Anwendungen der Flüssigchromatographie-Tandem-Massenspektrometrie in der Naturstoffforschung: Tropanalkaloide als Fallstudie

Zusammenfassung

Wir stellen eine Methode zur schnellen Massenspektrometrie (MS)/Massenspektrometrie (MS)-basierten Annotation und Klassifizierung von Tropanalkaloiden vor, die sowohl für die vorläufige Dereplikation von tropanhaltigen Proben als auch für die Entdeckung neuer Alkaloide für die Isolierung nützlich ist.

Zusammenfassung

Obwohl viele der heute verwendeten Medikamente synthetischen Ursprungs sind, bieten Naturstoffe immer noch eine reichhaltige Quelle für neuartige chemische Vielfalt und Bioaktivität und können vielversprechende Hinweise auf resistente oder neu auftretende Krankheiten liefern. Die Herausforderung ist jedoch eine zweifache: Die Forscher müssen nicht nur Naturstoffe finden und ihre Strukturen aufklären, sondern sie müssen auch herausfinden, was es wert ist, isoliert und untersucht zu werden (und was bereits bekannt ist - ein Prozess, der als Dereplikation bekannt ist). Mit dem Aufkommen moderner Analyseinstrumente hat sich das Tempo der Entdeckung und Dereplikation von Naturstoffen beschleunigt. Die Flüssigchromatographie-Tandem-Massenspektrometrie (LC-MS/MS) hat sich zu einer besonders wertvollen Technik zur Identifizierung und Klassifizierung chemischer Strukturen entwickelt. Tropanalkaloide (TAs) sind pflanzliche Verbindungen von großer medizinischer und toxikologischer Bedeutung. In dieser Studie haben wir einen LC-MS/MS-basierten Screening-Workflow entwickelt, der die verschiedenen MS/MS-Konfigurationen nutzt, die auf einem Triple-Quadrupol (QQQ)-Massenspektrometer verfügbar sind, um TA-Strukturen basierend auf ihren unterschiedlichen Fragmentierungsmustern zu annotieren und zu klassifizieren. Durch die Verwendung einer Kombination aus datenabhängigen (DD) Produktionenscans, Präcursorionenscans (PrIS) und Neutralverlustscans (NLS) haben wir diese Methode auf TA-reiche Extrakte der Nachtschattengewächse Datura stramonium und Datura metel angewendet. Diese Methode ist schnell, sensitiv und wurde erfolgreich sowohl für die vorläufige Dereplikation komplexer TA-haltiger Proben als auch für die Entdeckung eines neuartigen Kandidaten für die Isolierung, Reinigung (und eventuellen Bioassay) eingesetzt.

Einleitung

Obwohl vollsynthetische Moleküle in den letzten Jahrzehnten in der Arzneimittelforschung immer mehr an Bedeutung gewonnen haben, sind fast zwei Drittel aller zugelassenen Arzneimittel der letzten 39 Jahre Naturstoffe oder von Naturstoffen ^{inspiriert1,2}  was die anhaltende Bedeutung der Naturstoffforschung unterstreicht. Alkaloide, bestimmte stickstoffhaltige Naturstoffe, werden besonders wegen ihrer medizinischen Eigenschaften geschätzt. Tropanalkaloide (TAs), die die [3.2.1.]-bizyklische, stickstoffhaltige Systeme werden hauptsächlich von Pflanzen aus den Familien der Nachtschattengewächse (Nachtschattengewächse), Erythroxylaceae und Convolvulaceae produziert. Beispiele sind Atropin, Scopolamin und Kokain; Mehrere halbsynthetische oder synthetische Tropane werden auch klinisch eingesetzt³. TAs und ihre Derivate werden zur Behandlung vieler Erkrankungen eingesetzt ^3,4 und mehrere dieser Medikamente stehen auf der WHO-Liste der unentbehrlichen Arzneimittel^{2023 5}. Aufgrund ihrer starken Wirkung werden TAs auch in der Freizeit (als Stimulanzien oder Deliranten) konsumiert und können bei der Einnahme von Pflanzen (oder Zubereitungen), die sie enthalten, Vergiftungen verursachen ^6,7. TAs sind in menschlicher und tierischer Nahrung unerwünscht⁸ und können Tees, Gewürze, Getreide, Honig und pflanzliche Nahrungsergänzungsmittel verderben ^9,10. Aufgrund ihres medizinischen Versprechens und ihrer Fähigkeit, zu vergiften, sind analytische Methoden, die bei der Entdeckung neuer TAs (und der Identifizierung bekannter TAs) helfen können, nützlich.

