基于液相色谱-质谱联用技术的代谢组学分析方法研究进展
发布时间：2022-01-05 12:33
代谢组学是研究小分子代谢物的有用工具,能够直接反映生命体终端和表型信息,在精准医学和转化医学中发挥着重要作用。色谱-质谱联用技术具有灵敏度高、选择性好、动态范围宽、信息丰富等优点,已成为代谢组学研究的主要技术平台。代谢组学分析方法的创新与进展是代谢组学在各领域广泛应用的重要前提。该文综述了近5年来基于液相色谱-质谱联用技术的代谢组学分析方法取得的成果,并对目前存在的问题及发展前景给予展望。综述引用文献81篇。
【文章来源】：分析测试学报. 2020,39(01)北大核心CSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
基于GC-MS、LC-MS、CE-MS、NMR的代谢组学论文数量对比(A),以及基于LC-MS的代谢组学论文数目对比(B)
本课题组在二维及多维色谱方面开展了系统的研究。考虑到对弱极性或中等极性化合物全二维液相色谱的分离方法相对成熟[19],Wang等[20]建立了针对极性化合物分离的HILIC×HILIC全二维系统。Yang等[21]建立了在线的Ag+LC×RPLC 全二维流路用于分析甘油三酯,第一维和第二维分别根据不饱和度与碳链长度实现分离。相比于一维方法,选择性得到提高,但峰容量未显著提升,原因在于两维流速差距较大,存在稀释效应[22]。为解决这一问题,Wang等[23]发展了在线停留HILIC-RPLC系统,一方面用稀释液降低第一维出口溶剂的强度,另一方面引入捕集柱将第一维流出的馏分较好地保留在前端,通过第二维流动相反吹将馏分转移至第二维,有效地降低了稀释效应,实现了较低的进样宽度。应用于血浆的脂质组学分析中,第一维实现了脂质族分离,第二维根据脂肪链进行精细分离,该模式的峰容量高达415,与全二维分析取得的实际峰容量相接近。在线停留模式还应用于3D LC的构建,第一维的预分离将复杂样品分为几个不同馏分,经停留接口对各馏分进行有序的全二维分析,有效改善了复杂样品的分离效果[24]。针对传统分离方法覆盖范围不广的问题,Wang等[25]建立了基于柱切换的分析系统,通过将极性不同的HILIC和RPLC色谱柱结合,将HILIC柱上非保留的疏水性代谢物洗脱并转移至RPLC柱上分离,扩展了代谢物的覆盖范围,使单柱模式下死时间流出的代谢物得以保留,实现了极性和非极性代谢物的依次分析,也可以通过配置两个检测器实现同时分析[26]。应用于大鼠尿液的代谢分析中,共检测到5 686个极性代谢物离子和1 808个非极性代谢物离子,体现了方法在复杂样品分离分析中的适用性[27]。为进一步提高代谢物覆盖度,通过预柱分离,将代谢物在线切割为中等极性和弱极性两个馏分,Wang等[28]分别进行代谢组学和脂质组学分析,对血浆的全组分分析共鉴定出447种(ESI+)和289种(ESI-)代谢物和脂质,使一次分析同时获得代谢组和脂质组信息成为可能。将该流程稍加改进应用于酰基辅酶A(Acyl-CoA)的分析(图2),实现了一次进样同时涵盖短链、中链和长链的酰基辅酶A的分析[29]。多维色谱的应用越来越广泛,很多课题组开展了很好的工作。Liu等[30]建立的NP/RP 2D LC-MS方法实现了脂质类物质的同时检测,应用于良性、恶性乳腺肿瘤患者血浆的全脂质分析,成功鉴定了512种脂质。该课题组还将方法用于腔隙性脑梗[31]、结直肠癌[32]和动脉粥样硬化[33]脂质组学分析,证实了NP/RP 2D LC-MS实现脂质类物质全覆盖的巨大潜力。HILIC和RPLC分离系统提供了两种完全不同的保留机制和非常高的正交性,可以实现一次进样同时分离检测复杂样品中的亲水和疏水性化合物,提高峰容量和分离通量[8]。Ivanisevic等[34]将RPLC-ESI+和HILIC-ESI-模式结合构建正交的二维体系,该方法可全面涵盖中心碳代谢通路中的代谢物(如氨基酸、有机酸、磷酸化糖等)信息。Contrepois等[9]的研究表明将RPLC-MS和HILIC-MS方法结合,可使尿液和血浆代谢组扩增44%,比单独使用RPLC-MS增加了108%的代谢物特征,大大提高了代谢组覆盖率。
