Мы описываем общий протокол, который объединяет масс-спектрометрический анализ высокого разрешения и молекулярный докинг в исследованиях традиционной китайской медицины.
Методическая статья
* These authors contributed equally
Мы описываем общий протокол, который объединяет масс-спектрометрический анализ высокого разрешения и молекулярный докинг в исследованиях традиционной китайской медицины.
Разделение и анализ желаемых химических компонентов являются важными предметами для фундаментальных исследований традиционной китайской медицины (ТКМ). Сверхвысокоэффективная жидкостная хроматография квадрупольная времяпролетная тандемная масс-спектрометрия (UPLC-Q-TOF-MS/MS) постепенно стала ведущей технологией для идентификации ингредиентов ТКМ. Gynura bicolor DC. (BFH), многолетнее бесстебельное травянистое растение, используемое в медицине и пищу в Китае, обладает лечебными эффектами, такими как снятие тепла, увлажнение легких, облегчение кашля, рассеивание стазиса и снятие отеков. Полифенолы и флавоноиды содержат многочисленные изомеры, которые затрудняют идентификацию сложных соединений в БФГ. В данной работе представлен систематический протокол изучения химических составляющих BFH на основе экстракции растворителем и интегрированных данных с помощью UPLC-Q-TOF-MS.
Описанный здесь метод включает в себя систематические протоколы предварительной обработки образца, калибровки МС, сбора МС, обработки данных и анализа результатов. Предварительная обработка образцов включает в себя сбор, очистку, сушку, дробление и экстракцию. Калибровка MS состоит из многоточечной и одноточечной коррекции. Обработка данных включает в себя импорт данных, установление метода, обработку анализа и представление результатов. В данной работе представлены репрезентативные результаты типичной картины фрагментации фенольных кислот, сложных эфиров и гликозидов в Gynura bicolor DC. (BFH). Кроме того, подробно обсуждаются выбор органических растворителей, экстракция, интеграция данных, выбор энергии столкновений и совершенствование метода. Этот универсальный протокол может быть широко использован для идентификации сложных соединений в ТКМ.
Традиционная китайская медицина (ТКМ) клинически практикуется в Китае на протяжении тысячелетий, и она играет жизненно важную роль в поддержании здоровья китайцев. Состав ТКМ разнообразен и сложен, и ТКМ широко освещалась во многих качественных исследованиях, посвященных химическомусоставу. Химические компоненты ТКМ можно условно разделить на следующие категории, такие как алкалоиды, органические кислоты, фенилпропаноиды, кумарины, лигнаны, хиноны, флавоноиды, терпеноиды, тритерпеноидные сапонины, стероидные сапонины, сердечные гликозиды и дубильныевещества. Учитывая большое количество неизвестных компонентов и неразличимых изомеров в ТКМ, разделение и анализ желаемых химических компонентов являются важными предметами для фундаментальных исследований ТКМ4.
Квадрупольная времяпролетная масс-спектрометрия (UPLC-Q-TOF-MS) была применена для анализа веществ в традиционной китайской медицине (ТКМ), которые могут быть разделены с помощью ультравысокоэффективной жидкостной хроматографии 5,6. Высокое разрешение МС может предоставить обширную информацию об ионах, которая используется для анализа базы данных с погрешностью менее 5ppm7. После включения энергии столкновения во вторичной моде МС могут получаться вторичные осколочные ионы, на интенсивность и количество которых влияет величина энергии8.
Gynura bicolor DC. (BFH), многолетнее бесстебельное травянистое растение, широко используемое в медицине и в пищу (рис. 1A), является редким и исчезающим растением, уникальным для Китая9. BFH богат антоцианами, полифенолами, флавоноидами и обладает сильной антиоксидантной способностью10. BFH обладает лечебными эффектами, включая очищение от жары, охлаждение крови, увлажнение легких, облегчение кашля, рассеивание стаза, снятие отеков, облегчение летней жары и устранение жары. Немногие исследования были сосредоточены на химическом составе BFH11. Полифенолы и флавоноиды содержат многочисленные изомеры, что затрудняет идентификацию сложных соединений в БФГ. Необходимо разработать универсальный метод идентификации химических компонентов, который может быть применен ко всем видам ТКМ. Целью данного исследования было создание систематического протокола изучения химических составляющих BFH на основе экстракции растворителем и интегрированных данных с помощью UPLC-Q-TOF-MS.
