Chociaż w ostatnich dziesięcioleciach w pełni syntetyczne molekuły stały się coraz bardziej widoczne w odkrywaniu leków, prawie dwie trzecie wszystkich zatwierdzonych leków z ostatnich 39 lat to produkty naturalne lub inspirowane produktami naturalnymi,1,2 podkreślając nieustające znaczenie badań nad produktami naturalnymi. Alkaloidy, niektóre naturalne produkty zawierające azot, są szczególnie cenione ze względu na swoje właściwości lecznicze. Alkaloidy tropanowe (TA) zawierające [3.2.1.]-bicykliczny system zawierający azot, wytwarzany jest głównie przez rośliny z rodziny Solanaceae (psiankowate), Erythroxylaceae i Convolvulaceae. Przykłady obejmują atropinę, skopolaminę i kokainę; Wiele półsyntetycznych lub syntetycznych tropanów jest również stosowanych klinicznie3. TA i ich pochodne są stosowane w leczeniu wielu schorzeń3,4, a kilka z tych leków znajduje się na Liście Leków Podstawowych WHO 20235. Ze względu na ich silne działanie, TA są również używane rekreacyjnie (jako stymulanty lub delirianty) i mogą powodować zatrucie po spożyciu roślin (lub preparatów), które je zawierają6,7. Są one niepożądane w żywności dla ludzi i zwierząt8 i mogą zanieczyszczać herbaty, przyprawy, ziarna, miód i suplementy ziołowe9,10. Ze względu zarówno na ich potencjał leczniczy, jak i zdolność do zatruwania, metody analityczne, które mogą pomóc w odkryciu nowych TA (i identyfikacji znanych TA) są przydatne.
W tandemowej spektrometrii mas (MS/MS), "filtry masowe" (np. kwadrupole, lampy czasu przelotu) są sprzężone ze sobą fizycznie ("w przestrzeni"), lub instrument wykorzystuje dodatkowe etapy reakcji/separacji "w czasie". In-space MS/MS wykorzystuje różne tryby do selekcji i fragmentacji różnych jonów w różnych filtrach masowych (np. kwadrupolach instrumentu z potrójnym kwadrupolem lub QQQ). Te różne tryby mogą być wykorzystane do określenia, które konkretne fragmenty są wytwarzane przez dany jon (skanowanie jonów produktowych), które jony w próbce dają określone fragmenty (skanowanie jonów prekursorowych lub PrIS) lub ulegają ubytkom o charakterystycznej masie (skanowanie utraty obojętnej lub NLS) lub które konkretne związki posiadają które określone fragmenty (monitorowanie wielu reakcji). MS/MS dostarcza zatem fragmentów, które są przydatne do proponowania struktur dla nowych związków lub potwierdzania obecności istniejącego związku. MS/MS jest coraz częściej stosowany w dziedzinie odkrywania leków, chemii produktów naturalnych i metabolomiki11,12, i jest używany do profilowania gatunków zawierających alkaloidy (do charakterystyki fitochemicznej lub analizy chemotaksonomicznej) oraz do wykrywania i ilościowego określania określonych alkaloidów w żywności lub roślinach leczniczych10,13,14,15,16.
Pomimo wielu dostępnych technik spektrometrii mas, istnieją wyzwania związane z poszukiwaniem nowych alkaloidów. Oprócz znalezienia organizmu kandydującego do badań przesiewowych, pełne strukturalne potwierdzenie alkaloidu jest żmudnym procesem, który może obejmować wiele różnych technik analitycznych. Dodatkowo naukowcy mogli wyizolować związek, który jest już znany, marnując pracę, czas i zasoby. Jest to szczególnie trudne w przypadku TA, gdzie zgłaszane są setki, jeśli nie tysiące TA, z których wiele jest izomerycznych względem siebie. Proces "identyfikowania znanych i odróżniania ich od nieznanych" jest znany jako dereplikacja. Bazy danych czasów retencji (r.t.s) i fragmentów masowych różnych TA i innych związków są publikowane, aby pomóc w tym procesie17,18. Niemniej jednak dereplikacja jest pracochłonna; Samo adnotowanie (tj. przypisywanie przypuszczalnych struktur) alkaloidów w całym chromatogramie LC-MS/MS próbki jest czasochłonne. Ostatnio zarówno sieć molekularna19,20, jak i ręczna dereplikacja18,21,22 były używane do benzylizochinoliny, indolu monoterpenowego i alkaloidów tropanowych, a PrIS były używane do "filtrowania strukturalnego" widm w celu identyfikacji alkaloidów typu pirolizydyny i solaniny23,24. Nie ma jednak żadnych konkretnych metod ani przepływów pracy do szybkiej dereplikacji próbek zawierających TA opartej na LC-MS/MS, mimo że TA posiadają wspólne, łatwe do zidentyfikowania fragmenty (Rysunek 1). Opisana tutaj metoda wykorzystuje kombinację zależnych od danych (DD) skanów jonów produktowych, PrIS i NLS do opisywania i klasyfikowania struktur TA w roślinach w oparciu zarówno o odrębne wzorce fragmentacji dla mono-, di- i tripodstawionych tropanów (Rysunek 1A), jak i straty wspólnych grup estrowych występujących w tych alkaloidach (Figura 1B). Badane organizmy to kilka gatunków z rodzaju psiankowatych Datura. Bogate źródło różnorodnych TA, Datura była używana w całej historii świata do celów medycznych i kulturowych17- i jest trudną matrycą do dereplikacji ze względu na liczne, strukturalnie podobne TA, dostarczając nam atrakcyjnych próbek, na których możemy przetestować naszą metodę.