تصور المستقلبات المحددة في الأيض المكاني للطب الصيني التقليدي باستخدام DESI-MSI
Summary
في هذه الدراسة ، يتم تقديم سلسلة من الطرق لإعداد عينات DESI-MSI من النباتات ، ويتم وصف إجراء تركيب تجميع DESI ، والحصول على بيانات MSI ، والمعالجة بالتفصيل. يمكن تطبيق هذا البروتوكول في عدة شروط للحصول على معلومات الأيض المكاني في النباتات.
Abstract
يرجع الاستخدام الطبي للطب الصيني التقليدي بشكل أساسي إلى مستقلباته الثانوية. أصبح تصور توزيع هذه المستقلبات موضوعا حاسما في علوم النبات. يمكن لتصوير قياس الطيف الكتلي استخراج كميات هائلة من البيانات وتوفير معلومات التوزيع المكاني عنها عن طريق تحليل شرائح الأنسجة. مع ميزة الإنتاجية العالية والدقة العالية ، غالبا ما يستخدم تصوير قياس الطيف الكتلي بالتأين بالرش الكهربائي (DESI-MSI) في الأبحاث البيولوجية وفي دراسة الطب الصيني التقليدي. ومع ذلك ، فإن الإجراءات المستخدمة في هذا البحث معقدة وغير ميسورة التكلفة. في هذه الدراسة ، قمنا بتحسين إجراءات التقسيم والتصوير DESI وطورنا طريقة أكثر فعالية من حيث التكلفة لتحديد توزيع المستقلبات وتصنيف هذه المركبات في الأنسجة النباتية ، مع التركيز بشكل خاص على الأدوية الصينية التقليدية. ستعزز الدراسة استخدام DESI في تحليل الأيض وتوحيد الطب الصيني التقليدي / الطب العرقي للتكنولوجيات المتعلقة بالبحوث.
Introduction
أصبح تصور توزيع الأيض موضوعا حاسما في علوم النبات ، وخاصة في الطب الصيني التقليدي ، حيث يكشف النقاب عن عملية تكوين مستقلبات محددة داخل النبات. بالإشارة إلى الطب الصيني التقليدي (TCM) ، فإنه يوفر معلومات تتعلق بالمكونات النشطة ويوجه تطبيق أجزاء النبات في التطبيقات الصيدلانية. عادة ، يتم تحقيق تصور المستقلبات عن طريق التهجين في الموقع ، أو الفحص المجهري الفلوري ، أو الكيمياء الهيستولوجية المناعية ، ولكن عدد المركبات المكتشفة بواسطة هذه التجارب ينقل معلومات كيميائية محدودة. إلى جانب تلطيخ الأنسجة ، يمكن أن يوفر تصوير قياس الطيف الكتلي (MSI) كمية كبيرة من البيانات ويوفر معلومات التوزيع المكاني للمركبات عن طريق مسح وتحليل شرائح الأنسجة على مستوى الميكرون1. يستخدم MSI التحليلات للامتزاز والتأين من سطح العينة ، يليه تحليل الكتلة لأيونات الطور البخاري الناتجة وتطبيق برنامج التصوير لدمج المعلومات ورسم صورة ثنائية الأبعاد تسجل وفرة أيونية محددة. يمكن لهذه التقنية تحديد كل من الجزيئات الخارجية والداخلية من خلال الكشف عن التوزيع المميز للأدوية ومستقلباتها المستحثة في الأنسجة والأعضاء المستهدفة2،3،4،5.
تم تطوير طرق تصوير مختلفة لمرض التصلب العصبي المتعدد على مدى العقود الأخيرة. وأبرزها الرش الكهربائي القائم على التأين MSI (DESI-MSI) ، والامتزاز / التأين بالليزر بمساعدة المصفوفة (MALDI) ، وقياس الطيف الكتلي الأيوني الثانوي (SIMS)6. غالبا ما يستخدم DESI-MSI في الأبحاث البيولوجية نظرا لتشغيله في الغلاف الجوي ، والإنتاجية العالية ، والدقةالعالية 7. تم تطبيق MALDI لتحديد جزء ترانسثيريتين كعلامة حيوية سامة كلوية محتملة للجنتاميسين ولتحليل توزيع المستقلب السمي العصبي 1-ميثيل-4-فينيل بيريدينيوم بعد إدارة 1-ميثيل-4-فينيل-1،2،3،6-تتراهيدروبيريدين في أدمغةالفئران 8،9. تم استخدام MALDI و DESI لتحديد تكوين الهياكل الشبيهة بالكريستال التي يسببها الدواء في كلية الأرانب ذات الجرعات. تتكون هذه الهياكل بشكل أساسي من مستقلبات تشكلت بسبب إزالة الميثيل و / أو أكسدة الدواء10. بالإضافة إلى ذلك ، تم تطبيق MSI في توطين التوزيع الأيضي لسمية الدواء في الأعضاء المستهدفة. ومع ذلك ، فإن الخلايا في الأنسجة النباتية تختلف وتختلف عن الحيوانات وتتطلب إجراءات تقسيم خاصة.
