ON-LINE БАЗА ДАННЫХ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ХИМИЧЕСКИХ И ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК БИОЛОГИЧЕСКИХ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ ПРИРОДНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ

ON-LINE DATABASE OF INDIVIDUAL CHEMICAL AND CHROMATOGRAPHIC CHARACTERISTICS OF BIOLOGICAL ACTIVE SUBSTANCES OF NATURAL ORIGIN

Anton Sukhanov

1st year student of master's degree in "Applied Informatics" in the direction of training "Information technologies in medicine and social sphere» Higher school of information technology and automated systems Northern (Arctic) Federal University M.V. Lomonosov"

Russia, Arkhangelsk

Larisa Biryukova

Ph. D., associate Professor, Department of applied Informatics, in the direction of training "Information technologies in medicine and social sphere» Higher school of information technology and automated systems Northern (Arctic) Federal University M.V. Lomonosov"

Russia, Arkhangelsk

АННОТАЦИЯ

Хроматографические методы анализа (аналитическая хроматография) прочно вошли в протоколы анализов фармацевтических субстанций, готовых лекарственных форм, экстрактов из растительных и животных тканей, и являются надёжными, точными, воспроизводимыми и доказательными методами исследования. В ходе хроматографических методов анализа объектов химики-исследователи получают либо пятна искомых соединений (в случае тонкослойной хроматографии на специальной пластине или листе бумаги – виды планарной хроматографии), либо хроматографическую кривую (в случае колоночной хроматографии с использованием различных типов детекторов и выводимых на экран компьютера кривых в специальной программе). В случае колоночной хроматографии исследователь использует различные параметры с целью идентификации и количественного определения искомого вещества, а именно: физические параметры колонки, тип сорбента колонки, тип детектора, анализируемый сигнал для детектора, скорость потока мобильной фазы и др. При расшифровке полученных данных получают различные параметры хроматографического разделения сложной матрицы экстрактов: базовая линия хроматограммы, хроматографический пик, относительное время удерживания и т.п.

Кроме того, для заполнения базы данных требуется отображать индивидуальные химические характеристики биологического активного соединения, которые предопределяют хроматографическое разделение в методах планарной (плоскостной) и колоночной хроматографиях, как разновидностей аналитической хроматографии.

В настоящее время не разработана единая база данных индивидуальных химических характеристик биологических активных веществ природного происхождения в привязке к хроматографическим параметрам по идентификации и количественному определению веществ с учётом параметров хроматографирования, поправочных коэффициентов для схожих по химической структуре веществ одного класса соединений и опубликованных времён удерживания веществ в данных хроматографических условиях.

ABSTRACT

Chromatographic methods of analysis (analytical chromatography) are firmly established in the protocols of analysis of pharmaceutical substances, finished dosage forms, extracts from plant and animal tissues, and are reliable, accurate, reproducible and evidence-based research methods. In the course of chromatographic methods for analyzing objects, research chemists obtain either spots of the desired compounds (in the case of thin – layer chromatography on a special plate or sheet of paper-types of planar chromatography), or a chromatographic curve (in the case of column chromatography using various types of detectors and curves displayed on a computer screen in a special program). In the case of column chromatography, the researcher uses the various parameters for identification and quantification of the target substance, namely, the physical parameters of the column, the type of sorbent column, type of detector, analyze the signal for the detector, flow rate of mobile phase, etc., by decoding the received data the parameters of the chromatographic separation of complex matrix extracts the baseline of the chromatogram, the chromatographic peak relative retention time, etc.

In addition, to fill in the database, it is necessary to display individual chemical characteristics of the biological active compound, which determine the chromatographic separation in planar and column chromatography methods, as varieties of analytical chromatography.

Currently, a single database of individual chemical characteristics of biological active substances of natural origin has not been developed in relation to chromatographic parameters for identifying and quantifying substances, taking into account the chromatography parameters, correction coefficients for similar chemical structure of substances of the same class of compounds, and published retention times of substances in these chromatographic conditions.

Ключевые слова: хроматографические параметры, база данных, биологические активные вещества, поправочный коэффициент, относительное время удерживания.

