing Postdoctoral Science Foundation (2022CQBSHTB3035), Senior Medical Talents Program van Chongqing voor Yong en mensen van middelbare leeftijd, het programma voor wetenschappelijke instellingen van Chongqing (onafhankelijk onderzoeksproject nr. 2022GDRC015).
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| chloroform | Sinopharm Chemical ReagentCo., Ltd | CAS 67-66-3 | |
| ethanol | ChuandongChemical | CAS 64-17-5 | |
| ethyl acetate | ChuandongChemical | CAS 141-78-6 | |
| liquid chromatograph | Waters | ACQUITY Class 1 plus | |
| MassLynx | Waters | V4.2 | MS control software |
| n-butyl alcohol | ChuandongChemical | CAS 71-36-3 | |
| petroleum ether | ChuandongChemical | CAS 8032-32-4 | |
| Quadrupole time-of-flight mass spectrometry | Waters | SYNAPT XS | |
| UNIFI | Waters | Data analysis software |