Applicazioni della cromatografia liquida Spettrometria di massa tandem nella ricerca sui prodotti naturali: alcaloidi tropanici come caso di studio

Riepilogo

Presentiamo un metodo per l'annotazione e la classificazione rapida basata sulla spettrometria di massa (MS) e sulla spettrometria di massa (MS) degli alcaloidi tropanici, utile sia per la dereplicazione preliminare di campioni contenenti tropani che per la scoperta di nuovi alcaloidi per l'isolamento.

Abstract

Sebbene molti farmaci utilizzati oggi siano di origine sintetica, i prodotti naturali forniscono ancora una ricca fonte di nuova diversità chimica e bioattività e possono produrre spunti promettenti per malattie resistenti o emergenti. La sfida, tuttavia, è duplice: non solo i ricercatori devono trovare prodotti naturali e chiarire le loro strutture, ma devono anche identificare ciò che vale la pena isolare e analizzare (e ciò che è già noto - un processo noto come dereplicazione). Con l'avvento della moderna strumentazione analitica, il ritmo della scoperta e della dereplicazione dei prodotti naturali è accelerato. La cromatografia liquida-spettrometria di massa tandem (LC-MS/MS) è diventata una tecnica particolarmente preziosa per identificare e classificare le strutture chimiche. Gli alcaloidi tropanici (TA) sono composti di origine vegetale di grande importanza medicinale e tossicologica. In questo studio, abbiamo sviluppato un flusso di lavoro di screening basato su LC-MS/MS utilizzando le molteplici configurazioni MS/MS disponibili su uno spettrometro di massa a triplo quadrupolo (QQQ) per annotare e classificare le strutture TA in base ai loro distinti modelli di frammentazione. Utilizzando una combinazione di scansioni ioniche del prodotto dipendenti dai dati (DD), scansioni ioniche precursori (PrIS) e scansioni con perdita neutra (NLS), abbiamo applicato questo metodo agli estratti ricchi di TA della belladonna Datura stramonium e Datura metel. Questo metodo è rapido, sensibile ed è stato impiegato con successo sia per la dereplicazione preliminare di campioni complessi contenenti TA sia per la scoperta di un nuovo candidato per l'isolamento, la purificazione (e l'eventuale biodosaggio).

Introduzione

Sebbene le molecole completamente sintetiche siano diventate più importanti nella scoperta di farmaci negli ultimi decenni, quasi due terzi di tutti i farmaci approvati negli ultimi 39 anni sono prodotti naturali o ispirati a prodotti ^naturali,1,2  sottolineando la continua importanza della ricerca sui prodotti naturali. Gli alcaloidi, alcuni prodotti naturali contenenti azoto, sono particolarmente apprezzati per le loro proprietà medicinali. Alcaloidi tropanici (TA) contenenti il [3.2.1.]-sistema biciclico contenente azoto, sono prodotti principalmente da piante delle famiglie delle Solanaceae (belladonna), Erythroxylaceae e Convolvulaceae. Gli esempi includono atropina, scopolamina e cocaina; Più tropani semisintetici o sintetici sono utilizzati anche clinicamente³. Gli AT e i loro derivati sono usati per trattare molte condizioni ^3,4 e molti di questi farmaci compaiono nell'elenco dei medicinali essenziali 2023 dell'OMS⁵. A causa delle loro potenti attività, gli TA sono anche usati a scopo ricreativo (come stimolanti o deliranti) e possono causare avvelenamento in caso di ingestione di piante (o preparati) che li contengono ^6,7. Gli TA sono indesiderabili nell'alimentazione umana e animale⁸ e possono contaminare tè, spezie, cereali, miele e integratori a base di erbe ^9,10. A causa sia della loro promessa medicinale che della capacità di avvelenare, sono utili metodi analitici che possono aiutare nella scoperta di nuovi TA (e nell'identificazione di TA noti).