Keywords: chromatographic parameters, database, bioactive substances, correction factor, relative retention time.

Колоночная хроматография (в рамках аналитической хроматографии) используется для идентификации и количественного определения биологических активных веществ (БАВ) в экстрактах растительных и животных тканей, а также для фармацевтического и фармакопейного анализов фармацевтических субстанций лекарственных веществ и готовых лекарственных форм. Для этих целей используется комплекс по высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ), и реже газо-жидкостной хроматографии (ГЖХ), а также разновидности планарной хроматографии (тонкослойная и высокоэффективная тонкослойная хроматографии) и другие типы хроматографического разделения. Всё чаще в сочетании с хроматографическими комплексами используются масс-спектрометры различных типов, для которых создаются библиотеки масс-спектров для отдельных индивидуальных химических соединений, в том числе для БАВ. Однако масс-спектрометры очень дороги (средняя цена около 10 млн. рублей), и не каждая аналитическая лаборатория может позволить приобрести данный прибор.

Целью нашего исследования является разработка автоматизированной системы – базы данных БАВ с пользовательским интерфейсом, куда должны входить индивидуальные химические характеристики БАВ природного происхождения в привязке к хроматографическим параметрам по идентификации и количественному определению веществ с учётом параметров хроматографирования, поправочных коэффициентов для схожих по химической структуре веществ одного класса соединений и опубликованных времён удерживания веществ в данных хроматографических условиях, а именно:

1. Уникальный идентификационный номер БАВ.
2. Структурная химическая формула БАВ.
3. Молекулярная масса БАВ.
4. Рациональное химическое название БАВ.
5. Тривиальное название БАВ (если такое название имеется).
6. Производящее растение, в котором содержится преимущественное количество данного БАВ.
7. Идентификационные номера БАВ по химическим базам данных (регистрационный номер CAS, номер в «PubChem», регистрационный номер «EINECS», регистраwионный номер в системе «SMILES», «InChl», «ChEBi», «ChemSpider»).
8. Вид хроматографирования (например, ВЭЖХ, или ГЭЖХ или др. вид хроматографирования).
9. Тип и состав подвижной фазы (элюента), процентное соотношение элюентов в многокомпонентной подвижной фазе.
10. Физические характеристики хроматографической колонки (длина, диаметр).
11. Тип сорбента хроматографической колонки (с привитыми и непривитыми функциональными группами и др. характеристиками сорбента).
12. Тип хроматографической пластины (в случае реализации тонкослойной хроматографии).
13. Химический реагент для окрашивания или дериватизации анализируемого соединения (в случае реализации тонкослойной хроматографии).
14. Время удерживания в указанных хроматографических условиях.
15. Скорость потока мобильной фазы.
16. Тип детектора.
17. Температура колонки.
18. Химический стандарт БАВ (чистота, навеска в отпускном флакончике, серия производства, производитель, срок годности).
19. Относительный поправочный коэффициент (RCF) конкретного БАВ в привязке к БАВ одного химического класса БАВ.
20. Валидационные характеристики конкретного БАВ в данных хроматографических условиях (предел количественного определения, нижний предел обнаружения, предел обнаружения по конкретной методике и др.).
21. Альтернативная аналитическая методика анализа с учётом вышеуказанных параметров (пп. 1-14).

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработка гибкой структуры базы данных, содержащей все перечисленные хроматографические параметры разделения и иную информацию.
2. Заполнение базы данных перечисленными параметрами с возможностью их дозаполнения, редактирования и сортировки пользователем.
3. Разработка дизайна пользовательского интерфейса для взаимодействия с базой данных.
4. Реализация пользовательского интерфейса в виде web-сервиса.

Для построения базы данных БАВ природного происхождения будут использованы следующие программы:

1. «Microsoft MySQL» - свободная реляционная система управления базой данных.
2. «PhpMyAdmin» - web-приложение с открытым кодом, написанное на языке «PHP» и представляющее собой web-интерфейс для администрирования реляционной системы «Microsoft MySQL».
3. Программы для работы с текстовыми файлами: «Microsoft Word», «SublimeText» и др.
4. Программа-редактор структурных формул органических молекул «ChemDraw Ultra 12».

