Preview

Разработка и регистрация лекарственных средств

Расширенный поиск

Использование подходов метаболомики в анализе лекарственных растений и фитопрепаратов (обзор)

https://doi.org/10.33380/2305-2066-2021-10-1-97-105

Полный текст:

Аннотация

Введение. Целью аналитического обзора является обобщение данных современной научной литературы о направлениях и возможностях использования подходов метаболомики в анализе лекарственных растений, растительного сырья и фитопрепаратов.

Текст. Анализ литературных данных показал, что метаболомные подходы имеют большой потенциал в области контроля качества многокомпонентных фитопрепаратов и биологически активных добавок (БАД), выявления фальсификаций редкого и дорогостоящего растительного сырья, хемосистематики лекарственных растений, изучении механизмов действия и токсичности лекарственных растений и т.д.

Заключение. Метаболомный анализ может стать эффективной аналитической платформой, как для фитохимического исследования растительного сырья, так и для регулярных мероприятий по контролю качества растительного материала и фитопрепаратов.

Об авторах

А. А. Орлова
ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный химико-фармацевтический университет» Министерства здравоохранения Российской Федерации (ФГБОУ ВО СПХФУ Минздрава России)
Россия
197376, г. Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, д. 14, лит. А


Й. Стругар
ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный химико-фармацевтический университет» Министерства здравоохранения Российской Федерации (ФГБОУ ВО СПХФУ Минздрава России)
Россия
197376, г. Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, д. 14, лит. А


О. Ю. Штарк
ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной микробиологии» (ФГБНУ ВНИИСХМ)
Россия
196608, г. Санкт-Петербург, Пушкин-8, шоссе Подбельского, д. 3


В. А. Жуков
ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной микробиологии» (ФГБНУ ВНИИСХМ)
Россия

196608, г. Санкт-Петербург, Пушкин-8, шоссе Подбельского, д. 3



В. Г. Лужанин
ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный химико-фармацевтический университет» Министерства здравоохранения Российской Федерации (ФГБОУ ВО СПХФУ Минздрава России)
Россия
197376, г. Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, д. 14, лит. А


М. Н. Повыдыш
ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный химико-фармацевтический университет» Министерства здравоохранения Российской Федерации (ФГБОУ ВО СПХФУ Минздрава России)
Россия

Повыдыш Мария Николаевна

197376, г. Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, д. 14, лит. А



Список литературы

1. Oliver S. G., Winson M. K., Kell D. B., Baganz F. Systematic functional analysis of the yeast genome. Trends in Biotechnology. 1998;16(9):373–378. DOI:10.1016/S0167-7799(98)01214-1.

2. Sumner L. W., Mendes P., Dixon R. A. Plant metabolomics: largescale phytochemistry in the functional genomics era. Phytochemistry. 2003;62(6):817–836.

3. Li Y., Li K., Zhang X. Next generation metabolomics in lung cancer diagnosis, treatment and precision medicine: mini review. Oncotarget. 2017;8:115774–115786. DOI: https://doi.org/10.18632/oncotarget.22404.

4. Fiehn O. Metabolomics – the link between genotypes and phenotypes. Plant Molecular Biology. 2002;48:155–171. DOI: 10.1023/A:1013713905833.

5. Tugizimana F., Piater L., Dubery I. Plant metabolomics: A new frontier in phytochemical analysis. South African Journal of Science. 2013;109(5-6):1–11.

6. Гончаров Н. В., Уколов А. И., Орлова Т. И., Мигаловская Е. Д., Войтенко Н. Г. Метаболомика: на пути интеграции биохимии, аналитической химии, информатики. Успехи современной биологии. 2015;135(1):3–17.

7. Bingol K. Recent advances in targeted and untargeted metabolomics by NMR and MS/NMR methods. High-throughput. 2018;7(9):1– 11. DOI: https://doi.org/10.3390/ht7020009.

