Opisujemy ogólny protokół, który integruje analizę spektrometrii mas o wysokiej rozdzielczości i dokowanie molekularne w badaniach tradycyjnej medycyny chińskiej.
Artykuł metodologiczny
* These authors contributed equally
Opisujemy ogólny protokół, który integruje analizę spektrometrii mas o wysokiej rozdzielczości i dokowanie molekularne w badaniach tradycyjnej medycyny chińskiej.
Separacja i analiza pożądanych składników chemicznych są ważnymi tematami dla podstawowych badań tradycyjnej medycyny chińskiej (TCM). Ultra-wysokosprawna chromatografia cieczowa z kwadrupolową tandemową spektrometrią mas czasu przelotu (UPLC-Q-TOF-MS/MS) stopniowo stała się wiodącą technologią identyfikacji składników TCM. Gynura dwukolorowa DC. (BFH), wieloletnie zioło bez łodyg używane w medycynie i żywności w Chinach, ma działanie lecznicze, takie jak usuwanie ciepła, nawilżanie płuc, łagodzenie kaszlu, rozpraszanie zastojów i łagodzenie obrzęków. Polifenole i flawonoidy zawierają liczne izomery, które utrudniają identyfikację złożonych związków w BFH. W artykule przedstawiono systematyczny protokół badania składników chemicznych BFH w oparciu o ekstrakcję rozpuszczalnikową i zintegrowane dane za pośrednictwem UPLC-Q-TOF-MS.
Opisana tutaj metoda obejmuje systematyczne protokoły wstępnej obróbki próbek, kalibracji MS, akwizycji MS, przetwarzania danych i analizy wyników. Wstępna obróbka próbki obejmuje zbieranie, czyszczenie, suszenie, kruszenie i ekstrakcję. Kalibracja MS składa się z korekcji wielopunktowej i jednopunktowej. Przetwarzanie danych obejmuje import danych, ustalanie metody, przetwarzanie analizy i prezentację wyników. W artykule przedstawiono reprezentatywne wyniki typowego wzorca fragmentacji kwasów fenolowych, estrów i glikozydów w Gynura bicolor DC. (BFH). Ponadto szczegółowo omówiono wybór rozpuszczalników organicznych, ekstrakcję, integrację danych, wybór energii zderzeń i doskonalenie metod. Ten uniwersalny protokół może być szeroko stosowany do identyfikacji złożonych związków w TCM.
Tradycyjna medycyna chińska (TCM) jest klinicznie praktykowana w Chinach od tysięcy lat i odgrywa istotną rolę w utrzymaniu zdrowia Chińczyków1. Skład TCM jest zróżnicowany i złożony, a TCM został szeroko opisany w wielu badaniach jakościowych koncentrujących się na składzie chemicznym2. Składniki chemiczne w TCM można z grubsza podzielić na następujące kategorie, takie jak alkaloidy, kwasy organiczne, fenylopropanoidy, kumaryny, lignany, chinony, flawonoidy, terpenoidy, saponiny triterpenoidowe, saponiny steroidowe, glikozydy nasercowe i garbniki3. Biorąc pod uwagę dużą liczbę nieznanych składników i nierozróżnialnych izomerów w TCM, separacja i analiza pożądanych składników chemicznych są ważnymi tematami dla podstawowych badań TCM4.
Ultra-wysokowydajna chromatografia cieczowa kwadrupolowa spektrometria mas czasu przelotu (UPLC-Q-TOF-MS) została zastosowana do analizy substancji w tradycyjnej medycynie chińskiej (TCM), które mogą być oddzielone za pomocą ultra-wysokowydajnej chromatografii cieczowej5,6. Wysoka rozdzielczość MS może dostarczyć obszernych informacji o jonach, które są wykorzystywane do analizy bazy danych z błędem mniejszym niż 5 ppm7. Po włączeniu energii zderzenia, wtórny tryb MS może otrzymać wtórne jony fragmentacyjne, na których intensywność i liczbę wpływa wielkość energii8.
