Development of analytical methods and metabolomic approaches employing LC-MS for the investigation of the role of natural products and nutrition in different biological systems

Abstract

Natural products (NPs) are the most long-standing phytotherapeutic agents employed by humankind. One of the most affluent sources of NPs are edible plants, foods and plant-derived food products. The last two decades, the application of omics approaches, and especially of the metabolomics technology, in the field of NPs has completely revolutionized the discovery of new bioactive constituents, as well as the pharmacological assessment of isolated compounds or complex mixtures such as foods or plant extracts. In this framework, in the current thesis, mass spectrometry-based metabolomics approaches were implemented for the investigation of the effect of two hallmark NPs of Greece, one edible leafy green (Cichorium spinosum – stamnagkàthi) and one phytotherapeutic product with multiple applications in the food and beverage industries (Chios mastic gum – CMG) in different complex biological systems. In the first part of the present thesis, the effect of CMG, a protected designation of origin (PDO) product of Greece with a proven pharmacological activity, was investigated through a human study involving patients with non-alcoholic fatty liver disease / nonalcoholic steatohepatitis (NAFLD/NASH). The first step in this process was the procurement of high purity analytical standards for masticadienonic and isomasticadienonic acids, CMG’s most characteristic triterpenic acids, by means of isolation and structure elucidation. The isolated standards were employed for quantification purposes in plasma and fecal samples of patients involved in the trial employing a UPLC-ESI-TripleTOF-HRMS method. Afterwards, an untargeted metabolomics approach was implemented in plasma and fecal samples of the study volunteers, with the utilization of a UPLC-Orbitrap-HRMS platform and advanced statistical processing tools. Finally, targeted amino acid quantification was performed in plasma samples of patients participating in the trial, employing the atraq derivatization reagents and a modified ion-pairing UPLC-TripleTOF-SWATH-HRMS platform. Special emphasis was given to the investigation of metabolism aspects for CMG’s characteristic triterpenoids. The second part of this thesis focuses on Cichorium spinosum (“stamnagkàthi”), a highly valued and extensively consumed endemic plant of the Mediterranean region. First, an extensive characterization of the decoction’s chemical profile was performed using UPLC-HRMS & HRMS/MS. In parallel, an untargeted metabolomics protocol was developed using a UPLC-ESI-Orbitrap-HRMS approach in order to investigate the effects of the addition of C. spinosum’s extract on D. melanogaster’ s diet. The characterization of D. melanogaster’s endogenous metabolites was followed by the analysis of several fly samples whose diet had previously been enriched with C. spinosum’s decoction at different concentrations. This approach enabled the identification of significant metabolites leading to the exploration of certain biological pathways modulated by the C. spinosum’s extract. Finally, targeted amino acid quantification was also performed in the same sample set, with the atraq derivatization reagents and an ion-pairing UPLC-TripleTOF-SWATH-HRMS platform. To sum up, the current study highlights the value of utilizing different biological platforms in combination with state-of-the-art mass spectrometry-based metabolomics approaches for the assessment of NPs’ or food bioactives’ pharmacological activity.