8. Gorrochategui E., Jaumot J., Lacorte S., Tauler R. Data analysis strategies for targeted and untargeted LC-MS metabolomic studies: Overview and workflow. Trends in Analytical Chemistry. 2016;82:425–442.

9. Ott K. H., Araníbar N., Singh B., Stockton G. W. Metabonomics classifies pathways affected by bioactive compounds. Artificial neural network classification of NMR spectra of plant extracts. Phytochemistry. 2003;62(6):971–985.

10. Yang J., Song S. L., Castro-Perez J., Plumb R. S., Xu G. W. Metabonomics and its Applications. Chinese journal of biotechnology. 2005;21(1):1–5.

11. Lindon J. C., Holmes E., Nicholson J. K. Metabonomics Techniques and Applications to Pharmaceutical Research & Development. Pharmaceutical Researches. 2006;23:1075–1088. DOI: 10.1007/s11095-006-0025-z.

12. Wolfender J. L., Marti G., Thomas A., Bertrand S. Current approaches and challenges for the metabolite profiling of complex natural extracts. Journal of Chromatography A. 2015;1382:136–164.

13. Sung J., Lee S., Lee Y., Ha S., Song B., Kim T., Waters B. W., Krishnan H. B. Metabolomic profiling from leaves and roots of tomato (Solanum lycopersicum L.) plants grown under nitrogen, phosphorus or potassium-deficient condition. Plant Science. 2015;241:55–64. DOI: 10.1016/j.plantsci.2015.09.027.

14. Kim H. K., Choi Y. H., Erkelens C., Lefeber A. W. M., Verpoorte R. Metabolic Fingerprinting of Ephedra Species Using 1H-NMR Spectroscopy and Principal Component Analysis. Chemical & Pharmaceutical Bulletin. 2005;53(1):105–109. DOI: 10.1248/cpb.53.105.

15. Shimizu T., Watanabe M., Fernie A. R., Tohge T. Targeted LC-MS analysis for plant secondary metabolites. Plant Metabolomics: Methods and Protocols, Methods in Molecular Biology. 2018;1778:171–181. DOI: 10.1007/978-1-4939-7819-9_12.

16. Sawada Y., Akiyama K., Sakata A., Kuwahara A., Otsuki H., Sakurai T., Saito K., Hirai M. Y. Widely Targeted Metabolomics Based on Large-Scale MS/MS Data for Elucidating Metabolite Accumulation Patterns in Plants. Plant and Cell Physiology. 2008;50(1):37–47. DOI: 10.1093/pcp/pcn183.

17. Okada T., Afendi F.M., Altaf-Ul-Amin M., Takahashi H., Nakamura K., Kanaya S. Metabolomics of Medicinal Plants: The Importance of Multivariate Analysis of Analytical Chemistry Data. Current Computer Aided-Drug Design. 2010;6(3):179–196. DOI: 10.2174/157340910791760055.

18. Cevallos-Cevallos J. M., Reyes-De-Corcuera J. I., Etxeberria E., Danyluk M. D., Rodrick G. E. Metabolomic analysis in food science: a review. Trends in Food Science & Technology. 2009;20(11-12):557–566. DOI: 10.1016/j.tifs.2009.07.002.

19. Kim H. K., Choi Y. H., Verpoorte R. NMR-based metabolomic analysis of plants. Nature Protocols. 2010;5(3):536–549. DOI: 10.1038/nprot.2009.237.

20. Kim H. K., Verpoorte R. Sample preparation for plant metabolomics. Phytochemical Analysis. 2010;21(1):4–13. DOI: 10.1002/pca.1188.

21. Kruger N. J., Troncoso-Ponce M. A., Ratcliffe R. G. 1H NMR metabolite fingerprinting and metabolomic analysis of perchloric acid extracts from plant tissues. Nature Protocols. 2008;3(6):1001–1012. DOI: 10.1038/nprot.2008.64.

