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《基于质谱的脂质组学：分析挑战与最新进展》综述报告

作者与发表信息

本文由Yepy H. Rustam和Gavin E. Reid（均来自澳大利亚墨尔本大学生物化学与分子生物学系、化学学院及Bio21分子科学与生物技术研究所）合作撰写，发表于《Analytical Chemistry》期刊2018年的特刊“分析化学基础与应用综述”，出版时间为2017年11月22日。

主题与背景

本文系统综述了基于质谱（Mass Spectrometry, MS）的脂质组学（Lipidomics）领域的技术进展、分析挑战及解决方案。脂质组学旨在全面解析生物系统中脂质的组成、结构、丰度及空间分布，其核心挑战在于脂质分子的结构复杂性和动态范围广（浓度跨越6–8个数量级）。本文重点探讨了2015–2017年间技术方法的创新，涵盖实验设计、样品制备、电离技术、质谱分析及数据解析等全流程，并强调了脂质组学在疾病机制研究（如癌症、糖尿病、神经退行性疾病）和生物标志物发现中的应用价值。

主要观点与论据

1. 脂质组学工作流的分类与技术选择

脂质组学分析流程可分为三类实验设计策略：
- 分离策略（如液相色谱联用质谱，LC-MS）：通过色谱分离降低样品复杂度，提高检测动态范围，但可能因梯度洗脱导致定量偏差。
- 直接进样策略（如“鸟枪法”Shotgun Lipidomics）：无需分离，通量高但易受离子抑制效应影响，适用于高通量筛选。
- 成像策略（如MALDI成像、DESI-MS）：保留脂质空间分布信息，但覆盖度较低，定量难度大。

支持技术：
- 色谱技术：超高效液相色谱（UHPLC）、二维色谱（2D-HPLC）可提升分离效率。
- 电离技术：电喷雾电离（ESI）、基质辅助激光解吸电离（MALDI）和二次离子质谱（SIMS）各具优势，例如MALDI成像可实现10 μm空间分辨率。

2. 样品制备的关键优化

脂质易氧化降解，需通过以下措施保障稳定性：
- 快速冷冻保存（-80°C）和抗氧化剂（如BHT）添加。
- 提取方法：
- 液液萃取（LLE）：改良的MTBE-MeOH法替代氯仿，降低毒性。
- 固相萃取（SPE）：选择性富集低丰度脂质（如二十烷酸类）。
- 内标策略：稳定同位素标记内标（如LILY技术）可提升定量准确性，但成本较高。

案例：
- 在线HILIC-SPE联用技术减少氧化磷脂的生成（Lee et al., 2017）。
- SIMPLEX多组学提取法可同时分析脂质、代谢物和蛋白质（Coman et al., 2016）。

3. 衍生化技术的突破

化学衍生化可解决脂质异构体的质谱重叠问题，主要目的包括：
- 提高电离效率：如13C-三甲基化增强PE/PC的检测灵敏度（Canez et al., 2016）。
- 区分异构体：如碘-甲醇处理可分辨缩醛磷脂与甘油磷脂（Ryan & Reid, 2016）。
- 多路定量：稳定同位素标记衍生试剂（如d4-DMED）实现多重相对定量。

应用实例：
- 三甲基硅烷基重氮甲烷（TMS-diazomethane）衍生化区分BMP与PG异构体（Abreu et al., 2017）。
- 电荷反转衍生化结合CID-MS/MS解析双键位置（Thomas et al., 2008）。

4. 新型电离与质谱技术的进展

• 原位电离技术：
  
  • 快速蒸发电离质谱（REIMS）：“iKnife”电外科刀联用质谱，实现术中实时组织分类（准确率>94%）。
    
  • SpiderMass：红外激光激发水分子振动，无创分析组织脂质。
    
• 离子活化技术：
  
  • 臭氧诱导解离（OzID）：定位脂质双键位置（Poad et al., 2017）。
    
  • 紫外光解离（UVPD）：提供更丰富的碎片离子信息。
    
• 离子淌度（Ion Mobility, IM）：与色谱互补，区分空间异构体（如DTIMS与TWIMS）。
  

5. 数据解析与多组学整合

• 注释层级：从“总组成”（sum composition）到“结构明确分子”（structurally defined）的四个层级（图4）。
  
• 软件工具：如LipidMAPS数据库（含40,825种脂质结构）支持自动化注释。
  
• 多组学关联：脂质组与基因组、蛋白质组数据整合（如PPARγ信号通路研究）可揭示生物网络调控机制。
  

论文的意义与价值

1. 科学价值：

   • 系统总结了脂质组学技术的最新进展，为复杂脂质的结构解析和定量提供了方法论指导。
     
   • 提出“多组学整合”策略，推动对脂质功能机制的深入理解。
     

2. 应用价值：

   • 疾病诊断：如REIMS技术已应用于癌症手术的实时决策。
     
   • 生物标志物发现：如氧化磷脂与心血管疾病的相关性研究（Alshehry et al., 2017）。
     

亮点总结

• 技术创新：OzID、REIMS等新技术突破了传统质谱的局限性。
  
• 跨学科整合：化学衍生化、色谱分离与离子淌度的协同应用。
  
• 临床转化潜力：从基础研究到术中诊断的快速技术落地。
  

（注：本文未包含的细节可参考原文图表，如图1的PubMed文献趋势分析及图3的工作流示意图。）