GC-Orbitrap/MS在代謝組學(xué)中小分子識(shí)別和定量的應(yīng)用

 

李丕  邢江濤

 

 

代謝組學(xué)旨在對(duì)給定生物學(xué)背景下的所有代謝物（小分子）進(jìn)行識(shí)別和定量。質(zhì)譜法是對(duì)小分子進(jìn)行準(zhǔn)確分析的最強(qiáng)大工具之一，可以檢測(cè)成百上千種代謝物。然而，由于數(shù)據(jù)庫覆蓋范圍有限及代謝組的復(fù)雜性，通常只有不到30%的化合物被鑒定，而未注釋的峰很可能是感興趣化合物。因此未知物識(shí)別一直是代謝組學(xué)研究中最耗時(shí)的步驟，依賴質(zhì)譜專家對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行勞動(dòng)密集型的手動(dòng)注釋。

本文將從分辨率和質(zhì)量精度、同位素過濾、CI確認(rèn)、靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍、解析軟件這6個(gè)維度討論GC-Orbitrap/MS在代謝組學(xué)中小分子識(shí)別和定量的表現(xiàn)。

01

未知物注釋—— HRAM

近十年來隨著 GC-Orbitrap/MS 高分辨氣質(zhì)系統(tǒng)的興起，整個(gè)代謝組進(jìn)入快速注釋的新時(shí)代。這得益于GC-Orbitrap/MS超高分辨率（高達(dá)240K）和亞ppm質(zhì)量精度的優(yōu)點(diǎn)。采集樣本生成高分辨質(zhì)譜數(shù)據(jù)，然后利用離子質(zhì)量虧損遞推計(jì)算出未知峰所有可能的分子式。分辨率是分離兩個(gè)m/z相近離子的能力，質(zhì)量精度是實(shí)測(cè)值和理論值的偏差。分辨率和質(zhì)量精度越高，滿足篩選條件的分子式越少，越容易得到正確注釋。

 

 

 

Misra使用 GC-Orbitrap/MS 分析了標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì) NIST SRM 1950 混合血漿參考樣品，以評(píng)估該平臺(tái)對(duì)常規(guī)發(fā)現(xiàn)代謝組學(xué)在代謝物注釋和定量方面的適用性[1]。該研究分別通過EI、PCI 和 NCI 模式自信地鑒定了 263、93 和 65 種代謝物（代謝組學(xué)標(biāo)準(zhǔn)倡議MSI置信水平 2），其中 270 種代謝物 (64%) 使用內(nèi)部譜庫進(jìn)行了驗(yàn)證。另外，與使用相同 NIST SRM 1950 血漿樣品的已發(fā)表的基于LC-MS 的工作相比，兩個(gè)平臺(tái)只有 17% 的代謝物重疊，說明了血漿代謝組學(xué)研究中使用GC-Orbitrap/MS 平臺(tái)的互補(bǔ)性和必要性。
 

02

未知物注釋——同位素模式過濾

在高m/z區(qū)域，僅靠高質(zhì)量精度不足以排除足夠多的候選物，因?yàn)楦適/z區(qū)域存在更多化學(xué)上可能的分子式。研究表明同位素模式正交過濾可以排除>95%的錯(cuò)誤候選物。

Qiu使用加標(biāo)的同位素比率離群值分析 (IROA) 進(jìn)行未知代謝物注釋[2]，并證明使用該工作流程生成化學(xué)式的可靠性更高。本質(zhì)上，IROA 工作流程使用兩種不同的 13C 富集碳源（隨機(jī) 95% 12C 和 95% 13C）以產(chǎn)生鏡像同位素峰對(duì)，二者的質(zhì)量差異揭示了碳鏈長(zhǎng)度 (n)，從而有助于鑒定內(nèi)源性代謝物。通過GC-Orbitrap/MS數(shù)據(jù)可以識(shí)別 244 個(gè) IROA 峰對(duì)，平均質(zhì)量偏差為1.48 ppm，這顯著提高了 IROA 的檢測(cè)能力（Qiu 之前的工作使用其他類型的高分辨質(zhì)譜，僅得到 126 個(gè) IROA 峰對(duì)，平均質(zhì)量偏差為 32.2 ppm）。  