Nella spettrometria di massa tandem (MS/MS), i "filtri di massa" (ad esempio, quadrupoli, tubi a tempo di volo) sono accoppiati insieme fisicamente ("nello spazio"), oppure uno strumento impiega ulteriori fasi di reazione/separazione "in tempo". La MS/MS nello spazio utilizza diverse modalità per selezionare e frammentare diversi ioni ai diversi filtri di massa (ad esempio, i quadrupoli di uno strumento a triplo quadrupolo o QQQ). Queste diverse modalità possono essere utilizzate per determinare quali frammenti specifici sono prodotti da un dato ione (scansione ionica del prodotto), quali ioni in un campione producono determinati frammenti (scansione ionica precursore o PrIS) o subiscono perdite di una massa caratteristica (scansione a perdita neutra o NLS) o quali composti specifici possiedono quali frammenti specifici (monitoraggio a reazione multipla). MS/MS, quindi, fornisce frammenti utili per proporre strutture per nuovi composti o confermare la presenza di un composto esistente. La MS/MS è sempre più utilizzata nei campi della scoperta di farmaci, della chimica dei prodotti naturali e della metabolomica^11,12 ed è stata utilizzata per profilare specie contenenti alcaloidi (per la caratterizzazione fitochimica o l'analisi chemiotassonomica) e per rilevare e quantificare alcaloidi specifici in alimenti o piante medicinali 10,13,14,15,16.

Nonostante le numerose tecniche di spettrometria di massa disponibili, ci sono sfide nella ricerca di nuovi alcaloidi. Oltre a trovare un organismo candidato da selezionare, una conferma strutturale completa di un alcaloide è un processo arduo che può includere molte tecniche analitiche diverse. Inoltre, i ricercatori potrebbero isolare un composto già noto, sprecando lavoro, tempo e risorse. Ciò è particolarmente difficile per gli AT, dove vengono segnalati centinaia, se non migliaia, di TA, molti dei quali sono isomerici tra loro. Il processo di "identificare i noti e distinguerli dagli sconosciuti" è noto come dereplicazione. I database dei tempi di ritenzione (r.t.s) e i frammenti di massa di diversi TA e altri composti sono pubblicati per aiutare in questo processo ^17,18. Ciononostante, la dereplicazione è laboriosa; La semplice annotazione (cioè l'assegnazione di strutture putative a) gli alcaloidi nell'intero cromatogramma LC-MS/MS di un campione richiede molto tempo. Recentemente, sia la rete molecolare^{1 9,20} che la dereplicazione manuale 18,21,22 sono state utilizzate per la benzilisochinolina, l'indolo monoterpenico e gli alcaloidi tropanici, e i Pris sono stati utilizzati per il "filtraggio strutturale" degli spettri per identificare alcaloidi di tipo pirrolizidina e solanina^23,24. Tuttavia, non sono disponibili metodi o flussi di lavoro specifici per la dereplicazione rapida basata su LC-MS/MS di campioni contenenti TA, anche se gli AT possiedono frammenti comuni e facilmente identificabili (Figura 1). Il metodo qui descritto utilizza una combinazione di scansioni ioniche del prodotto dipendenti dai dati (DD), PrIS e NLS per annotare e classificare le strutture TA nelle piante in base sia ai distinti modelli di frammentazione per tropani mono-, di- e trisostituiti (Figura 1A) sia alle perdite di gruppi estere comuni presenti in questi alcaloidi (Figura 1B). Gli organismi oggetto dello studio sono diverse specie del genere Datura. Una ricca fonte di diversi TA, la Datura è stata utilizzata nel corso della storia del mondo per scopi medicinali e culturali¹⁷- ed è una matrice difficile da dereplicare a causa dei suoi numerosi TA strutturalmente simili, fornendoci campioni interessanti su cui testare il nostro metodo.

Protocollo

ATTENZIONE: Consultare tutte le schede di sicurezza dei materiali (MSDS) pertinenti prima di utilizzare le sostanze chimiche elencate.

