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. 2021 May 8;39(5):518–525. [Article in Chinese] doi: 10.3724/SP.J.1123.2020.06022

超高效液相色谱-串联质谱法定量分析尿液中色氨酸及其代谢产物

Quantitative analysis of tryptophan and its metabolites in urine by ultra performance liquid chromatography-tandem mass spectrometry

Hui LI 1, Lanchong CUI 2, Guolei ZHANG 1, Mengmeng ZHANG 1, Lili JIAO 1, Wei WU 1,*
PMCID: PMC9403997  PMID: 34227336

Abstract

基于超高效液相色谱-串联质谱(UPLC-MS/MS)建立定量分析色氨酸(Trp)及代谢产物3-OH-犬尿氨酸(3-OH-Kyn)、3-OH-邻氨基苯甲酸(3-OH-AA)、黄尿酸(XA)、犬尿氨酸(Kyn)、5-羟基吲哚乙酸(5-HIAA)、犬尿喹啉酸(KA)和5-羟色胺(5-HT)的方法,应用该方法分析其在尿样中的含量,探讨排泄规律。将尿样稀释、离心后,加入丹磺酰氯(DNS-Cl)衍生,经Thermo C18色谱柱(50 mm×3 mm, 2.7 μm)分离和0.1%甲酸和甲醇梯度洗脱后,采用电喷雾电离(ESI)源,在正离子扫描和多反应监测(MRM)模式下检测。以咖啡酸(CA)为内标,定量分析。结果显示,8种目标化合物的线性关系良好,相关系数(R 2)≥0.9740,检测灵敏(LOD为0.005~0.5 ng/mL),回收率高(93.24%~107.65%)。采用本方法检测分析了健康志愿者70个尿液样本,在尿样中检测到Trp原型及其7种代谢产物。结果表明,体内的Trp是通过原型和代谢两种方式排泄:Trp原型的含量为5.22~20.88 μg/mL;尿液中经代谢后排泄的Trp量是原型的124%~268%,即体内的Trp主要经代谢后排出体外。方法主要研究了Trp-5-HT和Trp-Kyn两条途径的代谢产物含量,Trp经Kyn降解生成的3-OH-AA和3-OH-Kyn含量较多,即Trp-Kyn是体内Trp的主要代谢途径。方法通过UPLC-MS/MS实现了尿液中Trp及其代谢产物含量的检测,能为临床检查提供技术和理论支持。

Keywords: 超高效液相色谱-串联质谱, 柱前衍生, 色氨酸-犬尿氨酸代谢途径, 尿液


色氨酸(Trp)又称α-氨基β-吲哚丙酸[1],是人体必需的氨基酸之一[2]。人体每天需要的Trp来自内源蛋白质的分解和食物的消化吸收,这些Trp除用于蛋白质生物合成外,主要在肝、肾、脑等组织器官发生代谢[3,4]。Trp会在吲哚胺-2,3-双加氧酶、单胺氧化酶、犬尿甲酰胺酶等的作用下通过Trp-5-羟色胺(5-HT)和Trp-犬尿氨酸(Kyn)两条主要途径降解并排出体外[5,6]。受机体饮食、活动量以及机体状态的影响,每天摄入的Trp以及参与代谢的酶会发生变化,这些细小的变化如果逐渐积累放大,就会造成机体代谢状态的差异,最终导致疾病的发生。研究表明,肿瘤、感染性疾病、神经性疾病等均伴随发生Trp的代谢紊乱[7,8],了解Trp及其代谢产物在正常个体日常状态下的排泄规律对Trp相关疾病的普查、健康状态的监测,以及疾病的早期诊断都具有重要意义。

Trp及其代谢产物在体内含量低,检测难度较大。近年来,利用Trp及其代谢产物的紫外、荧光、电化学性质,可以采用的检测方法有高效液相色谱法(HPLC)[9]、高效毛细管电泳法(HPCE)[10]和高效液相色谱-质谱法[11](HPLC-MS)等。其中HPLC-MS由于其高度特异性及准确性成为当前的研究热点[12]。然而,现有文献关于Trp及其代谢产物的研究报道多集中在疾病个体和正常个体的区分,如Cheng等[13]发现肾功能不全患者血浆Trp和其代谢产物的含量较高;Heilman等[14]发现血液中Trp及其代谢产物含量可以用于评估帕金森患者病情;吴智明等[15]发现大肠癌患者尿液Kyn与Trp比值较对照组显著提高。这些报道研究多采用多时间点收集的尿液进行检测和比较,并不能反映某一时间点机体代谢产物的含量情况。Trp的吸收和排泄是正常机体每天都需要进行的生理过程,受食物摄入和活动量变化的影响较大[16]。了解健康志愿者随机尿样中Trp及其代谢产物的水平是Trp等相关代谢产物用于疾病诊断的基础。本实验基于超高效液相色谱-串联质谱法(UPLC-MS/MS),采用丹磺酰氯(DNS-Cl)柱前衍生化技术对目标化合物进行衍生,建立了Trp及其代谢产物的定量分析方法,并应用该方法研究了健康志愿者随机尿样中Trp及其代谢产物的含量,探索其在尿液中的排泄规律,为临床疾病的诊断提供理论支持。

