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C=C位置探索思路或将发现脂质生物标志物——访清华大学瑕瑜教授、欧阳证教授

仪器信息网 2017/06/16 09:44:35 点击 594 次
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[导读] 在清华大学有一支以质谱技术为基础,研发小型仪器和直接采样离子化技术并开展脂质组学研究与应用的研究团队。该团队是国内唯一一个通过分析C=C位置进行脂质学研究的课题组,也是国内为数不多的将仪器研发与质谱应用技术结合起来的团队。两位课题组教授均为国家“千人计划”入选者,并从美国普渡大学双双归国。

  脂质组学是通过以生物质谱为核心的分析技术了解脂质的结构与功能,从而揭示脂质代谢与机体的生理、病理过程之间的相互关系的一门学科。从2003年第一篇脂质组学研究论文发表,该学科在十几年的时间里逐步发展。

  在清华大学有一支以质谱技术为基础,研发小型仪器和直接采样离子化技术并开展脂质组学研究与应用的研究团队。该团队是国内唯一一个通过分析C=C位置进行脂质学研究的课题组,也是国内为数不多的将仪器研发与质谱应用技术结合起来的团队。这个团队还有个独特的地方,它是由清华大学精密仪器系和化学系内的两支课题组的结合。团队中的两位课题组教授均为国家“千人计划”入选者,并从美国普渡大学双双归国。脂质组学研究是该团队从2013年起就开始进行的一项研究。近期该实验室在脂质组学研究方面主要聚焦在哪些方面?采用了哪些质谱分析方法?是否开发了新的仪器与技术?小质谱与脂质组学研究的结合情况如何?仪器信息网编辑围绕以上问题采访了该实验室两位教授:清华大学化学系教授瑕瑜和清华大学精密仪器系教授欧阳证。

  清华大学化学系教授瑕瑜与精密仪器系教授欧阳证在ASMS 2017的合影

-根据C=C做脂质组学定性、定量分析,换个角度建立脂质分析整体工作流程

  目前脂质组学分析主要有两类分析策略,即为鸟枪法和液质联用分析法。鸟枪法不需要分离,是一种可以直接、快速得到脂质轮廓的质谱方法,但并不适用于低信号强度的脂质分子;液质联用分析法能够得到更广泛和细节的脂质分子信息,但需要在质谱分析之前增加液相分离步骤。然而,目前这两种方法都无法确定同分异构脂质分子的C=C位置。同分异构体的定性和定量问题并不能通过已有方法得到解决。

  瑕瑜长期从事生物质谱为基础的气相化学自由基研究,一个偶然的机会,瑕瑜课题组的马潇潇博士(现为清华大学精密仪器系助理教授)在进行光化学自由基反应时发现受激发的丙酮与脂质C=C反应的结果并没有形成断裂加成峰,而是整个丙酮加到脂质分子上去。查阅资料之后,发现这是一个已知反应Paternò-Büchi(PB反应)。根据PB反应的机理就能够清晰地解析离子碎裂谱图从而确定C=C位置。“这个发现对确定脂质同分异构体C=C位置,以及进行脂质定量分析非常有帮助。”瑕瑜说。

  从2014年发表第一篇文章起,他们将这一理论应用在了脂质组学研究中。 PB反应在鸟枪法策略中进行脂质同分异构体的定性与定量分析的研究已经取得了成功。目前,PB反应在液质联用策略中的脂质组学分析研究工作也已经完成。瑕瑜表示:“液质联用分析脂质组学能够得到更多的分子信息,应用面会更加广泛。将PB反应用在这个技术中,能够给脂质组学的发展提供更多机会。”

  现有的商业脂质解析数据库并不包括脂质C=C位置信息,并不能进行脂质同分异构体的定性与定量分析。目前,欧阳证与瑕瑜的研究团队正在进行包含C=C位置信息的脂质组学分析数据库建立工作。“我们希望让更多做脂质组学研究的人知道这个技术,并通过建立这个数据库帮助到需要了解脂质C=C信息的研究。”欧阳证在谈到该数据库的建立时说,“事实上,我们将要建立的不止是一个数据库,而是包括前端液相方法、PB反应、质谱方法、数据库与软件分析在内的整体工作流程。”

