Descrevemos um protocolo geral que integra análise de espectrometria de massa de alta resolução e docking molecular na pesquisa da medicina tradicional chinesa.
Artigo de método
* These authors contributed equally
Descrevemos um protocolo geral que integra análise de espectrometria de massa de alta resolução e docking molecular na pesquisa da medicina tradicional chinesa.
A separação e análise dos componentes químicos desejados são temas importantes para a pesquisa fundamental da medicina tradicional chinesa (MTC). A espectrometria de massa em tandem de tempo de voo quadrupolo de cromatografia líquida de ultra-alta eficiência (UPLC-Q-TOF-MS/MS) tornou-se gradualmente uma tecnologia líder para a identificação de ingredientes da MTC. Gynura bicolor DC. (BFH), uma erva perene sem haste usada para remédios e alimentos na China, tem efeitos medicinais, como limpar o calor, umedecer o pulmão, aliviar a tosse, dispersar a estase e aliviar o inchaço. Os polifenóis e flavonóides contêm numerosos isômeros, que dificultam a identificação dos compostos complexos no BFH. Este trabalho apresenta um protocolo sistemático para o estudo de constituintes químicos da HAC com base na extração por solvente e dados integrados via UPLC-Q-TOF-MS.
O método descrito aqui inclui protocolos sistemáticos para pré-tratamento de amostras, calibração de MS, aquisição de MS, processamento de dados e análise de resultados. O pré-tratamento da amostra inclui coleta, limpeza, secagem, trituração e extração. A calibração MS consiste em correção multiponto e ponto único. O processamento de dados inclui importação de dados, estabelecimento de método, processamento de análise e apresentação de resultados. Resultados representativos do padrão típico de fragmentação de ácidos fenólicos, ésteres e glicosídeos em Gynura bicolor DC. (BFH) são apresentados neste artigo. Além disso, a seleção de solventes orgânicos, extração, integração de dados, seleção de energia de colisão e melhoria do método são discutidos em detalhes. Este protocolo universal pode ser amplamente utilizado para identificar compostos complexos na MTC.
A medicina tradicional chinesa (MTC) é praticada clinicamente na China há milhares de anos e desempenha um papel vital na manutenção da saúde do povo chinês1. A composição da MTC é diversa e complexa, e a MTC tem sido amplamente relatada em muitos estudos qualitativos com foco na composição química2. Os componentes químicos da MTC podem ser divididos nas seguintes categorias, como alcalóides, ácidos orgânicos, fenilpropanóides, cumarinas, lignanas, quinonas, flavonóides, terpenóides, saponinas triterpenóides, saponinas esteróides, glicosídeos cardíacos e taninos3. Dado o grande número de componentes desconhecidos e isômeros indistinguíveis na MTC, a separação e análise dos componentes químicos desejados são assuntos importantes para a pesquisa fundamental da MTC4.
A espectrometria de massas por tempo de voo quadrupolo por cromatografia líquida de ultra-alta eficiência (UPLC-Q-TOF-MS) tem sido aplicada para analisar substâncias na medicina tradicional chinesa (MTC), que podem ser separadas por cromatografia líquida de ultra-alta eficiência 5,6. A alta resolução do MS pode fornecer informações extensas de íons, que são usadas para análise de banco de dados com erro inferior a 5 ppm7. Depois de ligar a energia de colisão, o modo MS secundário pode obter íons de fragmentos secundários, cuja intensidade e número são afetados pela magnitude da energia8.
Gynura bicolor DC. (BFH), uma erva perene sem caule amplamente utilizada para medicina e alimentos (Figura 1A), é uma planta rara e ameaçada de extinção exclusiva da China9. A HAC tem antocianinas, polifenóis, flavonóides abundantes e forte capacidade antioxidante10. O BFH tem efeitos medicinais, incluindo limpeza do calor, resfriamento do sangue, umedecimento do pulmão, alívio da tosse, dispersão da estase, alívio do inchaço, alívio do calor do verão e eliminação do calor. Poucos estudos se concentraram na composição química da HAC11. Os polifenóis e flavonóides contêm numerosos isômeros, o que dificulta a identificação dos compostos complexos no BFH. Um método universal para a identificação de componentes químicos deve ser desenvolvido, que pode ser aplicado a todos os tipos de MTC. Este estudo teve como objetivo relatar um protocolo sistemático para estudo de constituintes químicos do HAC baseado na extração de solventes e dados integrados via UPLC-Q-TOF-MS.