1. Предварительная обработка образца
2. Калибровка MS
3. Получение MS
4. Обработка данных
5. Анализ результатов
Идентификация химического состава BFH была использована в качестве модели для отображения репрезентативных результатов. Базовые пиковые хроматограммы экстрагированной растворителем Gynura bicolor DC. показаны в Дополнительном файле 1-Дополнительный рисунок S1-S6, а наблюдаемое время удержания (RT), название компонента, формула, отношение массы к заряду (m/z) и погрешность массы перечислены в таблицах S1-S6. В ZBTK все 35 видов соединений были идентифицированы по разделенным пикам в UPLC-TOF-MS. Как показано в Дополнительном файле 1-Дополнительной таблице S1, основные химические вещества содержали кислоту (хинную кислоту, DL-яблочную кислоту, лимонную кислоту, о-кумаровую кислоту и 3-O-транс-кумароилхинную кислоту), гликозиды (гентиопикрин, пикрозид II, суффрутикозид J, кополин и борнеол-2-O-β-D-апиофуранозил-(1→6)-β-D-глюкозид) и сложные эфиры (билобалид, триметилцитрат и транс-O-глюкозил-метил-транс-циннамат). В ЗБТК-КТ было обнаружено 25 видов дополнительных соединений (Дополнительный файл 1-Дополнительная таблица S2), а также 45 видов общих соединений.
Когда хлороформ был использован в качестве экстрагента, были обнаружены все 50 соединений. Среди них 28 видов дополнительных соединений включали коронарную кислоту, санленговую кислоту, агримол А и метилартемизат (Дополнительный файл 1-Дополнительная таблица S3). При использовании петролейного эфира в качестве экстрагента наблюдалось 44 вида общих соединений. Мы обнаружили 17 видов дополнительных соединений, включая нотоптерол, онджисапонин и книдеол B (Дополнительный файл 1-Дополнительная таблица S4). В общей сложности 65 соединений были получены в растворителе с использованием этилацетата в качестве экстрагента. По сравнению с предыдущими четырьмя экстрактивными веществами было отмечено 37 дополнительных соединений, таких как дафнетин, ацетованиллон B и стигмастерол-3-O-β-D-глюкозид (Дополнительный файл 1-Дополнительная таблица S5). В экстрактивном бутиловом спирте мы обнаружили 67 видов соединений, которые содержали 26 видов дополнительных соединений, включая ренгиозид С, хромоны, атураметелин F и деацетилматрикарин-8-O-β-D-глюкопиранозид (Дополнительный файл 1-Дополнительная таблица S6). Таким образом, мы обнаружили 168 соединений на основе всех результатов соединений шести экстрагентов.
Чтобы глубоко понять путь расщепления типов соединений в UPLC-TOF-MS, мы выбрали три соединения в качестве примеров. Для кислот 3-O-транс-кумароилхинная кислота с m/z = 337,09222 может терять группу C7H10O5 или C9H8O2 в результате реакции гидролиза с образованием промежуточных продуктов с m/z = 163,04116 или 199,05557 соответственно (рисунок 4D). Для сложных эфиров транс-О-глюкозил-метил-транс-циннамат с m/z = 385,11308 может быть преобразован в промежуточный продукт с m/z = 153,07485 или 135,04679 через расщепление C-C в различных сайтах (рис. 4E). Для гликозидов цитрусин C с m/z = 385,11308 превращался в промежуточный продукт с m/z = 272,09174 через расщепление связи C-C в алифатической цепи, в то время как потеря группы C7H6O2 приводила к образованию промежуточного продукта с m/z = 113,02534 (рис. 4F). В другом пути разрыв связи C-O-C на бензольном кольце приводил к образованию промежуточного продукта с m/z = 163,11245, в то время как гексозное звено исчезало.
Репрезентативные результаты молекулярного докинга выявили 2D и 3D структуры на рисунках 4G, H соответственно. Анализ обогащения онтологии генов показал результаты функции гена с точки зрения биологических процессов (БП), клеточного компонента (СС) и молекулярной функции (MF; Рисунок 4I). Анализ аннотаций путей Киотской энциклопедии генов и геномов показал результаты дифференциально экспрессируемых генов, которые могут быть использованы для дальнейшего понимания функции генов (рис. 4J). Подробные результаты молекулярного докинга показаны в Дополнительном файле 1-Дополнительная таблица S7 и Дополнительном файле 1-Дополнительном рисунке S7-S9.

