質譜在動物類中藥研究中的應用進展

高 倩， 甘奇超， 馬 晗， 史景彥， 韓 放， 魏 梅， 馬 莉*

(1.首都醫(yī)科大學中醫(yī)藥學院，北京 100069；2.重慶多普泰制藥股份有限公司，重慶 401420；3.廣東一方制藥有限公司，廣東 廣州 528000)

我國動物類中藥的應用歷史悠久，最早的藥學典籍《神農本草經》[1]中收載了僵蠶、地龍等65種，2020年版《中國藥典》[2]則收載514種動物類中藥、提取物及制劑。動物類中藥具有攻毒散結、清熱解毒、活血化瘀、補血滋陰、壯陽益腎、祛風通絡、息風止痙、化痰定喘、開竅醒神等功效，富含蛋白、多肽等大分子成分[3-4]。2020年版《中國藥典》中動物類中藥常用的質量控制方法為顯微、理化、色譜、生物檢定等[2]，難以滿足其質量控制需要，在定量、藥效、藥動學等方面也有欠缺。

質譜法在基質輔助激光場解吸電離源(MALDI)、電噴霧電離(ESI)等軟電離方法的出現后，廣泛應用于生物大分子領域[5]，具備靈敏度高、信息量大、檢測快速等優(yōu)點，現已成為蛋白質組研究的關鍵技術之一[6]。動物類中藥中含有蛋白、多肽類成分，質譜可以對分離純化的活性物質進行定性分析，鑒定目標蛋白、多肽，明確動物類中藥的藥效物質基礎，明確差異蛋白，適用于動物類中藥的成分鑒定、真?zhèn)舞b別、藥動學等研究。本文對質譜與其在動物類中藥中應用進行總結，并對質譜技術在動物類中藥中的發(fā)展及前景進行展望。

1 質譜

質譜是蛋白質分析鑒定的常用技術，其通過電離源將蛋白質、多肽分子轉化為氣相離子，利用質量分析器將具有特定質荷比(m/z)的蛋白質離子分離開來，經過離子檢測器收集分離的離子，確定離子的m/z值，分析鑒定未知蛋白質[7]。目前應用于蛋白、多肽分析的離子源有ESI與MALDI這2種軟電離方法。ESI可以與液相色譜(HPLC)系統(tǒng)結合，而且因其對蛋白質分子可產生穩(wěn)定的多電荷離子而不發(fā)生破裂、質荷比能夠降低到各種不同類型的質量分析儀都能檢測的程度的特性而被廣泛應用[8]，納升電噴霧(nanoESI)在ESI基礎上提高了電離效率、離子傳輸能力以及靈敏度，還可以減少ESI原有的離子抑制和基質效應[9]。MALDI由于其固有的高通量、高靈敏度、耐鹽性強、分析速度快、樣品消耗量小、樣品制備簡單等特點，應用廣泛，尤其在生物大分子領域[10]。ESI與MALDI離子源在蛋白、多肽分析中的特點見表1。飛行時間(TOF)、離子阱、四級桿(Q)、傅立葉變換離子回旋共振質譜(FTICR)與軌道離子阱(Orbitrap)是蛋白質、多肽質譜分析常用的質量分析器[11]。各種質量分析器常組成串聯(lián)質譜，如三重四級桿質譜(QQQ)[12]，四極桿-線性離子阱-軌道離子阱(LTQ-Orbitrap)[13]質譜等，這種方法可以提高蛋白質質譜分析的靈敏度與分辨率?；诘鞍踪|是否經過酶解后進行質譜分析，可分為自下而上的鳥槍法和自上而下的蛋白質、多肽分析方法。鳥槍法是蛋白質、多肽分析中最常用的方法，將分離純化得到的蛋白、多肽類物質酶解再進行質譜分析，已較為成熟；而自上而下分析方法是對完整蛋白的分析，避免了自下而上的信息丟失、數據復雜、序列覆蓋等問題，但是其發(fā)展不僅依賴于昂貴的高分辨質譜儀的應用，并且實現蛋白的完整序列全覆蓋難度較大，因此，在蛋白質質譜分析應用中受到限制[14]。隨著技術發(fā)展，逐漸出現質譜成像技術(MSI)等新型質譜技術，基于MALDI電離方式的基質輔助激光解析電離質譜成像(MAIDI-MSI)技術在蛋白質等大分子領域應用較廣，運用分子成像技術，無需標記即可實現組織切片中生物大分子的空間分布、定性、相對豐度分析。在植物鑒別[15]、代謝[16-17]等方面已有應用，在動物類中藥蛋白有效成分發(fā)現與組織分布等方面有較大優(yōu)勢。

