基于质谱分析的代谢组学研究进展_任向楠
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
1 代谢组学分析方法的新进展
代谢组学又分为靶向性代谢组学（ Targeted metabolomics） 和非靶向性代谢组学（ Untargeted metabolomic） 。 靶向性代谢分析主要是定量特定的代谢物，典型的是关注一种或几种相关的代谢通路。常用于研究药物代谢 的药代动力学，衡量某种疗法或基因修饰的效果。靶向性代谢分析的流程是代谢物标准品的液相色谱 － 质谱 联用分析（ LC － MS） ，选择性离子监测，分析方法优化和标准曲线制作，样品前处理，样品提取物 LC － MS 分析，通过对比样品和标准品进行数据分析，定量特定的代谢物［3 －6］。非靶向性代谢组学范围宽泛，目标是 从生物样本中同时分析尽可能多的代谢物。而非靶向性代谢组学的步骤是样品前处理，代谢物提取，LC － MS 全扫描检测，数据预处理，统计分析及差异代谢物结构鉴定［3 －4，7 －9］。
1. 2 质谱分析技术
质谱（ MS） 分析主要包括液相色谱 － 质谱联用（ LC － MS） 和气相色谱 － 质谱联用（ GC － MS） ，液相 色谱又分为超高效液相色谱（ UPLC） 和高效液相色谱（ HPLC） 。非靶向性代谢组学的分析，色谱可选择 与飞行时间 （ TOF） 、静电轨道阱 （ Orbitrap） 、离子阱飞行时间 （ IT － TOF） 、四极杆 － 飞行时间 （ Q － TOF） 等质谱联用； 靶向性代谢组学的分析，色谱可与三重四极杆（ QQQ） 或四极杆离子阱（ Q － Trap） 等 质谱串联，用多反应监测器 （ MＲM） 进行检测。大气固体分析探针 （ Atmospheric solids analysis probe， ASAP） 结合质谱技术（ ASAP － MS） 采用毛细管吸取的方式进样，操作简单，可用于较复杂物质的离子 检测，例如鼠的尿液以及狗和鼠的胆汁，能有效地将样品来源归类，但其产生的数据不如液质和气质 全面，可以用于样本筛选方面［26］。近年来逐渐发展了高集成和高通量的微流控芯片与质谱联用的方 法，林金明等［27］在这方面做了很多工作，将微流控芯片与电喷雾质谱联用技术相结合用于细胞分析及 药物动力学的研究，使细胞药物代谢研究和细胞间信号传递的研究深化到分子水平。
收稿日期： 基金项目：
* 通讯作者：
2016 － 09 － 30； 修回日期： 2016 － 11 － 28 国家 自 然 科 学 基 金 项 目 （ U1333132，81230079 ） ； 科 技 部 国 际 科 技 合 作 项 目 （ 2011DFA31860 ） ； （ 2014ZX09304307001，2014ZX09201022 － 004，2014ZX09201022 － 005） 梁琼麟，研究方向： 生命分析化学，Tel： 010 － 62772263，E － mail： liangql@ tsinghua. edu. cn
Advance in Metabolomics Based on Mass Spectrometry
ＲEN Xiang-nan，LIANG Qiong-lin*
（ Department of Chemistry，Analysis Center，Tsinghua University，Beijing 100084，China）
UPLC － MS 水提物 － HILIC 柱 有机物 － 反相柱
非靶向性分析
动物、人体组织 甲醇 － 水（ 1 ∶ 1） 水提，二氯 甲烷 － 甲醇（ 3 ∶ 1） 提取，甲 醇 － 水（ 1 ∶ 1） 复溶
UPLC － MS 水提物 － HILIC 柱
有机物 － C18 柱 HSS T3 柱
非靶向分析 （ 胆 汁代谢物） 非靶向分析 （ 细 胞代谢物）
SFC － MS UPLC － MS UPLC － MS HSS T3 柱 BEH C8 柱 HPLC － MS / MS