1 实验部分

1.1 仪器、试剂与材料

Ultimate 3000型超高效液相色谱系统、TSQ Endura三重四极杆质谱仪(Thermo Fisher Scientific公司,美国); AG 22331低温高速离心机(Eppendorf公司,德国); MTN-2800D氮吹浓缩装置(天津奥特赛斯仪器有限公司,中国); SQP电子分析天平(北京赛多利斯科学仪器有限公司,中国); RCT-3200超纯化水机(莱博帕特科技发展有限公司,中国)。

3-OH-犬尿氨酸(3-OH-Kyn,纯度98%)(美国Sigma公司)、Trp(纯度>98.0%)、5-HT(纯度>98.0%); 3-OH-邻氨基苯甲酸(3-OH-AA,纯度98%,上海麦克林生化科技有限公司);黄尿酸(XA,纯度>96.0%,梯希爱上海化成工业发展有限公司);犬尿喹啉酸(KA,纯度>98.0%,上海源叶生物科技有限公司); Kyn(纯度>98.0%,阿拉丁试剂(上海)有限公司); 5-羟吲哚乙酸(5-HIAA,纯度>98.0%,美国Alfa Aesar公司);肌酐(Cr,纯度>98.0%,上海源叶生物科技有限公司);内标咖啡酸(CA,纯度99.9%,日本TCI公司); DNS-Cl纯度99%,北京百灵威科技有限公司);甲醇、甲酸、乙腈(色谱纯,美国Tedia公司)。

尿液样本的采集对象为吉林省长春市的7名健康男性,年龄为20~22岁,所有参与志愿者在采样前均详细阅读并签署了知情同意书。

1.2 实验方法

1.2.1 色谱及质谱条件

色谱柱:Thermo C18色谱柱(50 mm×3 mm, 2.7 μm);柱温:35 ℃;样品室温度:4 ℃;流动相:A为0.1%甲酸水溶液,B为甲醇;流速:0.2 mL/min。梯度洗脱程序:0~3.0 min, 30%B; 3.0~9.0 min, 30%B~95%B; 9.0~12.0 min, 95%B; 12.0~12.5 min, 95%B~30%B; 12.5~17.0 min, 30%B。进样量:2 μL。

采用电喷雾电离方式进行离子化,正离子、多反应监测(MRM)模式扫描。扫描范围:m/z 100~1000;喷雾电压:4000 V;鞘气压力:6.125 MPa;辅助气压力:0.875 MPa;传输毛细管温度:350 ℃;雾化器温度:300 ℃;针泵进样。数据采用Thermo Xcalibar软件进行分析。待测物的碰撞能量(CE)、RF透镜电压(RF lens)和其他质谱参数见表1

表 1.

目标化合物的质谱参数

Compound tR/min M r Number of dansyl group Precursor ion (m/z) Product ion (m/z) Collision energy/eV RF lens
3-OH-Kyn 3.86 224.08 2 691.14 171.14* 37.54 98.31
456.15 27.48
349.37 14.98
3-OH-AA 4.25 153.04 1 387.09 171.15* 17.59 85.73
216.19 15.36
341.50 15.21
XA 4.78 205.04 1 439.06 170.25* 19.81 154.31
268.16 9.89
393.14 12.37
Kyn 5.30 208.08 1 442.12 170.15* 22.21 80.25
251.14 11.32
271.04 9.22
Trp 5.38 203.80 1 438.18 170.89* 23.33 122.21
200.02 17.63
283.56 16.51
5-HIAA 6.22 191.06 1 425.11 171.15* 22.39 240.83
205.89 19.33
380.35 12.54
KA 6.51 189.04 1 423.51 170.44* 18.72 120.39
252.10 11.65
378.22 12.25
5-HT 7.75 179.06 2 643.34 171.13* 37.95 88.75
380.10 15.66
393.02 28.77
CA (IS) 7.78 182.06 2 647.09 171.11* 27.39 145.28
234.57 20.72
413.07 18.70