1. Pré-tratamento da amostra
2. Calibração MS
3. Aquisição da MS
4. Processamento de dados
5. Análise de resultados
A identificação da composição química do HAC foi usada como modelo para exibir os resultados representativos. Cromatogramas de pico de base de Gynura bicolor DC extraída com solvente. são mostrados no Arquivo Suplementar 1-Figura Suplementar S1-S6, e o tempo de retenção (RT) observado, o nome do componente, a fórmula, a relação massa-carga (m/z) e o erro de massa estão listados nas Tabelas S1-S6. No ZBTK, todos os 35 tipos de compostos foram identificados a partir de picos separados em UPLC-TOF-MS. Conforme mostrado no Arquivo Suplementar 1-Tabela Suplementar S1, os principais produtos químicos continham ácido (ácido quínico, ácido DL-málico, ácido cítrico, ácido o-cumárico e ácido 3-O-trans-cumaroilquínico), glicosídeos (gentiopicrina, picrosídeo II, suffruticosídeo J, copolina e borneol-2-O-β-D-apiofuranosil-(1→6)-β-D-glicosídeo) e ésteres (bilobalida, citrato de trimetila e trans-O-glicosil-metil-trans-cinamato). No ZBTK-CT, foram detectados 25 tipos de compostos extras (Arquivo Suplementar 1-Tabela Suplementar S2) e 45 tipos de compostos totais foram observados.
Quando o clorofórmio foi usado como extrator, todos os 50 compostos foram encontrados. Entre eles, os 28 tipos de compostos extras incluíam ácido coronário, ácido sanleng, agrimol A e artemisato de metila (Arquivo Suplementar 1-Tabela Suplementar S3). Quando o éter de petróleo foi usado como extrator, foram observados 44 tipos de compostos totais. Encontramos 17 tipos de compostos extras, incluindo notopterol, onjisaponina e cnideol B (Arquivo Suplementar 1-Tabela Suplementar S4). Um total de 65 compostos foram obtidos em solvente usando acetato de etila como extrator. Em comparação com os quatro extrativos anteriores, 37 compostos extras foram observados, como dafnetina, acetovanilona B e estigmasterol-3-O-β-D-glicosídeo (Arquivo Suplementar 1-Tabela Suplementar S5). No extrativo de álcool butílico, encontramos 67 tipos de compostos totais, que continham 26 tipos de compostos extras, incluindo rengyoside C, cromonas, aturametelana F e desacetilmatricarina-8-O-β-D-glicopiranosídeo (Arquivo Suplementar 1-Tabela Suplementar S6). Em resumo, encontramos 168 compostos com base em todos os resultados compostos de seis extratores.
Para entender profundamente a via de clivagem dos tipos de compostos em UPLC-TOF-MS, selecionamos três compostos como exemplos. Para ácidos, o ácido 3-O-trans-cumaroilquínico com m / z = 337,09222 pode perder um grupo C7H10O5 ou C9H8O2 através da reação de hidrólise para formar intermediários com m / z = 163,04116 ou 199,05557, respectivamente (Figura 4D). Para ésteres, o trans-O-glicosil-metil-trans-cinamato com m / z = 385,11308 pode ser convertido em intermediário com m / z = 153,07485 ou 135,04679 via clivagem CC em diferentes locais ( Figura 4E ). Para glicosídeos, a citrina C com m/z = 385,11308 transformou-se em intermediária com m/z = 272,09174 via clivagem da ligação C-C na cadeia alifática, enquanto a perda do grupo C7H6O2 resultou em intermediário com m/z = 113,02534 (Figura 4F). Em outra via, a quebra da ligação C-O-C no anel benzênico levou à formação de um intermediário com m/z = 163,11245, enquanto a unidade hexose desapareceu.
Os resultados representativos do docking molecular revelaram estruturas 2D e 3D na Figura 4G,H, respectivamente. A análise de enriquecimento de ontologias gênicas mostrou os resultados da função gênica em termos de processo biológico (BP), componente celular (CC) e função molecular (MF; Figura 4I). A análise de anotação da via da Enciclopédia de Genes e Genomas de Kyoto mostrou os resultados da via de genes diferencialmente expressos, que poderiam ser usados para entender melhor a função dos genes ( Figura 4J ). Os resultados detalhados do acoplamento molecular são mostrados no Arquivo Suplementar 1-Tabela Suplementar S7 e no Arquivo Suplementar 1-Figura Suplementar S7-S9.

Figura 1: Método de pré-tratamento da medicina tradicional chinesa. (A) Gynura bicolor DC. (B) Limpeza e secagem. (C) Pulverização. (D) Adição de solvente orgânico. (E) Extração por ultrassom. (F) Centrifugação da mistura. (G) Filtração de sobrenadante. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2: Procedimento de operação de UPLC-Q-TOF-MS/MS. (a) Preparação de formiato de sódio. (B) Calibração do eixo de massa. (C) Sintonia MS. (D) Colocação da amostra. (E) Aquisição de espectro de massa. (F) Exibição do espectro de massa. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3: Processamento e integração de dados. (A) Conversão de dados. (B) Modificação do método. (C) Processamento de dados. (D) Análise estatística dos resultados. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4: Análise profunda dos resultados. (A) Espectro de massa secundário. (B) Exibição de íons de fragmentos secundários. (C) Exibição do local da fratura. (D) padrão de fragmentação 1. (E) Padrão de fragmentação 2. (F) Padrão de fragmentação 3. (G) Demonstração do alvo de ação do ingrediente ativo. (H) Estrutura 3D do alvo de ação do ingrediente ativo. (I) Análise de enriquecimento GO. (J) Análise de anotação da via KEGG. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Arquivo Suplementar 1: Identificação de compostos, resultados de docking molecular, cromatogramas de pico de base e análise de rede. Clique aqui para baixar este arquivo.
