代谢物谱分析在健康与疾病状态下的代谢研究中具有重要价值。本文介绍了一种利用正相液相色谱联用高分辨率质谱、极性切换及快速循环周期的技术方案，可对生物材料中的极性代谢物组成进行高灵敏度、高准确性和高分辨率的分析。
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摘要
摘要
代谢物谱分析在健康与疾病状态下的代谢研究中一直具有重要价值。然而，现有平台存在多种限制因素，例如样品制备过程劳动密集、检测限较低、扫描速度慢、每种代谢物均需进行繁琐的方法学优化，以及无法在单次实验中同时检测带正电荷和带负电荷的离子。因此，一种新型代谢组学方案有望推动代谢组学研究的发展。基于酰胺的亲水色谱技术可实现极性代谢物的分析，且无需任何化学衍生化步骤。采用Q-Exactive（QE-MS）的高分辨质谱技术改进了离子光学系统，提高了扫描速度（在70,000分辨率下为256毫秒），并具备正/负离子模式切换的能力。结合冷甲醇提取策略，将酰胺色谱柱与QE-MS联用，可同时实现对168种靶向极性代谢物及数千个其他特征峰的稳健检测。 数据处理通过 commercially available software 高效完成，从质谱中提取的未知特征可通过数据库进行查询。
引言
代谢组学被定义为可同时测定多种代谢物的实验，已成为备受关注的研究领域。 代谢组学能够直接反映分子水平的生理状态，并已为发育及癌症等疾病的研究提供了重要见解1-4。 核磁共振（NMR）和气相色谱-质谱联用技术（GC-MS）是最常用的分析仪器之一5-9。 特别是核磁共振技术，由于重同位素标记化合物（如13C标记的代谢物）具有NMR活性，因此常用于代谢通量分析10,11。 然而，该方法对样品纯度和样品量要求较高，限制了其在代谢组学中的广泛应用。 同时，NMR采集的数据需要进行复杂的分析，且对复杂NMR谱图中的化合物进行归属较为困难。 GC-MS已广泛应用于极性代谢物和脂质研究，但其要求待测化合物具有挥发性，因此通常需要对代谢物进行衍生化处理，而该过程有时涉及复杂的化学反应，耗时较长，并可能引入实验噪声。
液相色谱（LC）与三重四极杆质谱联用技术利用第一个四极杆选择完整的母离子，母离子随后在第二个四极杆中发生碎裂，而第三个四极杆则用于选择特征性碎片离子或子离子。 该方法记录母离子向特定子离子的转化过程，被称为多反应监测（MRM）。 MRM 是一种对小分子和蛋白质定量均具有高灵敏度、高特异性和高稳健性的方法12-15,21。 然而，MRM 也存在其局限性。为实现高特异性，每种代谢物均需建立独立的 MRM 方法。该方法需确定特定的碎片离子及相应的优化碰撞能量，这要求预先掌握目标代谢物的性质信息，例如化学结构数据。因此，除少数涉及常见碎片中性丢失的情况外，该方法无法用于鉴定未知代谢物。
近年来，已推出多种高分辨率质谱仪（HRMS），例如 LTQ-orbitrap 和 Exactive 系列、QuanTof 以及 TripleTOF 560016-18,22高分辨质谱（HRMS）可提供完整离子的质荷比（m/z），误差仅为几个 ppm。因此，通过检测所有前体离子运行的 HRMS 仪器即 全扫描模式可从分析物的精确质量及其相应的元素组成中获得直接的结构信息，这些信息可用于鉴定潜在的代谢物。 事实上，通过精确质量可以获取化合物的全部信息，直至其结构异构体水平。 此外，全扫描方法无需预先了解代谢物，也无需进行方法优化。 此外，由于所有质荷比（m/z）落在扫描范围内的离子均可被分析，与多反应监测（MRM）方法相比，高分辨质谱（HRMS）在单次运行中可定量的代谢物数量几乎不受限制。由于较短的占空周期，HRMS在全扫描模式下可获得的数据点数量与三重四极杆MRM相当，因此在定量能力上亦可与之媲美。因此，HRMS为定量代谢组学提供了一种替代方案。近年来，一种改进型高分辨质谱——Q-Exactive质谱（QE-MS）可在单一方法中实现正负离子模式的快速切换，且循环时间足够短，从而扩展了检测范围19. 本文中，我们描述了使用QE-MS的代谢组学策略。