في النباتات ، باستخدام تصوير MALDI ، حتى الآن ، تم تحليل توزيع المركبات المختلفة في جذع القمح (Triticum aestivum) ، وفول الصويا (Glycine max) ، وبذور الأرز (Oryza sativa) ، وأزهار وجذور Arabidopsis thaliana ، وبذور الشعير (Hordeum vulgare) 11،12،13،14،15،16،17،18 . أفادت الدراسات الحديثة أن DESI-MSI آخذ في الظهور في تحليل الأيض للعقاقير والمنتجات الطبيعية ، خاصة في الطب الصيني التقليدي مثل الجنكة بيلوبا وفوزي وأرطماسيا أنوا L19،20،21. في هذه الدراسات ، تختلف بروتوكولات تحضير عينات المواد النباتية ، وبعضها يتطلب معدات أكثر تعقيدا ، مثل ميكروتوم التجميد. لدى DESI-MSI متطلبات صارمة لتسطيح سطح العينة المكتشفة. عند تحليل عضو أو نسيج ، عادة ما يتم إجراء العينة عن طريق التقسيم بالتبريد22. ومع ذلك ، فإن إجراء التقسيم بالتبريد معقد وأكثر تكلفة ، وطريقة درجة حرارة القطع المثلى للمادة اللاصقة شائعة الاستخدام (OCT) لها إشارة قوية عند التصوير. بالإضافة إلى ذلك ، تختلف الأنسجة الطبية للطب الصيني التقليدي. على سبيل المثال ، يتم استخدام جذر Salvia miltiorrhiza ، المعروف باسم Danshen باللغة الصينية ، طبيا ، بينما في Zisu (Perilla frutescens) ، يتم استخدام الورقة23,24. لذلك ، من الضروري تحسين إجراءات تحضير العينات لتعزيز استخدام DESI في تحليل الأيض للطب الصيني التقليدي.
كعشب معمر وشائع الاستخدام ، تم تسجيل S. miltiorrhiza في البداية في أقدم دراسة طبية ، Shennong’s Classic of Materia Medica (المعروفة باسم Shennong Bencao Jing باللغة الصينية). في هذه الدراسة ، قمنا بتحسين إجراءات التقسيم والتصوير DESI وطورنا طريقة أكثر فعالية من حيث التكلفة لتحديد توزيع وتصنيف المركبات في أنسجة S. miltiorrhiza. يمكن لهذه الطريقة أيضا التغلب على العيوب المرتبطة بالأنسجة الجافة – التي عادة ما تنكسر بسهولة تحت ضربة النيتروجين – وتعزيز تطور الطب الصيني التقليدي. وستعزز الدراسة توحيد الطب الصيني التقليدي/الطب العرقي لأغراض التكنولوجيات المتصلة بالبحوث.
Protocol
Representative Results
Discussion
فتح ظهور تقنية MS رؤية جديدة في أبحاث المنتجات الطبيعية على المستوى الجزيئي خلال السنوات الأخيرة24. يتيح جهاز MS ، بحساسيته العالية وإنتاجيته العالية ، التحليل المستهدف وغير المستهدف للمستقلبات في المنتجات الطبيعية ، حتى مع تركيزالتتبع 25. لذلك ، يستخدم مرض التصلب ?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم دعم هذا العمل من قبل مؤسسة العلوم الطبيعية في مقاطعة سيتشوان (رقم 2022NSFSC0171) وبرنامج Xinglin Talent التابع لجامعة تشنغدو في TCM (رقم 030058042).