 

 

03

未知物注釋——EI+CI互補(bǔ)

元素組成的計(jì)算需要豐富的分子離子。EI譜圖通常分子離子豐度低或缺失，因此需要使用 CI軟電離獲得分子離子信息。很多研究都使用GC-Orbitrap/MS 結(jié)合CI電離為顯著失調(diào)的未知物生成可能的分子式，此處不贅述。

Misra在其研究論文中對(duì)GC-Orbitrap/MS輕松切換EI/CI源的功能給予了中肯評(píng)價(jià)。他提到，對(duì)于我們的高分辨 GC-Orbitrap/MS 儀器，EI 和 CI 之間的切換很容易，一個(gè)制備好的樣品可以依次運(yùn)行 EI-MS、PCI-MS/MS 和 NCI-MS分析。

賽默飛具有獨(dú)特的VPI技術(shù)，可以在不破壞質(zhì)譜真空的情況下2分鐘之內(nèi)切換EI源和CI源，5分鐘內(nèi)更換色譜柱，消除宕機(jī)時(shí)間，輕松實(shí)現(xiàn)EI/PCI聯(lián)合定性或雙柱RI定性。更有EI/CI混合離子源，一個(gè)離子源實(shí)現(xiàn)三種電離模式。

 

 

04

高靈敏度——小樣本量發(fā)現(xiàn)更多標(biāo)志物

研究表明，GC-Orbitrap/MS在代謝組學(xué)中的靈敏度和發(fā)現(xiàn)標(biāo)志物的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于四極桿質(zhì)譜[3]。若要在兩種儀器得到的響應(yīng)強(qiáng)度相近的TIC，需要在 四極桿質(zhì)譜上注入濃度高 8 倍的樣品。以相同參數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行峰拾取、分組、過濾后，分別剩下 114 個(gè)（四極桿）和 339 個(gè)化合物（GC-Orbitrap/MS）——這是 3 倍的差異。這表明GC-Orbitrap/MS的靈敏度更高，使用更小的樣本量即可增加代謝覆蓋率。

可用樣本量對(duì)于環(huán)境樣本或可擴(kuò)展培養(yǎng)的生物體不是問題，但可能是人類或動(dòng)物研究的限制因素。更重要的是，在樣品濃度降低 8 倍的情況下，GC-Orbitrap/MS 仍檢測(cè)生成了幾乎 3 倍的代謝物。

比較兩種儀器中顯著失調(diào)的化合物，有趣的是，兩個(gè)數(shù)據(jù)集的重要化合物只有 28% 重疊。在四極桿數(shù)據(jù)集中發(fā)現(xiàn)缺失46個(gè)失調(diào)化合物，而 GC-Orbitrap/MS 數(shù)據(jù)集僅缺失9個(gè)失調(diào)化合物。四極桿缺失的化合物中， 4個(gè)由于解卷積錯(cuò)誤而缺失；12個(gè)由于p 值或倍數(shù)變化不符合重要化合物的閾值標(biāo)準(zhǔn)而缺失；29個(gè)因檢測(cè)到的碎片太少缺失。由此可見，GC-Orbitrap/MS 可以檢測(cè)到更多的化合物，因?yàn)樗�的檢測(cè)限較低。此外，GC-Orbitrap/MS缺失的9種化合物中有2個(gè)被排除是因?yàn)樗鼈兇嬖谟谂囵B(yǎng)基空白中；2個(gè)解卷積錯(cuò)誤缺失，5個(gè)因 p 值或倍數(shù)變化不符合重要化合物的閾值標(biāo)準(zhǔn)。

 

 

05

動(dòng)態(tài)范圍

代謝組學(xué)的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是生物樣品中代謝物濃度的動(dòng)態(tài)范圍較大，跨越4-6 個(gè)數(shù)量級(jí)。對(duì)于傳統(tǒng)光電倍增器式質(zhì)譜檢測(cè)器，很容易導(dǎo)致飽和。