拟靶向方法的关键是获取特征离子对,二级质谱信息的全面获取是MRM离子对覆盖度的重要影响因素。基于信息依赖采集(IDA)模式采集二级质谱信息,应用本课题组自主开发的自动化获取特征离子对软件MRM-Ion Pair Finder,共检测到854个代谢物离子对[60],具有很好的代谢物覆盖率和可靠的生物标志物鉴定潜力。顺序窗口采集所有理论碎片离子(SWATH)模式的二级质谱信息采集能力优于IDA,在正离子模式下,从血浆标准参考物质(NIST SRM 1950)中获得1 373个具有离子对的代谢物,与IDA相比,SWATH可以采集更多的离子对[61]。除此之外,对于有碎裂规律的化合物(如脂质),可以根据保留时间和碎片与脂质结构的规则进行预测。Xuan等[62]建立了高覆盖度的拟靶向脂质组学分析方法,共涵盖19个脂类、3 377个脂质离子对,覆盖7 000多种脂质分子结构,与靶向脂质组学方法相比,显示出更高的脂质覆盖度,适合于大规模脂质组学分析(图3)。在上述基础上,本课题组也建立了基于LC-MS拟靶向方法的多批次数据校正方法,保证了大规模、大批量代谢组学数据的稳健可靠[63-64]。除了拟靶向分析方法,“广泛靶向”和“全局优化靶向(GOT)”等新型代谢组学技术也得到发展,为传统的代谢组学分析提供了有价值的补充方法。Chen等[51]基于Q-Trap质谱仪发展了“广泛靶向”代谢组学技术,通过自建的MS数据库,采用MRM模式扫描,匹配物质参数信息进行定性和定量。代谢物覆盖的广度取决于物种特异的MS库覆盖具有生物学功能代谢物的全面性,只有获得生物样本最全面的代谢物信息,才能具有广泛的代谢物覆盖能力。Gu等[65]建立了对血清代谢物具有广泛覆盖的GOT-MS方法,为了提高亲水性代谢物的覆盖度,采用选择离子监测(SIM)增强扫描(60～600 Da),选择具有良好峰形且信噪比S/N> 3的离子作为母离子,在MRM模式下进行MS/MS碎片扫描,最终获得针对595个母离子的1 890个MRM离子对。GOT-MS的关键是利用QQQ对母离子和子离子进行全局扫描,优化和扩展了QQQ的检测能力,实现了广泛的代谢物覆盖。以“拟靶向”、“广泛靶向”和“全局优化靶向”为代表的新一代代谢组学技术,还将更深层次地结合非靶向的“广泛性”和靶向的“精确性”,以期获得更全面、更精准的生物样品代谢谱信息。
本文编号：3570353
【文章来源】：分析测试学报. 2020,39(01)北大核心CSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
基于GC-MS、LC-MS、CE-MS、NMR的代谢组学论文数量对比(A),以及基于LC-MS的代谢组学论文数目对比(B)
本课题组在二维及多维色谱方面开展了系统的研究。考虑到对弱极性或中等极性化合物全二维液相色谱的分离方法相对成熟[19],Wang等[20]建立了针对极性化合物分离的HILIC×HILIC全二维系统。Yang等[21]建立了在线的Ag+LC×RPLC 全二维流路用于分析甘油三酯,第一维和第二维分别根据不饱和度与碳链长度实现分离。相比于一维方法,选择性得到提高,但峰容量未显著提升,原因在于两维流速差距较大,存在稀释效应[22]。为解决这一问题,Wang等[23]发展了在线停留HILIC-RPLC系统,一方面用稀释液降低第一维出口溶剂的强度,另一方面引入捕集柱将第一维流出的馏分较好地保留在前端,通过第二维流动相反吹将馏分转移至第二维,有效地降低了稀释效应,实现了较低的进样宽度。应用于血浆的脂质组学分析中,第一维实现了脂质族分离,第二维根据脂肪链进行精细分离,该模式的峰容量高达415,与全二维分析取得的实际峰容量相接近。在线停留模式还应用于3D LC的构建,第一维的预分离将复杂样品分为几个不同馏分,经停留接口对各馏分进行有序的全二维分析,有效改善了复杂样品的分离效果[24]。针对传统分离方法覆盖范围不广的问题,Wang等[25]建立了基于柱切换的分析系统,通过将极性不同的HILIC和RPLC色谱柱结合,将HILIC柱上非保留的疏水性代谢物洗脱并转移至RPLC柱上分离,扩展了代谢物的覆盖范围,使单柱模式下死时间流出的代谢物得以保留,实现了极性和非极性代谢物的依次分析,也可以通过配置两个检测器实现同时分析[26]。