1. Preparazione del campione

ATTENZIONE: L'azoto liquido può causare ustioni da criogeno. Utilizzare guanti criogenici e protezione per gli occhi in un'area ben ventilata. I campioni di piante contenenti alcaloidi possono essere irritanti per la pelle; Maneggiarli sempre con i guanti. Il metanolo è tossico e infiammabile e deve essere maneggiato in una cappa aspirante lontano da potenziali fonti di accensione.

NOTA: In teoria, possono essere utilizzati tessuti vegetali coltivati o selvatici (essiccati o macinati freschi); La procedura seguente è proprio quella utilizzata durante lo sviluppo del metodo.

1. Se il tessuto vegetale di interesse è fresco, congelarlo mettendolo in una provetta conica di polipropilene e immergendolo in azoto liquido per 2-3 minuti.
2. Metti il tessuto vegetale congelato in un mortaio pre-raffreddato (in un refrigeratore di polistirolo con azoto liquido) e, usando un pestello pre-raffreddato, macina il tessuto fino a ottenere una polvere uniforme.
3. Pesare rapidamente la quantità desiderata di tessuto in una provetta da microcentrifuga in polipropilene tarato utilizzando una spatola pre-raffreddata e aggiungere immediatamente il 20% di metanolo (a temperatura ambiente [RT]) a una concentrazione di 1 mL per ogni 100 mg di tessuto.
   NOTA: Il metanolo (20%) è comunemente usato per estrarre gli AT²⁵. Occasionalmente, viene aggiunto lo 0,1% di acido formico, sebbene non sia stata osservata alcuna differenza nell'efficienza di estrazione durante lo sviluppo di questo metodo e di altri.
4. Posizionare i tubi tappati su uno shaker oscillante (velocità media) per un minimo di 3 ore a RT.
5. Centrifugare le provette a 9464 x g per 10 min. Pipettare il surnatante in una fiala dell'autocampionatore LC-MS o, se ancora torbido, filtrare prima attraverso un filtro per siringa da 0,45 μm.
   NOTA: Il protocollo può essere messo in pausa qui, anche se i campioni e gli estratti di piante fresche lavorati devono essere conservati in un congelatore a -80 °C prima dell'analisi per evitare qualsiasi potenziale degradazione degli alcaloidi.

2. Configurazione dello strumento LC-MS e raccolta dati

ATTENZIONE: L'acetonitrile è tossico e infiammabile; Tenere lontano da fonti di accensione e controllare i vapori utilizzando una cappa aspirante. L'acido formico è corrosivo; Evitare il contatto con la pelle e gli occhi e indossare dispositivi di protezione individuale adeguati.