表1 ESI與MALDI離子源在蛋白、多肽分析中的特點

2 蛋白多肽類成分的質譜定性、定量分析技術

2.1 蛋白質定性分析技術 蛋白質的定性分析是對目標蛋白進行鑒定，常用的方法有肽質量指紋圖譜法(PMF)和肽碎片離子鑒定法(PFF)。PMF是指蛋白經酶解后得到的多肽片段通過質譜技術進行分子量檢測，得到具有特征性的多肽質量譜圖，再通過數據庫匹配進行鑒定。此方法多選用基質輔助激光解吸電離飛行時間質譜儀(MALDI-TOF-MS)，能夠快速準確地進行鑒定，但是此方法比較適用于較純蛋白的檢測，對于復雜的蛋白混合物，常需要與蛋白分離技術如聚丙烯酰氨凝膠電泳(SDS-PAGE)或雙向凝膠電泳(2-DE)連用[18-19]。PFF是將特定的肽段打碎，得到肽段的二級質譜信息，并與數據庫進行匹配，常采用MALDI串聯(lián)質譜或者ESI串聯(lián)質譜，但是其可能產生肽段碎裂不充分、中性片段丟失等問題[18]。定性技術已成功運用于動物類中藥的成分鑒定，對動物類中藥有效成分，主要成分的發(fā)現具有重大意義。

2.2 蛋白質定量分析技術 蛋白、多肽基于質譜的定量技術可分為靶向和非靶向定量技術，其依據為是否對目標蛋白進行定量，靶向定量技術可分為多反應監(jiān)測(MRM)和平行反應監(jiān)測(PRM)，非靶向定量技術分為非標記定量和穩(wěn)定同位素標記定量[20]。非標定量有Label-free和SWATH，穩(wěn)定同位素標記定量則常用的標記技術有等重同位素標記相對與絕對定量方法(iTRAQ)、同位素親和標簽技術(ICAT)和穩(wěn)定同位素標記氨基酸細胞培養(yǎng)技術(SILAC)[21]。定量技術在動物類中藥中的應用并不普遍，但在動物類中藥含量檢測、機制研究等方面具有較高的應用前景。各定量技術方法和特點可見表2。

3 質譜技術在動物類中藥中的應用

目前，質譜技術在動物類中藥的應用主要體現在成分的鑒定方面，利用質譜定性技術對動物類中藥中蛋白與多肽的整體相對分子質量的水平進行分析以及對分離純化后得到的單一成分進行結構鑒定，已成功應用于2020年版《中國藥典》中膠類藥物的質量控制[2]。除此以外，質譜的定性定量技術在動物類中藥真?zhèn)舞b別、用藥部位研究、加工工藝、藥動學等方面也有應用。質譜在動物類中定性分析流程見圖1。

表2 蛋白質質譜定量技術簡介

圖1 質譜在動物類中藥中定性分析工作流程圖

3.1 活性成分鑒定 動物藥有效成分或主要成分不明確是目前動物藥發(fā)展阻滯的主要原因，質譜定性技術為動物類中藥成分鑒定提供重要的技術平臺。早期研究階段，質譜在動物類中藥中主要應用于MALDI-TOF-MS對多肽、蛋白進行分子量測定，而多肽的序列測定主要是基于傳統(tǒng)的氨基酸組成分析和Edman降解測序技術?，F代研究階段，液質連用、串聯(lián)質譜技術已經逐步取代了傳統(tǒng)的氨基酸組成分析和Edman降解測序等技術被用于一級結構的測定。