22. Nair P., Kandasamy S., Zhang J., Ji X., Kirby C., Benkel B., Prithiviraj B. Transcriptional and metabolomic analysis of Ascophyllum nodosum mediated freezing tolerance in Arabidopsis thaliana. BMC Genomics. 2012;13(1:643):1–23. DOI: 10.1186/1471-2164-13-643.

23. Angelcheva L., Mishra Y., Antti H., Kjellsen T. D., Funk C., Strimbeck R. G., Schröder W. P. Metabolomic analysis of extreme freezing tolerance in Siberian spruce (Picea obovata). New Phytologist. 2014;204(3):545–555. DOI: 10.1111/nph.12950.

24. Arora R., Malhotra, P., Mathur A. K., Mathur A., Govil C. M., Ahuja P. S. Anticancer alkaloids of Catharanthus roseus: transition from traditional to modern medicine. Herbal Medicine: A Cancer Chemopreventive and Therapeutic Perspective. New Delhi: Jaypee Brothers Medical Publishers Pvt. Ltd; 2010. 292–310 p.

25. Weckwerth W., Kahl G. The handbook of plant metabolomics. Weinheim: John Wiley & Son; 2013. 424 p.

26. Putri S. P., Fukusaki E. Mass spectrometry-based metabolomics: a practical guide. Boca Raton: CRC Press; 2014. 294 p.

27. António C. Plant metabolomics: Methods and protocols. Totowa: Humana Press; 2018. 355 p.

28. Wehrens R., Salek R. Metabolomics: practical guide to design and analysis. Boca Raton: CRC Press; 2018. 290 p.

29. Прокопьев И. А., Порядина Л. Н., Конорева Л. А., Шаварда А. Л., Филиппова Г. В. Метаболомный профайлинг некоторых видов рода Cladonia (Cladoniaceae). Растительные ресурсы. 2018;54(1):98–105.

30. Лоскутов И. Г., Шеленга Т. В., Конарев А. В., Шаварда А. Л., Блинова Е. В., Дзюбенко Н. И. Метаболомный подход к сравнительному анализу диких и культурных видов овса (Avena L.). Вавиловский журнал генетики и селекции. 2016;20(5):636–642.

31. Пузанский Р. К., Емельянов В. В., Гавриленко Т. А., Шишова М. Ф. Перспективы метаболомных исследований растений картофеля. Вавиловский журнал генетики и селекции. 2017;21(1):112–123.

32. Куркин В. А. Метаболомика растений как методологическая основа стандартизации лекарственных растительных препаратов. Сборник тезисов Международной научно-практической конференции «Гармонизация подходов к фармацевтической разработке»; 28 ноября, 2018. Москва: Российский университет дружбы народов. С. 107–109.

33. Peterson E. S., McCue L. A., Schrimpe-Rutledge A. C., Jensen J. L., Walker H., Kobold M. A., Webb S. R., Payne S. H., Ansong Ch., Adkins J. N., Cannon W. R., Webb-Robertson B.-J. M. VESPA: software to facilitate genomic annotation of prokaryotic organisms through integration of proteomic and transcriptomic data. BMC Genomics. 2012;13(1:131):1–12. DOI: 10.1186/1471-2164-13-131.

34. Kumar D., Bansal G., Narang A., Basak T., Abbas T., Dash D. Integrating transcriptome and proteome profiling: Strategies and applications. PROTEOMICS. 2016;16(19)2533–2544. DOI: 10.1002/pmic.201600140.

35. Gan H., Cai T., Lin X., Wu Y., Wang X., Yang F., Han C. Integrative Proteomic and Transcriptomic Analyses Reveal Multiple Posttranscriptional Regulatory Mechanisms of Mouse Spermatogenesi. Molecular & Cellular Proteomics. 2013;12(5):1144–1157. DOI: 10.1074/mcp.m112.020123.

36. Xia J., Wishart D. S. Using MetaboAnalyst 3.0 for Comprehensive Metabolomics Data Analysis. Current Protocols in Bioinformatics. 2016;55(1):1–91. DOI: 10.1002/cpbi.11.

