Development of analytical methodology based on chromatographic and mass spectrometric techniques for the characterization and fingerprinting of bioactive compounds of Crocus sativus L.

The present research study included the development of analytical methodology based on chromatographic and mass spectrometric techniques for the determination and fingerprinting of bioactive compounds derived from Crocus sativus L. and also their interaction with biomolecules, with the aim to invest...

Πλήρης περιγραφή

Λεπτομέρειες βιβλιογραφικής εγγραφής
Κύριος συγγραφέας: Κουλακιώτης, Νικόλαος Σταύρος
Άλλοι συγγραφείς: Κορδοπάτης, Παύλος
Μορφή: Thesis
Γλώσσα:English
Έκδοση: 2016
Θέματα:
Διαθέσιμο Online:http://hdl.handle.net/10889/9181
id nemertes-10889-9181
record_format dspace
institution UPatras
collection Nemertes
language English
topic Crocus sativus L.
Stigmas
Apocarotenoid ester glycosides
Reversed-phase HPLC
Quantification
Validation
Mass Spectrometry
Crocins
Picrocrocin
MALDI-MS
ESI-MS
Tandem mass spectrometry
High-energy CID
Low-energy CID
Multistage mass spectrometry
Accurate mass measurement
Noncovalent complex
Alzheimer's disease
Αmyloid‐β‐peptide
Κρόκος Κοζάνης
Στίγματα
Σαφράν
Αποκαροτενοειδή
Κροκίνες
Πικροκροκίνη
Απομόνωση
Χρωματογραφία κατ’ αντιροή
Υγρή χρωματογραφία υψηλής απόδοσης
Επικύρωση μεθόδου
Ποσοτικοποίηση
Φασματομετρία μάζας
Δίδυμη φασματομετρία μάζας
Ιονισμός μέσω ηλεκτροψεκασμού
Αμυλοειδές πεπτίδιο
Νόσος Αλτσχάιμερ
615.324 38
spellingShingle Crocus sativus L.
Stigmas
Apocarotenoid ester glycosides
Reversed-phase HPLC
Quantification
Validation
Mass Spectrometry
Crocins
Picrocrocin
MALDI-MS
ESI-MS
Tandem mass spectrometry
High-energy CID
Low-energy CID
Multistage mass spectrometry
Accurate mass measurement
Noncovalent complex
Alzheimer's disease
Αmyloid‐β‐peptide
Κρόκος Κοζάνης
Στίγματα
Σαφράν
Αποκαροτενοειδή
Κροκίνες
Πικροκροκίνη
Απομόνωση
Χρωματογραφία κατ’ αντιροή
Υγρή χρωματογραφία υψηλής απόδοσης
Επικύρωση μεθόδου
Ποσοτικοποίηση
Φασματομετρία μάζας
Δίδυμη φασματομετρία μάζας
Ιονισμός μέσω ηλεκτροψεκασμού
Αμυλοειδές πεπτίδιο
Νόσος Αλτσχάιμερ
615.324 38
Κουλακιώτης, Νικόλαος Σταύρος
Development of analytical methodology based on chromatographic and mass spectrometric techniques for the characterization and fingerprinting of bioactive compounds of Crocus sativus L.