数据处理方法 T 检验
PCA
文氏图、Tukey 检验、 变异系数 PCA T 检验
相关性分析（ Matlab） 单因素方差分析
参考文献 ［28］ ［11］
［29 － 30］ ［12 － 13］
样本 血清 血清
尿液 胆汁酸
粪便
前处理方法 蛋白沉淀、乙腈液液萃取
甲醇 － 乙腈 （ 1 ∶ 9） 沉淀蛋 白，血清 和 有 机 溶 剂 的 体 积 比不小于 1 ∶ 4 稀释
从血清、血 浆 和 尿 液 中 提 取 胆汁酸，用甲醇沉淀蛋白
乙腈 － 水（ 1 ∶ 1） 除蛋白
分析方法 UPLC － MS BEH，HILIC 柱 UPLC － QTOFMS
国家科技重大专项
162
分析测试学报
第 36 卷
飞行质谱联用（ HPLC － TOF － MS） 的分析方法，同时定量了大鼠服用知母后的 21 种药物代谢物，用精 确质量测定了代谢物的基本组成并确认其结构，其中包括同分异构体的代谢物［10］。成玉等［11］优化了 去除血清蛋白的方法，发现甲醇 － 乙腈混合除蛋白检测的离子峰多于纯甲醇和纯乙腈，这与本实验室 的研究结果相一致，另外一方面通过对比方法的重现性，发现甲醇 － 乙腈（ 1 ∶ 9） 去除血清中的蛋白优 于甲醇 － 乙腈（ 1 ∶ 1） 。Want 等［12］和 Sarafian 等［13］处理胆汁酸的样本时，均采用甲醇除蛋白法。非靶 向分析实体组织代谢物研究方面，多篇文献均采用甲醇 － 水（ 1 ∶ 1） 提取水溶性代谢物，二氯甲烷 － 甲 醇（ 3 ∶ 1） 提取有机类代谢物［14 － 18］。在液质联用（ LC － MS） 分析粪便代谢物方面，Su 等［19］处理粪便样 本时，先用水提取，再用相同体积的乙腈提取，合并上清液、吹干，用同位素丹磺酰氯衍生化，数据 结合 HMDB 数据库，鉴定出 3 位女性 7 d 粪便中的 39 种代谢物； Tian 等［20］则采用甲醇涡旋提取处理 粪便样本，用液质联用分析出对照组和给药组的 16 个代谢标志物。气相色谱 － 质谱联用（ GC － MS） 能 直接从标准谱库中比对化合物信息，易于定性，但其不适用于难挥发和高极性代谢物分析，前处理需 衍生化，相对处理复杂，常用的衍生化方法有硅烷化、酰化、烷基化［21 － 22］。Sulek 等［23］用气质联用分 析头发代谢物时，分别用氢氧化钠水解、酸中和、冷冻干燥、甲醇水混合物再提、蒸干、氯甲酸甲酯 衍生、弃去水层的步骤处理头发样本。Tsutsui 等［24］用液质联用分析头发代谢物时，用甲醇盐酸混合物 超声提取头发样本，前处理方面较气质联用简单。本实验室建立了从细胞中提取线粒体及其样本制备 的方法，并将代谢组学的应用推广到亚细胞层面［25］。各类样本的靶向分析和非靶向分析的前处理方法 详见表 1。
代谢组学（ Metabolomics，Metabonomics） 是指生物体系因生物刺激、病理生理扰动或遗传信息改变 等引起的总体、动态的代谢变化［1］。代谢组学作为系统生物学最下游的 “组学”，是整体性研究生命 体系功能变化的重要学科分支。代谢组学的研究对象为复杂的生物体系，种类非常多，常见的生物样 本包括生物体液（ 尿液、血清、血浆、唾液、胆汁、脑脊液、羊水、眼泪、胰液、肠液等） 、动物或人 体组织（ 肿瘤、肝脏、脑、脂肪组织等） 和细胞［2］。代谢组学常用的研究手段包括质谱和核磁两大类， 本文重点综述了 2010 年以来基于质谱（ MS） 分析的代谢组学在医学领域的研究进展，主要包括疾病诊 断、药物研发、营养学、毒理学、运动医学等方面。
基于质谱分析的代谢组学研究进展
任向楠，梁琼麟*
（ 清华大学 化学系，清华大学分析中心，北京 100084）
摘 要： 质谱分析技术是代谢组学研究的重要技术之一。该文通过近 5 年来的文献分析，对基于质谱分析的 代谢组学研究方法的新进展，包括样品前处理方法、分析检测方法、数据处理方法等，以及近年来代谢组学 在疾病诊断、药物研发、营养学、毒理学、运动医学等领域的应用进展，进行了较全面的综述，并对未来的 发展趋势进行了展望。 关键词： 质谱分析； 代谢组学； 研究进展； 综述 中图分类号： O657. 63； O629. 73 文献标识码： A 文章编号： 1004 － 4957（ 2017） 02 － 0161 － 09
