Applications de la spectrométrie de masse en tandem par chromatographie liquide dans la recherche sur les produits naturels : les alcaloïdes tropanes comme étude de cas

Bien que les molécules entièrement synthétiques aient pris de l’importance dans la découverte de médicaments au cours des dernières décennies, près des deux tiers de tous les médicaments approuvés au cours des 39 dernières années sont des produits naturels ou inspirés de produits ^naturels1,2 , ce qui souligne l’importance continue de la recherche sur les produits naturels. Les alcaloïdes, certains produits naturels contenant de l’azote, sont particulièrement prisés pour leurs propriétés médicinales. Les alcaloïdes tropanes (TA) contenant le [3.2.1.]-système bicyclique contenant de l’azote, sont produits principalement par les plantes des familles des Solanacées (morelles), des Erythroxylaceae et des Convolvulaceae. Les exemples incluent l’atropine, la scopolamine et la cocaïne ; Plusieurs tropanes semi-synthétiques ou synthétiques sont également utilisés cliniquement³. Les TA et leurs dérivés sont utilisés pour traiter de nombreuses affections ^3,4 et plusieurs de ces médicaments figurent sur la liste 2023 des médicaments essentiels de l’OMS⁵. En raison de leurs activités puissantes, les TA sont également utilisés à des fins récréatives (comme stimulants ou délirants) et peuvent provoquer une intoxication lors de l’ingestion de plantes (ou de préparations) qui en contiennent ^6,7. Les TA sont indésirables dans l’alimentation humaine et animale⁸ et peuvent altérer les thés, les épices, les céréales, le miel et les suppléments à base de plantes ^9,10. En raison de leur promesse médicinale et de leur capacité à empoisonner, les méthodes analytiques qui peuvent aider à la découverte de nouveaux TA (et à l’identification des TA connus) sont utiles.

En spectrométrie de masse en tandem (MS/MS), des « filtres de masse » (p. ex., quadripôles, tubes à temps de vol) sont couplés physiquement (« dans l’espace »), ou un instrument utilise des étapes de réaction ou de séparation supplémentaires « dans le temps ». La spectrométrie MS/MS dans l’espace utilise différents modes pour sélectionner et fragmenter différents ions au niveau des différents filtres de masse (par exemple, les quadripôles d’un instrument triple quadripôle ou QQQ). Ces différents modes peuvent être utilisés pour déterminer quels fragments spécifiques sont fabriqués par un ion donné (balayage ionique produit), quels ions d’un échantillon produisent certains fragments (balayage d’ions précurseurs ou PrIS) ou subissent des pertes d’une masse caractéristique (balayage de perte neutre ou NLS), ou quels composés spécifiques possèdent quels fragments spécifiques (surveillance des réactions multiples). La MS/MS fournit donc des fragments utiles pour proposer des structures pour de nouveaux composés ou confirmer la présence d’un composé existant. La spectrométrie de masse est de plus en plus utilisée dans les domaines de la découverte de médicaments, de la chimie des produits naturels et de la métabolomique^11,12, et a été utilisée pour établir le profil d’espèces contenant des alcaloïdes (pour la caractérisation phytochimique ou l’analyse chimiotaxonomique) et pour détecter et quantifier des alcaloïdes spécifiques dans les aliments ou les plantes médicinales 10,13,14,15,16.

Malgré les nombreuses techniques de spectrométrie de masse disponibles, il est difficile de trouver de nouveaux alcaloïdes. En plus de trouver un organisme candidat au dépistage, une confirmation structurale complète d’un alcaloïde est un processus ardu qui peut inclure de nombreuses techniques d’analyse différentes. De plus, les chercheurs pourraient isoler un composé déjà connu, ce qui fait perdre du travail, du temps et des ressources. Cela est particulièrement difficile pour les AT, où des centaines, voire des milliers d’AT, dont beaucoup sont isomères les uns avec les autres, sont signalés. Le processus d’« identifier les connus et de les distinguer des inconnus » est connu sous le nom de déréplication. Des bases de données sur les temps de rétention (r.t.s) et les fragments de masse de différents TA et autres composés sont publiées pour faciliter ce processus^17,18. Néanmoins, la déréplication est laborieuse ; le simple fait d’annoter (c’est-à-dire d’attribuer des structures putatives à) les alcaloïdes dans l’ensemble du chromatogramme LC-MS/MS d’un échantillon prend du temps. Récemment, le réseau moléculaire^{1 9,20} et la déréplication manuelle 18,21,22 ont été utilisés pour les alcaloïdes de benzylisoquinoléine, d’indole monoterpénique et de tropane, et les PrISs ont été utilisés pour le « filtrage structurel » des spectres afin d’identifier les alcaloïdes de type pyrrolizidine et solanine ^23,24. Cependant, il n’existe pas de méthodes ou de flux de travail spécifiques pour la déréplication rapide basée sur LC-MS/MS d’échantillons contenant des TA, même si les TA possèdent des fragments communs et facilement identifiables (Figure 1). La méthode décrite ici utilise une combinaison de balayages d’ions produits dépendants des données (DD), de PrIS et de NLS pour annoter et classer les structures TA dans les plantes en fonction des modèles de fragmentation distincts pour les tropanes mono-, di- et trisubstitués (Figure 1A) et des pertes de groupes esters communs trouvés dans ces alcaloïdes (Figure 1B). Les organismes étudiés sont plusieurs espèces du genre Datura. Une riche source de TA divers, Datura a été utilisé tout au long de l’histoire du monde à des fins médicinales et culturelles¹⁷– et est une matrice difficile à dérépliquer en raison de ses nombreux TA structurellement similaires, nous fournissant des échantillons attrayants sur lesquels tester notre méthode.