Liquid chromatography/mass spectrometry of bioactive secondary metabolites : <em>in vivo</em> and <em>in vitro</em> studies

Abstract

Liquid chromatography (LC) combined with mass spectrometry (MS) is one of the most widely used techniques in modern analytical laboratories. Remarkable developments during the two previous decades in both techniques has made LC-MS the method of choice in various environmental, pharmaceutical and biochemical laboratories due to selectivity, sensitivity and versatility. The main focuses in this study were to develop new LC-MS methods to identify and quantify phenolic secondary metabolites in bilberry, lingonberry and hybrid bilberry, to study the biosynthesis of the main secondary metabolites (hypericin and hyperforin and their derivatives) in St John’s wort (SJW) both in vitro and in vivo (in plant), to identify in vitro metabolites of hyperforin in human liver microsomes and to identify the cytochrome P450 (CYP) enzymes responsible for their formation. Both high-performance liquid chromatography (HPLC) and ultra high-performance liquid chromatography (U-HPLC) in combination with time-of-flight (TOF) and triple quadrupole (QqQ) mass spectrometry were used in this study.

Identification of 52 phenolic compounds from the leaves of bilberry, lingonberry and hybrid bilberry was accomplished. In total, seven of the identified compounds were reported for the first time in Vaccinium plants and several other compounds were reported for the first time in the studied plants. Incorporation of valine and isoleucine into acyl side chains of phloroglucinols (hyperforin and adhyperforin) via biosynthesis in shoot cultures of SJW was confirmed by using isotopically labeled amino acids and HPLC-MS/MS. Also, 29 biosynthetic in vitro products for HpPKS2 enzyme originating from SJW were identified based on accurate mass data.

The metabolism of hyperforin was studied in human liver microsomes (HLM) for the first time. 57 metabolites for hyperforin were identified in the incubations with HLMs, using a substrate concentration of 1 μM. The phase I metabolism of hyperforin was suggested to rely mainly on CYP3A4 and on CYP2C family.

Tiivistelmä

Nestekromatografia (LC) yhdistettynä massaspektrometriaan (MS) on yksi eniten käytetyistä analyysimenetelmistä nykyaikaisissa analytiikkalaboratorioissa. Viimeisten parin vuosikymmenen aikana LC-MS-laitteet ovat kehittyneet merkittävästi, ja nykyään LC-MS onkin paras menetelmä moniin ympäristö-, lääkeaine- ja biokemiallisiin laboratorioihin sen selektiivisyyden, herkkyyden ja monipuolisuuden vuoksi. Tässä väitöskirjassa kehitettiin uusia LC-MS -menetelmiä mustikan, puolukan ja mustikkapuolukan fenolisten sekundäärimetaboliittien tunnistamiseksi ja kvantitoimiseksi, mäkikuisman pääasiallisten sekundäärimetaboliittien (hyperisiini, hyperforiini ja niiden johdannaiset) tutkimiseksi in vitro- ja kasvinäytteistä sekä hyperforiinin aineenvaihduntatuotteiden tunnistamiseksi ja niitä muodostavien sytokromi P450 (CYP) entsyymien tunnistamiseksi ihmisen maksamikrosomeissa in vitro-menetelmin. Tässä työssä käytettiin sekä korkean erotuskyvyn nestekromatografia (HPLC) että ultra-korkean erotuskyvyn nestekromatografia (U-HPLC) yhdistettynä lentoaikamassaspektrometriin (TOF-MS) ja kolmoiskvadrupolimassaspektrometriin (QqQ-MS).

Mustikan, puolukan ja mustikkapuolukan lehdistä tunnistettiin yhteensä 52 fenolista yhdistettä. Seitsemää näistä tunnistetuista yhdisteistä ei oltu aiemmin löydetty Vaccinium-suvun kasveista ja useat muut yhdisteistä löydettiin ensimmäistä kertaa nyt tutkituista kasveista. Valiinin ja isoleusiinin liittyminen floroglusinolien (hyperforiini ja adhyperforiini) asyylisivuketjuihin biosynteesin välityksellä varmistettiin isotoppileimattujen aminohappojen ja HPLC-MS/MS-mittausten avulla. Tässä työssä tunnistettiin myös 29 mäkikuismasta peräisin olevan HpPKS2-entsyymin in vitro biosynteesituotetta tarkan massan mittausten avulla. Hyperforiinin metaboliaa tutkittiin ensimmäistä kertaa ihmisen maksamikrosomeissa (HLM). Hyperforiinille tunnistettiin yhteensä 57 aineenvaihduntatuotetta ihmisen maksamikrosomi-inkubaatioissa, kun hyperforiinin alkukonsentraatio oli 1 μM. Tämän tutkimuksen tulosten perusteella hyperforiinin faasi I metabolia tapahtuu pääasiassa CYP3A4:n ja CYP2C-perheen välityksellä.