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方案
1. 液相色谱-质谱试剂的准备、色谱方法的建立以及仪器操作程序的建立
- LC溶剂的制备
- 配制500 ml流动相。A相为含20 mM乙酸铵和15 mM氢氧化铵的3%乙腈/水溶液，最终pH为9.0； B相为100%乙腈。
- 将瓶盖松开，放入水浴超声仪中，超声10分钟，不额外加热。（此步骤旨在确保所有铵盐完全溶解，并无残留气泡。）
- 将250 ml溶剂转移至250 ml玻璃瓶中用于LC-MS，其余部分在4 °C保存。
- 配制低质量数范围校准溶液。在代谢组学应用中，使用定制的低质量数范围校准混合物至关重要，以确保在低分子量范围内准确检测质量数。
- 称取氟乙酸钠和高香草酸各5 mg，溶于5 ml水中，配制成终浓度为1 mg/ml的溶液。将二嗪农溶于甲醇中，配制成终浓度为10 mg/ml的溶液。
- 配制1 ml负离子模式低质量数校准溶液：将960 ml赛默飞负离子校准溶液与20 ml氟乙酸钠和高香草酸溶液混合。配制1 ml正离子模式低质量数校准溶液：将990 ml赛默飞正离子校准溶液与10 ml二嗪农溶液混合。（低质量数校准溶液应于4 °C保存，每2 个月新鲜配制一次。）
- 在低质量数范围内对QE-MS进行校准
- 在进行低质量数范围校准前，根据仪器制造商的说明，在正负两种模式下完成标准质量校准（m/z范围为150–2,000）。
- 标准质量校准通过后，在仪器控制面板中将扫描范围调整为60–900 m/z，并设置电离源碰撞诱导解离（CID）能量：正离子模式为25 eV，负离子模式为35 eV。（此设置可获得咖啡因碎片离子和硫酸根离子的强信号。此处扫描范围固定，因为末尾m/z值不应超过起始m/z值的15倍 。）
- 待离子源稳定后，执行定制化校准。注：离子源稳定定义为正离子模式下总离子流变化小于10%，负离子模式下小于15%。定制化校准所用离子及其对应的m/z值见表1。
- 建立用于极性代谢物分析的LC-MS仪器系统。液相色谱（LC）与QE-MS联用，用于代谢物的分离与检测。
- 为QE-MS配备加热电喷雾电离探针（H-ESI）。设置探针相关调谐参数如下：加热器温度120 °C；鞘气30；辅助气10；吹扫气3；喷雾电压：正离子模式3.6 kV，负离子模式2.5 kV。毛细管温度设为320 °C，S透镜设为55。
- 建立全扫描方法如下：全扫描范围：60–900（m/z）；分辨率：70,000；最大注入时间：200 msec，典型注入时间约为50 msec；自动增益控制（AGC）：3,000,000离子。这些参数设置可实现约550 msec的循环周期，用于在正负两种模式下进行扫描。
- 建立色谱方法。采用酰胺柱（100 × 2.1 mm内径，3.5 µm）在室温下进行化合物分离13,15。流动相A如上所述，流动相B为乙腈。采用以下线性梯度：0 min，85% B；1.5 min，85% B；5.5 min，35% B；10 min，35% B；10.5 min，35% B；14.5 min，35% B；15 min，85% B；20 min，85% B。流速设置为：0–10 min和15–20 min期间为0.15 ml/min，10.5–14.5 min期间为0.3 ml/min。
2. 代谢物样品的制备
- 配制提取溶剂。在50 ml离心管中混合40 ml甲醇（LC-MS级）和10 ml水（LC-MS级），使用前于-80 °C冰箱中预冷至少1小时。注意：本步骤及以下步骤可根据生物组织和体液样本的提取需求进行适当调整。
- 在三个10 cm培养皿或6孔板中，使用完全培养基RPMI 1640（添加10%热灭活胎牛血清以及100,000单位/L青霉素和100 mg/L链霉素）培养结肠癌HCT 8细胞。
- 当细胞融合度达到80%时，迅速吸除培养基，并将培养皿或孔板置于干冰上13,15。立即加入1 ml提取溶剂（80%甲醇/水），并将孔板转移至-80 °C冰箱。对于10 cm培养皿，每个孔加入3 ml提取溶剂。（应尽可能彻底去除培养基，以避免培养基中残留盐分导致的离子抑制效应。）
