Visualisatie van metabolieten geïdentificeerd in het ruimtelijke metaboloom van de traditionele Chinese geneeskunde met behulp van DESI-MSI
Summary
In deze studie wordt een reeks methoden gepresenteerd om DESI-MSI-monsters van fabrieken voor te bereiden, en een procedure voor DESI-assemblage-installatie, MSI-gegevensverzameling en -verwerking wordt in detail beschreven. Dit protocol kan in verschillende omstandigheden worden toegepast voor het verkrijgen van ruimtelijke metaboloominformatie in planten.
Abstract
Het medicinale gebruik van de traditionele Chinese geneeskunde is voornamelijk te wijten aan de secundaire metabolieten. Visualisatie van de verdeling van deze metabolieten is een cruciaal onderwerp geworden in de plantenwetenschap. Beeldvorming met massaspectrometrie kan enorme hoeveelheden gegevens extraheren en ruimtelijke verdelingsinformatie hierover bieden door weefselplakken te analyseren. Met het voordeel van een hoge doorvoer en hogere nauwkeurigheid, wordt desorptie-elektrospray ionisatie massaspectrometrie beeldvorming (DESI-MSI) vaak gebruikt in biologisch onderzoek en in de studie van de traditionele Chinese geneeskunde. De procedures die in dit onderzoek worden gebruikt, zijn echter ingewikkeld en niet betaalbaar. In deze studie hebben we sectie- en DESI-beeldvormingsprocedures geoptimaliseerd en een meer kosteneffectieve methode ontwikkeld om de distributie van metabolieten te identificeren en deze verbindingen in plantenweefsels te categoriseren, met een speciale focus op traditionele Chinese geneesmiddelen. De studie zal het gebruik van DESI in metabolietanalyse en standaardisatie van traditionele Chinese geneeskunde / etnische geneeskunde voor onderzoeksgerelateerde technologieën bevorderen.
Introduction
Visualisatie van metabolietverdeling is een cruciaal onderwerp geworden in de plantenwetenschap, vooral in de traditionele Chinese geneeskunde, omdat het het vormingsproces van specifieke metabolieten in de plant onthult. Met betrekking tot de traditionele Chinese geneeskunde (TCM) geeft het informatie over de actieve componenten en begeleidt het de toepassing van plantendelen in farmaceutische toepassingen. Normaal gesproken wordt visualisatie van metabolieten bereikt door in situ hybridisatie, fluorescentiemicroscopie of immunohistochemie, maar het aantal verbindingen dat door deze experimenten wordt gedetecteerd, brengt beperkte chemische informatie over. In combinatie met weefselkleuring kan massaspectrometriebeeldvorming (MSI) grote hoeveelheden gegevens leveren en ruimtelijke distributie-informatie van verbindingen leveren door weefselplakken op micronniveau1 te scannen en te analyseren. MSI gebruikt analyten voor desorptie en ionisatie van het monsteroppervlak, gevolgd door massaanalyse van de resulterende dampfase-ionen en toepassing van beeldvormingssoftware om de informatie te integreren en een tweedimensionaal beeld te plotten dat een specifieke ionenrijkdom registreert. Deze technologie kan zowel exogene als endogene moleculen bepalen door de karakteristieke verdeling van geneesmiddelen en hun geïnduceerde metabolieten in doelweefsels en organente detecteren 2,3,4,5.