1. Utilizzare uno strumento LC-MS con una sorgente di ionizzazione elettrospray (ESI) e una colonna HPLC a fase inversa (C18, 4,6 x 100 mm).
2. Per l'HPLC, utilizzare lo 0,1% di acido formico in H₂O come solvente A e lo 0,1% di acido formico in acetonitrile come solvente B; equilibrare la colonna con 99% A e 1% B. Configurare un gradiente di 30 minuti di 1%-50% B su 26 minuti, tornando all'1% B a 26,01 minuti e mantenendo l'1% B per 4 minuti. Utilizzare una temperatura del forno a colonna di 45 °C e una portata di 0,5 mL/min.
3. Nel metodo LC-MS, utilizzare i seguenti parametri operativi per lo spettrometro di massa: tensione di interfaccia: 4,0 kV, flusso di gas di nebulizzazione: 3 L/min, flusso di gas di riscaldamento: 10 L/min, temperatura DL: 250 °C, temperatura di blocco termico: 400 °C, temperatura di interfaccia: 300 °C, flusso di gas di essiccazione: 10 L/min e pressione del gas di dissociazione indotta da collisione (CID) (argon) di 17 kPa.
4. Costruisci un metodo MS in modalità positiva ESI che include sia una scansione Q3 che una scansione Q1 (100-1000 Da) che funziona come un evento di indagine (impostato sulla lunghezza del metodo LC), con l'esclusione automatica degli isotopi abilitata. Includere una scansione ionica del prodotto come evento dipendente della scansione Q1 (analisi DD), con una finestra di massa di 50-1000 Da, un'energia della cella di collisione di -20 V e un tempo dell'evento di <0,2 s.
   NOTA: La soglia di conteggio per l'attivazione della scansione ionica del prodotto DD di Q1 può essere variabile, ma in genere viene utilizzato un livello di 7.000-10.000 conteggi. Su alcuni strumenti, come quello utilizzato per sviluppare il metodo, la scansione Q3 fornisce una maggiore precisione e sensibilità di massa rispetto a Q1 ed è inclusa per confermare gli ioni osservati nella scansione Q1, sebbene possa essere omessa dal passaggio 2.4 senza problemi.
5. Al metodo MS di cui sopra, aggiungere PrIS in modalità positiva pari alla lunghezza del metodo LC con energie della cella di collisione di -20 V e tempi di evento di 0,75 s. Assicurarsi che in tutti i casi, le funzioni di esclusione automatica degli isotopi o di deisotopo siano abilitate. Assicurarsi che i valori m/z di interesse per i frammenti di TA (in Da, vedi Figura 1A) siano 124.1 (per TA monosostituiti, finestra di massa di 125-1000 Da), 122.1 e 140.1 (per TA disostituiti, finestre di massa a partire da 123 e 141 Da, rispettivamente) e 156.1 e 138.1 (per TA trisostituiti, finestre di massa a partire da 157 e 139 Da, rispettivamente).
   NOTA: Durante lo sviluppo del metodo, i PrIS sono stati suddivisi in due metodi diversi, uno per gli TA mono- e disostituiti e uno per gli TA trisostituiti, sebbene possano essere divisi o combinati in qualsiasi modo.
6. Compilare un secondo metodo MS che includa i parametri nel passaggio 2.4.
   1. A questo metodo MS/MS, aggiungere NLS in modalità positiva uguale alla lunghezza del metodo LC, con energie della cella di collisione di -20 V e tempi di evento di 0,75 s. Assicurarsi che in tutti i casi le funzioni di esclusione automatica degli isotopi o di de-isotopo siano abilitate.
   2. Assicurarsi che le masse neutre di perdita di interesse per gli esteri sugli AT (in Da, vedere la Figura 1B) siano 100,05 (per gli esteri derivati dall'acido tiglico, finestra di massa di 110-1000 Da), 60,03 (per i gruppi acetilici, finestra di massa di 100-1000 Da) e 166,06 (esteri fenillattici o di acidi tropici, finestra di massa di 170-1000 Da).
7. Scarica il metodo LC-MS e crea i file di dati per i campioni di interesse. Una volta che la colonna HPLC è stata bilanciata a 45 °C, analizzare i campioni di interesse in un batch o in un file di progetto con opportuni bianchi di solvente di estrazione tra diverse specie o tipi di tessuto. Un volume di iniezione tipico è di 10-20 μl.
   NOTA: A volumi particolarmente elevati, il rivelatore dello spettrometro di massa può essere saturo. Se si eseguono campioni molto concentrati, assicurarsi che la sorgente ESI sia pulita e che lo strumento sia accordato regolarmente. Il protocollo può essere messo in pausa dopo la raccolta di tutti i dati.

