科学家们开发了一种新方法，有助于理解人们摄入植物产品及其所含多种化学物质后在体内发生的变化。《天然产物杂志》发表了埃默里大学研发的这一快速分析天然产物效应的方法。
作为测试案例，该论文聚焦于实验室培养皿中人体肝细胞对卡痛草（Mitragyna speciosa）植物化学物质的生物转化。研究人员开发了一种自动化方法——基于高分辨率质谱和分子网络映射——以获得对所产生代谢物（即化学产物）的详细、宏观视图。
这种新的简化方法可广泛应用于营养和膳食补充剂研究，填补了该领域的一个关键空白。
"植物进化出了极其复杂的化学防御和信号系统，"该研究的共同资深作者、埃默里医学院皮肤科教授兼人类健康研究中心教授卡桑德拉·奎夫表示。"我们在分子映射方面的新方法使我们能够追踪这些化学复杂性如何被人体代谢所重塑。"
"我们的技术不仅仅观察这种植物中一种化合物如何被代谢，"该研究的第一作者、埃默里大学莱尼研究生院分子和系统药理学博士生威廉·克兰德尔补充道。"它展示了数十种化合物如何同时被代谢。"
"这种方法标志着天然产物研究中的一个重大变革性步骤，"论文的共同资深作者、埃默里医学院教授迪恩·琼斯表示。"过去需要数年工作的过程现在只需几天时间。"
这一新框架提供了一个起点，有助于标准化并加深理解当天然产物以传统医学的典型方式被摄入时（如将叶子煮成茶）所产生的效果。
独特的专业知识组合
这一突破源于计划从事天然产物研究事业的克兰德尔的热情和奉献，以及他的共同导师奎夫和琼斯的独特资源。
"所有这些因素汇聚在一起，"琼斯说。"你可以称之为偶然的幸运。"
奎夫是一位领先的民族植物学家，研究植物在传统文化中如何被用作药物。她建立了一个包含3000多种植物提取物的天然产物库，记录了这些植物的药用用途。她的实验室发现了这些天然产物中一些如何对危险病原体（包括抗生素耐药细菌）起作用的实际机制。
琼斯是肺病、过敏、重症监护和睡眠医学部的医学教授，也是埃默里临床生物标志物实验室主任。他是人类健康和疾病中营养和环境因素的高分辨率代谢组学分析技术开发的世界领导者。
解码自然的医药宝库
克兰德尔喜欢运用尖端技术探索植物的古老秘密。
"我喜欢植物中所有化合物的复杂性和无限可能性，"他说。"总有一些有趣的东西隐藏在深处，等待被发现。"
现代约一半的药物源自天然产物——由植物、动物或细菌等生物体产生的化学化合物。常见的例子包括阿司匹林（基于柳树皮中发现的止痛化合物）和紫杉醇（从太平洋紫杉树皮中提取的强效抗癌药物）。
植物是化学大师——单一物种可能产生数百或数千种化学物质，帮助植物正常功能并防御捕食者和疾病。然而，这种宝藏的丰富性使得研究变得具有挑战性。
"科学通常是还原论的，"克兰德尔解释道。"你面对一个大型系统，比如药用植物，然后尝试分离出负责药用活性的单一化合物。"
他补充说，这种方法的问题在于，它没有考虑当植物被摄入时其多种不同化学物质之间的相互作用。
尽管挑战巨大，克兰德尔仍努力为这一复杂问题找到简化解决方案。他选择了卡痛草（Mitragyna speciosa）作为测试对象，因为关于该植物及其活性成分的研究非常广泛。
卡痛草：争议不断但广泛使用
这种原产于东南亚的咖啡科植物，因其报告的情绪增强和止痛效果而在草药医学中有着深厚的根基。传统上通过咀嚼叶子或将叶子在水中煮沸作为茶饮来摄入。
现代科学从卡痛草中分离出两种主要的精神活性成分，即具有类阿片效果的生物碱：米特拉金宁（mitragynine）和7-羟基米特拉金宁（7-hydroxymitragynine）。
在美国，卡痛草叶子和使用这些活性成分制备的产品作为提取物、药丸、胶囊和悬浮液出售。根据美国食品和药物管理局（FDA）的说法，卡痛草通常用于自我治疗疼痛、咳嗽、腹泻、焦虑和抑郁、阿片类药物使用障碍和阿片类药物戒断等症状。