  据了解,欧阳证提到的脂质组学研究工作流程中的液相、PB反应以及CID(碰撞诱导解离)数据已经基本收集完毕。

-把反应器装进盒子,灵活使用质谱技

  提出工作流程的概念就是希望这个方法能够简单、方便和易用。团队在工作流程设计方面开展了大量工作,其中也包括将该分析方法的灵魂反应-PB反应的模块化。“我们的实验室和清谱科技合作制作了用于PB反应的源前反应器‘微流光反应器’,样品经液相分离后进入反应器并在流动的过程中进行光化学自由基反应,之后进入质谱分析。研制的主要目的是使PB反应能够更方便地应用在脂质分析中。”瑕瑜在介绍PB反应的模块化反应器时说,“该反应器设计为可拆卸的小型模块,就像一个小盒子,能够与商业ESI源配合使用”。

  工作流程以质谱平台为基础,质谱技术与分析方法也是谋求方法改进的重要方面。“我们将QTRAP与QTOF配合使用来建立最初的方法,”在介绍方法建立过程时欧阳证说:“在了解脂质类别与细节结构时,我们采用QTRAP进行质谱分析。该类仪器能进行多级质谱分析,并能够实现复杂样品中的极低浓度目标物的富集,这对了解脂质分子基础结构非常有利。”

  在确定脂质分子结构和明确目标脂质分子之后,工作流程更适合于在QTOF上进行。瑕瑜表示:“QTOF分析速度快,并能提供低端质量数的精确值,适合于大量样本的目标脂质分析。不仅能够让液相-PB反应-质谱分析这个工作流程更快,同时也是鸟枪法快速脂质分析的好平台。”

  样品越多对仪器分析速度和数据软件处理速度以及工作流程的设计要求就越高,目前该实验室正在从软件及流程设计的角度对工作流不断优化,以期更好地用在脂质组学研究及实际应用中。

-寻找潜在疾病标志物,脂质组学研究与小型质谱具有共同发展方向

  脂质组学研究经过十几年的发展,不断有新的探索成果出现。已经有越来越多的脂质组学研究者发现了在不同疾病阶段下脂质轮廓的变化。这项整体的应用方法流程能够通过提供双键信息应用于脂质组学生物研究中,也具有为临床疾病研究提供生物标志物的潜力。

  目前,FDA还没有批准任何脂质分子作为生物标志物用于临床。瑕瑜认为,这是该方法研究的好机会。

  这个工作流程不需要内标就能完成对不同脂质同分异构体的快速定量。将脂质分析简化为分析C=C不同位置的比例情况,仅需得到同分异构体的比例,这就避免了采样过程或离子化时产生的波动与误差,令结果非常准确。“这个途径或许能够寻找到潜在疾病生物标志物。”瑕瑜说,“或者说同分异构体比例本身就是一个能够说明疾病情况的‘生物标志物’”

  欧阳证团队研发的小型质谱仪已经能够测定小的生物标志物和脂质组。小型质谱已经与团队的脂质组学分析方法结合用于组织取样直接分析。

  在该实验室进行的一项神经退型疾病治疗药物效果的动物模型研究中,研究者采用小型质谱-脂质组学方法直接实时检测组织脂质同分异构体比例变化,从而判断损伤情况和药物效果。“以PB反应为基础的脂质组学方法快速,仅需要得到同分异构体比例,具有较高的准确性,适合与小型质谱结合使用。”欧阳证认为小型质谱与这项脂质分析方法的结合具有理想的发展前景,“现阶段分子层面的脂质代谢研究还很少,PB反应-脂质分析能够从分子层面提供数据信息,这与小型质谱的发展方向相吻合。小型质谱与该方法结合很可能将为医疗伴随诊断提供指导信息。”

采访编辑:郭浩楠

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  后记:将PB反应模块化、建立数据库和工作流程都是为了将这些技术推广,并能够让更多脂质组学和代谢组学的研究者能将这些技术应用到自己的研究发现中。由于脂质分子结构的多样性,脂质组学能够给生物学研究、临床研究提供更多有意义的信息。临床医疗是该实验室研究团队在仪器研发和方法开发方面的最终应用方向,也是很多组学研究团队的目标领域。瑕瑜教授和欧阳证将研究与团队带回祖国,与很多研究者一样,看好国内的人力资源与技术发展平台。愿在更多团队的共同努力下,我国的组学研究能够发挥科研力量,更多地真正应用于临床。

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