37. Чередниченко М. Ю., Доброногова А. С., Поливанова О. Б., Хлебникова Д. А., Сосина А. В. Фундаментальные и прикладные аспекты использования системной биологии. Естественные и технические науки. 2020;2(140):47–54.

38. Lisec J., Schauer N., Kopka J., Willmitzer L., Fernie A. R. Gas chromatography mass spectrometry–based metabolite profiling in plants. Nature Protocols. 2006;1:387–396. DOI: 10.1038/nprot.2006.59.

39. De Vos R., Moco S., Lommen A., Keurentjes J. J. B., Bino R. J., Hall R. D. Untargeted large-scale plant metabolomics using liquid chromatography coupled to mass spectrometry. Nature Protocols. 2007;2:778–791. DOI: 10.1038/nprot.2007.95.

40. Sawada Y., Hirai M. Y. Integrated LC-MS/MS system for plant metabolomics. Computational and Structural Biotechnology Journal. 2013;4(5):1–6. DOI: 10.5936/csbj.201301011.

41. Hendriks M. M.W.B., Cruz-Juarez L., De Bont D., Hall R. D. Preprocessing and exploratory analysis of chromatographic profiles of plant extracts. Analytica Chimica Acta. 2005;545(1):53–64. DOI: 10.1016/j.aca.2005.04.026.

42. Sumner L. W., Huhman D. V., Urbanczyk-Wochniak E., Lei Z. Methods, applications and concepts of metabolite profiling: Secondary metabolism. Plant Systems Biology. Experientia Supplementum. 2007:97:195–212. DOI: 10.1007/978-3-7643-7439-6_9.

43. Hardy N. W., Hall R. D. Plant metabolomics: methods and protocols. Humana Press. 2012;860:1–10.

44. Kim H. K., Verpoorte R. Sample preparation for plant metabolomics. Phytochemical Analysis: An International Journal of Plant Chemical and Biochemical Techniques. 2010;21(1):4–13.

45. Доброногова А. С., Чередниченко М. Ю. Синтез вторичных метаболитов в биоонтологиях. Актуальные проблемы ботаники и охраны природы. 28–30 ноября. 2017; Симферополь. С. 146–152.

46. Мильман Б. Л., Журкович И. К. Избранная статистика использования библиотек масс-спектров. Масс-спектрометрия. 2014;11(2):123–125.

47. Fukushima A., Kusano M. Recent progress in the development of metabolome databases for plant systems biology. Frontiers in plant science. 2013;4:1–39. DOI: 10.3389/fpls.2013.00073.

48. Sorokina M., Steinbeck, C. Review on natural products databases: where to find data in 2020. Journal of Cheminformatics. 2020;12:1–51.

49. Nguyen-Vo T. H., Nguyen L., Do N., Nguyen T. N., Trinh K., Cao H., Le L. T. Plant Metabolite Databases: From Herbal Medicines to Modern Drug Discovery. Journal of Chemical Information and Modeling. 2020;60(3):1101–1110. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.jcim.9b00826.

50. Mattoli L., Cangi F., Maidecchi A., Ghiara C., Ragazzi E., Tubaro M., Stella L., Tisato F., Traldi P. Metabolomic fingerprinting of plant extracts. Journal of Mass Spectrometry. 2006;41(12):1534–1545. DOI: 10.1002/jms.1099.

51. Wolfendera J.-L., Glausera G., Boccardb J., Rudazb S. MS-based Plant Metabolomic Approaches for Biomarker Discovery. Natural Product Communications. 2009;4(10):1417–1430. DOI: 10.1177/1934578X0900401019.

52. Van der Kooy F., Verpoorte R., Meyer J.J.M. Metabolomic quality control of claimed anti-malarial Artemisia afra herbal remedy and A. afra and A. annua plant extracts. South African Journal of Botany. 2008;74(2):186–189. DOI: 10.1016/j.sajb.2007.10.004.

