可食用十字花科和辣木科植物中异硫氰酸酯靶向亚代谢组的表征

《Food Chemistry》：Isothiocyanate-targeted submetabolome characterization in edible Brassicaceae and Moringaceae plants

　　

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  提出了一种基于特征的策略用于脂肪族异硫氰酸酯亚代谢组分析。
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  发现了新型异硫氰酸酯衍生的加合物，并对其中一种进行了结构确证。
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  对26个物种中的19种化合物实现了准定量分析。
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  异硫氰酸酯在不同物种间的分布存在差异，西兰花种子是丰富的来源。

引言

异硫氰酸酯（ITCs）以异硫氰酸基团（?N=C=S）为特征，被认为是某些植物科（如十字花科、辣木科和旱金莲科）中具有诊断意义的生物活性成分（Fahey等，2001；Z. Guo等，2025）。ITCs主要来源于硫代葡萄糖苷前体，在组织破碎后经黑芥子酶介导的水解作用生成，或偶尔在口服给药后经肠道微生物群催化的水解作用生成（Angelino & Jeffery，2014；Li等，2026；Liou等，2020；S?nderby等，2010）。除了在赋予辛辣风味方面具有决定性作用外，ITCs还表现出广泛的益处，包括抗癌、抗氧化和抗炎生物活性（Dinkova-Kostova & Kostov，2012；Kamal等，2022；Li等，2022；Mastuo等，2020；Wang等，2024）。因此，ITCs目前在功能性食品和天然药物领域引起了极大关注。常见的食用蔬菜如西兰花、芥菜、山葵和萝卜是ITCs的重要膳食来源（Bell & Wagstaff，2017；Fahey等，2001；Tang等，2013；Wu等，2021）。值得注意的是，某些种子，例如萝卜子（Raphani Semen）、芥子（Sinapis Semen）和辣木籽，也含有丰富的ITC前体（Barea-Ramos等，2024；Gao等，2022；Huang等，2020；Meng等，2023；Popova等，2017），现有知识也表明ITC家族在其药用应用中发挥着重要作用（Wang & Bao，2021）。

作为研究最深入的ITC，萝卜硫素（SFN）已被确认为通过Nrf2相关信号通路诱导II相解毒酶的诱导剂（Juge等，2007；Zhang等，1992）。其抗癌作用已在多个动物模型中得到充分揭示，包括前列腺癌、乳腺癌和结直肠癌（Li等，2010；Shi等，2025；Zhang，Wan等，2024）。除了这些直接的抗肿瘤益处外，SFN还通过抑制STAT3/HIF1-α/VEGF信号通路抑制肝细胞癌血管生成（Liu等，2017）。此外，SFN已被用作研究氧化应激、炎症、表观遗传调控和靶点鉴定的探针（Ge等，2024；Guan等，2024）。作为萝卜及其种子中富含的SFN的不饱和类似物，萝卜硫素烯（SFE）也具有抗肿瘤和抗炎特性（Ye等，2023；Zhang等，2019）。其他ITCs，如烯丙基异硫氰酸酯和4-(α-L-鼠李糖氧基)-苄基异硫氰酸酯（即辣木苷，MOR），已被揭示具有多种生物活性，包括抗癌、抗菌、抗炎和神经保护作用（Cirmi等，2019；Hoch等，2024；Liu等，2018；Rajan等，2016）。由于其突出的有益活性，发现、鉴定和表征来自天然来源的ITCs具有深远意义。

ITCs表现出高度结构多样性，可分为脂肪族、不饱和、芳香族和糖基化类型。尽管GC–MS对于挥发性ITCs的测定非常稳健，特别是烯丙基异硫氰酸酯（Mesimeri等，2024；Sharma等，2018；Yamaguchi等，2024），但对含亚砜的异硫氰酸酯（如SFN和SFE）的常规测量通常存在固有局限性，除非进行精细的参数优化。由于热不稳定性（Chiang等，1998），即使采用优异的进样口和载气设置，这些化合物的降解也无法完全消除（Andini等，2020）。幸运的是，LC–MS/MS非常适合弥补检测局限性；然而，对标准品的依赖显著限制了在无法获得商业化标准品时的深入分析，结构多样性和异构现象进一步扩大了分析挑战。此外，亲电性的异硫氰酸酯基团相对活泼，可共价攻击复杂植物提取物中的亲核性胺基、羟基或巯基，导致某些非预期加合物的产生（Lin等，2019；Lu等，2020）。因此，迫切需要一种适合目的的分析策略，以实现复杂基质中ITCs的快速发现以及随后的可靠鉴定和定量。