Bei der Tandem-Massenspektrometrie (MS/MS) werden "Massenfilter" (z. B. Quadrupolen, Flugzeitröhren) physikalisch miteinander gekoppelt ("im Weltraum"), oder ein Gerät verwendet zusätzliche "in-time"-Reaktions-/Trennschritte. MS/MS im Weltraum verwendet verschiedene Modi, um verschiedene Ionen an den verschiedenen Massenfiltern auszuwählen und zu fragmentieren (z. B. die Quadrupole eines Triple-Quadrupol- oder QQQ-Instruments). Mit diesen verschiedenen Modi kann bestimmt werden, welche spezifischen Fragmente von einem bestimmten Ion gebildet werden (Product-Ionen-Scan), welche Ionen in einer Probe bestimmte Fragmente ergeben (Precursor-Ionen-Scan oder PrIS) oder Verluste einer charakteristischen Masse aufweisen (Neutral Loss Scan oder NLS) oder welche spezifischen Verbindungen welche spezifischen Fragmente besitzen (Mehrfachreaktionsüberwachung). MS/MS liefert daher Fragmente, die nützlich sind, um Strukturen für neue Verbindungen vorzuschlagen oder das Vorhandensein einer bestehenden Verbindung zu bestätigen. MS/MS wird zunehmend in den Bereichen Arzneimittelforschung, Naturstoffchemie und Metabolomik eingesetzt^11,12 und wurde zur Profilierung alkaloidhaltiger Spezies (für die phytochemische Charakterisierung oder chemotaxonomische Analyse) und zum Nachweis und zur Quantifizierung spezifischer Alkaloide in Lebensmitteln oder Heilpflanzen verwendet 10,13,14,15,16.

Trotz der vielen verfügbaren massenspektrometrischen Techniken gibt es Herausforderungen bei der Suche nach neuen Alkaloiden. Neben der Suche nach einem Kandidatenorganismus für das Screening ist die vollständige strukturelle Bestätigung eines Alkaloids ein mühsamer Prozess, der viele verschiedene Analysetechniken umfassen kann. Darüber hinaus könnten Forscher eine bereits bekannte Verbindung isolieren, was Arbeit, Zeit und Ressourcen verschwendet. Dies ist besonders schwierig für TAs, wo Hunderte, wenn nicht Tausende von TAs gemeldet werden, von denen viele isomer zueinander sind. Der Prozess des "Identifizierens des Bekannten und des Unterscheidens von den Unbekannten" wird als Dereplikation bezeichnet. Datenbanken der Retentionszeiten (r.t.s.) und Massenfragmente verschiedener TAs und anderer Verbindungen werden veröffentlicht, um diesen Prozess zu unterstützen ^17,18. Nichtsdestotrotz ist die Dereplikation mühsam; Allein das Annotieren (d. h. das Zuweisen von mutmaßlichen Strukturen) der Alkaloide im gesamten LC-MS/MS-Chromatogramm einer Probe ist zeitaufwändig. In jüngster Zeit wurden sowohl die molekulare Vernetzung^{1 9,20} als auch die manuelle Dereplikation 18,21,22 für Benzylisochinolin, Monoterpen-Indol und Tropanalkaloide verwendet, und PrISs wurden für die "strukturelle Filterung" von Spektren zur Identifizierung von Pyrrolizidin- und Solanin-Alkaloiden verwendet ^23,24. Es gibt jedoch keine spezifischen Methoden oder Workflows für eine schnelle LC-MS/MS-basierte Dereplikation von TA-haltigen Proben, obwohl TAs gemeinsame, leicht identifizierbare Fragmente besitzen (Abbildung 1). Die hier beschriebene Methode verwendet eine Kombination aus datenabhängigen (DD) Produktionenscans, PrISs und NLSs, um TA-Strukturen in Pflanzen zu annotieren und zu klassifizieren, basierend sowohl auf den unterschiedlichen Fragmentierungsmustern für mono-, di- und trisubstituierte Tropane (Abbildung 1A) als auch auf den Verlusten gemeinsamer Estergruppen, die in diesen Alkaloiden gefunden wurden (Abbildung 1B). Bei den untersuchten Organismen handelt es sich um mehrere Arten der Nachtschattengewächse Gattung Datura. Datura ist eine reichhaltige Quelle für verschiedene TAs und wurde im Laufe der Weltgeschichte für medizinische und kulturelle Zwecke verwendet¹⁷ - und ist aufgrund seiner zahlreichen, strukturell ähnlichen TAs eine schwierige Matrix, die es zu dereplizieren gilt, was uns ansprechende Proben liefert, an denen wir unsere Methode testen können.