Gynura bicolor DC. (BFH), wieloletnie zioło bez łodyg, szeroko stosowane w medycynie i żywności (Rysunek 1A), jest rzadką i zagrożoną rośliną unikalną dla Chin9. BFH ma obfite antocyjany, polifenole, flawonoidy i silne zdolności przeciwutleniające10. BFH ma działanie lecznicze, w tym usuwanie ciepła, chłodzenie krwi, nawilżanie płuc, łagodzenie kaszlu, rozpraszanie zastojów, łagodzenie obrzęków, łagodzenie letnich upałów i eliminowanie ciepła. Niewiele badań koncentrowało się na składzie chemicznym BFH11. Polifenole i flawonoidy zawierają liczne izomery, które utrudniają identyfikację złożonych związków w BFH. Konieczne jest opracowanie uniwersalnej metody identyfikacji składników chemicznych, która będzie mogła być stosowana do wszystkich rodzajów TCM. Badanie to miało na celu przedstawienie systematycznego protokołu badania składników chemicznych BFH w oparciu o ekstrakcję rozpuszczalnikową i zintegrowane dane za pośrednictwem UPLC-Q-TOF-MS.
1. Wstępna obróbka próbki
2. Kalibracja MS
3. Przejęcie MS
4. Przetwarzanie danych
5. Analiza wyników
Do prezentacji reprezentatywnych wyników wykorzystano identyfikację składu chemicznego BFH jako modelu. Chromatogramy pików bazowych Gynura bicolor DC. ekstrahowanych rozpuszczalnikiem przedstawiono w Supplemental File 1-Supplemental Figure S1-S6, a zaobserwowany czas retencji (RT), nazwę składnika, wzór, stosunek masy do ładunku (m/z) oraz błąd masy wymieniono w tabelach S1-S6. W ZBTK zidentyfikowano wszystkie 35 rodzajów związków z rozdzielonych pików w UPLC-TOF-MS. Jak pokazano w Supplemental File 1-Supplemental Table S1, główne substancje chemiczne obejmowały kwasy (kwas chinowy, kwas DL-jabłkowy, kwas cytrynowy, kwas o-kumarowy oraz kwas 3-O-trans-kumaroilchinowy), glikozydy (gentiopikryna, pikrosyd II, suffrutykozyda J, kopolina oraz borneol-2-O-β-D-apiofuranozylo-(1→6)-β-D-glukozyd) oraz estry (bilobalid, cytrynian trimetylu i trans-O-glukozyl-metylo-trans-cynamian). W ZBTK-CT wykryto 25 dodatkowych rodzajów związków (Supplemental File 1-Supplemental Table S2), co łącznie dało 45 rodzajów zaobserwowanych związków.
Przy zastosowaniu chloroformu jako ekstrahenta zidentyfikowano wszystkie 50 związków. Wśród nich 28 dodatkowych związków obejmowało kwas koronarykowy, kwas sanlengowy, agrimol A oraz metyloartemizant (Supplemental File 1-Supplemental Table S3). Gdy jako ekstrahent zastosowano eter ropa naftowa, zaobserwowano łącznie 44 rodzaje związków. Znaleziono 17 dodatkowych związków, w tym notopterol, onjisaponinę i cnideol B (Supplemental File 1-Supplemental Table S4). W rozpuszczalniku z wykorzystaniem octanu etylu jako ekstrahenta uzyskano łącznie 65 związków. W porównaniu z poprzednimi czterema ekstraktami odnotowano 37 dodatkowych związków, takich jak daphnetyna, acetowanillona B i stigmasterol-3-O-β-D-glukozyd (Supplemental File 1-Supplemental Table S5). W ekstrakcie z alkoholu butylowego znaleziono łącznie 67 rodzajów związków, wśród których znajdowało się 26 dodatkowych związków, w tym rengyozyd C, chromony, aturametelin F oraz deacetylmatricarin-8-O-β-D-glukopiranozyd (Supplemental File 1-Supplemental Table S6). Podsumowując, na podstawie wyników dla wszystkich sześciu ekstrahentów zidentyfikowano 168 związków.