description The present research study included the development of analytical methodology based on chromatographic and mass spectrometric techniques for the determination and fingerprinting of bioactive compounds derived from Crocus sativus L. and also their interaction with biomolecules, with the aim to investigate their role in human health. The main bioactive analyzed compounds were picrocrocin, crocetin and analogues thereof, which are unusually glucosylated carotenoids (ranging from one up to a total five glucosyl-residues) and specifically Gentiobiosyl-gentiotriosyl-E-crocetin (trans-crocin-5, TC-5), Gentiobiosyl-neapolitanosyl-E-crocetin (trans-crocin-5′, TC-5′) bis-Gentiobiosyl-E-crocetin (trans-crocin-4, TC-4), Gentiobiosyl-glucosyl-E-crocetin (trans-crocin-3, TC-3), bis-Glucosyl-E-crocetin (trans-crocin-2, TC-2), (4) bis-Gentiobiosyl-13-Z-crocetin (cis-crocin-4, CC-4), Gentiobiosyl-glucosyl-13-Z-crocetin (cis-crocin-3, CC-3), Crocetin (CRT) and Picrocrocin (PICR) with ultimate objective the assessment of their biological effect on the prevention and treatment of various neurodegenerative diseases like Parkinson's and Alzheimer's disease. Because of their particular complicated structural motif and the extendeed degree of symmetry which constitutes a rather complex mixture of glycoconjugates it became imperative to isolate and characterize their structures mainly with state-of-the-art chromatographic and mass spectrometric techniques. The developed methodologies included the use of the following modern analytical techniques and instrumentation: i) Size-exclusion chromatography (SEC), Medium pressure liquid chromatography (MPLC), semi-preparative High Performance Liquid Chromatography (semi-Prep HPLC) and Fast Centrifugation Partition Chromatography (FCPC) for the separation and isolation of aforementioned bioactive compounds, ii) various tandem mass spectrometric techniques such as MALDI-TOF/RTOF-MS in combination with collision-induced dissociation, ESI-QqRTOF-MS/MS, IP-MALDI Q-TOFMSn (n = 1 or 2), ESI-LTQ-orbitrap-MS/MS and ESI-IT-MS/MS for detailed structure elucidation, characterization and diffentiation of bioactive compounds isolated from Crocus sativus L. and iii) ESI-QqRTOF-MS and ESI-Ion Mobility Spectrometry-MS (ESI IMS-MS) for the screening of the noncovalent interaction between beta amyloid peptide Aβ(1-40) and Crocus-derived bioactive compounds natural products (such as crocins with different number of carbohydrate moieties). In conclusion, the application of MALDI high energy CID to structure elucidation of Crocus-derived bioactive compounds turned out to be very helpful particular because low energy CID often fails to provide structural relevant fragmentation whereas for the differentiation of selected positional crocetin glycoside isomers ESI-ion trap with low energy CID was more efficient due to the capability of multistage MSn. UHPLC-HRMSn with the aid of an orbitrap analyzer was the best configuration for the identification and structure elucidation of crocins from complex saffron extract with high confidence and the exploration and finding of minor compounds and new compounds. ESI MS methodology mainly quadrupole reflectron time-of-flight (QqTOF) instrumentation managed to detect noncovalent complexes between Aβ (1-40) and crocins (with different number of glucose moieties) in a series of studies focused on screening the ability of several bioactive phytochemicals in terms of complexating Aβ (1-40) and ‘‘locking’’ them in a non-toxic conformation, thus acting as potential antiamyloidogenic agents offering an ideal protective alternative against Aβ (1-40) toxicity. The aforementioned natural products and derivatives thereof can be eventually exploited, in the form of nutraceuticals towards the prevention and/or treatment of AD.
author2 Κορδοπάτης, Παύλος
author_facet Κορδοπάτης, Παύλος
Κουλακιώτης, Νικόλαος Σταύρος
format Thesis
author Κουλακιώτης, Νικόλαος Σταύρος
author_sort Κουλακιώτης, Νικόλαος Σταύρος
title Development of analytical methodology based on chromatographic and mass spectrometric techniques for the characterization and fingerprinting of bioactive compounds of Crocus sativus L.
title_short Development of analytical methodology based on chromatographic and mass spectrometric techniques for the characterization and fingerprinting of bioactive compounds of Crocus sativus L.
title_full Development of analytical methodology based on chromatographic and mass spectrometric techniques for the characterization and fingerprinting of bioactive compounds of Crocus sativus L.
title_fullStr Development of analytical methodology based on chromatographic and mass spectrometric techniques for the characterization and fingerprinting of bioactive compounds of Crocus sativus L.