Protokoll

ACHTUNG: Bitte konsultieren Sie alle relevanten Sicherheitsdatenblätter (MSDS), bevor Sie die aufgeführten Chemikalien verwenden.

1. Vorbereitung der Probe

ACHTUNG: Flüssiger Stickstoff kann Kryoverbrennungen verursachen. Verwenden Sie Kryohandschuhe und Augenschutz in einem gut belüfteten Bereich. Alkaloidhaltige Pflanzenproben können die Haut reizen; Fassen Sie sie immer mit Handschuhen an. Methanol ist giftig und brennbar und sollte in einem Abzug fern von potenziellen Zündquellen gehandhabt werden.

HINWEIS: Theoretisch kann Kultur- oder Wildpflanzengewebe verwendet werden (getrocknet oder frisch gemahlen); Das folgende Verfahren ist nur dasjenige, das bei der Methodenentwicklung verwendet wird.

1. Wenn das Pflanzengewebe frisch ist, frieren Sie es ein, indem Sie es in ein konisches Polypropylenröhrchen legen und 2-3 Minuten lang in flüssigen Stickstoff tauchen.
2. Legen Sie das gefrorene Pflanzengewebe in einen vorgekühlten Mörser (in einen Styroporkühler mit flüssigem Stickstoff) und mahlen Sie das Gewebe mit einem vorgekühlten Stößel zu einem gleichmäßigen Pulver.
3. Wiegen Sie die gewünschte Menge Gewebe mit einem vorgekühlten Spatel schnell in ein tariertes Polypropylen-Mikrozentrifugenröhrchen und fügen Sie sofort 20 % Methanol (bei Raumtemperatur [RT]) in einer Konzentration von 1 ml pro 100 mg Gewebe hinzu.
   HINWEIS: Methanol (20%) wird häufig zur Extraktion von TAs²⁵ verwendet. Gelegentlich werden 0,1 % Ameisensäure zugesetzt, obwohl bei der Entwicklung dieser und anderer Methoden kein Unterschied in der Extraktionseffizienz beobachtet wurde.
4. Legen Sie die verschlossenen Röhrchen für mindestens 3 Stunden bei RT auf einen Wippschüttler (mittlere Geschwindigkeit).
5. Zentrifugieren Sie die Röhrchen bei 9464 x g für 10 min. Pipettieren Sie den Überstand in ein LC-MS-Autosampler-Fläschchen ab oder, falls noch trüb, filtrieren Sie zuerst durch einen 0,45-μm-Spritzenfilter.
   HINWEIS: Das Protokoll kann hier pausiert werden, obwohl verarbeitete Frischpflanzenproben und Extrakte vor der Analyse in einem -80 °C-Gefrierschrank gelagert werden sollten, um einen möglichen Alkaloidabbau zu vermeiden.

2. Konfiguration des LC-MS-Geräts und Datenerfassung

ACHTUNG: Acetonitril ist giftig und brennbar; Halten Sie sich von Zündquellen fern und kontrollieren Sie die Dämpfe mit einem Abzug. Ameisensäure ist ätzend; Vermeiden Sie Haut- und Augenkontakt und tragen Sie geeignete persönliche Schutzausrüstung.