Aby szczegółowo zrozumieć ścieżkę fragmentacji różnych typów związków w UPLC-TOF-MS, wybrano trzy związki jako przykłady. W przypadku kwasów, kwas 3-O-trans-kumaroilochinowy o m/z = 337,09222 mógł utracić grupę C7H10O5 lub C9H8O2 w drodze reakcji hydrolizy, tworząc odpowiednio produkty pośrednie o m/z = 163,04116 lub 199,05557 (Rysunek 4D). W przypadku estrów, trans-O-glukozylometylotrans-cynamian o m/z = 385,11308 mógł zostać przekształcony w produkt pośredni o m/z = 153,07485 lub 135,04679 poprzez rozszczepienie wiązania C-C w różnych miejscach (Rysunek 4E). W przypadku glikozydów, citrusyna C o m/z = 385,11308 przekształciła się w produkt pośredni o m/z = 272,09174 poprzez rozszczepienie wiązania C-C w łańcuchu alifatycznym, natomiast utrata grupy C7H6O2 doprowadziła do powstania produktu pośredniego o m/z = 113,02534 (Rysunek 4F). W innej ścieżce, rozerwanie wiązania C-O-C w pierścieniu benzenowym doprowadziło do powstania produktu pośredniego o m/z = 163,11245, przy jednoczesnym zaniku jednostki heksozy.
Reprezentatywne wyniki dokowania molekularnego ujawniły struktury 2D i 3D odpowiednio na Rysunku 4G,H. Analiza wzbogacenia ontologii genów wykazała wyniki funkcji genów w odniesieniu do procesów biologicznych (BP), komponentów komórkowych (CC) i funkcji molekularnych (MF; Rysunek 4I). Analiza adnotacji ścieżek Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes wykazała wyniki ścieżek genów o różnej ekspresji, które mogą posłużyć do dalszego zrozumienia funkcji genów (Rysunek 4J). Szczegółowe wyniki dokowania molekularnego przedstawiono w Supplemental File 1-Supplemental Table S7 oraz Supplemental File 1-Supplemental Figure S7-S9.

Rycina 1: Metoda wstępnego przygotowania tradycyjnego leku chińskiego. (A) Gynura bicolor DC. (B) Czyszczenie i suszenie. (C) Pulweryzacja. (D) Dodawanie rozpuszczalnika organicznego. (E) Ekstrakcja ultradźwiękowa. (F) Wirowanie mieszaniny. (G) Filtracja nadsączu. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rycina 2: Procedura obsługi UPLC-Q-TOF-MS/MS. (A) Przygotowanie mrówczanu sodu. (B) Kalibracja osi masy. (C) Strojenie MS. (D) Umieszczenie próbek. (E) Nabywanie widma masowego. (F) Wyświetlanie widma masowego. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.

Rysunek 3: Przetwarzanie i integracja danych. (A) Konwersja danych. (B) Modyfikacja metody. (C) Przetwarzanie danych. (D) Analiza statystyczna wyników. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.

Rysunek 4: Pogłębiona analiza wyników. (A) Wtórne widmo mas. (B) Wyświetlanie wtórnych jonów fragmentacyjnych. (C) Wyświetlanie miejsc pęknięcia. (D) Wzorzec fragmentacji 1. (E) Wzorzec fragmentacji 2. (F) Wzorzec fragmentacji 3. (G) Demonstracja celu działania substancji czynnej. (H) Struktura 3D celu działania substancji czynnej. (I) Analiza wzbogacenia GO. (J) Analiza adnotacji ścieżek KEGG. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
Plik uzupełniający 1: Identyfikacja związków, wyniki dokowania molekularnego, chromatogramy piku bazowego i analiza sieciowa. Aby pobrać ten plik, kliknij tutaj.
Oprócz wywaru wodnego12, ekstrakcja rozpuszczalnikiem organicznym jest kolejną powszechną metodą wstępnej obróbki TCM13. Zgodnie z zasadą rozpuszczania w podobnych fazach, wiele składników zostało wyekstrahowanych przez połączenie różnych rozpuszczalników organicznych14. Ekstrakcja wspomagana ultradźwiękami jest jedną z głównych metod stosowanych do otrzymywania składników w TCM15. Ekstrakcja dwutlenkiem węgla w stanie nadkrytycznym jest dobra do ekstrakcji niektórych rodzajów substancji, takich jak lignany16. Ponadto zbadano ekstrakcję wspomaganą mikrofalami w cieczach jonowych (IL) jako alternatywę dla konwencjonalnych ekstrakcji rozpuszczalnikami organicznymi17. Jednak precyzyjna kontrola energii mikrofalowej jest trudna do osiągnięcia, co może powodować reakcje wtórne, takie jak odwodnienie eteryfikacji i odwodnienie estryfikacji.