title_full_unstemmed Development of analytical methodology based on chromatographic and mass spectrometric techniques for the characterization and fingerprinting of bioactive compounds of Crocus sativus L.
title_sort development of analytical methodology based on chromatographic and mass spectrometric techniques for the characterization and fingerprinting of bioactive compounds of crocus sativus l.
publishDate 2016
url http://hdl.handle.net/10889/9181
work_keys_str_mv AT koulakiōtēsnikolaosstauros developmentofanalyticalmethodologybasedonchromatographicandmassspectrometrictechniquesforthecharacterizationandfingerprintingofbioactivecompoundsofcrocussativusl
AT koulakiōtēsnikolaosstauros anaptyxēanalytikēsmethodologiasbasismenēsstistechnikeschrōmatographiaskaiphasmatometriasmazasgiatonprosdiorismokaitēnapotypōsēbiodrastikōnsystatikōntoucrocussativusl
_version_ 1771297185761067008
spelling nemertes-10889-91812022-09-05T09:40:12Z Development of analytical methodology based on chromatographic and mass spectrometric techniques for the characterization and fingerprinting of bioactive compounds of Crocus sativus L. Ανάπτυξη αναλυτικής μεθοδολογίας βασισμένης στις τεχνικές χρωματογραφίας και φασματομετρίας μάζας για τον προσδιορισμό και την αποτύπωση βιοδραστικών συστατικών του Crocus sativus L. Κουλακιώτης, Νικόλαος Σταύρος Κορδοπάτης, Παύλος Τσαρμπόπουλος, Αντώνης Κορδοπάτης, Παύλος Τσαρμπόπουλος, Αντώνης Σκαλτσούνης, Αλέξιος-Λέανδρος Ιατρού, Γρηγόριος Λάμαρη, Φωτεινή Κοντογιάννης, Χρίστος Γκίκας, Ευάγγελος Koulakiotis, Nikolaos Stavros Crocus sativus L. Stigmas Apocarotenoid ester glycosides Reversed-phase HPLC Quantification Validation Mass Spectrometry Crocins Picrocrocin MALDI-MS ESI-MS Tandem mass spectrometry High-energy CID Low-energy CID Multistage mass spectrometry Accurate mass measurement Noncovalent complex Alzheimer's disease Αmyloid‐β‐peptide Κρόκος Κοζάνης Στίγματα Σαφράν Αποκαροτενοειδή Κροκίνες Πικροκροκίνη Απομόνωση Χρωματογραφία κατ’ αντιροή Υγρή χρωματογραφία υψηλής απόδοσης Επικύρωση μεθόδου Ποσοτικοποίηση Φασματομετρία μάζας Δίδυμη φασματομετρία μάζας Ιονισμός μέσω ηλεκτροψεκασμού Αμυλοειδές πεπτίδιο Νόσος Αλτσχάιμερ 615.324 38 The present research study included the development of analytical methodology based on chromatographic and mass spectrometric techniques for the determination and fingerprinting of bioactive compounds derived from Crocus sativus L. and also their interaction with biomolecules, with the aim to investigate their role in human health. The main bioactive analyzed compounds were picrocrocin, crocetin and analogues thereof, which are unusually glucosylated carotenoids (ranging from one up to a total five glucosyl-residues) and specifically Gentiobiosyl-gentiotriosyl-E-crocetin (trans-crocin-5, TC-5), Gentiobiosyl-neapolitanosyl-E-crocetin (trans-crocin-5′, TC-5′) bis-Gentiobiosyl-E-crocetin (trans-crocin-4, TC-4), Gentiobiosyl-glucosyl-E-crocetin (trans-crocin-3, TC-3), bis-Glucosyl-E-crocetin (trans-crocin-2, TC-2), (4) bis-Gentiobiosyl-13-Z-crocetin (cis-crocin-4, CC-4), Gentiobiosyl-glucosyl-13-Z-crocetin (cis-crocin-3, CC-3), Crocetin (CRT) and Picrocrocin (PICR) with ultimate objective the assessment of their biological effect on the prevention and treatment of various neurodegenerative diseases like Parkinson's and Alzheimer's disease. Because of their particular complicated structural motif and the extendeed degree of symmetry which constitutes a rather complex mixture of glycoconjugates it became imperative to isolate and characterize their structures mainly with state-of-the-art chromatographic and mass spectrometric techniques. The developed methodologies included the use of the following modern analytical techniques and instrumentation: i) Size-exclusion chromatography (SEC), Medium pressure liquid chromatography (MPLC), semi-preparative High Performance Liquid Chromatography (semi-Prep HPLC) and Fast Centrifugation Partition Chromatography (FCPC) for the separation and isolation of aforementioned bioactive compounds, ii) various tandem mass spectrometric techniques such as MALDI-TOF/RTOF-MS in combination with collision-induced dissociation, ESI-QqRTOF-MS/MS, IP-MALDI Q-TOFMSn (n = 1 or 2), ESI-LTQ-orbitrap-MS/MS and ESI-IT-MS/MS for detailed structure elucidation, characterization and diffentiation of bioactive compounds isolated from Crocus sativus L. and iii) ESI-QqRTOF-MS and ESI-Ion Mobility Spectrometry-MS (ESI IMS-MS) for the screening of the noncovalent interaction between beta amyloid peptide Aβ(1-40) and Crocus-derived bioactive compounds natural products (such as crocins with different number of carbohydrate moieties). In conclusion, the application of MALDI high energy CID to structure elucidation of Crocus-derived bioactive compounds turned out to be very helpful particular because low energy CID often fails to provide structural relevant fragmentation whereas for the differentiation of selected positional crocetin glycoside isomers ESI-ion trap with low energy CID was more efficient due to the capability of multistage MSn. UHPLC-HRMSn with the aid of an orbitrap analyzer was the best configuration for the identification and structure elucidation of crocins from complex saffron extract with high confidence and the exploration and finding of minor compounds and new compounds. ESI MS methodology mainly quadrupole reflectron time-of-flight (QqTOF) instrumentation managed to detect noncovalent complexes between Aβ (1-40) and crocins (with different number of glucose moieties) in a series of studies focused on screening the ability of several bioactive phytochemicals in terms of complexating Aβ (1-40) and ‘‘locking’’ them in a non-toxic conformation, thus acting as potential antiamyloidogenic agents offering an ideal protective alternative against Aβ (1-40) toxicity. The aforementioned natural products and derivatives thereof can be eventually exploited, in the form of nutraceuticals towards the prevention and/or treatment of AD. Το πρώτο μέρος της εκπόνησης της διδακτορικής διατριβής αφορούσε