Materials
| 2-Propanol | Fisher | CAS:67-63-0 | HPLC grade |
| Acetonitrile | Sigma-aldrich | Number-75-05-8 | LC-MS grade |
| Adhesion Microscope slides | Citotest scientific | 80312-3161 | Microscope glass slides can adhere to the sample |
| Air cooled dry vacuum pump | EYELA | FDU-2110 | Air-vaccum equipment at -80°C |
| Formic Acid | ACS | F1089 | 64-18-6 | LC-MS grade |
| LE (Leucine Enkephalin) | Waters | 186006013-1 | LC-MS grade |
| Methanol | Sigma-aldrich | Number-67-56-1 | LC-MS grade |
| Parafilm | Bemis Company | sc-200288 | Laboratory Sealing Film |
| Paraformaldehyde | Sigma-aldrich | V900894 | Reagent grade |
| Q-Tof Mass Spectrometer with DESI source | Waters | Synapt XS |
Riferimenti
- Buchberger, A. R., DeLaney, K., Johnson, J., Li, L. Mass spectrometry imaging: a review of emerging advancements and future insights. Analytical Chemistry. 90 (1), 240-265 (2018).
- Karlsson, O., Hanrieder, J. Imaging mass spectrometry in drug development and toxicology. Archives of Toxicology. 91 (6), 2283-2294 (2016).
- Qiu, Z. -. D., et al. Real-time toxicity prediction of Aconitum stewing system using extractive electrospray ionization mass spectrometry. Acta Pharmaceutica Sinica B. 10 (5), 903-912 (2020).
- Wang, Z., et al. In situ metabolomics in nephrotoxicity of aristolochic acids based on air flow-assisted desorption electrospray ionization mass spectrometry imaging. Acta Pharmaceutica Sinica B. 10 (6), 1083-1093 (2020).
- Jiang, H., Gao, S., Hu, G., He, J., Jin, H. Innovation in drug toxicology: Application of mass spectrometry imaging technology. Toxicology. 464, 153000 (2021).
- Unsihuay, D., Mesa Sanchez, D., Laskin, J. Quantitative mass spectrometry imaging of biological systems. Annual Review of Physical Chemistry. 72, 307-329 (2021).
- Parrot, D., Papazian, S., Foil, D., Tasdemir, D. Imaging the unimaginable: desorption electrospray ionization-imaging mass spectrometry (DESI-IMS) in natural product research. Planta Medica. 84 (9-10), 584-593 (2018).
- Meistermann, H., et al. Biomarker discovery by imaging mass spectrometry: transthyretin is a biomarker for gentamicin-induced nephrotoxicity in rat. Molecular & Cellular Proteomics. 5 (10), 1876-1886 (2006).
- Kadar, H., et al. MALDI mass spectrometry imaging of 1-methyl-4-phenylpyridinium (MPP+) in mouse brain. Neurotoxicity Research. 25 (1), 135-145 (2014).
- Bruinen, A. L., et al. Mass spectrometry imaging of drug related crystal-like structures in formalin-fixed frozen and paraffin-embedded rabbit kidney tissue sections. Journal of the American Society for Mass Spectrometry. 27 (1), 117-123 (2016).
- Mullen, A. K., Clench, M. R., Crosland, S., Sharples, K. R. Determination of agrochemical compounds in soya plants by imaging matrix-assisted laser desorption/ionisation mass spectrometry. Rapid Communication in Mass Spectrometry. 19 (18), 2507-2516 (2005).
- Robinson, S., Warburton, K., Seymour, M., Clench, M., Thomas-Oates, J. Localization of water-soluble carbohydrates in wheat stems using imaging matrix-assisted laser desorption ionization mass spectrometry. New Phytologist. 173 (2), 438-444 (2007).
- Yoshimura, Y., Zaima, N., Moriyama, T., Kawamura, Y. Different localization patterns of anthocyanin species in the pericarp of black rice revealed by imaging mass spectrometry. PLoS One. 7 (2), 31285 (2012).
- Jun, J. H., et al. High-spatial and high-mass resolution imaging of surface metabolites of Arabidopsis thaliana by laser desorption-ionization mass spectrometry using colloidal silver. Analytical Chemistry. 82 (8), 3255-3265 (2010).
- Shroff, R., Vergara, F., Muck, A., Svatos, A., Gershenzon, J. Nonuniform distribution of glucosinolates in Arabidopsis thaliana leaves has important consequences for plant defense. Proceeding of the National Academy of Sciences. 105 (16), 6196-6201 (2008).