基于高分辨率串联质谱（HR-MS/MS）的发现策略为天然产物的同系物导向筛选提供了有效选择（Alvarez-Rivera等，2019；Song，Li，Huo等，2019；W. Liu等，2022）。这些策略通常高度依赖于对目标化学家族MS/MS特征的追踪和应用，例如同位素分布模式、诊断碎片离子（DFIs）和特征性中性丢失（NLs）（Shi等，2024；Song等，2023）。通过整合这些特征，可以处理HR-MS/MS数据集以优先筛选结构相关的候选离子，而无需针对每个目标化合物都使用标准品。ITCs特别适用于基于同位素特征的策略，因为它们通常含有一个或多个硫原子，赋予其独特的³⁴S/³²S比率，可作为排除非硫背景干扰的可靠证据。此外，特征性碎裂模式，包括脂肪族ITCs在m/z 72（[CH₂NCS]⁺）和55（[C₄H₇]⁺）处的诊断碎片离子（Kjaer，1963；Spencer & Daxenbichler，1980），亚砜部分的中性丢失CH₄OS（64 Da）（Spencer & Daxenbichler，1980）等，可进一步促进ITCs的发现。然而，用于ITC挖掘的基于特征的策略尚不可用，部分原因是它们的MS¹硫同位素特征和质谱碎裂行为尚未得到很好的总结。

为弥合这一空白，本研究旨在：1）使用代表性标准品表征ITCs的MS¹和MS²特征；2）应用这些特征建立逐步发现工作流程，用于在多种十字花科和辣木科植物中发现ITCs及相关化合物，特别是脂肪族ITCs；3）通过化学合成对ITCs的新型共价加合物进行结构确证；4）表征并比较不同样品中ITC靶向亚代谢组。预期研究结果将有助于了解食用蔬菜中ITCs的分布模式，此外，还可为选择适合开发靶向ITC抗癌益处的功能性食品的合格原料提供有用信息。

章节片段

化学品与材料

五种标准品ITCs，即SFN、SFE、MOR、雪梨硫素和1-萘基异硫氰酸酯（ANIT），购自乐美天药业有限公司（中国成都）、北京倍辉生物医药科技有限公司（中国北京）和Sigma-Aldrich（圣路易斯，密苏里州）。作为内标（IS）的丹皮酚，以及对应(RS)-甲状腺肿素（即外消旋甲状腺肿素）的甲状腺肿素，由标准技术有限公司（中国上海）和北京倍辉生物医药科技有限公司提供

ITCs的MS/MS谱行为

为建立可靠的ITCs筛选策略，通过仔细分析LC–QTOF-MS信息，使用五种标准品（即雪梨硫素、SFE、SFN、ANIT和MOR）研究MS/MS谱特征。

所有五种ITCs在其MS¹谱中均表现出硫依赖性同位素分布，为在复杂基质中筛选ITCs提供了第一级过滤。以SFN为代表，单同位素[M?+?H]⁺离子存在于m/z 178.0348，对应分子

结论

ITCs因其潜在的抗癌潜力而引起了广泛关注。然而，关于它们在十字花科蔬菜和种子中分布的知识仍然有限。因此，本研究侧重于分析ITCs的定性和定量特征，从而建立了一个稳健的工作流程，用于不同样品之间ITC靶向亚代谢组的比较。首先，使用五种标准品ITCs总结了MS/MS谱特征，如分子式

CRediT作者贡献声明

李涵：写作 – 原稿，概念化。罗浩然：写作 – 原稿，方法学，调查。李婷：可视化，数据管理。孙润泽：写作 – 原稿，调查，形式分析。王瑞军：验证，调查。彭博：可视化，数据管理。李博：可视化，数据管理。李军：经费获取，概念化。宋月林：写作 – 审阅与编辑，经费获取，概念化。

未引用的参考文献

Song等，2019

Zhang等，2024

利益冲突声明

作者声明，他们不存在已知的、可能影响本文报告工作的相互竞争的经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到国家自然科学基金（编号：82474202）和安利（上海）创新与科学有限公司的资助。

李涵|罗浩然|李婷|孙润泽|王瑞军|彭博|李博|李军|宋月林