中药植物切片的基质辅助激光解吸电离－质谱成像分析技术

Traditional Chinese medicines (TCMs) are attracting more and more attention from the global world because of their long historical clinical experience and reliable therapeutic efficacy for prevent and/or treat various human diseases. However, comparing with modern drugs that contain one or two active compounds with constant concentration, TCMs are complex mixtures which usually containing hundreds of chemically different constituents. Moreover, the content of the active ingredients in TCMs are always influenced by breed, region of growth, season of harvest and processing procedures. So, many of various techniques and methods were introduced for new drugs discovery and quality control of TCMs. However, most of these methods usually require a tedious and time-consuming sample pretreatment procedure. It should be noted that some bioactive compounds of TCMs could be changed under sample pretreatment. Matrix-assisted laser desorption/ionization time of flight (MALDI-TOF) imaging mass spectrometry (IMS) is emerging powerful tool for investigating the distribution of molecules through the direct analysis of thin tissue sections. This technique could determine the distribution of hundreds of unknown compounds in a single measurement. However, due to the interferences of matrix background ions in low molecule weight region (<1000 Da), this technique has a significant limitation on the analysis of small molecules. In this proposal, graphene nano-materials were introduced as assisted matrix to replace conventional matrix (e.g. DHB, CHCA and SA) for the direct analysis of TCMs plant tissue by IMS. Compared with other analytical methods (e.g. thin-layer chromatography, gas chromatography-mass spectrometry and liquid chromatography-mass spectrometry) for the analysis of TCMs, MALDI-TOF IMS has some inherent advantages, such as high selectivity, high sensitivity, high-throughput as well as simple sample preparation. The proposed MALDI-TOF IMS direct analysis of TCM plant tissue could become a powerful tool for discovering drug candidates for pharmaceutical industry and biomarkers for clinical diagnosis as well as quantity control of TCMs.

中药是中华民族与各种疾病长期斗争过程中积累下来的宝贵财富，是中华民族优秀文化的重要组成部分。但中药成份极其复杂，药效的发挥是所含多种活性成份共同作用的结果，我们对所含活性成份及治病机理并不完全了解。在中药现代化、国际化及新药开发要求的背景下，尽管发展了一些基于色谱、质谱、光谱技术的分析方法来实现中药的质量控制，但复杂耗时的样品预处理限制了这些方法的广泛应用。质谱成像技术是近年来新发展起来的一种分子级别的成像技术，具有高通量，样品制备简单，分析速度快等优点，能够实现真正意义上的实时、在线、原位分析。我们拟通过该技术直接扫描中药组织切片，进而实现中药质量控制、活性成份筛选、中药的药理及毒理研究。相对目前已经存在的中药分析方法，所建立的质谱成像直接分析中药切片技术具有样品制备简单，不破坏中药活性成份的组成和含量，能够一次同时分析几百甚至上千种化合物，实现实时、在线、原位与高通量分析。

中药是中华民族与各种疾病长期斗争过程中积累下来的宝贵财富，是中华民族优秀文化的重要组成部分。但中药成份极其复杂，药效的发挥是所含多种活性成份共同作用的结果，我们对所含活性成份及治病机理并不完全了解。在中药现代化、国际化及新药开发要求的背景下，尽管发展了一些基于色谱、质谱、光谱技术的分析方法来实现中药的质量控制，但复杂耗时的样品预处理限制了这些方法的广泛应用。.本项目从中药出发，利用近些年发展起来的基质辅助激光解吸电离-飞行时间质谱成像（MALDI-MSI）等技术，直接扫描中药组织切片，进而实现中药质量控制、活性成份筛选、中药的药理及毒理研究。首先，我们针对质谱成像过程，开发了一系列适用于质谱成像的基质，其中包括超薄石墨相氮化碳（g-C3N4）纳米片、氮掺杂碳点（N-CDs）、沸石咪唑骨架(ZIFs)纳米晶体，用于检测小分子物质；其次，针对中草药研究分析，我们分别建立了基于UltrafleXtreme MALDI-TOF/TOF MS质谱成像方法以及更快速高效的RapidfleX MALDI-TOF MS质谱成像方法；再次，建立的质谱成像方法成功地应用于中药活性成份分析研究，其中包括应用MALDI-MSI方法对不同年限的人参活性成分人参皂苷进行分析以及区分，对不同种类的参类（人参、西洋参、三七）活性成分进行分析以及区分；此外，项目中也对中药药理及毒理方面进行了相关研究，用液相色谱-电喷雾-质谱分析人的尿液里的乌头碱、接骨木莓的有效成分及其对病毒的防治分析、应用质谱成像对乳腺癌进行了脂质组学分析。.综上所述，本项目中建立了一整套中药分析方法，从基质开发，成像方法建立，到对中药活性成分分析，以及中药毒理药理研究等。相对目前已经存在的中药分析方法，本项目中建立以及应用的质谱成像技术等直接分析中药切片具有样品制备简单，不破坏中药活性成份的组成和含量，能够一次同时分析几百甚至上千种化合物，实现实时、在线、原位与高通量分析。其为中药分析提供了一种更快速高效的方法，对于中药现代化，国际化起着一定的促进作用。