- Vrkoslav, V., Muck, A., Cvacka, J., Svatos, A. MALDI imaging of neutral cuticular lipids in insects and plants. Journal of the American Society for Mass Spectrometry. 21 (2), 220-231 (2010).
- Sarsby, J., Towers, M. W., Stain, C., Cramer, R., Koroleva, O. A. Mass spectrometry imaging of glucosinolates in Arabidopsis flowers and siliques. Phytochemistry. 77, 110-118 (2012).
- Peukert, M., et al. Spatially resolved analysis of small molecules by matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometric imaging (MALDI-MSI). New Phytologist. 193 (3), 806-815 (2012).
- Li, B., et al. Interrogation of spatial metabolome of Ginkgo biloba with high-resolution matrix-assisted laser desorption/ionization and laser desorption/ionization mass spectrometry imaging. Plant, Cell & Environment. 41 (11), 2693-2703 (2018).
- Liu, Y., et al. Unveiling dynamic changes of chemical constituents in raw and processed Fuzi with different steaming time points using desorption electrospray ionization mass spectrometry imaging combined with metabolomics. Frontiers in Pharmacology. 13, 842890 (2022).
- Liao, B., et al. Allele-aware chromosome-level genome assembly of Artemisia annua reveals the correlation between ADS expansion and artemisinin yield. Molecular Plant. 15 (8), 1310-1328 (2022).
- Jones, E. E., Gao, P., Smith, C. D., Norris, J. S., Drake, R. R. Tissue biomarkers of drug efficacy: case studies using a MALDI-MSI workflow. Bioanalysis. 7 (20), 2611-2619 (2015).
- Jia, Q., et al. Salvia miltiorrhiza in diabetes: A review of its pharmacology, phytochemistry, and safety. Phytomedicine. 58, 152871 (2019).
- Zhang, Y., et al. Incipient diploidization of the medicinal plant Perilla within 10,000 years. Nature Communication. 12 (1), 5508 (2021).
- Tong, Q., et al. Biosynthesis-based spatial metabolome of Salvia miltiorrhiza Bunge by combining metabolomics approaches with mass spectrometry-imaging. Talanta. 238 (2), 123045 (2022).
- Jarmusch, A. K., Cooks, R. G. Emerging capabilities of mass spectrometry for natural products. Natural Product Reports. 31 (6), 730-738 (2014).
- Aksenov, A. A., da Silva, R., Knight, R., Lopes, N. P., Dorrestein, P. C. Global chemical analysis of biology by mass spectrometry. Nature Reviews Chemistry. 1 (7), 1-20 (2017).
- Feng, H., Pan, G. X. Application of High Resolution Mass Spectrum in the analysis of the chemical constituents in traditional Chinese drug. Journal of Liaoning University of TCM. 14 (8), 40-42 (2012).
- Ho, Y. N., Shu, L. J., Yang, Y. L. Imaging mass spectrometry for metabolites: technical progress, multimodal imaging, and biological interactions. Wiley Interdisciplinary Reviews-Systems Biology and Medicine. 9 (5), (2017).
- Hemalatha, R. G., Pradeep, T. Understanding the molecular signatures in leaves and flowers by desorption electrospray ionization mass spectrometry (DESI-MS) imaging. Journal of Agricultural and Food chemistry. 61 (31), 7477-7487 (2013).
- Petras, D., Jarmusch, A. K., Dorrestein, P. C. From single cells to our planet-recent advances in using mass spectrometry for spatially resolved metabolomics. Current Opinion in Chemical Biology. 36, 24-31 (2017).
- Takats, Z. Mass spectrometry sampling under ambient conditions with desorption electrospray ionization. Science. 306 (5695), 471-473 (2004).
- Castaing, R., Slodzian, G. Microanalyse par émission secondaire. Journal of Microscopy. 1, 395-410 (1962).
- Caprioli, R. M., Farmer, T. B., Gile, J. Molecular imaging of biological samples: localization of peptides and proteins using MALDI-TOF MS. Analytical Chemistry. 69 (23), 4751-4760 (1997).
- Nemes, P., Vertes, A. Laser ablation electrospray ionization for atmospheric pressure, in vivo, and imaging mass spectrometry. Analytical Chemistry. 79 (21), 8098-8106 (2007).
