A strategy using isotopic fine structure to reveal potential biomarkers showing the effects of traditional Chinese medicines on Alzheimer disease in rats

Význam tématu

Alzheimerova nemoc představuje závažné neurodegenerativní onemocnění charakterizované postupnou ztrátou paměti a kognitivních funkcí. Pochopení biochemických změn spojených s patogenezí nemoci je klíčové pro identifikaci nových biomarkerů a cílenou léčbu. Tradiční čínská medicína, zejména extrakt z Rhodiola crenulata (RCE), prokázala v předchozích studiích neuroprotektivní účinky, avšak molekulární mechanismy jeho působení zůstávají nejasné.

Cíle a přehled studie

Hlavním cílem studie bylo využít metabolomický přístup kombinující přesnou hmotnost a isotopovou jemnou strukturu (IFS), aby byly odhaleny biomarkery odrážející účinky extraktu RCE v modelu Alzheimerovy nemoci u potkanů. Výzkum spočíval v indukci AD injekcí amyloidu β1–42 do hipokampu potkanů a následném hodnocení kognitivních funkcí pomocí Morrisova vodního bludiště.

Použitá metodika a instrumentace

V experimentálním workflow byly využity následující kroky:

• HPLC-MRMS (solariX 7T Magnetic Resonance Mass Spectrometry) pro separaci a primární screening metabolitů.
• Frakcionace HPLC eluátu s následnou reinjekcí do systému DI-MRMS pro detailní analyzu izotopových vzorců.
• Sedmistupňový postup identifikace elementárního složení, zahrnující detekci monoisotopických a A+1/A+2/A+3 izotopových piků, odhad počtu uhlíků a eliminaci kandidátních vzorců na základě relativních intenzit isotopů.
• Simulace teoretické IFS v softwaru Compass Isotope Pattern pro potvrzení jednoznačných sumárních vzorců.

Hlavní výsledky a diskuse

Analýza odhalila 20 metabolitů spojených s progresí AD, z nichž 17 se po aplikaci vysoké dávky RCE (2,24 g/kg) vrátilo na kontrolní úrovně. Mezi klíčové modifikované dráhy patřilo:

• Metabolismus tryptofanu
• Sfingolipidová dráha
• Metabolismus glycerofosfolipidů

Přesná aplikace IFS umožnila definitivní určení struktur lysofosfatidylcholinu, karnitinů, sfinganinu a dalších molekul. Dosažená hmotnostní přesnost pod 1 ppm a rozlišení do jednoho milionu zajistily vysokou spolehlivost identifikace.

Přínosy a praktické využití metody

Metabolomický přístup založený na kombinaci HPLC-MRMS a DI-MRMS s využitím isotopové jemné struktury přináší několikanásobné výhody:

• Jednoznačná identifikace biomarkerů bez potřeby další kolizní fragmentace.
• Vysokou analytickou selektivitu pro složité biologické matice.
• Možnost sledovat biochemické dráhy ovlivněné terapeutickými zásahy.

Budoucí trendy a možnosti využití

Očekává se rozšíření aplikace IFS-MRMS v dalších oblastech metabolomiky, zejména při:

• Mapování dynamiky metabolických sítí v reálném čase.
• Vývoji personalizované medicíny založené na individuálních metabolických profilech.
• Kombinaci s jinými vysokorozlišovacími technikami pro víceúrovňové multiomické studie.

Závěr

Studie prokázala, že kombinovaný přístup HPLC-MRMS a DI-MRMS s analýzou isotopové jemné struktury je výkonným nástrojem pro objevování a potvrzení biomarkerů Alzheimerovy nemoci. Aplikace RCE u modelu AD u potkanů přinesla normalizaci klíčových metabolitů a otevřela cestu k lepšímu pochopení terapeutických mechanismů tradičních čínských extraktů.

Reference

[1] Zhang X., Jiang X., Wang X. et al. A metabolomic study based on accurate mass and isotopic fine structures by dual mode combined-FT-ICR-MS to explore the effects of Rhodiola crenulata extract on Alzheimer disease in rats. Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis, 166 (2019), s. 347–356.