水蛭是具有抗凝、抗血栓的動物類中藥，其單味藥或成方制劑廣泛運用于心腦血管疾病中[32]，而質譜技術在其活性多肽、蛋白鑒定過程中發(fā)揮了很大的作用。早在1998年，黃仁槐等[33]采用MALDI-TOF-MS法對從湖南產日本醫(yī)蛭嗉囊消化液中經三氯醋酸沉淀后用二乙氨乙基(DEAE)-纖維素柱層析一步純化、反相HPLC脫鹽后獲得批量的水蛭素進行分子量測定，測得其m/z約為8 634.61，與歐洲醫(yī)蛭純化的水蛭素分子量(6 950 Da)有所不同，推測這與材料來源不同、所提取的水蛭素分子結構存在差異有關。2006年，鐘山[34]采用85%乙醇沉淀、陰離子交換色譜、凝膠過濾色譜及反相高壓液相色譜對螞蝗中抗凝多肽進行提取分離純化，并進行氨基酸組成分析，得到一種新的抗凝多肽-螞蝗多肽whitmanin，用MALDI-TOF-MS法測定其分子量為8 608.1 Da。2008年，貴艷麗等[35]采用仿生配體篩選和一步純化的方法在日本醫(yī)蛭中分離得到一種具有抗凝活性的蛋白，胰蛋白酶酶解后用MALDI-TOF-TOF-MS法進行氨基酸測序，未發(fā)現水蛭類相似蛋白，鑒定為一種新的抗凝蛋白并命名為NPL-1(new leech protein-1)。Huang等[36]采用親和層析結合超高效液相色譜-高分辨質譜技術(UPLC-HR-MS)以及Orbitrap Fusion Tribrid質譜分析儀器從水蛭中鑒定得到一種新型凝血酶抑制肽，序列為SYELPDGQVITIGNER，分子量為1 790 Da。

質譜技術在其他動物類中藥中也有應用，張希春等[37]經硫酸銨沉淀、超濾、陽離子交換分離和反相快速蛋白質液相色譜(FPLC)分析，得到2種新的蚯蚓抗菌肽F-1與F-2，經ESI-LC-MS/MS法測定F-1相對分子質量為535.27，肽序列為Ac-Ala-Met-Val-Ser-Ser，F-2相對分子質量為519.27，肽序列為Ac-Ala-Met-Val-Gly-Thr。Phan等[38]采用MALDI-TOF-TOF-MS法對從掘穴環(huán)爪蚓分離得到的纖溶蛋白酶FⅢ-1與FⅢ-2胰蛋白酶膠內酶解后進行多肽序列分析，得到2種纖溶蛋白酶與粉正蚓和赤子愛勝蚓具有較高的同源性。于保鋒等[39-40]采用LC-MS/MS法測定前期從赤子愛勝蚓分離得到的核酸酶樣蛋白EWD1和EWD2部分氨基酸的序列，經數據庫搜索未發(fā)現與之匹配的蛋白，推測EWD1與EWD2為新的蛋白質成分，并采用MALDI-TOF-MS法測定這2種蛋白的含糖量和二硫鍵數目，為進一步研究其作用機制提供基礎。嚴銘銘等[41]從花鹿茸中分離純化得到單體多肽化合物(CNT14)，該化合物具有促進小鼠海馬神經細胞生長的作用，通過MALDI-TOF-MS測定其分子量為1 479.902 8 Da，通過ESI-MS/MS(Q-TOF2)正交加速質譜儀測定其一級結構為EPTVLDEVCLAHGP。詳見表3。