την απομόνωση και τον ποιοτικό προσδιορισμό διάφορων βιοδραστικών συστατικών (κροκίνες) του Crocus sativus L. (σαφράν), με σκοπό την ανάπτυξη φαρμάκων καθώς και άλλων ουσιών θεραπευτικού ενδιαφέροντος. Για την επίτευξη των πειραμάτων χρησιμοποιήθηκαν διάφορες κλασσικές και σύγχρονες χρωματογραφικές τεχνικές απομόνωσης και διαχωρισμού όπως οι ακόλουθες: υγρή χρωματογραφία μέσης πίεσης (Medium Pressure Liquid Chromatography, MPLC), υγρή χρωματογραφία υψηλής πίεσης με ανιχνευτή συστοιχίας φωτοδιόδων (High Performance Liquid Chromatography coupled with Diode Array Detector, HPLC-DAD), παρασκευαστική και ημι-παρασκευαστική υγρή χρωματογραφία υψηλής πίεσης (preparative and semi-preparative HPLC), χρωματογραφία κατ' αντιρροή (High Speed Counter Current Chromatography, FCPC), χρωματογραφία χάρτου (paper chromatography, PC), χρωματογραφία λεπτής στοιβάδος (Thin Layer Chromatography, TLC) και χρωματογραφία αποκλεισμού μεγεθών (Size Exclusion Chromatography, SEC). Ένα μεγάλο μέρος του χρόνου αφιερώθηκε στην εύρεση των κατάλληλων μεθόδων και συνθηκών ανάκτησης των ανωτέρω βιοδραστικών συστατικών του Crocus sativus L. Επίσης η ταυτοποίηση των παραπάνω ουσιών και ο έλεγχος της καθαρότητας τους πραγματοποιήθηκε με τη βοήθεια διάφορων φασματοσκοπικών τεχνικών και με τη χρήση κλασικών και σύγχρονων αναλυτικών τεχνικών όπως φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού μονής και διπλής διάστασης (one- & two-dimensional Nuclear Magnetic Resonance, 1&2D ΝΜR), υγρή χρωματογραφία υπερυψηλής πίεσης με ανιχνευτή συστοιχίας φωτοδιόδων (Ultra Performance Liquid Chromatography coupled with Diode Array Detector, UPLC-DAD), υγρή χρωματογραφία υπερυψηλής απόδοσης συζευγμένη με φασματόμετρο μάζας με υβριδικό αναλυτή τετραπόλου – χρόνου πτήσης ιόντων (Ultra Performance Liquid Chromatography coupled with Quadrupole –Time of Flight, UPLC-QTOF-MS) και υγρή χρωματογραφία υψηλής απόδοσης συζευγμένη με φασματόμετρο μάζας με αναλυτή τριπλού τετραπόλου (High Performance Liquid Chromatography coupled with Triple Stage Quadrupole, HPLC-TSQ-MS). To δεύτερο μέρος της διδακτορικής διατριβής αφορούσε την ανίχνευση, τον δομικό χαρακτηρισμό, την ταυτοποίηση των απομονωμένων ουσιών καθώς και την εύρεση νέων βιοδραστικών ουσιών. Η ανάπτυξη της αναλυτικής μεθοδολογίας βασίσθηκε σε διάφορες μοντέρνες τεχνικές φασματομετρίας μάζας, οι οποίες πραγματοποιήθηκαν κυρίως σε τρία διαφορετικά όργανα (i) ESI-Ion Trap-MSn (n=1-3), multistage MS), (ii) ESI-ion mobility QqTRTOF (IMMS) and (iii) vacuum MALDI-TOF/RTOF για τον προσδιορισμό και δομικό χαρακτηρισμό μερικών βιοδραστικών συστατικών απομονωμένων από το φυτό Crocus sativus L. Στη μέθοδο της φασματομετρίας μάζας μέ Ηλεκτροψεκασμό (ESI) έγινε χρήση αναλυτή παγίδας ιόντων και τρόπος σάρωσης full scan και MS πολλαπλής διάστασης (MSn). Για την τεχνική ESI πραγματοποιήθηκε βελτιστοποίηση ως προς τη θέση του τριχοειδούς και την πίεση του επικουρικού αερίου αποδιαλύτωσης και του αερίου περιβάλλουσας ροής, και επιλέχθηκαν οι βέλτιστες συνθήκες. Για την τεχνική MSn πραγματοποιήθηκε