第 36 卷 第 2 期 2017 年 2 月
分析测试学报 FENXI CESHI XUEBAO（ Journal of Instrumental Analysis）
Vol. 36 No. 2 161 ～ 169
doi： 10. 3969 / j. issn. 1004 － 4957. 2017. 02. 002
［31］ຫໍສະໝຸດ Baidu
线粒体 血清、血浆
用冷甲醇从细胞中提取线粒 体，用超声降解法破碎细胞
蛋白沉淀（ 气质需衍生化）
HPLC － MS / MS
UPLC － MS GC － TOF － MS
双因素方差分析
［25］
相关性分析 协方差分析
PCA
［2，8，14，32］
第2 期
任向楠等： 基于质谱分析的代谢组学研究进展
代谢组学类型 靶向分析 （ 甲胺 类代谢物） 靶向分析（ 血清）
靶向分析 （ 尿液 代谢物） 靶向分析 （ 胆汁 酸类代谢物）
靶向分析 （ 粪便 代谢物） 靶向分析 （ 线粒 体代谢物） 非靶向分析 （ 血 清、血浆代谢物）
表 1 生物样本的质谱代谢组学研究案例 Table 1 The cases of metabolomics based on mass spectrometry of biological samples
甲醇 － 水（ 1 ∶ 1） 水提，二氯 甲烷 － 甲醇（ 3 ∶ 1） 提取，甲 醇 － 水（ 1 ∶ 1） 复溶 甲醇 － 水（ 1 ∶ 1） 水提，二氯甲 烷 － 甲醇（ 3 ∶ 1） 提取有机物
GC － MS
ASAP － MS
CE － ESI － MS － TOF
UPLC － MS HSS T3 柱
（ 续表 1）
代谢组学类型 非靶向分析 （ 尿 液代谢物）
样本 尿液
稀释
前处理方法
分析方法 UPLC － MS
非靶向分析 （ 尿 液代谢物） 非靶向分析 （ 尿 液代谢物） 非靶向分析 （ 尿 液代谢物） 非靶向性分析
非靶向性分析
尿液 尿液 尿液 肝脏组织
动脉斑块组织
衍生化处理
毛细管吸取
蛋白沉淀、稀释
非靶向分析 （ 脑 脊液代谢物） 非靶向分析 （ 唾 液代谢物） 非靶向分析 （ 羊 水代谢物）
胆汁 细胞
脑脊液 唾液 羊水
毛细管吸取
细胞制备后用生物样品均质 器提取代谢物 干冰甲醇提取 声波降解法 甲醇提取
1. 1 样品前处理
样品前处理直接关系到信息获取的准确性，非靶向性代谢组学的样品前处理要求尽量不破坏代谢 组分，以获得尽可能全的代谢信息。靶向性代谢组学则更关注提取的效率，用回收率、精密度、准确 性等表征。本实验室用甲醇 － 乙腈（ 1 ∶ 1） 去除血浆中的蛋白，建立了大鼠血浆的高效液相色谱 － 时间
Abstract： Mass spectrometry（ MS） is one of the most important analytical technologies for metabolomics． In recent years，metabolomics based on MS has been widely used in disease diagnosis，drug effect research，nutrition，toxicology，sports medicine，etc． This paper reviews the sample pretreatment，analytical tools，data processing method and main application fields in the past five years． The development tendency of metabolomics in future is also proposed． Key words： mass spectrometry（ MS） ； metabolomics； advance； review