3. Analisi dei dati

1. Esaminare il cromatogramma ionico totale delle scansioni Q1 e Q3 (e la scansione ionica del prodotto DD) e annotare la massa madre di tutti gli ioni abbondanti che hanno caratteristiche simili a TA: a) massa <500 Da per lo ione [M+H]⁺ , di solito una massa pari, b) r.t.s tipica tra 2-22 min utilizzando il metodo LC di cui sopra, e c) frammenti dal seguente elenco: m/z 93, 124, 142, 140, 122, 138, 156, 174, 110 o 128 Da.
2. Esaminare il cromatogramma/canale PrIS per m/z 124 e notare quali picchi/ioni sono i quali r.t.s (registrati nel passaggio 3.1) producono questo frammento. Fare clic scansione per scansione attraverso il cromatogramma ed esaminare gli spettri MS/MS completi ottenuti nella scansione ionica del prodotto DD, in particolare per le specie a bassa abbondanza.
   NOTA: Una vera specie contenente questo frammento esisterà per più scansioni e apparirà sia nelle scansioni Q1 che Q3 (se quest'ultima viene utilizzata). Un foglio di calcolo è allegato alle informazioni di supporto (file supplementare 1) per facilitare le annotazioni.
3. Ripetere il passaggio 3.2 con gli altri cromatogrammi PrIS. Poiché sia m/z 122 che 140 sono indicativi di TA disostituiti e sia m/z 138 che 156 sono indicativi di TA trisostituiti, esaminare questi cromatogrammi/canali insieme.
4. Esaminare il cromatogramma/canali NLS per m/z 100, 60 e 166 e annotare quali picchi/ioni in cui r.t.s (registrati nel passaggio 3.1) producono queste perdite neutre. Come per la PrIS, fare clic scansione per scansione attraverso il cromatogramma e confrontare con la frammentazione ottenuta nella scansione ionica del prodotto DD, in particolare per le specie a bassa abbondanza.
5. Utilizzando la combinazione di dati PrIS e NLS, supportati dai risultati della scansione ionica del prodotto DD, effettuare annotazioni putative degli alcaloidi osservati aggiungendo la massa di tropane più piccola (ad esempio, 124, 122 o 138) e la perdita neutra e quindi tenendo conto della massa rimanente rimanente.
   NOTA: I gruppi tipici che sostituiscono gli TA (e le loro masse in Da) sono l'ossidrile (18), l'acetil (60), il propionile (74), l'isobutirrile (88), il tigloil (100), il tigloile/2-metilbutirrile saturo (102) o il fenillattato/acido tropicale (166).
6. Confrontare le annotazioni per gli alcaloidi con quelle riportate in letteratura¹⁷ e nei database (ad esempio, MoNA)²⁶ per determinare quali modelli di sostituzione TA sono riportati (e quali sono potenzialmente nuovi). Inoltre, utilizzare gli standard di alcuni alcaloidi tropanici comuni (ad esempio, atropina, littorina, scopolamina) che sono disponibili in commercio per la conferma.
7. Per ulteriori informazioni strutturali per campioni a bassa abbondanza (PrIS e NLS possono rilevare ioni al di sotto delle soglie di eventi dipendenti), raccogliere una scansione ionica specifica del prodotto (utilizzando la massa di interesse come ione precursore) su un campione più concentrato.
   NOTA: Questo metodo è stato sviluppato su uno strumento QQQ a bassa risoluzione. Per tutti i nuovi composti putativi, dovrebbe essere utilizzato uno strumento MS ad alta risoluzione per ottenere spettri di massa accurati.

Risultati

Per dimostrare l'efficacia del metodo, è stata analizzata come controllo positivo una miscela standard di TA (10 μg/mL ciascuno di una miscela di acetiltropina/acetilpseudotropina [monosostituita], 10 μg/mL di una miscela di due isomeri anisodamina [disostituiti], insieme a iosciamina [monosostituita], littorina [monosostituita] e scopolamina [trisostituita]) (Figura 2). Nella Figura 2A è mostrato un cromatogramma a scansion...

Discussione

Sebbene i parametri dello strumento forniti nel protocollo consentano prestazioni soddisfacenti, l'uso efficace di questo metodo può richiedere un'attenta attenzione o l'ottimizzazione di diversi passaggi critici. Sebbene il gradiente di solvente HPLC fornito nella fase 2.2 sia generalmente appropriato per gli alcaloidi tropanici, potrebbe essere necessario modificarlo a seconda del profilo alcaloide tropanico del campione o della specie vegetale esaminata. Il volume di iniezione del ca...

Materiali

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