Geleneksel Çin tıbbı araştırmalarında yüksek çözünürlüklü kütle spektrometresi analizini ve moleküler yerleştirmeyi entegre eden genel bir protokolü açıklıyoruz.
Yöntem makalesi
* These authors contributed equally
Geleneksel Çin tıbbı araştırmalarında yüksek çözünürlüklü kütle spektrometresi analizini ve moleküler yerleştirmeyi entegre eden genel bir protokolü açıklıyoruz.
İstenilen kimyasal bileşenlerin ayrılması ve analizi, geleneksel Çin tıbbının (TCM) temel araştırması için önemli konulardır. Ultra yüksek performanslı sıvı kromatografisi dört kutuplu uçuş süresi tandem kütle spektrometresi (UPLC-Q-TOF-MS/MS), TCM bileşenlerinin tanımlanması için yavaş yavaş lider bir teknoloji haline gelmiştir. Gynura iki renkli DC. Çin'de ilaç ve gıda için kullanılan çok yıllık sapsız bir bitki olan (BFH), ısıyı temizlemek, akciğeri nemlendirmek, öksürüğü hafifletmek, stazı dağıtmak ve şişliği gidermek gibi tıbbi etkilere sahiptir. Polifenoller ve flavonoidler, BFH'deki karmaşık bileşiklerin tanımlanmasını engelleyen çok sayıda izomer içerir. Bu makale, solvent ekstraksiyonu ve UPLC-Q-TOF-MS aracılığıyla entegre verilere dayalı olarak BFH'nin kimyasal bileşenlerini incelemek için sistematik bir protokol sunmaktadır.
Burada açıklanan yöntem, numune ön işlemi, MS kalibrasyonu, MS elde etme, veri işleme ve sonuçların analizi için sistematik protokolleri içerir. Numune ön işlemi, toplama, temizleme, kurutma, kırma ve ekstraksiyonu içerir. MS kalibrasyonu, çok noktalı ve tek noktalı düzeltmeden oluşur. Veri işleme, veri içe aktarma, yöntem oluşturma, analiz işleme ve sonuç sunumunu içerir. Gynura bicolor DC'deki fenolik asitlerin, esterlerin ve glikozitlerin tipik parçalanma modelinin temsili sonuçları bu yazıda sunulmuştur. Ek olarak, organik çözücü seçimi, ekstraksiyon, veri entegrasyonu, çarpışma enerjisi seçimi ve yöntem iyileştirme ayrıntılı olarak tartışılmaktadır. Bu evrensel protokol, TCM'deki karmaşık bileşikleri tanımlamak için yaygın olarak kullanılabilir.
Geleneksel Çin tıbbı (TCM), Çin'de binlerce yıldır klinik olarak uygulanmaktadır ve Çin halkının sağlığının korunmasında hayati bir rol oynamaktadır1. TCM'nin bileşimi çeşitli ve karmaşıktır ve TCM, kimyasal bileşim2'ye odaklanan birçok kalitatif çalışmada geniş çapta rapor edilmiştir. TCM'deki kimyasal bileşenler kabaca alkaloidler, organik asitler, fenilpropanoidler, kumarinler, lignanlar, kinonlar, flavonoidler, terpenoidler, triterpenoid saponinler, steroid saponinler, kardiyak glikozitler ve tanenler gibi aşağıdaki kategorilere ayrılabilir3. TCM'deki çok sayıda bilinmeyen bileşen ve ayırt edilemeyen izomerler göz önüne alındığında, istenen kimyasal bileşenlerin ayrılması ve analizi, TCM4'ün temel araştırması için önemli konulardır.
Ultra yüksek performanslı sıvı kromatografisi dört kutuplu uçuş süresi kütle spektrometresi (UPLC-Q-TOF-MS), geleneksel Çin tıbbındaki (TCM) maddeleri analiz etmek için uygulanmıştırve bunlar ultra yüksek performanslı sıvı kromatografisi 5,6 ile ayrılabilir. MS'in yüksek çözünürlüğü, 5 ppm'den daha az hatayla veritabanı analizi için kullanılan kapsamlı iyon bilgisi sağlayabilir7. Çarpışma enerjisini açtıktan sonra, ikincil MS modu, yoğunluğu ve sayısı8 enerjisinin büyüklüğünden etkilenen ikincil parça iyonları elde edebilir.
