Visualisering av metaboliter identifierade i rumslig metabolom av traditionell kinesisk medicin med DESI-MSI
Summary
I denna studie presenteras en serie metoder för att förbereda DESI-MSI-prover från anläggningar, och en procedur för DESI-monteringsinstallation, MSI-datainsamling och bearbetning beskrivs i detalj. Detta protokoll kan tillämpas under flera förhållanden för att förvärva rumslig metabolominformation i växter.
Abstract
Den medicinska användningen av traditionell kinesisk medicin beror främst på dess sekundära metaboliter. Visualisering av fördelningen av dessa metaboliter har blivit ett avgörande ämne inom växtvetenskap. Masspektrometriavbildning kan extrahera stora mängder data och ge rumslig fördelningsinformation om dessa genom att analysera vävnadsskivor. Med fördelen av hög genomströmning och högre noggrannhet används desorptionselektrospray joniseringsmasspektrometriavbildning (DESI-MSI) ofta i biologisk forskning och i studien av traditionell kinesisk medicin. De förfaranden som används i denna forskning är dock komplicerade och inte överkomliga. I denna studie optimerade vi sektionering och DESI-avbildningsprocedurer och utvecklade en mer kostnadseffektiv metod för att identifiera fördelningen av metaboliter och kategorisera dessa föreningar i växtvävnader, med särskilt fokus på traditionella kinesiska läkemedel. Studien kommer att främja användningen av DESI i metabolitanalys och standardisering av traditionell kinesisk medicin / etnisk medicin för forskningsrelaterad teknik.
Introduction
Visualisering av metabolitfördelning har blivit ett avgörande ämne inom växtvetenskap, särskilt i traditionell kinesisk medicin, eftersom det avslöjar bildningsprocessen för specifika metaboliter inom växten. Med hänvisning till traditionell kinesisk medicin (TCM) ger den information om de aktiva komponenterna och styr tillämpningen av växtdelar i farmaceutiska applikationer. Normalt uppnås visualisering av metaboliter genom in situ-hybridisering, fluorescensmikroskopi eller immunhistokemi, men antalet föreningar som detekteras av dessa experiment förmedlar begränsad kemisk information. I kombination med vävnadsfärgning kan masspektrometriavbildning (MSI) ge stora mängder data och tillhandahålla rumslig fördelningsinformation för föreningar genom att skanna och analysera vävnadsskivor på mikronnivå1. MSI använder analyter för desorption och jonisering från provytan, följt av massanalys av de resulterande ångfasjonerna och tillämpning av bildprogramvara för att integrera informationen och plotta en tvådimensionell bild som registrerar ett specifikt jonöverflöd. Denna teknik kan bestämma både exogena och endogena molekyler genom att detektera den karakteristiska fördelningen av läkemedel och deras inducerade metaboliter i målvävnader och organ 2,3,4,5.
Olika MS-metoder för bildbehandling har utvecklats under de senaste decennierna; de mest framträdande bland dem är desorption elektrospray joniseringsbaserad MSI (DESI-MSI), matrisassisterad laser desorption / jonisering (MALDI) och sekundär jonmasspektrometri (SIMS) 6. DESI-MSI används ofta i biologisk forskning på grund av dess atmosfäriska drift, höga genomströmning och högre noggrannhet7. MALDI har tillämpats för att identifiera ett transkriptetinfragment som en potentiell nefrotoxisk biomarkör för gentamicin och för att analysera distributionen av den neurotoxiska metaboliten 1-metyl-4-fenylpyridinium efter hantering av 1-metyl-4-fenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridin i mösshjärnor 8,9. MALDI och DESI har använts för att bestämma sammansättningen av läkemedelsinducerade kristallliknande strukturer i njuren hos doserade kaniner; Dessa strukturer består huvudsakligen av metaboliter som bildas på grund av demetylering och / eller oxidation av läkemedlet10. Dessutom har MSI tillämpats vid lokalisering av metabolisk distribution av läkemedelstoxicitet i målorgan. Cellerna i växtvävnad varierar dock och skiljer sig från djur och kräver speciella sektionsprocedurer.
I växter, genom att använda MALDI-avbildning, hittills har fördelningen av olika föreningar i vete (Triticum aestivum) stam, sojabönor (Glycine max), ris (Oryza sativa) frön, Arabidopsis thaliana blommor och rötter och korn (Hordeum vulgare) frön analyserats 11,12,13,14,15,16,17,18 . Nya studier har rapporterat att DESI-MSI växer fram i metabolitanalysen av naturliga droger och produkter, särskilt i TCM som Ginkgo biloba, Fuzi, och Artemisia annua L 19,20,21. I dessa studier skiljer sig protokollen för beredning av växtmaterialprover, och vissa kräver mer komplex utrustning, som en frysmikrotom. DESI-MSI har strikta krav på ytplanheten hos det detekterade provet. Vid analys av ett djurs organ eller vävnad görs provet vanligtvis genom kryosnittning22. Proceduren för kryosektionering är dock komplicerad och dyrare, och den vanliga metoden med lim optimal skärtemperatur (OCT) har en stark signal vid avbildning. Dessutom varierar de medicinska vävnaderna hos TCM; till exempel används roten av Salvia miltiorrhiza, känd som Danshen på kinesiska, medicinskt, medan i Zisu (Perilla frutescens) används bladet23,24. Därför är det nödvändigt att förbättra provberedningsförfarandena för att främja användningen av DESI i metabolitanalys för TCM.
Som en flerårig ört och en vanlig TCM registrerades S. miltiorrhiza ursprungligen i den äldsta medicinmonografin, Shennongs Classic of Materia Medica (känd som Shennong Bencao Jing på kinesiska). I denna studie optimerade vi sektionering och DESI-avbildningsprocedurer och utvecklade en mer kostnadseffektiv metod för att identifiera fördelningen och kategorisera föreningarna i vävnader av S. miltiorrhiza. Denna metod kan också övervinna nackdelarna med torra vävnader – att de vanligtvis lätt spricker under kväveslaget – och främja utvecklingen av TCM. Studien kommer att främja standardisering av TCM / etnisk medicin för forskningsrelaterad teknik.
Protocol
Representative Results
Discussion
Framväxten av MS-teknik har öppnat en ny insikt i naturproduktforskning på molekylär nivå under de senaste åren24. MS-instrumentet, med sin höga känslighet och höga genomströmning, möjliggör riktad och oriktad analys av metaboliter i naturliga produkter, även med spårkoncentration25. Därför används MS för närvarande i stor utsträckning inom traditionell kinesisk medicin (TCM) kemi. Den kvalitativa och kvantitativa forskningen om TCM:s kemiska sammansätt…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av Natural Science Foundation of Sichuan-provinsen (nr 2022NSFSC0171) och Xinglin Talent Program vid Chengdu University of TCM (nr 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).