GC-Orbitrap/MS是一種新型高分辨質(zhì)譜儀，動(dòng)態(tài)范圍高達(dá)6個(gè)數(shù)量級(jí)。因此GC-Orbitrap/MS允許引入更多的樣品，從而獲得更多的低豐度代謝物。在Qiu的研究中，GC-Orbitrap/MS 具有更寬的動(dòng)態(tài)范圍，因此可以檢測(cè)到更多的 IROA 峰對(duì)，結(jié)合GC-Orbitrap/MS的高分辨率，共同提高了分子式的可靠性。

 

 

呼吸氣檢測(cè)可以揭示人體的揮發(fā)性代謝組，是疾病早期診斷和精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的有效工具。Boyle采用熱脫附（TD）與 GC-Orbitrap/MS 聯(lián)用搭建Breath Biopsy呼吸活檢平臺(tái)（Owlstone Medical），將呼吸樣本收集、熱解吸和測(cè)量聯(lián)系起來，以提供呼吸樣本的綜合概況。GC-Orbitrap/MS 高分辨率質(zhì)譜儀與呼吸活檢結(jié)合使用的主要優(yōu)勢(shì)在于動(dòng)態(tài)范圍寬、質(zhì)量分辨率高和質(zhì)量準(zhǔn)確度高，可實(shí)現(xiàn)低濃度和高濃度下的檢測(cè)和定量以及快速可靠的化合物鑒定。同一呼吸樣本中可能含有非常高和超痕量（飛克）水平的化合物，因此獲取廣泛豐度范圍內(nèi)的高質(zhì)量數(shù)據(jù)至關(guān)重要。超過6個(gè)數(shù)量級(jí)動(dòng)態(tài)范圍使 GC-Orbitrap/MS 輕松勝任呼吸活檢（見下圖）。

 

 

另外，呼吸分析通常受到樣本數(shù)量的限制，因此必須從單一分析中收集定量和定性信息。GC-Orbitrap/MS能夠進(jìn)行平行的靶向和非靶向分析，從而研究已知和潛在的新型生物標(biāo)志物。

 

06

軟件

軟件與儀器本身同樣重要，是成功鑒定化合物的基石之一。質(zhì)譜硬件當(dāng)下處于非常先進(jìn)的階段，結(jié)構(gòu)解析的最終成功在于如何深度利用數(shù)據(jù)。這就要求開發(fā)更好的軟件程序，以及評(píng)估HRAM MS數(shù)據(jù)的復(fù)雜工具。

GC-Orbitrap/MS配套賽默飛專業(yè)的數(shù)據(jù)解卷積、大隊(duì)列的組學(xué)分析、和化合物質(zhì)譜裂解軟件。

組學(xué)分析軟件Compound Discoverer內(nèi)置高效靶向和非靶向分析工作流，幫助用戶最大化從代謝組學(xué)樣本中獲得的代謝覆蓋率和未知物質(zhì)注釋方面的信息，并可進(jìn)行分子網(wǎng)絡(luò)、代謝通路分析。

質(zhì)譜裂解軟件Mass Frontier包含3萬多個(gè)裂解方案，其中包含十余萬個(gè)反應(yīng)和相關(guān)結(jié)構(gòu)。可以執(zhí)行直接分子搜索、子結(jié)構(gòu)搜索、相似性搜索和名稱搜索，并且所有關(guān)聯(lián)的元數(shù)據(jù)都可以電子方式搜索，可用于開發(fā)計(jì)算機(jī)碎片預(yù)測(cè)。

 

 

Mass Frontier質(zhì)譜裂解軟件一瞥（從手繪到電子檢索預(yù)測(cè)）
 

在代謝組學(xué)領(lǐng)域，GC-Orbitrap/MS被積極用于捕獲各種生物學(xué)背景的揮發(fā)性、非極性和極性（衍生）小分子。短短幾年，大量研究工作使用 GC-Orbitrap/MS生成了令人興奮的高通量和高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，涵蓋基礎(chǔ)研究到應(yīng)用研究領(lǐng)域。通過靶向和非靶向工作流程，GC-Orbitrap/MS有望提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)集，以應(yīng)對(duì)各種研究挑戰(zhàn)。