Рисунок 1: Метод предварительной обработки в традиционной китайской медицине. (A) Gynura bicolor DC. (B) Чистка и сушка. (В) Измельчение. (D) Добавление органических растворителей. (E) Ультразвуковая экстракция. (F) Центрифугирование смеси. (G) Фильтрация надосадочной жидкости. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 2: Порядок работы с UPLC-Q-TOF-MS/MS. (A) Препарат формиата натрия. (B) Калибровка оси массы. (C) Настройка MS. (D) Размещение образцов. (E) Получение масс-спектра. (F) Отображение масс-спектра. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 3: Обработка и интеграция данных. (A) Преобразование данных. (B) Модификация метода. (C) Обработка данных. (D) Статистический анализ результатов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 4: Глубокий анализ результатов. (А) Вторичный масс-спектр. (B) Отображение вторичных фрагментов-ионов. (C) Отображение места перелома. (D) Характер фрагментации 1. (E) Характер фрагментации 2. (F) Характер фрагментации 3. (G) Демонстрация целевого действия активного ингредиента. (H) 3D-структура мишени действия активного ингредиента. (I) Анализ обогащения GO. (J) Анализ аннотаций путей KEGG. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
Дополнительный файл 1: Идентификация соединений, результаты молекулярного докинга, пиковые хроматограммы оснований и сетевой анализ. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Помимо водного отвара12, еще одним распространенным методомпредварительной обработки ТКМ является экстракция органическим растворителем. В соответствии с принципом растворения в аналогичной фазе путем комбинации различных органических растворителей экстрагируются многочисленныекомпоненты14. Ультразвуковая экстракция является одним из основных методов, используемых для получения компонентов в TCM15. Сверхкритическая экстракция углекислым газом хороша для экстракции некоторых видов веществ, таких как лигнаны16. Кроме того, микроволновая экстракция в ионных жидкостях (ИЛ) была исследована в качестве альтернативы традиционной экстракции органическими растворителями17. Тем не менее, точное управление микроволновой энергией трудно достижимо, что может вызвать вторичные реакции, такие как этерификационное обезвоживание и этерификационное обезвоживание.
Оптимальные настройки энергии столкновения могут дать дополнительную информацию о фрагментах МС второго порядка. Информация от тандемной МС, т.е. в режиме MSE , была получена с помощью двух параллельных чередующихся сканирований с использованием либо низкой энергии для получения информации о молекулярных ионах, либо высокой энергии для получения ионов массы фрагментов18 с точностью до полного сканирования. При настройке параметров высоких энергий диапазон 10-35 В обычно используется для определения энергии коллизий при линейном переносе для повышения эффективности фрагментации прекурсора19.
Огромное количество необработанных данных МС было получено из МС с высоким разрешением. Необработанные данные МС, которые включали в себя пики молекулярных ионов в спектре МС и пики фрагментных ионов в спектре МС/МС, должны быть тщательно обработаны и интегрированы. Программное обеспечение для анализа данных МС, предназначенное для комплексного анализа всех метаболитов в биологическом образце20. Скрининг сульфатированных метаболитов был основан на получении данных полного сканирования МС и многомерных данных о метаболитах21. На основе развивающихся технологий прогнозирование на основе искусственного интеллекта станет возможным направлением развития анализа данных МС.
Большинство соединений можно идентифицировать с помощью этого метода. Тем не менее, ограниченные вторичные фрагменты не могут полностью идентифицировать все изомеры, включая флавоноиды и дубильные вещества. Для идентификации структуры исследователи могут использовать тандемную масс-спектрометрию для получения дополнительной информации о фрагментных ионах, что помогает в идентификациисложных структур. Учитывая ограниченность источника ионизации ионов электроспреем или атмосферного давления, МС с высоким разрешением не подходит для анализа макромолекул. Ионизация с помощью матричной лазерной десорбции может способствовать ионизации крупных молекулярных соединений, таких как белки22. Таким образом, UPLC-Q-TOF-MS/MS является одним из наиболее широко применяемых методов идентификации соединений ТКМ. Он имеет потенциал для применения в других областях, включая клиническую медицину и энергетическую химию.
Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих финансовых интересов.
Эта работа финансировалась Национальным фондом естественных наук Китая (82104881), Группой по наследованию и инновациям ТКМ по лечению иммунных заболеваний, Медицинским научно-исследовательским проектом Чунцина (совместный проект Комиссии по здравоохранению Чунцина и Бюро по науке и технике) (2022DBXM007), Специальным проектом по стимулированию и руководству производительностью Чунцинского научно-исследовательского института (cstc2022jxjl120005), Специальным проектом для Фонда постдокторантуры Чунцина (2022CQBSHTB3035), Программа старших медицинских талантов Чунцина для молодых людей и людей среднего возраста, Программа для научных учреждений Чунцина (независимый исследовательский проект No2022GDRC015).
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| хлороформ | Sinopharm Chemical ReagentCo., Ltd | CAS 67-66-3 | |
| этанол | ChuandongChemical | CAS 64-17-5 | |
| этилацетат | ChuandongChemical | CAS 141-78-6 | |
| жидкостный хроматограф | Waters | ACQUITY Class 1 плюс | |
| MassLynx | Waters | V4.2 | MS управляющее программное обеспечение |
| н-бутиловый спирт | ChuandongChemical | CAS 71-36-3 | |
| петролейный эфир | ChuandongChemical | CAS 8032-32-4 | |
| Квадруполь времяпролетная масс-спектрометрия | Waters SYNAPT XS | ||
| UNIFI | Программное | обеспечение для анализа данных |