与卡痛草使用相关的报告副作用范围广泛，包括从失眠到镇静、幻觉到意识混乱，以及在罕见情况下导致死亡。美国缉毒局已将卡痛草列为"关注的药物和化学品"，FDA警告消费者不要使用卡痛草，因为存在严重不良事件的风险，包括肝毒性、癫痫发作和物质使用障碍。
然而，根据药物滥用和心理健康服务管理局的全国药物使用和健康调查显示，估计有170万12岁及以上的美国人于2021年使用了卡痛草。
获取化学"指纹"
克兰德尔指出，即使是单个卡痛草植物，其化学成分也可能因植物年龄和生长环境条件等因素而存在广泛差异。
在当前研究中，不同植物样本的卡痛草叶子分别在热水中浸泡，制成类似茶的混合物。然后将混合物蒸发成粉末提取物。
使用高分辨率质谱技术对提取物进行化学表征，这是一种识别未知化合物的标准技术。"质谱是一种强大的工具，"克兰德尔说。"你可以识别极低丰度和极高丰度的分子以及介于两者之间的所有分子。"
简单来说，样品中的分子被转化为气相离子，以便通过电场进行操作。这允许根据其质荷比分离离子。
克兰德尔进一步使用称为串联质谱的技术，该技术将样品中的离子碎裂，基于它们如何分解来确定其结构相似性。
碎裂模式揭示了与化学结构相关的独特分子"指纹"。这些结果可以通过现有的分子碎裂模式数据集进行比对以找到匹配项，就像侦探可能会将犯罪现场的指纹通过国家数据库进行比对一样。
结果显示，来自不同植物的提取物具有三种不同的化学特征。
追踪生物转化
每种提取物都被添加到人体肝细胞的实验室制备物中。这些制备物被培养以允许生物转化发生。
肝细胞是实验室代谢物研究中使用的既定工具，因为肝脏是任何被摄入物质代谢的主要器官。例如，还原论方法着眼于肝细胞中的酶如何与单一化学化合物相互作用，产生大约十几种不同的代谢物。
然而，当前研究调查了肝酶与每种卡痛草提取物中约100种化学化合物的同时相互作用。这些化合物中的每一种又转化为数十种代谢物。
克兰德尔对代谢样品重复了质谱分析。
这为他提供了生物转化过程的"前"和"后"数据。
自动化复杂分析
克兰德尔利用现有软件将生物转化数据可视化为分子网络。然后，他使用计算机语言Python开发了一个实用的简化工具，以自动化分析由此产生的高度复杂网络图的过程。
"我特别设计我的网络来展示前体化合物与其结果代谢物之间的关系，"他说。"我添加了多层标准，以提高其准确性的可信度。"
这些验证标准包括化学式的界定；其功能，由碎裂模式确定；以及化学信号的强度，以确定其在样品中的强度。
这种多层分子网络提供了对卡痛草叶子中所有化学物质及其代谢产生的代谢物的前所未有的视图。
以前，试图理清天然产物中所有这些关系是碰运气的。
"就像在一个化学宇宙中随机漫步，"琼斯解释道。"威廉·克兰德尔开发了一种方法，可以在单一快照中展示所有这些相互作用。他打开了大门，回答了先前几乎无法回答的关于天然产物潜在益处和毒性的疑问。"
卡痛草分析的结果表明，植物中一些最重要的生物活性化合物可能在肝脏代谢过程中产生，即使它们在植物本身中不存在。
结果还显示，来自三种化学成分不同的卡痛草叶子提取物产生了不同的代谢物。
"这有助于解释为什么像卡痛草这样的植物产品可能对使用不同配方产品的个体产生可变且有时不可预测的效果，"奎夫说。
虽然目前的论文聚焦于卡痛草，但这种新的分析框架为研究一系列天然产物的潜在益处和毒性奠定了基础。
克兰德尔设想建立一个数据库，绘制各种天然产物的前体化合物和代谢物。这个资源库可以作为动物模型进一步研究的基础，并最终用于人体临床研究。
"我希望我们的方法能激发更多研究人员研究天然产物作为整体的效果，因为这就是人们通常摄入它们的方式，"克兰德尔说。"我们现在拥有可用的技术，既可以简化又可以提高天然产物研究的严谨性，从而造福人类健康。"
论文的合著者包括：埃默里大学研究生贾奎琳·温伯格和格兰特·辛格；埃默里大学化学系科学家肯·刘；埃默里大学研究助理春-明·李；以及埃默里大学生物化学名誉教授爱德华·摩根。
【全文结束】