1. Verwenden Sie ein LC-MS-Gerät mit einer Elektrospray-Ionisationsquelle (ESI) und einer Umkehrphasen-HPLC-Säule (C18, 4,6 x 100 mm).
2. Für die HPLC verwenden Sie 0,1 % Ameisensäure in H₂O als Lösungsmittel A und 0,1 % Ameisensäure in Acetonitril als Lösungsmittel B. Äquilibrieren Sie die Säule mit 99 % A und 1 % B. Konfigurieren Sie einen 30-minütigen Gradienten von 1 % bis 50 % B über 26 Minuten, kehren Sie bei 26,01 Minuten zu 1 % B zurück und halten Sie ihn 4 Minuten lang bei 1 % B. Verwenden Sie eine Säulenofentemperatur von 45 °C und eine Durchflussrate von 0,5 mL/min.
3. Bei der LC-MS-Methode werden die folgenden Betriebsparameter für das Massenspektrometer verwendet: Grenzflächenspannung: 4,0 kV, Vernebelungsgasstrom: 3 l/min, Heizgasstrom: 10 l/min, DL-Temperatur: 250 °C, Heizblocktemperatur: 400 °C, Grenzflächentemperatur: 300 °C, Trocknungsgasstrom: 10 l/min und kollisionsinduzierter Dissoziationsgasdruck (CID) von 17 kPa.
4. Erstellen Sie eine MS-Methode im ESI-Positivmodus, die sowohl einen Q3-Scan als auch einen Q1-Scan (100-1000 Da) umfasst, der als Vermessungsereignis fungiert (auf die Länge der LC-Methode festgelegt), wobei der automatische Isotopenausschluss aktiviert ist. Beziehen Sie einen Produktionenscan als abhängiges Ereignis des Q1-Scans (DD-Analyse) mit einem Massenfenster von 50-1000 Da, einer Kollisionszellenenergie von -20 V und einer Ereigniszeit von <0,2 s ein.
   HINWEIS: Der Zählschwellenwert für das Auslösen des DD-Produktionsionenscans von Q1 kann variabel sein, aber in der Regel wird ein Niveau von 7.000 bis 10.000 Zählungen verwendet. Bei einigen Instrumenten, wie z. B. dem, das zur Entwicklung der Methode verwendet wurde, bietet der Q3-Scan eine höhere Massengenauigkeit und Empfindlichkeit als Q1 und ist zur Bestätigung der im Q1-Scan beobachteten Ionen enthalten, obwohl er in Schritt 2.4 problemlos weggelassen werden kann.
5. Fügen Sie der obigen MS-Methode positive PrISs hinzu, die der Länge der LC-Methode mit Kollisionszellenenergien von -20 V und Ereigniszeiten von 0,75 s entsprechen. Stellen Sie sicher, dass in allen Fällen die Funktionen "Automatischer Isotopenausschluss" oder " Isotopenentfernung" aktiviert sind. Es ist sicherzustellen, dass die für TA-Fragmente relevanten m/z-Werte (in Da, siehe Abbildung 1A) 124,1 (für monosubstituierte TAs, Massenfenster von 125-1000 Da), 122,1 und 140,1 (für disubstituierte TAs, Massenfenster ab 123 bzw. 141 Da) und 156,1 und 138,1 (für trisubstituierte TAs, Massenfenster ab 157 und 139 Da, bzw.
   HINWEIS: Während der Methodenentwicklung wurden die PrIS auf zwei verschiedene Methoden aufgeteilt, eine für mono- und disubstituierte TAs und eine für trisubstituierte TAs, obwohl sie auf jede beliebige Weise aufgeteilt oder kombiniert werden können.
6. Erstellen Sie eine zweite MS-Methode, die die Parameter in Schritt 2.4 enthält.
   1. Fügen Sie dieser MS/MS-Methode ein Positivmoden-NLS hinzu, das der Länge der LC-Methode entspricht, mit Kollisionszellenenergien von -20 V und Ereigniszeiten von 0,75 s. Stellen Sie sicher, dass in allen Fällen die Funktionen Automatischer Isotopenausschluss oder Isotopenentzug aktiviert sind.
   2. Es ist sicherzustellen, dass die neutralen Verlustmassen, die für Ester auf TA (in Da, siehe Abbildung 1B) von Interesse sind, 100,05 (für von Tiglsäure abgeleitete Ester, Massenfenster von 110-1000 Da), 60,03 (für Acetylgruppen, Massenfenster von 100-1000 Da) und 166,06 (Phenylmilchsäureester oder Tropinsäureester, Massenfenster von 170-1000 Da) betragen.
7. Laden Sie die LC-MS-Methode herunter und erstellen Sie Datendateien für die interessierenden Proben. Sobald die HPLC-Säule bei 45 °C äquilibriert ist, führen Sie die interessierenden Proben in einer Batch- oder Projektdatei mit geeigneten Extraktionslösungsmittel-Blindproben zwischen verschiedenen Spezies oder Gewebetypen durch. Ein typisches Injektionsvolumen beträgt 10-20 μL.
   HINWEIS: Bei besonders hohen Volumina kann der Detektor des Massenspektrometers überlastet sein. Wenn Sie sehr konzentrierte Proben verwenden, stellen Sie sicher, dass die ESI-Quelle gereinigt und das Gerät regelmäßig gestimmt wird. Das Protokoll kann hier pausiert werden, nachdem alle Daten gesammelt wurden.