应用于大鼠尿液的代谢分析中,共检测到5 686个极性代谢物离子和1 808个非极性代谢物离子,体现了方法在复杂样品分离分析中的适用性[27]。为进一步提高代谢物覆盖度,通过预柱分离,将代谢物在线切割为中等极性和弱极性两个馏分,Wang等[28]分别进行代谢组学和脂质组学分析,对血浆的全组分分析共鉴定出447种(ESI+)和289种(ESI-)代谢物和脂质,使一次分析同时获得代谢组和脂质组信息成为可能。将该流程稍加改进应用于酰基辅酶A(Acyl-CoA)的分析(图2),实现了一次进样同时涵盖短链、中链和长链的酰基辅酶A的分析[29]。多维色谱的应用越来越广泛,很多课题组开展了很好的工作。Liu等[30]建立的NP/RP 2D LC-MS方法实现了脂质类物质的同时检测,应用于良性、恶性乳腺肿瘤患者血浆的全脂质分析,成功鉴定了512种脂质。该课题组还将方法用于腔隙性脑梗[31]、结直肠癌[32]和动脉粥样硬化[33]脂质组学分析,证实了NP/RP 2D LC-MS实现脂质类物质全覆盖的巨大潜力。HILIC和RPLC分离系统提供了两种完全不同的保留机制和非常高的正交性,可以实现一次进样同时分离检测复杂样品中的亲水和疏水性化合物,提高峰容量和分离通量[8]。Ivanisevic等[34]将RPLC-ESI+和HILIC-ESI-模式结合构建正交的二维体系,该方法可全面涵盖中心碳代谢通路中的代谢物(如氨基酸、有机酸、磷酸化糖等)信息。Contrepois等[9]的研究表明将RPLC-MS和HILIC-MS方法结合,可使尿液和血浆代谢组扩增44%,比单独使用RPLC-MS增加了108%的代谢物特征,大大提高了代谢组覆盖率。
拟靶向方法的关键是获取特征离子对,二级质谱信息的全面获取是MRM离子对覆盖度的重要影响因素。基于信息依赖采集(IDA)模式采集二级质谱信息,应用本课题组自主开发的自动化获取特征离子对软件MRM-Ion Pair Finder,共检测到854个代谢物离子对[60],具有很好的代谢物覆盖率和可靠的生物标志物鉴定潜力。顺序窗口采集所有理论碎片离子(SWATH)模式的二级质谱信息采集能力优于IDA,在正离子模式下,从血浆标准参考物质(NIST SRM 1950)中获得1 373个具有离子对的代谢物,与IDA相比,SWATH可以采集更多的离子对[61]。除此之外,对于有碎裂规律的化合物(如脂质),可以根据保留时间和碎片与脂质结构的规则进行预测。Xuan等[62]建立了高覆盖度的拟靶向脂质组学分析方法,共涵盖19个脂类、3 377个脂质离子对,覆盖7 000多种脂质分子结构,与靶向脂质组学方法相比,显示出更高的脂质覆盖度,适合于大规模脂质组学分析(图3)。在上述基础上,本课题组也建立了基于LC-MS拟靶向方法的多批次数据校正方法,保证了大规模、大批量代谢组学数据的稳健可靠[63-64]。除了拟靶向分析方法,“广泛靶向”和“全局优化靶向(GOT)”等新型代谢组学技术也得到发展,为传统的代谢组学分析提供了有价值的补充方法。Chen等[51]基于Q-Trap质谱仪发展了“广泛靶向”代谢组学技术,通过自建的MS数据库,采用MRM模式扫描,匹配物质参数信息进行定性和定量。代谢物覆盖的广度取决于物种特异的MS库覆盖具有生物学功能代谢物的全面性,只有获得生物样本最全面的代谢物信息,才能具有广泛的代谢物覆盖能力。Gu等[65]建立了对血清代谢物具有广泛覆盖的GOT-MS方法,为了提高亲水性代谢物的覆盖度,采用选择离子监测(SIM)增强扫描(60～600 Da),选择具有良好峰形且信噪比S/N> 3的离子作为母离子,在MRM模式下进行MS/MS碎片扫描,最终获得针对595个母离子的1 890个MRM离子对。GOT-MS的关键是利用QQQ对母离子和子离子进行全局扫描,优化和扩展了QQQ的检测能力,实现了广泛的代谢物覆盖。以“拟靶向”、“广泛靶向”和“全局优化靶向”为代表的新一代代谢组学技术,还将更深层次地结合非靶向的“广泛性”和靶向的“精确性”,以期获得更全面、更精准的生物样品代谢谱信息。
本文编号：3570353
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