表3 質譜技術在動物類中藥中活性成分的鑒定

3.2 蛋白質組學 質譜定性技術可對動物類中藥整體或部位蛋白與多肽進行分析，對動物類中藥的真?zhèn)舞b別、藥用部位鑒別、機制研究等具有推動作用。董洪霜等[42]采用SDS-PAGE法對廣地龍總蛋白進行分離并膠內酶解，用HPLC-nanoESI-LTQ-orbitrap MS法進行分析，共得到386種蛋白質，并進行功能、通路分析，為闡明廣地龍的蛋白物質基礎以及其功能研究提供實驗依據。王浩等[43]從烏梢蛇中提取得到Ⅱ型膠原蛋白，并采用質譜技術獲得烏梢蛇Ⅱ型膠原蛋白的PMF，利用數據庫進行同源性分析，發(fā)現有4個多肽與其他物種具有較高的同源性。王子月等[44]采用NanoLC-LTQ-Orbitrap Velos Pro質譜儀對蟾酥鮮品胰蛋白酶酶解樣品進行蛋白質組分析，共得到407種蛋白質和880種多肽序列，經過分析這些蛋白和多肽在5-羥色胺介導通路、β腎上腺素能受體通路、血凝反應、鈣信號通路、膽固醇合成與代謝等76種代謝路徑中發(fā)揮作用。陳霞等[45]采用NanoLC-ESI-Q-TOF MS法分別對蜈蚣裂解液的膠內酶解和溶液內酶解樣品進行蛋白質分析，分別從膠內酶解樣品及直接酶解樣品鑒定到72、97種蛋白質，兩者含26種相同的蛋白質，這些蛋白在結合、酶催化、肌動方面有生物活性。Bruand等[46]利用MALDI-MSI技術對12 d水蛭胚胎的中樞神經系統(tǒng)、腎臟、側腹高表達的肽段進行定位，觀察各部位高表達肽段的分子量分布與差異,同時采用LC-ESI-QTOF-MS技術鑒定肽段，結果在中樞神經系統(tǒng)中發(fā)現分子量為2 474 Da新肽HmIF4與分子量為2 500 Da的組蛋白H2B部分肽段，在側腹部鑒定到相差2個氨基酸的分子量分別為3 666、3 841 Da新肽，HmIF4與在水蛭神經系統(tǒng)發(fā)育中的中間絲蛋白具有高度的相似度。

3.3 真?zhèn)舞b別 質譜技術可用于動物類中藥真?zhèn)舞b別，特別是在膠類藥物應用中尤其廣泛，其主要的技術路線為尋找多種膠類藥物的差異性多肽片段或者特異性多肽，從特征肽段異源框架性物種鑒別的角度對飲片或者中成藥進行真?zhèn)舞b定。鄭潔[47]采用MALDI-TOF-TOF-MS法對用胰蛋白酶膠內酶解后的阿膠、龜甲膠、鹿角膠以及它們原藥材驢皮、龜甲、鹿角進行質譜分析，一方面運用SDS-PAGE膠內酶切后質譜分析并進行數據匹配的方法，結果從驢皮和龜甲中分別鑒定出7、1種特征蛋白，而鹿角未鑒定出特征蛋白；運用2-DE膠內酶切后進行質譜分析以及數據匹配方法，結果分別從驢皮、龜甲中鑒定出另外12、6種特征蛋白。另一方面，將阿膠、龜甲膠、鹿角膠用SDS-PAGE膠內酶切后，采用MALDI-TOF-TOF-MS法進行分析，獲得3種膠類藥材的指紋圖譜，并分析3種中藥的差異性多肽片段，為膠類中藥的鑒定提供參考。鄭潔[47]還將超聲提取、丙酮沉淀的阿膠、龜甲膠、鹿角膠用膠原酶進行溶液內酶解，3種酶解物混合后用于UPLC-nano-ESI-Orbitrap-MS分析，共得到14條特征肽段，其中5條來源于阿膠，5條來源于龜甲膠，4條來源于鹿角膠。房芳等[48]等采用裂解液對阿膠、新阿膠(豬皮膠)、黃明膠(牛皮膠)、馬皮膠進行提取后，用胰蛋白酶進行溶液內酶解，再用Nano-HPLC-QTOF-MS法對各酶解液進行分析，共鑒定得到6條特征多肽，其中阿膠和馬皮膠有1條共有特征肽，序列為GEAGPAGPAGPIGPVGAR，馬皮膠的特征肽序列為LSVEADIN*GLR(*表示脫酰胺修飾)和ISGEWYSIFL ASDVK，黃明膠的特征肽序列為GETGPAGPAGPIGPVGAR和GEAGPSGPAGPTGAR，新阿膠的特征肽序列為GETGPAGPAGPVGPVGAR，此研究在肽段水平上解決了阿膠中摻偽異源性物種的問題。