Τα φυσικά προϊόντα (ΦΠ) είναι οι πιο μακροχρόνιοι φυτοθεραπευτικοί παράγοντες που χρησιμοποιεί η ανθρωπότητα. Μία από τις πιο πλούσιες πηγές ΦΠ είναι τα βρώσιμα φυτά, τα τρόφιμα και τα φυτικά προϊόντα διατροφής. Τις τελευταίες δύο δεκαετίες, η εφαρμογή ομικών προσεγγίσεων, και ιδιαίτερα της τεχνολογίας μεταβολομικής, στον τομέα των ΦΠ έχει φέρει επανάσταση στην ανακάλυψη νέων βιοδραστικών συστατικών, καθώς και στη φαρμακολογική αξιολόγηση απομονωμένων ενώσεων ή πολύπλοκων μιγμάτων, όπως τρόφιμα ή φυτικά εκχυλίσματα. Σε αυτό το πλαίσιο, στην παρούσα διατριβή, εφαρμόστηκαν προσεγγίσεις μεταβολομικής με βάση τη φασματομετρία μάζας για τη διερεύνηση της επίδρασης δύο χαρακτηριστικών ΦΠ της Ελλάδας, ενός βρώσιμου άγριου χόρτου (Cichorium spinosum – σταμναγκάθι) και ενός φυτοθεραπευτικού προϊόντος με πολλαπλές εφαρμογές στη βιομηχανία τροφίμων και ποτών (μαστίχα Χίου – ΜΧ), σε διαφορετικά πολύπλοκα βιολογικά συστήματα. Στο πρώτο μέρος της παρούσας διατριβής, ελέγχθηκε η επίδραση της ΜΧ, ενός προϊόντος προστατευόμενης ονομασίας προέλευσης (ΠΟΠ) της Ελλάδας, με αποδεδειγμένη φαρμακολογική δράση, σε μία κλινική μελέτη με ασθενείς με μη αλκοολική λιπώδη νόσο του ήπατος / μη αλκοολική στεατοηπατίτιδα (NAFLD/NASH). Το πρώτο βήμα σε αυτή τη διαδικασία ήταν η προμήθεια αναλυτικών προτύπων υψηλής καθαρότητας για το μαστιχαδιενονικό και ισομαστιχαδιενονικό οξύ, τα πιο χαρακτηριστικά τριτερπενικά οξέα της ΜΧ, μέσω της διαδικασίας της απομόνωσης και προσδιορισμού της δομής. Τα απομονωμένα πρότυπα χρησιμοποιήθηκαν για τον ποσοτικό τους προσδιορισμό σε δείγματα πλάσματος και κοπράνων ασθενών που συμμετείχαν στην κλινική μελέτη, με τη χρήση μίας μεθόδου UPLC-ESI-TripleTOF-HRMS. Στη συνέχεια, εφαρμόστηκε μία μη στοχευμένη μεταβολομική προσέγγιση σε δείγματα πλάσματος και κοπράνων των εθελοντών της μελέτης, με τη χρήση μιας πλατφόρμας UPLC-Orbitrap-HRMS και προηγμένων εργαλείων στατιστικής επεξεργασίας. Τέλος, πραγματοποιήθηκε ποσοτικοποίηση των ελεύθερων αμινοξέων σε δείγματα πλάσματος ασθενών που συμμετείχαν στη δοκιμή, χρησιμοποιώντας τα αντιδραστήρια παραγωγοποίησης atraq και μια τροποποιημένη πλατφόρμα UPLC-TripleTOF-SWATH-HRMS. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στη διερεύνηση των πτυχών του μεταβολισμού για τα χαρακτηριστικά τριτερπένια της ΜΧ. Το δεύτερο μέρος αυτής της διατριβής εστιάζει στο Cichorium spinosum (σταμναγκάθι), ένα πολύτιμο και ευρείας κατανάλωσης ενδημικό φυτό της περιοχής της Μεσογείου. Αρχικά, πραγματοποιήθηκε εκτενής χαρακτηρισμός του φυτοχημικού προφίλ του υδατικού εκχυλίσματος με τη χρήση UPLC-HRMS & HRMS/MS. Παράλληλα, αναπτύχθηκε ένα πρωτόκολλο μη στοχευμένης μεταβολομικής χρησιμοποιώντας μια προσέγγιση UPLC-ESI-Orbitrap-HRMS, προκειμένου να διερευνηθούν τα αποτελέσματα της προσθήκης εκχυλίσματος C. spinosum στη διατροφή της Drosophila melanogaster. Ο χαρακτηρισμός των ενδογενών μεταβολιτών της D. melanogaster ακολουθήθηκε από την ανάλυση αρκετών δειγμάτων του είδους, των οποίων η διατροφή είχε προηγουμένως εμπλουτιστεί με αφέψημα C. spinosum σε διαφορετικές συγκεντρώσεις. Αυτή η προσέγγιση επέτρεψε την ταυτοποίηση σημαντικών μεταβολιτών που με τη σειρά τους οδήγησαν στην εξερεύνηση ορισμένων βιολογικών οδών που επηρεάζονται από το εκχύλισμα του C. spinosum. Τέλος, πραγματοποιήθηκε επίσης ποσοτικοποίηση αμινοξέων στο ίδιο σύνολο δειγμάτων, με τα αντιδραστήρια παραγωγοποίησης atraq και μια πλατφόρμα UPLC-TripleTOF-SWATH-HRMS. Συνοψίζοντας, η τρέχουσα μελέτη υπογραμμίζει την αξία της χρήσης διαφορετικών βιολογικών πλατφορμών σε συνδυασμό με προηγμένες προσεγγίσεις μεταβολομικής βασισμένες στη φασματομετρία μάζας, για την αξιολόγηση της φαρμακολογικής δραστικότητας των ΦΠ ή των βιοδραστικών τροφίμων.