Визуализация метаболитов, идентифицированных в пространственном метаболоме традиционной китайской медицины с использованием DESI-MSI
Summary
В этом исследовании представлен ряд методов подготовки образцов DESI-MSI с заводов, а также подробно описана процедура установки сборки DESI, сбора и обработки данных MSI. Этот протокол может быть применен в нескольких условиях для получения пространственной метаболомной информации в растениях.
Abstract
Лекарственное применение традиционной китайской медицины в основном связано с ее вторичными метаболитами. Визуализация распределения этих метаболитов стала важной темой в науке о растениях. Масс-спектрометрия может извлекать огромные объемы данных и предоставлять информацию о пространственном распределении о них, анализируя срезы тканей. Обладая преимуществом высокой пропускной способности и более высокой точности, десорбционная ионизационная масс-спектрометрия электрораспылением (DESI-MSI) часто используется в биологических исследованиях и в изучении традиционной китайской медицины. Однако процедуры, используемые в этом исследовании, сложны и недоступны. В этом исследовании мы оптимизировали процедуры секционирования и визуализации DESI и разработали более экономичный метод определения распределения метаболитов и классификации этих соединений в тканях растений, уделяя особое внимание традиционной китайской медицине. Исследование будет способствовать использованию DESI в анализе метаболитов и стандартизации традиционной китайской медицины / этнической медицины для технологий, связанных с исследованиями.
Introduction
Визуализация распределения метаболитов стала важной темой в науке о растениях, особенно в традиционной китайской медицине, поскольку она раскрывает процесс образования специфических метаболитов в растении. Что касается традиционной китайской медицины (ТКМ), он предоставляет информацию об активных компонентах и направляет применение частей растений в фармацевтических целях. Обычно визуализация метаболитов достигается гибридизацией in situ, флуоресцентной микроскопией или иммуногистохимией, однако количество соединений, обнаруженных в этих экспериментах, передает ограниченную химическую информацию. В сочетании с окрашиванием тканей масс-спектрометрическая визуализация (MSI) может предоставить большой объем данных и предоставить информацию о пространственном распределении соединений путем сканирования и анализа срезов тканей на микронном уровне1. MSI использует аналиты для десорбции и ионизации с поверхности образца с последующим массовым анализом полученных ионов в паровой фазе и применением программного обеспечения для визуализации для интеграции информации и построения двумерного изображения, записывающего конкретное содержание ионов. Эта технология может определять как экзогенные, так и эндогенные молекулы, обнаруживая характерное распределение лекарств и их индуцированных метаболитов в тканях и органах-мишенях 2,3,4,5.
За последние десятилетия были разработаны различные методы визуализации рассеянного склероза; наиболее заметными среди них являются MSI на основе десорбционного электрораспыления (DESI-MSI), матричная лазерная десорбция/ионизация (MALDI) и масс-спектрометрия вторичных ионов (SIMS)6. DESI-MSI часто используется в биологических исследованиях из-за его работы в атмосфере, высокой пропускной способности и более высокой точности7. MALDI был применен для идентификации фрагмента транстиретина в качестве потенциального нефротоксического биомаркера гентамицина и для анализа распределения нейротоксического метаболита 1-метил-4-фенилпиридиния после лечения 1-метил-4-фенил-1,2,3,6-тетрагидропиридина в мозге мышей 8,9. MALDI и DESI были использованы для определения состава лекарственно-индуцированных кристаллоподобных структур в почках дозированных кроликов; Эти структуры в основном состоят из метаболитов, образующихся в результате деметилирования и/или окисления лекарственного средства10. Кроме того, MSI был применен для локализации метаболического распределения токсичности лекарств в органах-мишенях. Однако клетки в растительной ткани различаются и отличаются от животных и требуют специальных процедур секции.
На растениях с помощью визуализации MALDI до сих пор анализировалось распределение различных соединений в стебле пшеницы (Triticum aestivum), соевых бобах (Glycine max), семенах риса (Oryza sativa), цветках и корнях Arabidopsis thaliana и семенах ячменя (Hordeum vulgare) 11,12,13,14,15,16,17,18 . Недавние исследования показали, что DESI-MSI появляется при анализе метаболитов природных лекарств и продуктов, особенно в таких ТКМ, как гинкго билоба, фузи и Artemisia annua L 19,20,21. В этих исследованиях протоколы подготовки образцов растительного материала различаются, и некоторые требуют более сложного оборудования, такого как замораживающий микротом. DESI-MSI предъявляет строгие требования к плоскостности поверхности обнаруженного образца. При анализе органа или ткани животного образец обычно делают методомкриосекции22. Однако процедура криоссекционирования сложна и более дорога, а широко используемый метод оптимальной температуры резки клея (OCT) имеет сильный сигнал при визуализации. Кроме того, лекарственные ткани ТКМ различаются; например, корень Salvia miltiorrhiza, известный как Danshen на китайском языке, используется в медицине, в то время как в Zisu (Perilla frutescens) используется лист23,24. Следовательно, необходимо улучшить процедуры пробоподготовки, чтобы способствовать использованию DESI в анализе метаболитов для ТКМ.
Как многолетнее травянистое растение и широко используемая ТКМ, S. miltiorrhiza была первоначально записана в старейшей монографии по медицине «Классика материи медики» Шэньнуна (известная как «Шэньнун Бэньцао Цзин» на китайском языке). В этом исследовании мы оптимизировали процедуры секционирования и визуализации DESI и разработали более экономичный метод определения распределения и классификации соединений в тканях S. miltiorrhiza. Этот метод также может преодолеть недостатки, связанные с сухими тканями – то, что они обычно легко ломаются под ударом азота – и способствовать развитию ТКМ. Исследование будет способствовать стандартизации ТКМ/этнической медицины для технологий, связанных с исследованиями.
Protocol
Representative Results
Discussion
Появление технологии рассеянного склероза открыло новый взгляд на исследования натуральных продуктов на молекулярном уровне в течение последних24 лет. Прибор MS с его высокой чувствительностью и высокой пропускной способностью позволяет проводить целенаправленный и нец?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана Фондом естественных наук провинции Сычуань (No 2022NSFSC0171) и Программой талантов Синлинь Университета ТКМ Чэнду (No 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).
