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基于MS的脂质组学良好实践的一般建议

期刊:Journal of Lipid ResearchDOI:10.1016/j.jlr.2021.100138

这篇文档属于类型b:一篇关于脂质组学最佳实践指南的综述论文。以下是对该论文的学术报告:

作者与机构
该论文由Harald C. Köfeler(奥地利格拉茨医科大学)、Robert Ahrends(维也纳大学)、Erin S. Baker(美国北卡罗莱纳州立大学)等来自全球9所研究机构的学者共同撰写,发表于《Journal of Lipid Research》2021年第62卷。通讯作者为Köfeler和Gerhard Liebisch(德国雷根斯堡大学医院)。

主题与背景
论文主题为”基于质谱的脂质组学(MS-based lipidomics)良好实践建议”。脂质组学作为生物医学研究中发展最快的领域之一,近20年迅速扩张,但数据质量标准化迫在眉睫。国际脂质组学协会(International Lipidomics Society, ILS)旗下的脂质组学标准倡议(Lipidomics Standards Initiative, LSI)致力于协调该领域的标准化建设。本文系统梳理了从样品预处理到数据分析的全流程关键环节,旨在为新人提供实践指南。

主要观点与论据
1. 预分析与样品制备的标准化
论文强调样品处理是脂质组学工作流的首要关键环节。生物流体(如血浆)需立即处理或-80℃冷冻,组织样本需液氮速冻,以避免脂质过氧化或水解。作者列举了酶促降解的典型案例:室温下pH>6的样本会出现溶血磷脂(lysophospholipids)酰基链位置异构体特异性丧失。支持证据包括:(1) Bligh-Dyer和Folch两种经典氯仿-甲醇双相萃取法的比较数据;(2) 甲基叔丁基醚(MTBE)法因低毒性成为新兴替代方案;(3) 针对极性阴离子脂质(如溶血磷脂酸LPA)的酸化Bligh-Dyer改良方案。作者特别指出,不同样本类型(固体vs流体)需要定制化处理方案。

  1. 直接进样质谱(Direct Infusion-MS)的技术选择
    作为早期脂质组学主流技术,三重四极杆(QQQ)质谱通过前体离子扫描和中性丢失扫描组合可鉴定磷脂类。现代高分辨质谱(如Orbitrap)实现 ppm质量精度,能确定元素组成。论文详细对比了两种进样系统:(1) 传统流动注射的HPLC系统;(2) NanoESI芯片(如Nanomate)的优势包括消除交叉污染、提高信号强度。关键参数包括:脂质浓度需<10 μM以避免聚合效应,铵盐添加剂可优化离子化效率。但作者也指出其局限性:缺乏色谱分离维度导致同分异构体区分困难。

  2. 色谱分离联用技术的进展
    论文系统评估了三类分离技术:(1) 反相色谱(RP-HPLC)按等效碳数模型分离脂质分子物种,需为每个物种设置特定反应监测(SRM)通道;(2) 亲水相互作用色谱(HILIC)按极性头基分离脂质类别,适合靶向定量;(3) 超高效超临界流体色谱(UHPSFC)在6分钟内分离25个脂质类别的突破性数据。支持证据包括:UHPSFC比UHPLC覆盖度提高3.4倍,分析时间缩短40%。作者特别强调离子淌度(IMS)技术对同分异构体的分离潜力,如漂移管IMS(DTIMS)可区分sn-1/sn-2位置异构体。

  3. 脂质分子鉴定的层次化标准
    论文提出基于结构解析程度的层级注释原则:(1) 仅检测到脂质类别特异性片段(LCF)时标注总碳数和双键数(如PC 34:1);(2) 检测到分子脂质特异性片段(如脂肪酸碎片)可标注组成(如PC 16:0_18:1);(3) sn位置确定需额外证据。作者创建了在线资源库(https://lipidomics-standards-initiative.org/)收录400+个LCF。通过案例(如PC 33:1与PE 36:1的同分异构干扰)说明高分辨质谱的必要性。特别指出II型同位素干扰(如[PC 32:1+¹³C₂]⁺与[PC 32:0+H]⁺的8.94 mDa差异)的校正方法。

  4. 定量分析的挑战与解决方案
    论文强调摩尔浓度报告的重要性,提出三类校正策略:(1) 每类脂质至少添加一个同位素内标(IS);(2) 针对响应差异的校正模型(如胆固醇酯的碳数效应);(3) 类型I同位素效应(碳原子数增加导致单同位素峰比例下降)的计算校正。实验证据包括:使用[²H₇]胆固醇内标定量人血浆数据的线性范围验证。作者警告化学背景干扰(如饱和脂肪酸的普遍存在)需通过空白对照排除。

  5. 数据报告规范mzTab-M
    论文推动采用mzTab-M格式解决数据可重复性问题。该格式要求包含:(1) 实验元数据;(2) 标准化脂质名称;(3) m/z信号证据;(4) 保留时间和碰撞截面值(CCS)。支持工具包括LDA2、MS-DIAL等软件的兼容性开发。通过Metabolights数据库案例说明结构化数据对研究可重复性的提升。

意义与价值
该综述的价值体现在:(1) 首次系统提出脂质组学全流程质量控制框架;(2) 建立实验证据与结构注释等级的对应关系;(3) 推动LSI标准化建设,包括术语命名(如2020年更新的脂质缩写规则)、数据格式(mzTab-M)、参考物质库等;(4) 为临床脂质组学研究(如生物标志物验证)提供方法学基础。文中指出的预分析误差(如血浆中S1P的即时生成)、技术局限性(如直接进样的离子抑制效应)等关键问题,对实验设计具有直接指导意义。

创新点
1. 模块化工作流设计:将样品类型(组织/生物流体)、提取方法(MTBE/酸改性Bligh-Dyer)、分离技术(RP/HILIC/IMS)组合为标准化模块
2. 开发脂质分类特异性碎片数据库和在线资源平台
3. 提出”报告实验证实内容,明确标注假设环节”的基本原则
4. 整合新兴技术(如结构无损离子操纵SLIM超长路径离子淌度)的应用前景

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