βελτιστοποίηση της θραυσματοποίησης των πρόδρομων ιόντων ως προς το αέριο σύγκρουσης (collision-induced dissociation, CID), και την ενέργεια θραυσματοποίησης (collision energy, CE), οπότε και επιλέχθηκαν οι βέλτιστες συνθήκες. Η ανάπτυξη της ανωτέρω μεθοδολογίας και η επιλογή των κατάλληλων συνθηκών, έδωσε τη δυνατότητα διεύρυνσης των γνώσεων όσον αφορά την αποτίμηση φασμάτων μάζας σχετιζόμενα με φαρμακολογικά ενεργές γλυκοζιωμένες ουσίες προερχόμενες από τα στίγματα του πολύτιμου φυτού του κρόκου Κοζάνης. Ειδικότερα, η μελέτη επικεντρώθηκε στην α) αποτίμηση και εξήγηση των αποτελεσμάτων θραυσματοποίησης και στο β) χειρισμό δεδομένων μάζας υψηλής ακρίβειας μέσω διαφορετικών πακέτων λογισμικού επεξεργασίας φασμάτων μάζας (Mass Lynx 4.1, Xcalibur, Daltonics Analysis 3.2, Launchpad 2.8.4). Το τελευταίο μέρος της διδακτορικής διατριβής επικεντρώθηκε στην ανεύρεση φυσικών ουσιών-αναστολέων της συσσωμάτωσης του β-αμυλοειδούς πεπτιδίου το οποίο είναι υπεύθυνο για τη νόσο Αlzheimer's. Oι ουσίες αυτές προερχόμενες από φυσικά προϊόντα δύναται να έχουν ευεργετική δράση για τη νόσο αυτή και μπορεί να οδηγήσουν σε καλύτερη κατανόηση της διαδικασίας της νόσου και να παρέχουν πληροφορίες για την ανάπτυξη της θεραπευτικής προσέγγισης. Οι μέθοδοι σάρωσης (screening) των ουσιών αυτών έγινε με την χρήση ιονισμού μέσω Ηλεκτροψεκασμού (ESI MS) σε συνδυασμό αναλυτών φασματομετρίας μάζας quadrupole time-of-flight (QTOF) και ιονικής κινητικότητας (Ion Mobility MS). Οι τεχνικές αυτές χρησιμοποιήθηκαν για τη μελέτη της πιθανότητας μη ομοιοπολικής αλληλεπίδρασης (Non Covalent Complex - NCC) των βιοδραστικών συστατικών του κρόκου Κοζάνης με το β-αμυλοειδές πεπτίδιο (Αβ), το οποίο εμπλέκεται στην παθοφυσιολογία της νόσου Alzheimer’s (AD). Η μη ομοιοπολική αυτή αλληλεπίδραση μεταξύ των βιοδραστικών συστατικών και του Αβ επιβεβαιώθηκε με την αναπτυχθείσα μεθοδολογία και το γεγονός αυτό θα μπορούσε να ακινητοποιήσει το πεπτίδιο σε μια μη τοξική διαμόρφωση, αναστέλλοντας παράλληλα τη συσσωμάτωση του. Η ειδικότητα και η σταθερότητα των σχηματιζόμενων NCC συμπλόκων μελετήθηκε με διαφοροποίηση ποικίλων πειραματικών παραμέτρων, όπως το δυναμικό εισόδου στην πηγή του φασματόμετρου μάζας, το pH του διαλύματος, το ποσοστό του οργανικού τροποποιητή στο διάλυμα και τη συγκέντρωση του προσδέτη. Ακολούθως, μελετήθηκε η στοιχειομετρία του συμπλόκου. Επίσης καινοτόμοι αναλυτές μάζας όπως quadrupole time-of-flight (QTOF) και linear trap quadrupole (LTQ)-Orbitrap χρησιμοποιήθηκαν για τον προσδιορισμό άγνωστων μεταβολιτών μέσω των φασμάτων μάζας MS and MS/MS υψηλής ακρίβειας και την αναζήτηση ειδικών βιβλιοθηκών όπως HMDB (Human Metabolome Database), Metlin και MMCD (Madison Metabolomics Consortium Database) ή πιο γενικές χημικές βιβλιοθήκες όπως PubChem ή ChemSpider. 2016-03-03T07:25:18Z 2016-03-03T07:25:18Z 2015-02-16 Thesis http://hdl.handle.net/10889/9181 en Η ΒΚΠ διαθέτει αντίτυπο της διατριβής σε έντυπη μορφή στο βιβλιοστάσιο διδακτορικών διατριβών που βρίσκεται στο ισόγειο του κτιρίου της. 12 application/pdf