De afgelopen decennia zijn verschillende modaliteiten voor beeldvorming van MS ontwikkeld; de meest prominente onder hen zijn desorptie-elektrospray ionisatie-gebaseerde MSI (DESI-MSI), matrix-geassisteerde laserdesorptie / ionisatie (MALDI) en secundaire ionenmassaspectrometrie (SIMS)6. DESI-MSI wordt vaak gebruikt in biologisch onderzoek vanwege de atmosferische werking, hoge doorvoer en hogere nauwkeurigheid7. MALDI is toegepast om een transthyretinefragment te identificeren als een potentiële nefrotoxische biomarker voor gentamicine en om de verdeling van de neurotoxische metaboliet 1-methyl-4-fenylpyridinium te analyseren na de behandeling van 1-methyl-4-fenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine in muizenhersenen 8,9. MALDI en DESI zijn gebruikt om de samenstelling van geneesmiddel-geïnduceerde kristalachtige structuren in de nier van gedoseerde konijnen te bepalen; Deze structuren zijn voornamelijk samengesteld uit metabolieten gevormd door de demethylering en / of oxidatie van het geneesmiddel10. Bovendien is MSI toegepast bij de lokalisatie van metabole distributie van geneesmiddeltoxiciteit in doelorganen. De cellen in plantenweefsel variëren echter en verschillen van dieren en vereisen speciale sectieprocedures.
In planten, met behulp van MALDI-beeldvorming, is tot nu toe de verdeling van verschillende verbindingen in tarwe (Triticum aestivum) stengel, sojabonen (Glycine max), rijst (Oryza sativa) zaden, Arabidopsis thaliana bloemen en wortels, en gerst (Hordeum vulgare) zaden geanalyseerd 11,12,13,14,15,16,17,18 . Recente studies hebben gemeld dat DESI-MSI opkomt in de metabolietanalyse van natuurlijke geneesmiddelen en producten, vooral in TCM’s zoals Ginkgo biloba, Fuzi en Artemisia annua L 19,20,21. In deze studies verschillen de protocollen voor de bereiding van monsters van plantaardig materiaal en sommige vereisen complexere apparatuur, zoals een vriesmicrotoom. DESI-MSI stelt strenge eisen aan de vlakheid van het gedetecteerde monster. Bij het analyseren van het orgaan of weefsel van een dier wordt het monster meestal gemaakt door cryo-sectie22. De procedure voor cryo-sectie is echter ingewikkeld en duurder, en de veelgebruikte lijm optimale snijtemperatuur (OCT) -methode heeft een sterk signaal bij het beeldvormen. Bovendien variëren de medicinale weefsels van TCM; bijvoorbeeld, de wortel van Salvia miltiorrhiza, bekend als Danshen in het Chinees, wordt medicinaal gebruikt, terwijl in Zisu (Perilla frutescens), het blad wordt gebruikt23,24. Daarom is het noodzakelijk om de monstervoorbereidingsprocedures te verbeteren om het gebruik van DESI bij metabolietanalyse voor TCM te bevorderen.
Als een overblijvend kruid en een veelgebruikte TCM, werd S. miltiorrhiza aanvankelijk opgenomen in de oudste medicijnmonografie, Shennong’s Classic of Materia Medica (bekend als Shennong Bencao Jing in het Chinees). In deze studie hebben we sectie- en DESI-beeldvormingsprocedures geoptimaliseerd en een meer kosteneffectieve methode ontwikkeld om de distributie te identificeren en de verbindingen in weefsels van S. miltiorrhiza te categoriseren. Deze methode kan ook de nadelen van droge weefsels overwinnen – dat ze meestal gemakkelijk breken onder de stikstofslag – en de ontwikkeling van TCM bevorderen. De studie zal de standaardisatie van TCM / etnische geneeskunde voor onderzoeksgerelateerde technologieën bevorderen.
Protocol
Representative Results
Discussion
De opkomst van MS-technologie heeft de afgelopen jaren een nieuw inzicht geopend in het onderzoek naar natuurlijke producten op moleculair niveau24. Het MS-instrument, met zijn hoge gevoeligheid en hoge doorvoer, maakt gerichte en ongerichte analyse van metabolieten in natuurlijke producten mogelijk, zelfs met sporenconcentratie25. Daarom wordt MS momenteel veel gebruikt op het gebied van traditionele Chinese geneeskunde (TCM) chemie. Het kwalitatieve en kwantitatieve onder…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door de Natural Science Foundation van de provincie Sichuan (nr. 2022NSFSC0171) en het Xinglin Talent Program van 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 |
References
- 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).