RF: radio frequency; * Quantitative ion

1.2.2 样品的收集与处理

于每天11∶00~13∶00在洁净容器中收集中段尿液10 mL,取1 mL,加入100 μL 1%甲酸水溶液,混匀后,以5000 r/min离心10 min,取上清200 μL,于-80 ℃避光冷冻,备用,分析时,尿样于4 ℃下解冻。向尿液样品中加入50 μL 100 μg/mL的CA和含8 mg/L DNS-Cl的乙腈溶液200 μL,混匀,加入400 μL 0.1 mol/L Na2CO3-NaHCO3缓冲溶液,涡旋,于60 ℃金属浴加热20 min。再次向反应体系中加入16 μL 0.5 mol/L三乙胺溶液。反应30 min后加入15%甲酸水溶液16 μL,终止反应,过0.22 μm微孔滤膜,备用。衍生反应的结构通式见图1

图 1. 丹磺酰氯的衍生反应.

Fig. 1

配制含有3.0 mmol/L MgCl2·6H2O、3.8 mmol/L CaCl2·2H2O、14.5 mmol/L Na2SO4、72.1 mmol/L NaCl、2.2 mmol/L C6H5Na3O7·2H2O、18.7 mmol/L KH2PO4、0.15 mmol/L Na2C2O4、19.3 mmol/L KCl、17.2 mmol/L NH4Cl、41.6 mmol/L 尿素和9.3 mmol/L Cr的人工尿样(pH=7.4)模拟空白基质。在空白基质中加入不同浓度的标准溶液作为质控(QC)样本用于监控分析序列的重复性和稳定性,处理方法同上。

2 结果与讨论

2.1 色谱及质谱条件的优化

本实验所测定的化合物含有氮原子,相对分子质量较小,在正离子扫描模式下,[M+H]+强度很弱,难以检测,且易发生源内裂解,检测难度较大。同时,由于极性原因,目标化合物与尿液中强极性化合物一同流出,基质效应较大。本实验以丹磺酰氯为衍生化试剂,采用柱前衍生的方法对尿液中Trp及其代谢产物进行衍生。丹磺酰氯是一种强荧光剂,基团上的磺酰基能够与伯胺、仲胺以及酚羟基发生取代反应,提高化合物的相对分子质量,同时丹磺酰氯衍生后还可以改善待测物的极性,延长保留时间,提高检测灵敏度。待测物的二级质谱图见图2

图 2. 衍生产物的二级质谱图.

Fig. 2

2.2 方法学考察

待测化合物属于内源性物质,本研究依据《中国药典》(2015版)中“生物样品定量分析方法验证指导原则”,采用人工尿样作为空白基质,向其中添加标准品的方法进行方法学验证,考察了方法的专属性、线性范围、精密度、稳定性和回收率。

2.2.1 专属性

精密量取人工尿液样本,加入不同浓度的混合标准溶液,建立空白基质匹配标准曲线。按1.2.2节处理空白人工尿液和实际尿液,并将混合标准溶液加入人工尿液中,分别得到空白人工尿液、实际尿液和加标尿样的提取离子流色谱图(见图3)。

图 3. 衍生产物的提取离子流色谱图.

Fig. 3

通过提取离子流色谱图分析可知,人工尿液中只有Cr峰,而无其他目标化合物(见图3a),图3b中待分析物的保留时间与图3c中标准品一致。说明本方法的专属性良好。

2.2.2 线性范围与检出限

在优化后的条件下对系列混合标准溶液进行分析,并以浓度为横坐标、目标化合物与内标(CA)峰面积比值为纵坐标,绘制标准曲线。结果表明,8种目标化合物各自范围内有良好的线性关系,相关系数(R2)≥0.9740。检出限(LOD)以3倍的信噪比计算,8种目标化合物的LOD为0.005~0.5 ng/mL(见表2)。

表 2.