代谢组学又分为靶向性代谢组学（ Targeted metabolomics） 和非靶向性代谢组学（ Untargeted metabolomic） 。 靶向性代谢分析主要是定量特定的代谢物，典型的是关注一种或几种相关的代谢通路。常用于研究药物代谢 的药代动力学，衡量某种疗法或基因修饰的效果。靶向性代谢分析的流程是代谢物标准品的液相色谱 － 质谱 联用分析（ LC － MS） ，选择性离子监测，分析方法优化和标准曲线制作，样品前处理，样品提取物 LC － MS 分析，通过对比样品和标准品进行数据分析，定量特定的代谢物［3 －6］。非靶向性代谢组学范围宽泛，目标是 从生物样本中同时分析尽可能多的代谢物。而非靶向性代谢组学的步骤是样品前处理，代谢物提取，LC － MS 全扫描检测，数据预处理，统计分析及差异代谢物结构鉴定［3 －4，7 －9］。
1. 2 质谱分析技术
质谱（ MS） 分析主要包括液相色谱 － 质谱联用（ LC － MS） 和气相色谱 － 质谱联用（ GC － MS） ，液相 色谱又分为超高效液相色谱（ UPLC） 和高效液相色谱（ HPLC） 。非靶向性代谢组学的分析，色谱可选择 与飞行时间 （ TOF） 、静电轨道阱 （ Orbitrap） 、离子阱飞行时间 （ IT － TOF） 、四极杆 － 飞行时间 （ Q － TOF） 等质谱联用； 靶向性代谢组学的分析，色谱可与三重四极杆（ QQQ） 或四极杆离子阱（ Q － Trap） 等 质谱串联，用多反应监测器 （ MＲM） 进行检测。大气固体分析探针 （ Atmospheric solids analysis probe， ASAP） 结合质谱技术（ ASAP － MS） 采用毛细管吸取的方式进样，操作简单，可用于较复杂物质的离子 检测，例如鼠的尿液以及狗和鼠的胆汁，能有效地将样品来源归类，但其产生的数据不如液质和气质 全面，可以用于样本筛选方面［26］。近年来逐渐发展了高集成和高通量的微流控芯片与质谱联用的方 法，林金明等［27］在这方面做了很多工作，将微流控芯片与电喷雾质谱联用技术相结合用于细胞分析及 药物动力学的研究，使细胞药物代谢研究和细胞间信号传递的研究深化到分子水平。
收稿日期： 基金项目：
* 通讯作者：
2016 － 09 － 30； 修回日期： 2016 － 11 － 28 国家 自 然 科 学 基 金 项 目 （ U1333132，81230079 ） ； 科 技 部 国 际 科 技 合 作 项 目 （ 2011DFA31860 ） ； （ 2014ZX09304307001，2014ZX09201022 － 004，2014ZX09201022 － 005） 梁琼麟，研究方向： 生命分析化学，Tel： 010 － 62772263，E － mail： liangql@ tsinghua. edu. cn
Advance in Metabolomics Based on Mass Spectrometry
ＲEN Xiang-nan，LIANG Qiong-lin*
（ Department of Chemistry，Analysis Center，Tsinghua University，Beijing 100084，China）
UPLC － MS 水提物 － HILIC 柱 有机物 － 反相柱
非靶向性分析
动物、人体组织 甲醇 － 水（ 1 ∶ 1） 水提，二氯 甲烷 － 甲醇（ 3 ∶ 1） 提取，甲 醇 － 水（ 1 ∶ 1） 复溶
UPLC － MS 水提物 － HILIC 柱
有机物 － C18 柱 HSS T3 柱
非靶向分析 （ 胆 汁代谢物） 非靶向分析 （ 细 胞代谢物）
SFC － MS UPLC － MS UPLC － MS HSS T3 柱 BEH C8 柱 HPLC － MS / MS
数据处理方法 T 检验
PCA
文氏图、Tukey 检验、 变异系数 PCA T 检验