53. Mukherjee P. K., Harwansh R. K., Bshsdur S., Biswas S., Kuchibhatia L. N., Tetali S. D., Raghavendra A. S. Metabolomics of medicinal plants–a versatile tool for standardization of herbal products and quality evaluation of ayurvedic formulations. Current Science. 2016;111(10):1624–1630.

54. Frédérich M., Choi Y. H., Angenot L., Harnischfeger G., Lefeber A. W. M., Verpoorte R. Metabolomic analysis of Strychnos nux-vomica, Strychnos icaja and Strychnos ignatii extracts by 1H nuclear magnetic resonance spectrometry and multivariate analysis techniques. Phytochemistry. 2004;65(13):1993–2001.

55. Frédérich M., Jansen C., de Tullio P., Tits M., Demoulin V., Angenot L. Metabolomic analysis of Echinacea spp. by 1H nuclear magnetic resonance spectrometry and multivariate data analysis technique. Phytochemical Analysis. 2010;21(1):61–65. DOI: 10.1002/pca.1156.

56. Tuyiringire N., Tusubira D., Munyampundu J.-P., Tolo C. U., Muvunyi C. M., Ogwang P. E. Application of metabolomics to drug discovery and understanding the mechanisms of action of medicinal plants with anti-tuberculosis activity. Clinical and translational medicine. 2018;7(29):1–12. DOI: 10.1186/s40169-018-0208-3.

57. Чадин И. Хемосистематика – основа изучения биохимического разнообразия растений. Вестник Института биологии Коми НЦ УрО РАН. 2001;46:23–25.

58. Wang H. P., Liu Y., Chen C., Xiao H. B. Screening specific biomarkers of herbs using a metabolomics approach: a case study of Panax ginseng. Scientific reports. 2017;7(1):1–9.

59. Mišić D., Šiler B., Gašić U., Avramov S., Živković S., Nestorović Živković J., Milutinović M., Tešić Ž. Simultaneous UHPLC/DAD/(+/−) HESI-MS/MS Analysis of Phenolic Acids and Nepetalactones in Methanol Extracts of Nepeta Species: A Possible Application in Chemotaxonomic Studies. Phytochemical Analysis. 2015;26(1):72–85. DOI: 10.1002/pca.2538.

60. Sun B., Wu S., Li L., Li H., Zhang Q., Chen H., Li F., Dong F., Yan X. A metabolomic analysis of the toxicity of Aconitum sp. alkaloids in rats using gas chromatography/mass spectrometry. Rapid Communications in Mass Spectrometry. 2009;23(8):1221–1228. DOI: 10.1002/rcm.3992.

61. Zhang X., Wu H., Liao P., Li X., Ni J., Pei F. NMR-based metabonomic study on the subacute toxicity of aristolochic acid in rats. Food and chemical toxicology. 2006;44(7):1006–1014. DOI: 10.1016/j.fct.2005.12.004.

62. Mumtaz M. W., Hamid A. A., Akhtar M. T., Anwar F., Rashid U., Al-Zuaidy M. H. An overview of recent developments in metabolomics and proteomics – phytotherapic research perspectives. Frontiers in Life Science. 2017;10(1):1–37. DOI: 10.1080/21553769.2017.1279573.

63. Yaseen K. M., Vimal K., Anuradha G., Niraj V., Siddharth P., Amee B. Reverse Pharmacognosy in New Drug Discovery. Current Pharma Research Journal. 2007;1(5):31–36.

64. Do Q.-T., Renimel I., Andre P., Lugnier C., Muller C. D., Bernard P. Reverse pharmacognosy: application of Selnergy, a new tool for lead discovery. The example of ε-viniferin. Current drug discovery technologies. 2005;2(3):161–167.

65. Blondeau S., Do Q. T., Scior T., Bernard P., Morin-Allory L. Reverse pharmacognosy: another way to harness the generosity of nature. Current pharmaceutical design. 2010;16(15):1682–1696.

