质谱(Mass Spectrometry, MS)与药学研究 (8)

跨界混搭新名词 学科交叉老话题 跨界(crossover)和混搭(mix and match)是当前比较流行的新名词,尤其在其进入互联网以后,被一些大V、名嘴给吹的妇孺皆知,像我等躲在角落搞研究的人,也不能豁免。罗胖子罗歪嘴整天在微信上宣扬下一代的商业模式,其核心就是通过跨界来寻找新的商机,他疯狂的把房子都卖了,以显示其对新的互联网模式的支持。每个人自有其精彩的生活方式,这不是我们关注的重点,只是其提到的跨界概念,在我们药学领域也广泛存在,今天我们就来谈谈药学领域的跨界问题。不过,在药学领域,这个不叫跨界,也不叫混搭,一般称为“学科交叉(inter-discipline)”,可以是用一个学科的技术解决另一个学科的问题,也可以是一个学科的思想启发另一个学科。本质来讲,药学就是学科交叉而来的,比如药物学与化学、物理、计算机等学科的交叉,产生了药物化学、药物分析学、药剂学、药物动力学,药物计量学等,目前,一些新出现的研究领域,更是学科交叉的典范,比如各种组学、网络药理学、计算毒理等。 我对研究的看法是专注一个领域,但不局限于一个领域的技术和思路,“他山之石可以攻玉”,对于其他学科的好东西,“拿来主义”是个不错的做法。我从2001年开始接触质谱,一开始是用来研究药物的代谢产物,到了2005年,开始用来研究中药化学成分的鉴定,一口气在RCM和JMS上发了多篇成分鉴定的文章。后来发现,这类工作基本就是个体力活,难道科研就是这样吗?能否有点不一样的东西呢?随着仪器的进步,从药材或中成药的提取物到LC-MS数据采集,这个过程越来越程序化和自动化,而对采集以后的数据分析却是最耗时和难以自动化的过程!我本身有点编程的基础,其实就一点点,仅是本科时用来追女生的那点玩意儿。那时就想,是否可以用计算机技术来提高LC-MS数据分析的效率呢?可否让程序来模拟人分析数据的过程呢?至少有某些步骤是可以通过计算机来提高效率的,于是我在不同方面做了一些粗浅的尝试,也写了一些小工具: 1. 【加合离子计算器】adduct ions cal: 功能:判断全扫描质谱图中所有可能加合离子的类型; 参数文件中提供了常见MS中加合离子的类型,可自己增加; 使用方法:在Finnigan工作站中,选中化合物的质谱图,右键“Export-->Clipboard (Exact Mass)”,把质谱数据拷贝到剪切板,然后点程序右下角的“Paste MS”;选一个可能的准分子离子(默认是最高的),点“Go”运行,匹配的加合离子及其类型显示在中间文本框中。 双击程序中间的空白区域有惊喜! 这个程序的年份有点老了,有很多不足的地方:(1) 不能自动判断哪个是准分子离子,需要人工指定,然后看看哪种情况可计算得到的加合离子与实际质谱图最匹配(上图中那个11 results,指找到11个匹配的离子);(2)仅支持Thermo Finnigan的工作站。 2. 【质谱数据整理工具】Mass 2 Table 2.1 多级质谱数据整理利器,MS文章发表必备神器! 功能:自动将Finnigan获得多级质谱数据转化成文章发表需要的格式:质荷比(丰度);同时输出绝对强度和相对强度;可调整输出的小数点位数和截止的最小丰度 使用方法:在Finnigan工作站中,选中化合物的多级质谱图,右键“Export-->Clipboard (Exact…

质谱(Mass Spectrometry, MS)与药学研究 (7)