- 将孔板静置15分钟，取出后在干冰上刮取细胞至溶剂中。将溶液转移至1.7 ml Eppendorf离心管，于4 °C以20,000 × g离心10分钟。（从三个独立培养皿中分别制备细胞代谢物，以获得三个重复样本。保留两管样本的目的是作为备份。）
- 将上清液转移至两个新的Eppendorf离心管中，并在真空浓缩仪中干燥。干燥时间约为3–6小时 ，具体时间取决于所用真空浓缩仪的性能。（样本也可在氮气环境下过夜干燥。）
- 干燥完成后，将每份样本的离心管保存于-80 °C冰箱中。使用时，将其中一份样本溶解于20 µl水（LC-MS级）中，取5 µl注入LC-QE-MS进行分析。
3. 样品序列的设置
- 在QE-MS上完成校准后，以0.15 ml/min的流速用85% A相平衡液相色谱柱5分钟，此为液相梯度的起始条件。
- 将样品序列设置为随机顺序。注意：此方式可将液相-质谱系统引入的波动均匀分布至每个样品，确保不同样品间的比较更加准确。每运行6个样品后插入一次清洗进样，该清洗进样采用相同的质谱方法，但液相梯度为95% A相持续10分钟，随后在85% A相、流速0.15 ml/min条件下平衡色谱柱5分钟。每次清洗进样后加入空白样品（100%水），以评估系统背景信号和样品残留水平。
- 保存序列，待液相色谱柱压力稳定至约400 psi后，启动序列运行。若该序列之后无其他样品运行，则在序列末尾添加一个终止进样，其梯度结束时流速为0 ml/min，并在序列完成后选择“待机”模式。
- 在校准完成12小时后，重新运行同一样品集。（此步骤用于评估校准后质量误差的波动情况。）
4. 分析后仪器清洁与维护
- 序列结束后，以 0.2 ml/min 的流速用 95% A 溶液冲洗色谱柱 2 小时，必要时在冲洗前将色谱柱反接。
- 拆下液相色谱柱，通过接头将液相系统直接连接至离子源。配制清洗溶剂（水/甲醇/甲酸，v:v:v，90:10:0.2），将质谱调至待机模式，以 0.1 ml/min 的流速清洗液相-质谱系统 1 小时，以去除残留的沉淀盐分或其他杂质。若系统压力过高，应降低流速。
- 将毛细管温度设为 50 °C，待温度降至 50 °C 后，小心拆下离子阱，并取出离子扫集锥和离子传输管。使用粗糙表面材料（如砂纸）清除离子扫集锥表面残留的杂质。
- 将离子传输管放入含有 10 ml 含 0.1% 甲酸的 90% 水/甲醇溶液的 15 ml Falcon 管中。在水浴超声仪中于 20 分钟内超声清洗后，倾去管内溶剂，更换为 10 ml 纯甲醇，再超声清洗 20 分钟。（如有需要，可于 40 °C 或更高温度下进行超声，以获得更佳清洗效果。）
5. LC-MS 数据分析
- 为确保样品序列运行顺利，在完成序列中的前两个样品后，检查未知代谢物的峰形。使用包含代谢物名称、中性化学式及检测模式（正离子或负离子模式）的 csv 文件作为输入文件，输出文件将包含提取的峰及以 ppm 为单位的质量误差。如果峰形异常或质量误差超过 5 ppm，则需停止后续序列运行并进行故障排查。
- 在商业软件中选择“峰对齐与峰组提取”方法。导入液相色谱-质谱（LC-MS）的原始数据并进行分组。选取运行序列中间的样品作为色谱参考样品用于峰对齐。上传包含已知代谢物的峰组种子文件，用于靶向代谢物分析，并关联采集的数据及相应的峰组种子。
- 分别在正离子和负离子模式下进行数据分析。其他参数使用默认设置。关闭数据库搜索功能并运行工作流程。将处理后的数据导出为 Excel 表格，其中包含每个峰组的峰面积。前若干个峰组对应靶向列表中的代谢物。注：对于靶向代谢物分析，代谢物信息基于先前的研究13,15。
- 对于非靶向代谢物分析，选择“组分提取”方法。加载空白样品以进行背景扣除。设置峰强度阈值为 105，m/z 宽度为 10 ppm，信噪比为 3。
- 使用人类代谢组数据库（Human Metabolome Database）对未知化合物进行鉴定。利用变异系数（CV）过滤器剔除在重复样品中 CV 值过大的组分。手动检查每个组分，挑选峰形清晰或在不同样品类型间差异相对较大的组分进行数据库搜索。导出在数据库中有匹配结果的数据。（若峰对齐评分过低，可跳过峰对齐步骤。）