3.4 藥用部位 動物類中藥同植物藥一樣，不同的藥用部位作用效果可能不同。鹿茸從下到上為骨片部位、血片部位和蠟片部位，其中鹿茸臘片的補益效果最強。劉華淼等[49]采用相同的方法分離純化鹿茸臘片、血片和骨片部位蛋白，并利用2-DE結合MALDI-TOF-TOF-MS串聯(lián)質譜法通過質譜相對豐度篩選差異蛋白，共得到37種差異蛋白，其中鹿茸臘片、血片、骨片組織中分別有18、5、14種蛋白質表達升高。

3.5 加工工藝 質譜技術在動物類中藥炮制等加工工藝上的應用可推進炮制機理研究以及加工工藝合理性篩選。徐瑩[50]通過對僵蠶生品及炮制品提取液進行SDS-PAGE與2-DE分析，結果顯示，僵蠶炮制品未有明顯的SDS-PAGE條帶與2-DE斑點，因此徐瑩[50]采用Nano-LC-ESI-LTQ-Orbitrap-MS/MS法對僵蠶生品的SDS-PAGE條帶與2-DE斑點進行分析，發(fā)現有13種蛋白同時存在于SDS-PAGE條帶中與2-DE斑點中，并將它們作為僵蠶炮制前后差異性蛋白，為后續(xù)的差異性毒性研究提供依據。靳夢亞等[51]采用iTRAQ技術結合NanoLC-MALDI-TOF-TOF-MS法對不同加工工藝鹿茸(鮮品、煮炸、直接凍干、勻漿、凍干加保護劑、凍干未加保護劑、凍干加保護劑40 ℃ 10 d)進行蛋白質組研究，結果表明，煮炸組、勻漿組、凍干未加保護劑組鹿茸蛋白表達降低的數量多于蛋白表達升高的數量，且煮炸組鹿茸相對于鮮品組鹿茸的差異蛋白數量最多，功能變化最大，而其他3組相對于鮮品組差異較小，蛋白表達升高的數量居多。

3.6 藥動學 質譜技術也可應用于動物類中藥及其制劑的藥動學研究，分析藥物在生物體內吸收、分布、代謝和排泄規(guī)律，推進動物類中藥及其制劑應用安全性、有效性研究。張希春等[37]為了測定從蚯蚓中分離得到的蛋白水解蚓激酶的腸吸收情況，通過對原位再循環(huán)方法獲得的血漿組分進行MALDI-TOF-MS分析，證實蚓激酶F1被吸收到血液中，表明蚓激酶可通過口服給藥從黏膜內腔吸收到血液中。疏血通由水蛭、地龍組成，Wei等[52]通過對大鼠單次注射或連續(xù)8 d注射疏血通注射液后，進行酒石酸美托洛爾、氫氯噻嗪、硝苯地平、纈沙坦給藥，并在不同的時間點收集血樣，制備血漿并進行分離純化，采用液相色譜與三重四級桿質譜聯(lián)用對這4種降壓藥物進行MRM定量，研究疏血通注射液對4種降壓藥物的影響，結果顯示，單次注射或連續(xù)8 d注射疏血通注射液能夠增加酒石酸美托洛爾以及硝苯地平的峰值濃度(Cmax)以及生物利用度，使酒石酸美托洛爾半衰期(t1/2)延長，硝苯地平t1/2縮短，對氫氯噻嗪與纈沙坦影響不大。

4 結語

綜上所述，目前質譜技術在動物類中藥中應用多處于成分的定性階段，采用PMF、PFF技術對活性蛋白、多肽成分進行鑒定已經成熟，可用于蛋白質組學分析，加工工藝、真?zhèn)舞b別、藥用部位、藥動學研究已有涉及，但研究并不普遍，在藥效學以及作用機制研究等方面還有待推廣。質譜技術主要集中在動物類中藥單味藥的研究，在中成藥、湯劑等方面還鮮少涉及，多是對含動物類中藥制劑中的植物藥小分子成分進行分析，在制劑中動物類中藥成分的分析還有待進一步發(fā)展。因此，有必要加深質譜技術在動物類中藥應用的廣度和深度，使其不局限在動物類中藥單味藥物的研究，在組方藥物中也能更好地應用，并利用其定性、定量技術研究動物類中藥作用機制，闡明作用機理，從而促進動物類中藥現代化發(fā)展，更好地解決動物類中藥本身藥效物質基礎不明確以及功效多，成分與藥效難以關聯(lián)的缺點。