Optymalne ustawienia energii zderzenia mogą dostarczyć dodatkowych informacji o fragmentach MS drugiego rzędu. Informacje z tandemowego MS, tj. trybu MSE , zostały dostarczone przez dwa równoległe naprzemienne skanowania przy użyciu albo niskiej energii w celu uzyskania informacji o jonach molekularnych, albo wysokiej energii w celu uzyskania w pełni dokładnych jonów fragmentów masy18. Podczas ustawiania parametrów wysokoenergetycznych zakres 10-35 V jest zwykle używany w energii zderzenia z przeniesieniem rampy w celu zwiększenia wydajności fragmentacji prekursora19.
Ogromna ilość surowych danych MS została wygenerowana z MS o wysokiej rozdzielczości. Surowe dane MS, które obejmowały piki jonów molekularnych w widmie MS i piki jonów fragmentacyjnych w widmie MS/MS, muszą zostać dokładnie przetworzone i zintegrowane. Oprogramowanie do analizy danych MS miało na celu kompleksową analizę wszystkich metabolitów w próbce biologicznej20. Badania przesiewowe metabolitów siarczanowych opierały się na zależnym od danych pozyskiwaniu pełnych skanów SM i wielowymiarowych danych dotyczących metabolitów21. W oparciu o rozwijającą się technologię, predykcja sztucznej inteligencji będzie realnym kierunkiem rozwoju analizy danych MS.
Większość związków można zidentyfikować za pomocą tej metody. Jednak ograniczone fragmenty wtórne nie mogą w pełni zidentyfikować wszystkich izomerów, w tym flawonoidów i garbników. Aby osiągnąć identyfikację struktury, naukowcy mogą wykorzystać tandemową spektrometrię mas w celu uzyskania dalszych informacji na temat jonów fragmentacyjnych, które pomogą w identyfikacji struktur złożonych8. Biorąc pod uwagę ograniczenie jonu jonizacji elektronatryskowej lub źródła jonizacji chemicznej pod ciśnieniem atmosfery, MS o wysokiej rozdzielczości nie nadaje się do analizy makrocząsteczek. Jonizacja desorpcji laserowej wspomagana matrycą może sprzyjać jonizacji dużych związków molekularnych, takich jak białka22. Podsumowując, UPLC-Q-TOF-MS/MS jest jedną z najszerzej stosowanych technik identyfikacji związków TCM. Ma potencjał do zastosowania w innych dziedzinach, w tym w medycynie klinicznej i chemii energetycznej.
Autorzy deklarują brak sprzecznych interesów finansowych.
Ta praca została sfinansowana przez Narodową Fundację Nauk Przyrodniczych Chin (82104881), Zespół ds. Dziedziczenia i Innowacji Leczenia Chorób Immunologicznych TCM, Chongqing Medical Scientific Research Project (Wspólny projekt Komisji Zdrowia Chongqing oraz Biura Nauki i Technologii) (2022DBXM007), Specjalny projekt motywacyjny i przewodnicki Instytutu Badań Naukowych Chongqing (cstc2022jxjl120005), Specjalny projekt dla Chongqing Postdoctoral Science Fundacja (2022CQBSHTB3035), Program Starszych Talentów Medycznych Chongqing dla Yong i osób w średnim wieku, Program dla Instytucji Naukowych Chongqing (niezależny projekt badawczy nr 2022GDRC015).
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| chloroform | Sinopharm Chemical ReagentCo., Ltd | CAS 67-66-3 | |
| etanol | ChuandongChemical | CAS 64-17-5 | |
| octan etylu | ChuandongChemical | CAS 141-78-6 | |
| chromatograf cieczowy | Waters | ACQUITY Class 1 plus | |
| oprogramowanie | |||
| sterujące MassLynx Waters V4.2 MSAlkohol n-butylowy | ChuandongChemical | CAS 71-36-3 | |
| eter naftowy | ChuandongChemical | CAS 8032-32-4 | |
| Kwadrupolowa spektrometria mas czasu przelotu | Wody | SYNAPT XS | |
| UNIFI | Waters | Oprogramowanie do analizy danych |