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结果
代谢组学数据的准确性在很大程度上取决于LC-QE-MS仪器的性能。为了评估仪器是否处于良好运行状态以及所采用的方法是否合适，需从总离子色谱图（TIC）中提取若干已知代谢物的液相色谱峰，如图1所示。在当前液相条件下，极性代谢物（包括氨基酸、糖酵解中间产物、三羧酸循环中间产物、核苷酸、维生素、ATP、NADP+等）在酰胺柱上具有良好的保留效果和理想的峰形。同时，在低质量校准后24小时内进行质量误差测试，如图2所示。校准后，对6个不同浓度的样品（每个样品设三个重复）重复运行两次，整个测试时间跨度接近24小时。通过将检测到的m/z值与目标代谢物的理论m/z值进行比较，评估质量误差。此处目标代谢物的m/z范围从74（甘氨酸）到744（NADP+）。Y轴表示在特定质量误差范围内代谢物的累积百分比。蓝色曲线显示0–12小时内的结果，而红色曲线显示12–24小时内采集的数据。图2清楚表明，超过90%的代谢物质量误差在5 ppm以内，说明本研究建立的低质量范围校准方法足以维持低质量范围检测时的质量误差在5 pp...
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讨论
使用本方案在细胞中成功进行代谢物谱分析最关键的步骤包括：1）控制培养基并谨慎地提取细胞；2）根据质谱方法设置调整液相色谱方法，以确保每个色谱峰的定量分析中包含足够数量（通常至少10个）的数据点；3）在运行样品前进行低质量校准；4）进样量不超过5 ml，以避免因水引起的保留时间偏移和峰展宽；5）将用于比较的样品在同一批次中制备和运行，以最小化批次效应。
用于低质量范围校准的标准品（表1）可相互替换。 任何质荷比（m/z）落在质量扫描范围之内、在H-ESI源中电离性能良好、且可溶于水、甲醇或乙腈的已知化合物，均可作为合理的校准标准品候选物。 强烈建议将所有校准溶液储存于4 °C，以稳定咖啡因并减少校准溶液中甲醇或乙腈的挥发，从而提高校准结果的可重复性。 与常规质量范围（m/z 150–2,000）相比，低质量范围校准需更频繁地进行，至少每两天一次。
该流程从提取溶剂、重悬溶剂、液相色谱流动相，到低质荷比范围校准及质谱扫描范围均已优化，用于检测极性代谢物，包括氨基酸、乙...
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披露
作者声明无利益冲突。
致谢
作者谨此感谢 Detlef Schumann、Jennifer Sutton（Thermo Fisher Scientific）和 Nathaniel Snyder（宾夕法尼亚大学）在质谱校准和数据处理方面的宝贵讨论。 本研究由美国国立卫生研究院下属的国家癌症研究所资助，资助编号为 R00CA168997。本内容完全由作者负责，不代表美国国立卫生研究院的官方观点。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 正离子校准混合物 | Thermo Scientific | #88323 | 对光敏感，需在 4 °C 下保存 |
| 负离子校准混合物 | Thermo Scientific | #88324 | 在 4 °C 下保存 |
| 二嗪农 | Sant Cruz Biotechnology | #C0413 | 可引起眼部刺激，操作时应在通风橱中进行，并在 4 °C 下保存 |
| H-ESI 针式插入件 | Fisher Scientific | #1303200 | 若发生堵塞，可用 5% 甲酸/水溶液清洗（需取下橡胶环）或更换新件 |
| Xbridge 胺基柱 | Waters | #186004860 | 建议使用保护柱以延长色谱柱寿命 |
参考文献
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