相关性分析（ Matlab） 单因素方差分析
参考文献 ［28］ ［11］
［29 － 30］ ［12 － 13］
样本 血清 血清
尿液 胆汁酸
粪便
前处理方法 蛋白沉淀、乙腈液液萃取
甲醇 － 乙腈 （ 1 ∶ 9） 沉淀蛋 白，血清 和 有 机 溶 剂 的 体 积 比不小于 1 ∶ 4 稀释
从血清、血 浆 和 尿 液 中 提 取 胆汁酸，用甲醇沉淀蛋白
乙腈 － 水（ 1 ∶ 1） 除蛋白
分析方法 UPLC － MS BEH，HILIC 柱 UPLC － QTOFMS
国家科技重大专项
162
分析测试学报
第 36 卷
飞行质谱联用（ HPLC － TOF － MS） 的分析方法，同时定量了大鼠服用知母后的 21 种药物代谢物，用精 确质量测定了代谢物的基本组成并确认其结构，其中包括同分异构体的代谢物［10］。成玉等［11］优化了 去除血清蛋白的方法，发现甲醇 － 乙腈混合除蛋白检测的离子峰多于纯甲醇和纯乙腈，这与本实验室 的研究结果相一致，另外一方面通过对比方法的重现性，发现甲醇 － 乙腈（ 1 ∶ 9） 去除血清中的蛋白优 于甲醇 － 乙腈（ 1 ∶ 1） 。Want 等［12］和 Sarafian 等［13］处理胆汁酸的样本时，均采用甲醇除蛋白法。非靶 向分析实体组织代谢物研究方面，多篇文献均采用甲醇 － 水（ 1 ∶ 1） 提取水溶性代谢物，二氯甲烷 － 甲 醇（ 3 ∶ 1） 提取有机类代谢物［14 － 18］。在液质联用（ LC － MS） 分析粪便代谢物方面，Su 等［19］处理粪便样 本时，先用水提取，再用相同体积的乙腈提取，合并上清液、吹干，用同位素丹磺酰氯衍生化，数据 结合 HMDB 数据库，鉴定出 3 位女性 7 d 粪便中的 39 种代谢物； Tian 等［20］则采用甲醇涡旋提取处理 粪便样本，用液质联用分析出对照组和给药组的 16 个代谢标志物。气相色谱 － 质谱联用（ GC － MS） 能 直接从标准谱库中比对化合物信息，易于定性，但其不适用于难挥发和高极性代谢物分析，前处理需 衍生化，相对处理复杂，常用的衍生化方法有硅烷化、酰化、烷基化［21 － 22］。Sulek 等［23］用气质联用分 析头发代谢物时，分别用氢氧化钠水解、酸中和、冷冻干燥、甲醇水混合物再提、蒸干、氯甲酸甲酯 衍生、弃去水层的步骤处理头发样本。Tsutsui 等［24］用液质联用分析头发代谢物时，用甲醇盐酸混合物 超声提取头发样本，前处理方面较气质联用简单。本实验室建立了从细胞中提取线粒体及其样本制备 的方法，并将代谢组学的应用推广到亚细胞层面［25］。各类样本的靶向分析和非靶向分析的前处理方法 详见表 1。
代谢组学（ Metabolomics，Metabonomics） 是指生物体系因生物刺激、病理生理扰动或遗传信息改变 等引起的总体、动态的代谢变化［1］。代谢组学作为系统生物学最下游的 “组学”，是整体性研究生命 体系功能变化的重要学科分支。代谢组学的研究对象为复杂的生物体系，种类非常多，常见的生物样 本包括生物体液（ 尿液、血清、血浆、唾液、胆汁、脑脊液、羊水、眼泪、胰液、肠液等） 、动物或人 体组织（ 肿瘤、肝脏、脑、脂肪组织等） 和细胞［2］。代谢组学常用的研究手段包括质谱和核磁两大类， 本文重点综述了 2010 年以来基于质谱（ MS） 分析的代谢组学在医学领域的研究进展，主要包括疾病诊 断、药物研发、营养学、毒理学、运动医学等方面。
基于质谱分析的代谢组学研究进展
任向楠，梁琼麟*
（ 清华大学 化学系，清华大学分析中心，北京 100084）
摘 要： 质谱分析技术是代谢组学研究的重要技术之一。该文通过近 5 年来的文献分析，对基于质谱分析的 代谢组学研究方法的新进展，包括样品前处理方法、分析检测方法、数据处理方法等，以及近年来代谢组学 在疾病诊断、药物研发、营养学、毒理学、运动医学等领域的应用进展，进行了较全面的综述，并对未来的 发展趋势进行了展望。 关键词： 质谱分析； 代谢组学； 研究进展； 综述 中图分类号： O657. 63； O629. 73 文献标识码： A 文章编号： 1004 － 4957（ 2017） 02 － 0161 － 09
