应用离子淌度质谱技术解析地中海拟翼藻来源类疣囊毒素异构体的构效关系研究

《ANALYTICAL AND BIOANALYTICAL CHEMISTRY》：Ion mobility–mass spectrometry of palytoxin-like compounds produced by Ostreopsis cf. ovata

本期推荐研究人员针对Ostreopsis cf. ovata产生的类疣囊毒素（PLTX analogues）因存在大量手性中心导致色谱分离与质谱鉴定困难的问题，首次采用离子淌度质谱（IM-MS）技术，通过DTIMS、TWIMS和TIMS三种平台系统分析了PLTX、OVTX-a和OVTX-b的离子淌度行为，获得102个CCS值并揭示其折叠构象特征，为复杂样本中毒素筛查提供了高可靠性数据库参数。

　　

在地中海沿岸，自上世纪90年代末以来，微藻Ostreopsis cf. ovata的大量繁殖已成为一个日益严重的公共卫生和生态问题。该藻产生的类疣囊毒素（palytoxin, PLTX）及其类似物如卵毒素（ovatoxins, OVTXs），具有极强的血管收缩活性，常引发海产品中毒事件。这类毒素分子结构复杂，拥有超过60个手性中心，不同类似物之间仅羟基位置存在微小差异，导致其存在大量异构体和同量异位素，使得传统的液相色谱-质谱（LC-MS）方法在分离和鉴定方面面临极大挑战。

为解决这一难题，来自西班牙巴塞罗那大学、弗里茨·哈伯研究所及多家研究机构的研究团队首次将离子淌度质谱（ion mobility-mass spectrometry, IM-MS）技术应用于PLTX及其类似物的分析中。该研究系统比较了漂移管离子淌度（DTIMS）、行波离子淌度（TWIMS）和阱离子淌度（TIMS）三种技术平台，并结合分子动力学模拟，深入揭示了这类毒素在气相中的构象特征及其金属加合行为。该成果发表于《Analytical and Bioanalytical Chemistry》，为复杂环境与生物样本中的毒素筛查提供了新的分析策略和关键数据库参数。

本研究主要依托以下关键技术方法：通过超高效液相色谱（UHPLC）对微藻样本提取物进行预分离，获取富集OVTX-a和OVTX-b的组分；采用纳升电喷雾离子源（nano-ESI）在不同仪器平台（Synapt G2-S HDMS和timsTOF Pro）上生成多电荷离子；利用DTIMS和TWIMS测量碰撞截面（CCS）值，并以氮气（N₂）和氦气（He）作为漂移气体；借助TIMS的高分辨淌度分离能力辨析异构体；通过分子动力学模拟（AMBER20软件，GAFF2力场）研究加合离子的三维构象与稳定性。样本来源于2021年西班牙Sant Andreu de Llavaneres地区的Ostreopsis cf. ovata藻华。

结果部分

离子化行为与主要观测离子

通过nESI-IM-HRMS分析，PLTX标准品及OVTX-a、OVTX-b主要形成三重电荷离子[M+H+Ca]³⁺和[M+H+2Na]³⁺，以及双电荷离子[M+H+Na]²⁺。此外，还观察到由于源内碎裂产生的多个水丢失离子。TIMS的高分辨率显示，这些水丢失离子可能存在多种异构体，其淌度行为略有不同，提示水分子可能从毒素分子的不同位置丢失。

离子淌度行为与CCS值测定

DTIMS和TWIMS测量显示，三重电荷离子的DTCCS_N2值介于576–593 ?2之间，双电荷离子为538–557 ?2。不同毒素的同类离子CCS值差异小于1.1%，说明细微结构差异未引起构象的显著变化。TIMS进一步揭示了[M+H+2Na]³⁺和[M+H+Ca]³⁺离子存在多个淌度峰，提示可能存在多种构象异构体。

分子动力学模拟揭示折叠构象

计算研究表明，PLTX及其类似物在气相中倾向于形成折叠构象，该构象通过内部氢键得以稳定。Ca²⁺和Na⁺通过与分子内多个氧原子配位（配位数分别为8和6），位于折叠结构的内部，因此不影响分子的整体体积和CCS值。

CCS数据库建立与校准策略比较

研究首次报道了102个离子的CCS值（DTCCS_He、DTCCS_N2和TWCCS_N2）。比较发现，以PLTX标准品本身作为校准物，比采用葡聚糖（dextran）标准品能得到更准确的TWCCS值（与DTCCS差异仅0.9%），凸显了在高速择性分析中采用结构类似校准物的重要性。

讨论与结论

本研究通过整合多种离子淌度技术理论与计算模拟，首次揭示了PLTX类似物在气相中以折叠构象存在，且金属加合发生于分子内部，而水分子丢失则可能发生在分子外围，后者是导致异构体产生和淌度行为差异的主要原因。研究提供的102个高精度CCS值可作为重要参考数据纳入毒素筛查数据库，显著提高复杂样本中此类毒素鉴定的可靠性和灵敏度。

该工作不仅为海洋生物毒素的鉴定提供了新的分析方法，也展示了离子淌度质谱在解析复杂生物大分子构象差异方面的强大能力。未来，进一步结合TIMS的高分辨淌度分离与能量解析功能，有望更深入地揭示不同异构体的构效关系及其潜在毒理学差异，为相关公共卫生风险的精准评估提供科学依据。