Gynura iki renkli DC. Tıp ve gıda için yaygın olarak kullanılan çok yıllık sapsız bir bitki olan (BFH) (Şekil 1A), Çin'e özgü nadir ve nesli tükenmekte olan bir bitkidir9. BFH bol miktarda antosiyanin, polifenol, flavonoid ve güçlü antioksidan kapasiteye sahiptir10. BFH, ısıyı temizlemek, kanı soğutmak, akciğeri nemlendirmek, öksürüğü hafifletmek, stazı dağıtmak, şişliği gidermek, yaz sıcağını hafifletmek ve ısıyı ortadan kaldırmak gibi tıbbi etkilere sahiptir. BFH11'in kimyasal bileşimine odaklanan az sayıda çalışma vardır. Polifenoller ve flavonoidler, BFH'deki karmaşık bileşiklerin tanımlanmasını zorlaştıran çok sayıda izomer içerir. Kimyasal bileşenlerin tanımlanması için her türlü TCM'ye uygulanabilecek evrensel bir yöntem geliştirilmelidir. Bu çalışma, solvent ekstraksiyonuna ve UPLC-Q-TOF-MS aracılığıyla entegre verilere dayalı olarak BFH'nin kimyasal bileşenlerini incelemek için sistematik bir protokol raporlamayı amaçlamıştır.
1. Numune ön işlemi
2. MS kalibrasyonu
3. MS edinimi
4. Veri işleme
5. Sonuç analizi
BFH'nin kimyasal bileşim tanımlaması, temsili sonuçları göstermek için bir model olarak kullanıldı. Solvent ekstrakte edilmiş Gynura bicolor DC'nin baz tepe kromatogramları. Ek Dosya 1-Ek Şekil S1-S6'da gösterilmiştir ve gözlemlenen tutma süresi (RT), bileşen adı, formül, kütle-yük oranı (m/z) ve kütle hatası Tablo S1-S6'da listelenmiştir. ZBTK'da, 35 çeşit bileşiğin tümü, UPLC-TOF-MS'deki ayrılmış piklerden tanımlandı. Ek Dosya 1-Ek Tablo S1'de gösterildiği gibi, asit (kinik asit, DL-malik asit, sitrik asit, o-kumarik asit ve 3-O-trans-kumaroilkinik asit), glikozitler (gentiopicrin, pikrosit II, suffruticoside J, kopolin ve borneol-2-O-β-D-apiofuranosil-(1→6)-β-D-glukozit) ve esterler (bilobalid, trimetil sitrat ve trans-O-glukozil-metil-trans-sinnamat). ZBTK-CT'de 25 çeşit ekstra bileşik tespit edildi (Ek Dosya 1-Ek Tablo S2) ve 45 çeşit toplam bileşik gözlendi.
Kloroform bir özütleyici olarak kullanıldığında, 50 bileşiğin tümü bulundu. Bunlar arasında, 28 çeşit ekstra bileşik, koronik asit, sanleng asidi, agrimol A ve metil artemisat içeriyordu (Ek Dosya 1-Ek Tablo S3). Petrol eteri bir özütleyici olarak kullanıldığında, toplam 44 çeşit bileşik gözlendi. Notopterol, onjisaponin ve cnideol B dahil olmak üzere 17 çeşit ekstra bileşik bulduk (Ek Dosya 1-Ek Tablo S4). Özütleyici olarak etil asetat kullanılarak çözücü içinde toplam 65 bileşik elde edildi. Önceki dört ekstrakt ile karşılaştırıldığında, daphnetin, asetovanillon B ve stigmasterol-3-O-β-D-glukozit gibi 37 ekstra bileşik not edildi (Ek Dosya 1-Ek Tablo S5). Bütil alkol ekstraktında, rengyosid C, kromonlar, aturametelin F ve deasetilmatrikarin-8-O-β-D-glukopiranozit dahil olmak üzere 26 çeşit ekstra bileşik içeren 67 çeşit toplam bileşik bulduk (Ek Dosya 1-Ek Tablo S6). Özetle, altı özütleyicinin tüm bileşik sonuçlarına dayanarak 168 bileşik bulduk.