3. Datenanalyse

1. Untersuchen Sie das Gesamtionenchromatogramm der Q1- und Q3-Scans (und des DD-Produktionenscans) und notieren Sie die Muttermasse aller reichlich vorhandenen Ionen, die TA-ähnliche Merkmale aufweisen: a) Masse <500 Da für das [M+H]⁺ -Ion, normalerweise eine gleichmäßige Masse, b) typische rts zwischen 2 und 22 Minuten unter Verwendung der obigen LC-Methode und c) Fragmente aus der folgenden Liste: m/z 93, 124, 142, 140, 122, 138, 156, 174, 110 oder 128 Da.
2. Untersuchen Sie das PrIS-Chromatogramm/-Kanal für m/z 124 und notieren Sie, bei welchen Peaks/Ionen r.t.s (aufgezeichnet in Schritt 3.1) dieses Fragment erzeugen. Klicken Sie sich Scan für Scan durch das Chromatogramm und untersuchen Sie die vollständigen MS/MS-Spektren, die im DD-Produktionenscan erhalten wurden, insbesondere bei Spezies mit geringerer Abundanz.
   HINWEIS: Eine echte Spezies, die dieses Fragment enthält, existiert für mehrere Scans und erscheint sowohl in den Q1- als auch in den Q3-Scans (wenn letzteres verwendet wird). Eine Tabelle ist in den Unterstützenden Informationen (Ergänzende Datei 1) angehängt, um die Anmerkungen zu erleichtern.
3. Wiederholen Sie Schritt 3.2 mit den anderen PrIS-Chromatogrammen. Da sowohl m/z 122 als auch 140 auf disubstituierte TAs hinweisen und sowohl m/z 138 als auch 156 auf trisubstituierte TAs hinweisen, untersuchen diese Chromatogramme/Kanäle zusammen.
4. Untersuchen Sie das NLS-Chromatogramm/die NLS-Kanäle für m/z 100, 60 und 166 und notieren Sie, welche Peaks/Ionen bei welchem rts (aufgezeichnet in Schritt 3.1) diese neutralen Verluste erzeugen. Klicken Sie sich wie beim PrIS Scan für Scan durch das Chromatogramm und vergleichen Sie es mit der Fragmentierung, die im DD-Produktionenscan erhalten wurde, insbesondere bei Spezies mit geringerer Abundanz.
5. Unter Verwendung der Kombination von PrIS- und NLS-Daten, unterstützt durch die Ergebnisse des DD-Produktionenscans, nehmen Sie mutmaßliche Annotationen der beobachteten Alkaloide vor, indem Sie die kleinste Tropanmasse (z. B. 124, 122 oder 138) und den neutralen Verlust hinzufügen und dann die verbleibende Restmasse berücksichtigen.
   ANMERKUNG: Typische Gruppen, die TAs (und ihre Massen in Da) substituieren, sind Hydroxyl (18), Acetyl (60), Propionyl (74), Isobutyryl (88), Tigloyl (100), gesättigtes Tigloyl/2-methylbutyryl (102) oder Phenyllactat/Tropinsäure (166).
6. Vergleichen Sie die Annotationen für Alkaloide mit denen, die in der Literatur¹⁷ und in Datenbanken (z. B. MoNA)²⁶ berichtet werden, um zu bestimmen, welche TA-Substitutionsmuster berichtet werden (und welche potenziell neu sind). Verwenden Sie zusätzlich Standards einiger gängiger Tropanalkaloide (z. B. Atropin, Littorin, Scopolamin), die zur Bestätigung im Handel erhältlich sind.
7. Für zusätzliche strukturelle Informationen für Proben mit geringer Abundanz (PrIS und NLS können Ionen unterhalb der Schwellenwerte für abhängige Ereignisse aufnehmen) sammeln Sie einen spezifischen Produktionenscan (unter Verwendung der interessierenden Masse als Vorläuferion) an einer konzentrierteren Probe.
   HINWEIS: Diese Methode wurde auf einem QQQ-Instrument mit niedriger Auflösung entwickelt. Für alle mutmaßlichen neuen Verbindungen sollte ein hochauflösendes MS-Instrument verwendet werden, um genaue Massenspektren zu erhalten.