目标化合物的线性方程、相关系数、线性范围、检出限、回收率和精密度

Compound Linear equation R 2 Linear range/
(μg/mL)
LOD/
(ng/mL)
Spiked content/
(μg/mL)
Recovery/% RSDs (n=6)/%
Intra-day Inter-day
3-OH-Kyn Y=0.0082X-0.046 0.9764 0.1- 5.0 0.01 0.1 105.41 1.31 0.61
2.5 106.22 2.54 1.23
5 98.47 3.11 3.26
3-OH-AA Y=0.0009X-0.0310 0.9873 0.5- 25 0.1 0.5 93.24 0.78 0.78
10 106.24 3.11 3.11
20 102.61 2.21 2.21
XA Y=0.0645X -0.0683 0.9740 0.1- 5.0 0.05 0.1 102.92 0.51 0.51
2.5 104.23 2.14 2.14
5 96.97 1.16 1.16
Kyn Y=2.9064X-0.1972 0.9941 0.5- 25 0.1 1 95.96 1.23 1.23
12 105.44 2.11 2.11
25 103.12 1.11 1.11
Trp Y=0.5550X+0.1972 0.9954 1- 50 0.5 2 107.65 2.14 3.59
20 105.94 3.12 3.12
40 102.21 1.45 1.45
5-HIAA Y=4.5184X+0.8491 0.9797 0.2- 10 0.01 0.2 96.77 0.85 0.85
4 104.33 2.33 2.33
8 107.25 2.54 2.54
KA Y=0.0677X-0.0153 0.9908 0.1- 5.0 0.05 0.1 96.77 0.75 0.75
2 98.99 2.69 2.69
4 102.21 1.78 1.78
5-HT Y=0.0105X+0.0457 0.9998 0.01- 0.5 0.005 0.02 97.47 0.99 0.99
0.25 104.43 1.23 1.23
0.5 103.32 1.25 1.25

Y: peak area ratio of analyte to internal standard; X: mass concentration, μg/mL.

2.2.3 回收率和精密度

在空白基质(人工尿样)中分别添加高、中、低3种不同水平的混合标准溶液,进行方法回收率的验证,各目标化合物加标水平见表2。结果表明,目标化合物的回收率为93.24%~107.65%。每种水平各6份,连续测定3 d,计算日内和日间精密度,结果分别为0.51%~3.12%和0.51%~3.59%。

2.2.4 稳定性

取人工尿液样本,加入线性范围中高点和低点两个水平的混合标准溶液,每个水平制备3个平行样本,分别考察样品在室温放置6 h、反复冻融3次、-80 ℃冻存10 d及经处理后室温放置24 h后的稳定性。

结果表明,在上述考察条件下,目标化合物含量的标准偏差均小于15%,表明样品在上述条件下均保持稳定。

2.3 尿液测定结果

将尿液进行处理和分析,得到尿液中目标化合物的含量。7名健康志愿者的尿样连续测定10 d,结果见图4

图 4. 7名志愿者尿样中目标化合物的含量(平均值±SD,n=10).

Fig. 4

尿液中的Trp主要来源于食物中外源性的氨基酸和机体内源性蛋白质的分解[17],由于志愿者未受运动和饮食限制,尿样的色氨酸含量可能会受到饮食和运动影响。

经测定,志愿者的尿中Trp的含量波动范围为1.71~25.34 μg/mL,经代谢后排泄的Trp是原型量的124%~268%。在Trp的两条代谢途径中,经Kyn途径生成Kyn、KA、3-OH-Kyn、3-OH-AA和XA,尿液中的含量分别是0.99~3.72 (3-OH-Kyn)、2.51~21.11 (3-OH-AA)、0.25~1.12 (XA)、0.15~1.53 (Kyn)和0.24~2.58 (KA) μg/mL;经5-HT途径生成的5-HT和5-HIAA,含量分别为0~0.31 μg/mL(5-HT)和2.2~17.94 μg/mL(5-HIAA)。Kyn途径代谢产物含量是5-HT代谢途径相关产物的104%~176%,说明Trp经Kyn降解生成3-OH-AA和3-OH-Kyn的是Trp的主要代谢产物。尿中的Trp-Kyn代谢产物的测定结果与已有报道[18]结果一致。经统计学分析,受试者6(S-6)和受试者7(S-7)间差异较明显(P<0.05),其余受试者均不存在显著性差异。

有文献报道[19,20,21]将肌酐作为内参,通过其他化合物浓度与肌酐含量的比值来进行计算。本方法也以肌酐含量为基准,比较了目标化合物含量在不同尿样中的差异,并没有发现不同个体尿样中目标化合物含量有显著性差异。

3 结论

本文基于UPLC-MS/MS技术建立了一种测定Trp及其代谢产物的定量方法。该方法采用DNS-Cl对目标化合物进行衍生,方法灵敏度高,重复性好,可以实现尿液中目标化合物的准确定量。

参考文献:


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