一锅中药惹人愁 寻得关键才无忧 前文讲到由于质谱自身关于化合物精细结构的信息有限,需借助已有标准物质建立裂解规律,才能对同类物质的未知结构进行推断。除了借助标准品的信息,中药中成分间自有的关联信息也非常有用。中药(包括药材和方剂),甚至植物药,中的成分间往往存在某种特定的关系,很少遇到仅是孤零零几个不相关成分的情况,这个特点特别适合于用质谱分析,并且鉴定的时候,不出结果则已,一出结果那就是一大串化合物同时被鉴定了。因此,找到这个一锅粥中的内在联系,将会使我们的质谱分析工作事半功倍。 那这些化合物中到底又怎样的内在联系呢?很简单,看懂上面一张图就行了!别紧张,这张图确实比质谱图复杂多了。首先简单说下,上面的图代表什么!它是目前对植物体内次生代谢产物(secondary metabolites)的生物合成途径(biosynthesis pathway)的总结,每种颜色代表一大类天然产物,每个实心圆节点代表一个关键的生合成反应,不同的反应通过实线链接,这样就把诸如黄酮、生物碱、萜、甾体等天然产物间的关系表述清楚了。但知道这些东西对我们质谱解析有用吗?或者说该怎么用呢?Show这张图的目的,是想先给大家一个整体的印象,了解一下,原来我们中药这锅粥里面竟然有这么玄妙的关系,在以后想进一步了解相关知识的时候,知道该去哪里查找资料,知道这叫“Biosynthesis”!OK! Now, you are in a new world! 若是具体到我们分析的某一味药材,可能涉及的仅是上图中的一个或几个生合成途径而已,实际操作的时候简单的多。记得,那是在我读研的时候,第一次听吴立军老师讲天然产物的生物合成,他那抑扬顿挫、略带磁性的声音,让我忘记了偷看课桌前面的美女。那时貌似只有一本发黄的、小32开的薄书,加上网络还不发达,可以获取的信息非常有限,不过,重要的是,吴老师在我头脑中种下了“生合成”的种子,否则,当我在博士阶段研究质谱的时候,根本不可能把生合成与质谱解析联系起来。在此,对吴老师献上我深深的敬意。 读博士时研究的第一个植物中含有大量异喹啉生物碱,这类生物碱在质谱上的响应非常好,但是色谱的峰形不好,当分析药材时,主要成分的峰都很宽,这导致可鉴定的成分就那么几个,总是感觉有点欠缺。有天画结构的时候,突然发现这些结构中貌似有什么关联,见下图: 上图中左上角的化合物为苄基异喹啉最简单的一个化合物去甲乌药碱,其右边的两个结构与其是等价的,通过不同位点的环合就可以得到原小檗碱型、啊朴啡型和左吗喃型三大类最常见的异喹啉生物碱。突然记起以前上的生合成课,推测它们一定遵循相同或相似的生合成途径。根据生合成的信息,至少可以给我们两方面的提示: 既然有终产物(原小檗碱型生物碱等),那么应该也有一些中间产物(没有成环的苄基异喹啉,或没有苄基的简单异喹啉成分),通过在LC-MS数据中提取这些可能存在的生物碱的质量数,我们后来发现了多个苄基异喹啉和简单异喹啉化合物; 生合成是酶催化的反应,所以反应位点就是可以从已报道的化合物中总结出来的,那样我们就可以推测位置化合物的结构。比如一个未知化合物比已知的成分多了16Da,裂解途径也相似,那么就可以根据生合成的规律推测羟基所在的位点。 化合物6就是我们发现的一个苄基异喹啉的衍生物,它的裂解特征与去甲乌药碱类似,只是质量数更大,推测为去甲乌药碱进一步修饰得到的,从下图中的可清楚的看到化合物6是如何推测得来的,其遵循的原则就是其可代谢位点仅发生在上图去甲乌药碱红色标记的地方。 上图中绿色的结构为最终推测的结果,但要确认是否真的是这个结构,仍要对其质谱图中的碎片进行详细归属,只有在主要的碎片都可以解释的情况下,才可认定这个推测的结构可能正确。根据上篇文章所讲的一三断裂规律,我们对碎片的归属如下: 更多的结果请参考我们发表在Rapid Communication in Mass Spectrometry上的论文,该论文已被引用40次。 Characterization of isoquinoline alkaloids, diterpenoids…