Além da decocção de água12, a extração com solvente orgânico é outro método comum de pré-tratamento da MTC13. De acordo com o princípio da dissolução de fase semelhante, vários componentes foram extraídos pela combinação de vários solventes orgânicos14. A extração assistida por ultrassom é um dos principais métodos utilizados para a obtenção de componentes no TCM15. A extração supercrítica de dióxido de carbono é boa para extrair certos tipos de substâncias, como lignanas16. Além disso, a extração assistida por micro-ondas em líquidos iônicos (ILs) foi investigada como uma alternativa às extrações convencionais de solventes orgânicos17. No entanto, o controle preciso da energia de microondas é difícil de alcançar, o que pode causar reações secundárias, como desidratação por eterificação e desidratação por esterificação.
As configurações ideais de energia de colisão podem fornecer informações adicionais de fragmentos de MS de segunda ordem. As informações do MS em tandem, ou seja, o modo MSE , foram fornecidas por duas varreduras alternadas paralelas usando baixa energia para obter informações de íons de íons moleculares ou alta energia para obter íons de fragmentos de massa precisos de varredura completa18. Durante a configuração de parâmetros de alta energia, a faixa de 10-35 V é geralmente usada na energia de colisão de transferência de rampa para aumentar a eficiência de fragmentação do precursor19.
A grande quantidade de dados brutos de MS foi gerada a partir de MS de alta resolução. Os dados brutos de MS, que incluíram picos de íons moleculares no espectro de MS e picos de íons de fragmento no espectro MS / MS, devem ser completamente processados e integrados. O software de análise de dados MS teve como objetivo analisar todos os metabólitos em uma amostra biológica de forma abrangente20. A triagem de metabólitos sulfatados foi baseada na aquisição dependente de dados de varreduras completas de MS e dados de metabólitos multidimensionais21. Com base na evolução da tecnologia, a previsão de inteligência artificial será uma direção de desenvolvimento viável para a análise de dados de MS.
A maioria dos compostos pode ser identificada por este método. No entanto, os fragmentos secundários limitados não podem identificar totalmente todos os isômeros, incluindo flavonóides e taninos. Para obter a identificação da estrutura, os pesquisadores podem empregar espectrometria de massa em tandem para fornecer mais informações sobre íons fragmentados, que ajudam na identificação de estruturas compostas8. Dada a limitação do íon de ionização por eletrospray ou da fonte de ionização química de pressão atmosférica, o MS de alta resolução não é adequado para análise de macromoléculas. A ionização por dessorção a laser assistida por matriz pode promover a ionização de grandes compostos moleculares, como proteínas22. Em resumo, UPLC-Q-TOF-MS/MS é uma das técnicas mais amplamente aplicáveis para a identificação de compostos de MTC. Tem potencial para ser aplicado a outros campos, incluindo medicina clínica e química energética.
Os autores declaram não haver interesses financeiros concorrentes.
Este trabalho foi financiado pela Fundação Nacional de Ciências Naturais da China (82104881), Equipe de Herança e Inovação do Tratamento de Doenças Imunológicas da MTC, Projeto de Pesquisa Científica Médica de Chongqing (projeto conjunto da Comissão de Saúde de Chongqing e Departamento de Ciência e Tecnologia) (2022DBXM007), Um projeto especial para incentivo e orientação de desempenho do Instituto de Pesquisa Científica de Chongqing (cstc2022jxjl120005), Um projeto especial para a Fundação de Ciências de Pós-Doutorado de Chongqing (2022CQBSHTB3035), Programa de Talentos Médicos Seniores de Chongqing para Yong e Meia-idade, o Programa para Instituições Científicas de Chongqing (projeto de pesquisa independente No.2022GDRC015).
| Nome | Empresa | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| clorofórmio | Sinopharm Chemical ReagentCo., Ltd | CAS 67-66-3 | |
| etanol | ChuandongChemical | CAS 64-17-5 | |
| acetato de etila | ChuandongChemical | CAS 141-78-6 | |
| cromatógrafo líquido | Waters | ACQUITY Classe 1 mais | |
| de controle | |||
| MassLynx Waters V4.2 MSálcool n-butílico | ChuandongChemical | CAS 71-36-3 | |
| éter de petróleo | ChuandongChemical | CAS 8032-32-4 | |
| Espectrometria de massa de tempo de voo quadrupolo | Waters | SYNAPT XS | |
| UNIFI | Waters | Software de análise de dados |