基于质谱的代谢组学与脂质组学中非靶向与靶向方法的融合进展
作者与发表信息
本文由Tomas Cajka（美国加州大学戴维斯分校基因组中心-代谢组学）与Oliver Fiehn（同属加州大学戴维斯分校及沙特阿拉伯阿卜杜勒阿齐兹国王大学生物化学系）共同撰写，发表于《Analytical Chemistry》期刊2016年第88卷，出版于2015年12月4日，属于“分析化学基础与应用综述”特刊。
主题与背景
本文是一篇系统性综述，聚焦于质谱（Mass Spectrometry, MS）技术在代谢组学（metabolomics）和脂质组学（lipidomics）中的应用，重点探讨如何整合非靶向（untargeted）与靶向（targeted）分析方法。代谢组学和脂质组学通过分析生物样本中的小分子代谢物和脂质，揭示细胞代谢调控机制，已成为疾病研究、药物开发等领域的重要工具。质谱因其高灵敏度（可检测皮摩尔至纳摩尔浓度）和与色谱联用的优势，成为该领域的主导技术，使用率远超核磁共振（NMR）。然而，非靶向方法（覆盖全代谢物但定量可靠性低）与靶向方法（定量准确但覆盖范围窄）各有局限，本文旨在探讨两者融合的可能性及技术进展。
主要观点与论据
样本前处理技术的优化
- 非靶向方法的挑战：需平衡广谱覆盖与重现性，单次提取难以兼顾极性与非极性代谢物。例如，甲醇（MeOH）沉淀蛋白质可提取极性代谢物，但对甘油三酯（TG）回收率低。
- 解决方案：
- 双相提取（如氯仿/甲醇/水或甲基叔丁基醚/甲醇/水）可分离亲水与亲脂相，提高覆盖率（表1列举了多种组合方案）。
- 自动化96孔板格式（如Captiva、HyperSep）提升高通量处理效率，减少人为误差。
- 证据：Godzien等通过单次双相提取结合LC-MS分析两相，覆盖了从氨基酸到胆固醇酯的代谢物；Matyash的MTBE法因低毒性和操作简便被广泛采用。
质谱检测技术的革新
- 直接进样质谱（Direct Infusion MS）：
- 无需色谱分离，通过电喷雾电离（ESI）快速获取指纹图谱，但易受基质效应干扰。Biocrates试剂盒通过多重MS/MS实现定量，但仅限已知代谢物。
- 离子淌度质谱（Ion Mobility-MS, IM-MS）：
- 通过碰撞横截面（CCS）值区分同分异构体，提升选择性。Paglia等证明CCS值跨实验室重现性（RSD%），且不受色谱条件影响。
- 应用案例：Shah等结合UHPLC-IM-MS的MSE模式，通过漂移时间对齐碎片离子，改善了脂质鉴定（图4）。
色谱分离策略的多样性
- 反相色谱（RPLC）：C18或C8柱分离中等极性代谢物，优化流动相（如10 mM甲酸铵）可提升脂质覆盖率。
- 亲水相互作用色谱（HILIC）：适用于极性代谢物，ZIC-pHILIC柱在pH 9.2下表现最佳。
- 超临界流体色谱（SFC）：Lísa等用CO2/甲醇-水体系在6分钟内分离24类脂质（图6），但需每日再生柱效。
- 二维液相（2D-LC）：HILIC×RPLC离线模式可解析磷脂异构体，如Holčapek鉴定了143种脂质物种。
数据采集与处理的进步
- 数据非依赖采集（DIA）：如SWATH MS/MS通过质量窗口分段提升低丰度代谢物检测，但需解卷积算法（如MS-DIAL）关联 precursor与碎片离子（图7）。
- 靶向与非靶向融合：Gertsman开发的高分辨率多反应监测（MRM）同时定量55种代谢物并保留全扫描数据，结合了QQQ的灵敏度与TOF的覆盖范围。
数据处理的挑战与工具
- 软件差异导致结果偏差：Gurdeniz比较MarkerLynx、MZmine 2和XCMS，仅2/14生物标志物被三者共同检出。
- 新兴工具如MS-DIAL通过CCS值和保留时间对齐提升鉴定可靠性。
意义与价值
本文系统梳理了代谢组学与脂质组学的技术瓶颈及解决方案，提出通过IM-MS、DIA和多维色谱等技术融合非靶向与靶向方法的优势。其科学价值在于：
1. 方法论指导：为复杂生物样本分析提供标准化流程建议（如双相提取+多平台检测）。
2. 技术创新：推动CCS值数据库构建和开源算法开发，促进数据可比性。
3. 应用潜力：在疾病标志物发现、精准医学及合成生物学中，高覆盖与高定量精度结合将加速新发现。
亮点
- 技术整合：首次全面评估IM-MS在代谢物鉴定中的正交分离价值。
- 批判性分析：指出DIA的碎片离子解卷积难题，并提出软件解决方案。
- 前瞻性：强调未来需开发更多同位素内标以提升靶向方法的代谢物覆盖。
其他有价值内容
- 表1总结了双相提取的溶剂组合与LC-MS条件，为实验设计提供快速参考。
- 图1直观对比了非靶向与靶向方法在代谢物数量与定量可靠性间的权衡，突显融合必要性。