UPLC-TOF-MS'deki bileşik tiplerinin bölünme yolunu derinlemesine anlamak için örnek olarak üç bileşik seçtik. Asitler için, m/z = 337.09222 olan 3-O-trans-kumaroilkinik asit, sırasıyla m/z = 163.04116 veya 199.05557 ile ara ürünler oluşturmak üzere hidroliz reaksiyonu yoluylabir C7H10O5veyaC9H8O2grubunu kaybedebilir (Şekil 4D). Esterler için, m/z = 385.11308 olan trans-O-glukozil-metil-trans-sinnamat, farklı bölgelerde CC bölünmesi yoluyla m/z = 153.07485 veya 135.04679 ile ara ürüne dönüştürülebilir (Şekil 4E). Glikozitler için, m/z = 385.11308 olan sitrusin C, alifatik zincirde C-C bağ bölünmesi yoluyla m/z = 272.09174 ile ara ürüne dönüşürken, C7H6O2 grubunun kaybı, m / z = 113.02534 ile orta ile sonuçlandı (Şekil 4F). Başka bir yolda, benzen halkası üzerindeki COC bağının kırılması, heksoz birimi kaybolurken m/z = 163.11245 olan bir ara ürün oluşumuna yol açtı.
Moleküler yerleştirmenin temsili sonuçları, Şekil 4G,H'de sırasıyla 2D ve 3D yapıları ortaya çıkardı. Gen ontolojisi zenginleştirme analizi, biyolojik süreç (BP), hücresel bileşen (CC) ve moleküler fonksiyon (MF; Şekil 4I). Kyoto Genler ve Genomlar Ansiklopedisi yolak açıklama analizi, genlerin işlevini daha iyi anlamak için kullanılabilecek diferansiyel olarak ifade edilen genlerin yol sonuçlarını gösterdi (Şekil 4J). Moleküler yerleştirmenin ayrıntılı sonuçları Ek Dosya 1-Ek Tablo S7 ve Ek Dosya 1-Ek Şekil S7-S9'da gösterilmiştir.

Şekil 1: Geleneksel Çin tıbbının ön tedavi yöntemi. (A) Gynura iki renkli DC. (B) Temizleme ve kurutma. (c) Toz haline getirme. (D) Organik çözücü ilavesi. (E) Ultrason ekstraksiyonu. (F) Karışımın santrifüjlenmesi. (G) Süpernatantın filtrelenmesi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 2: UPLC-Q-TOF-MS/MS'nin çalışma prosedürü. (A) Sodyum format hazırlama. (B) Kütle ekseni kalibrasyonu. (C) MS ayarı. (D) Numune yerleştirme. (E) Kütle spektrumu edinimi. (F) Kütle spektrumu göstergesi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 3: Veri işleme ve entegrasyon. (A) Veri dönüştürme. (B) Yöntem değişikliği. (C) Veri işleme. (D) Sonuçların istatistiksel analizi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 4: Derin sonuç analizi. (A) İkincil kütle spektrumu. (B) İkincil parça iyon ekranı. (C) Kırık yeri gösterimi. (D) parçalanma modeli 1. (E) Parçalanma modeli 2. (F) Parçalanma modeli 3. (G) Aktif bileşen eylem hedefinin gösterilmesi. (H) Aktif bileşen eylem hedefinin 3D yapısı. (I) GO zenginleştirme analizi. (J) KEGG yolu açıklama analizi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Ek Dosya 1: Bileşiklerin tanımlanması, moleküler yerleştirme sonuçları, baz tepe kromatogramları ve ağ analizi. Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.
Su kaynatma12'nin yanı sıra, organik çözücü ekstraksiyonu, TCM ön işleminin13 başka bir yaygın yöntemidir. Benzer faz çözünmesi ilkesine göre, çeşitli organik çözücülerin14 kombinasyonu ile çok sayıda bileşen ekstrakte edilmiştir. Ultrasonik destekli ekstraksiyon, TCM15'te bileşen elde etmek için kullanılan ana yöntemlerden biridir. Süperkritik karbondioksit ekstraksiyonu, lignanlar16 gibi belirli türdeki maddelerin ekstraksiyonu için iyidir. Ayrıca, iyonik sıvılarda (IL'ler) mikrodalga destekli ekstraksiyon, geleneksel organik çözücü ekstraksiyonlarına bir alternatif olarak araştırılmıştır17. Bununla birlikte, mikrodalga enerjisinin hassas kontrolünün elde edilmesi zordur, bu da eterifikasyon dehidrasyonu ve esterleşme dehidrasyonu gibi ikincil reaksiyonlara neden olabilir.