第 36 卷 第 2 期 2017 年 2 月
分析测试学报 FENXI CESHI XUEBAO（ Journal of Instrumental Analysis）
Vol. 36 No. 2 161 ～ 169
doi： 10. 3969 / j. issn. 1004 － 4957. 2017. 02. 002
［31］ຫໍສະໝຸດ Baidu
线粒体 血清、血浆
用冷甲醇从细胞中提取线粒 体，用超声降解法破碎细胞
蛋白沉淀（ 气质需衍生化）
HPLC － MS / MS
UPLC － MS GC － TOF － MS
双因素方差分析
［25］
相关性分析 协方差分析
PCA
［2，8，14，32］
第2 期
任向楠等： 基于质谱分析的代谢组学研究进展
代谢组学类型 靶向分析 （ 甲胺 类代谢物） 靶向分析（ 血清）
靶向分析 （ 尿液 代谢物） 靶向分析 （ 胆汁 酸类代谢物）
靶向分析 （ 粪便 代谢物） 靶向分析 （ 线粒 体代谢物） 非靶向分析 （ 血 清、血浆代谢物）
表 1 生物样本的质谱代谢组学研究案例 Table 1 The cases of metabolomics based on mass spectrometry of biological samples
甲醇 － 水（ 1 ∶ 1） 水提，二氯 甲烷 － 甲醇（ 3 ∶ 1） 提取，甲 醇 － 水（ 1 ∶ 1） 复溶 甲醇 － 水（ 1 ∶ 1） 水提，二氯甲 烷 － 甲醇（ 3 ∶ 1） 提取有机物
GC － MS
ASAP － MS
CE － ESI － MS － TOF
UPLC － MS HSS T3 柱
（ 续表 1）
代谢组学类型 非靶向分析 （ 尿 液代谢物）
样本 尿液
稀释
前处理方法
分析方法 UPLC － MS
非靶向分析 （ 尿 液代谢物） 非靶向分析 （ 尿 液代谢物） 非靶向分析 （ 尿 液代谢物） 非靶向性分析
非靶向性分析
尿液 尿液 尿液 肝脏组织
动脉斑块组织
衍生化处理
毛细管吸取
蛋白沉淀、稀释
非靶向分析 （ 脑 脊液代谢物） 非靶向分析 （ 唾 液代谢物） 非靶向分析 （ 羊 水代谢物）
胆汁 细胞
脑脊液 唾液 羊水
毛细管吸取
细胞制备后用生物样品均质 器提取代谢物 干冰甲醇提取 声波降解法 甲醇提取
1. 1 样品前处理
样品前处理直接关系到信息获取的准确性，非靶向性代谢组学的样品前处理要求尽量不破坏代谢 组分，以获得尽可能全的代谢信息。靶向性代谢组学则更关注提取的效率，用回收率、精密度、准确 性等表征。本实验室用甲醇 － 乙腈（ 1 ∶ 1） 去除血浆中的蛋白，建立了大鼠血浆的高效液相色谱 － 时间
Abstract： Mass spectrometry（ MS） is one of the most important analytical technologies for metabolomics． In recent years，metabolomics based on MS has been widely used in disease diagnosis，drug effect research，nutrition，toxicology，sports medicine，etc． This paper reviews the sample pretreatment，analytical tools，data processing method and main application fields in the past five years． The development tendency of metabolomics in future is also proposed． Key words： mass spectrometry（ MS） ； metabolomics； advance； review