Ergebnisse

Um die Wirksamkeit der Methode zu demonstrieren, wurde eine Standardmischung von TAs (je 10 μg/ml einer Acetyltropin/Acetylpseudotropin-Mischung [monosubstituiert], je 10 μg/ml einer Mischung aus zwei Anisodamin-Isomeren [disubstituiert] zusammen mit Hyoscyamin [monosubstituiert], Littorin [monosubstituiert] und Scopolamin [trisubstituiert]) als Positivkontrolle analysiert (Abbildung 2). In Abbildung 2A ist ein vollständiges ...

Diskussion

Obwohl die im Protokoll bereitgestellten Geräteparameter eine zufriedenstellende Leistung ermöglichen, kann die erfolgreiche Anwendung dieses Verfahrens eine sorgfältige Beachtung oder Optimierung mehrerer kritischer Schritte erfordern. Während der in Schritt 2.2 bereitgestellte HPLC-Lösungsmittelgradient im Allgemeinen für Tropanalkaloide geeignet ist, muss er möglicherweise in Abhängigkeit vom Tropanalkaloidprofil der zu untersuchenden Probe oder Pflanzenart modifiziert werden....

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
Acetonitrile, For UHPLC, suitable for mass spectometry	Sigma-Aldrich	900667	HPLC solvent
Argon gas	AirGas	AR UHP300	CID gas
Formic acid, 99% for analysis	Thermo Scientific	AC270480010	HPLC additive
Guard column holder	Restek	25812
HPLC, Shimadzu LC-2030C 3D Plus	Shimadzu	228-65802-58	HPLC column
LCMS, Shimdazu LCMS-8045	Shimadzu	225-31800-44	Mass spectrometer; we ran LabSolutions software, which is standard for Shimadzu instruments
Liquid nitrogen	AirGas	NI 180LT22
Methanol, for HPLC/UHPLC/LCMS	VWR	BDH 85800.400	For making extraction solvent
Microcentrifuge	VWR	2400-37
Microcentrifuge tubes, 1.5 mL	Fisher Scientific	05-408-129
Mortar	Fisher Scientific	FB961C	For grinding plant tissues
Pestle	Fisher Scientific	FB961M	For grinding plant tissues
Pipette 1000 mL	Gilson	F144059M
Pipette tip 1000 mL	Fisher scientific	02-707-404
Plant tissues	Various sources	N/A	Can be anything wild or cultivated
Polypropylene conical tubes, 15 mL	Fisher Scientific	05-539-4
Polystyrene cooler	ULINE	S-18312	The type of coolers that reagents for molecular biology are shipped in would be appropriate
Roc C18 3 µm, 100 mm x 4.6 mm	Restek	9534315	HPLC column
Roc C18, 10 mm x 4 mm	Restek	953450210	Guard column
Rocking shaker	Themo Scientific	11-676-680
Screw thread vial convenience kit (9 mm)	Fisher scientific	13-622-190	LCMS autosampler vials
Syringe, 3 mL	Fisher Scientific	03-377-27
Syringe filter 0.45 µm	Avantor/VWR	76479-008
Water, for use in liquid chromatography and mass spectrometry	JT Baker	9831-03	For making extraction solvent
Water solution, contains 0.1% v/v formic acid, For UHPLC, suitable for mass spectometry	Sigma-Aldrich	900687-1L	HPLC solvent