66. Лагунин А. А., Дружиловский Д. С., Рудик А. В., Филимонов Д. А., Гаванде Д., Суреш К, Гоел Р., Поройков В. В. Возможности компьютерной оценки скрытого потенциала фитокомпонентов лекарственных растений из традиционной индийской медицины Аюрведа. Биомедицинская химия. 2015;61(2):286–297.

67. Lagunin A. A., Goel R. K., Gawande D. Y., Pahwa P., Gloriozova T. A., Dmitriev A. V., Druzhilovsky D. S. Chemo-and bioinformatics resources for in silico drug discovery from medicinal plants beyond their traditional use: a critical review. Natural product reports. 2014;31(11):1585–1611.

68. Allwood J. W., Ellis D. I., Goodacre R. Metabolomic technologies and their application to the study of plants and plant–host interactions. Physiologia Plantarum. 2007;132:117–135. DOI: 10.1111/j.1399-3054.2007.01001.x.

69. Choi H.-C., Kim H. K., Linthorst H. J. M., Hollander J. G., Lefeber A. W. M., Erkelens C., Nuizllard J. M., Verpoorte R. NMR metabolomics to revisit the tobacco mosaic virus infection in Nicotiana tobacum leaves. Journal of Natural Products. 2006;69:742–748. DOI: 10.1021/np050535b.

70. Avio L., Turrini A., Giovannetti M., Sbrana C. Designing the Ideotype Mycorrhizal Symbionts for the Production of Healthy Food. Frontiers in Plant Science. 2018;9:1–19. DOI: 10.3389/fpls.2018.01089.

71. Shtark O. Y., Puzanskiy R. K., Avdeeva G. S., Yurkov A. P., Smolikova G. N., Yemelyanov V. V., Kliukova M. S., Shavarda A. L., Kirpichnikova A. A., Zhernakov A. I., Afonin A. M., Tikhonovich I. A., Zhukov V. A., Shishova M. F. Metabolic alterations in pea leaves during arbuscular mycorrhiza development. PeerJ. 2019;7:e7495. DOI: 10.7717/peerj.7495.

72. Murch S. J., Rupasinghe H. P. V., Goodenowe D., Saxena P. K. A metabolomic analysis of medicinal diversity in Huang-qin (Scutellaria baicalensis Georgi) genotypes: discovery of novel compounds. Plant Cell Reports. 2004;23(6):419–425. DOI: 10.1007/s00299-004-0862-3.

73. Lagunin A., Povydysh M., Ivkin D., Luzhanin V., Krasnova M., Okovityi S., Nosov A., Titova M., Tomilina S., Filimonov D., Poroikov V. Antihypoxic Action of Panax japonicus, Tribulus terrestris and Dioscorea deltoidea Cell Cultures: In Silico and Animal Studies. Molecular Informatics. 2020;39:1–12. DOI: 10.1002/minf.202000093.

74. Scognamiglio M., D’Abrosca B., Fiumano V., Golino M., Esposito A., Fiorentin A. Seasonal phytochemical changes in Phillyrea angustifolia L.: Metabolomic analysis and phytotoxicity assessment. Phytochemistry Letters. 2014:8:163–170. DOI: 10.1016/j.phytol.2013.08.012.


Дополнительные файлы

Для цитирования:


Орлова А.А., Стругар Й., Штарк О.Ю., Жуков В.А., Лужанин В.Г., Повыдыш М.Н. Использование подходов метаболомики в анализе лекарственных растений и фитопрепаратов (обзор). Разработка и регистрация лекарственных средств. 2021;10(1):97-105. https://doi.org/10.33380/2305-2066-2021-10-1-97-105

For citation:


Orlova A.A., Strugar J., Shtark O.Yu., Zhukov V.A., Luzhanin V.G., Povydysh M.N. Use of Metabolomic Approaches in Analysis of Medicinal Plants and Phytopreparations (Review). Drug development & registration. 2021;10(1):97-105. (In Russ.) https://doi.org/10.33380/2305-2066-2021-10-1-97-105

Просмотров: 494


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2305-2066 (Print)
ISSN 2658-5049 (Online)