В соответствии с требованиями работы была выбрана следующая структура базы данных в виде одной таблицы со столбцами (табл. 1).

Таблица 1

Параметры для заполнения электронной таблицы базы данных

Построение базы данных. К каждому набору полей соответствует строка с уникальным идентификационным номером id. Различные БАВ добавляются в базу данных с новой строки. Для начального соединения используются таблицы данных.

Программы для работы с базой данных. При создании пользовательского интерфейса должны быть использованы языки программирования и программы:

1. Языки программирования «PHP» и «C».
2. Язык разметки «HTML».
3. Программы для работы с текстом «Microsoft Word», «SublimeText» и др.

С помощью языка программирования «PHP» и в среде разметки текста «HTML» будут созданы web-сайт для отображения информации из базы данных хроматографических и иных параметров, ассоциированных с процессом хроматографирования. Структурна сайта будет состоять из 4-х типов страниц:

1. Первая страница отображает группу БАВ природного происхождения (афлатоксины, алкалоиды, аминокислоты, антоцианы, атрахиноны, кардиогликозиды, каротеноиды, катехины, кумарины, цианогенные гликозиды, ферменты, жирные кислоты, флавоноиды, фурокумарины, гликозиноляты, углеводы, иридоиды, изобутиламины, изотиоцианаты, лактоны кавы, лишайниковые фенольные кислоты, лигнаны, лиминоиды, микотоксины, масла жирные, масла эфирные, кислоты органические, кислоты фенольные, фталиды, фитостеролы, пурины, квазиноиды, хиноны, сапонины, терпены, статины, стероиды, стильбеноиды, сульфиды, кислоты сульфиновые, кислоты смоляные, танины, таксаны, токсины, витамины, ксантоны, ксантофиллы).
2. Вторая страница отображает подгруппу БАВ природного происхождения (например, группа сапонинов, подгруппы – стероидные и тритерпеновые сапонины).
3. Третья страница содержит детальную информацию о конкретном БАВ.
4. Четвёртая страница и последующая страницы будет содержать аналогичные данные в табличном формате, но для альтернативной методики (методик) анализа.

В интерфейсе редактирования предусмотрена функция редактирования полей строки выбранного БАВ. В поле со структурной формулой БАВ исследователь может добавлять структурную химическую формулу путём заполнения клетки картинкой в формате jpeg или png. Структурная формула выполняется в редакторах химических структур органических веществ.

Интерфейс пользования. Исследователь сможет сортировать БАВ по названиям тривиальным, по классам химических соединений и другим параметрам.

База данных будет основываться на результатах анализа сведений о индивидуальных химических характеристиках БАВ природного происхождения (из литературных и цифровых источников), а также на экспериментальных данных по стандартной методике анализа (метод внешнего стандарта) с использованием всех стандартных образцов в одном анализе (в англоязычной научной литературе имеет название ESM – external standard method) и метода QAMS (метод внутреннего стандарта, quantitative analysis of multi-components by a single marker): при стабильной работе хроматографа и детектора к нему, не меняя состава растворителей, относительные поправочные коэффициенты  будут оставаться одинаковыми сколько угодно долго, и, предварительно их рассчитав, далее можно экономить на стандартных образцах БАВ, кроме самого дешёвого и доступного стандартного образца БАВ.

Эта база данных будет доступна для химиков-аналитиков, исследователей БАВ природного происхождения с использованием хроматографических методов разделения сложных многокомпонентных систем (матриц), в том числе с применением RCF, позволяющих проводить методики анализа в экономном формате. База данных также будет содержать важный хроматографический параметр – относительное время удерживания БАВ при выходе из колонки. В данном случае исследователи могут сравнивать времена удерживания БАВ в указанных идентичных хроматографических условиях, при этом анализируя межлабораторную прецизионность и воспроизводимость результатов анализа в рамках валидации аналитических методик.

Список литературы:

1. MySQL документация. https://www.mysql.com/ (дата обращения 17.02.2020).
2. PHP документация. https://www.php-fig.org/  (дата обращения 17.02.2020).
3. HTML документация. https://www.w3.org/ (дата обращения 17.02.2020).