Çarpışma enerjisinin optimal ayarları, ek ikinci dereceden MS parça bilgisi verebilir. Tandem MS'den, yani MS E modundan gelen bilgiler, moleküler iyon bilgisi elde etmek için düşük enerji veya tam tarama doğru kütle fragmanı iyonları18 elde etmek için yüksek enerji kullanan iki paralel alternatif tarama ile sağlandı. Yüksek enerji parametrelerinin ayarlanması sırasında, 10-35 V aralığı genellikle öncü parçalanma verimliliğini artırmak için rampa transfer çarpışma enerjisindekullanılır 19.
MS spektrumundaki moleküler iyon tepe noktalarını ve MS/MS spektrumundaki parça iyon tepe noktalarını içeren ham MS verileri, kapsamlı bir şekilde işlenmeli ve entegre edilmelidir. MS veri analiz yazılımı, biyolojik bir numunedeki tüm metabolitleri kapsamlı bir şekilde analiz etmeyi amaçlamıştır20. Sülfatlanmış metabolitlerin taranması, tam MS taramalarının ve çok boyutlu metabolit verilerinin veriye bağlı olarak elde edilmesine dayanıyordu21. Gelişen teknoloji temelinde, yapay zeka tahmini, MS veri analizi için uygun bir geliştirme yönü olacaktır.
Bileşiklerin çoğu bu yöntemle tanımlanabilir. Bununla birlikte, sınırlı ikincil fragmanlar, flavonoidler ve tanenler dahil olmak üzere tüm izomerleri tam olarak tanımlayamaz. Yapı tanımlamasını elde etmek için araştırmacılar, bileşik yapıların tanımlanmasına yardımcı olan parça iyonları hakkında daha fazla bilgi sağlamak için tandem kütle spektrometresi kullanabilirler8. Elektrosprey iyonizasyon iyonu veya atmosfer basıncı kimyasal iyonizasyon kaynağının sınırlaması göz önüne alındığında, yüksek çözünürlüklü MS makromolekül analizi için uygun değildir. Matris destekli lazer desorpsiyon iyonizasyonu, proteinler22 gibi büyük moleküler bileşiklerin iyonizasyonunu teşvik edebilir. Özetle, UPLC-Q-TOF-MS/MS, TCM bileşiklerinin tanımlanması için en yaygın olarak uygulanan tekniklerden biridir. Klinik tıp ve enerji kimyası dahil olmak üzere diğer alanlara uygulanma potansiyeline sahiptir.
Yazarlar rekabet eden hiçbir mali çıkar beyan etmemektedir.
Bu çalışma, Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı (82104881), TCM Bağışıklık Hastalıklarının Tedavisi Kalıtım ve İnovasyon Ekibi, Chongqing Tıbbi Bilimsel Araştırma Projesi (Chongqing Sağlık Komisyonu ve Bilim ve Teknoloji Bürosu'nun ortak projesi) (2022DBXM007), Chongqing Bilimsel Araştırma Enstitüsü'nün performans teşviki ve rehberliği için özel bir proje (cstc2022jxjl120005), Chongqing Doktora Sonrası Bilim Vakfı için özel bir proje (2022CQBSHTB3035), Yong ve Orta Yaşlılar için Chongqing Kıdemli Tıbbi Yetenekler Programı, Chongqing Bilimsel Kurumları Programı (bağımsız araştırma projesi No.2022GDRC015).
| Ad | Şirket | Katalog numarası | Yorumlar |
|---|---|---|---|
| kloroform | Sinopharm Chemical ReagentCo., Ltd | CAS 67-66-3 | |
| etanol | ChuandongChemical | CAS 64-17-5 | |
| etil asetat | ChuandongChemical | CAS 141-78-6 | |
| sıvı kromatograf | Suları | ACQUITY Sınıf 1 artı | |
| MassLynx | Waters | V4.2 | MS kontrol yazılımı |
| n-bütil alkol | ChuandongChemical | CAS 71-36-3 | |
| petrol eteri | ChuandongChemical | CAS 8032-32-4 | |
| Dört kutuplu uçuş süresi kütle spektrometresi | Sular | SYNAPT XS | |
| UNIFI | Suları | Veri analiz yazılımı |