Der Begriff "Metabolomik" kann viele Dinge umfassen. Zum Beispiel kann ein Metabolomik-Experiment mit einer Vielzahl von analytischen Plattformen wie NMR und sowohl Gas- und/oder Flüssigkeitschromatographie in Verbindung mit Massenspektrometrie durchgeführt werden. Darüber hinaus können Metabolomik-Experimente gezielt oder nicht zielgerichtet oder in einer Kombination aus beidem durchgeführt werden. Ein gezieltes Metabolomik-Experiment beinhaltet die gerichtete Analyse einer Gruppe von Molekülen, die für die vorliegende biologische Fragestellung wichtig sind (z. B. ermöglichen kleine Moleküle, die am TCA-Zyklus beteiligt sind, eine genaue Quantifizierung dieses Signalwegs). In dieser Situation diktiert die biologische Hypothese die Auswahl der Metaboliten, auf die die Analyse abzielt, und die analytischen Schritte werden für den Nachweis dieser Moleküle optimiert. Alternativ kann auch ein nicht-zielgerichtetes Metabolomik-Experiment zur Hypothesengenerierung verwendet werden. In diesem Fall wird das Experiment breit und unvoreingenommen durchgeführt, um den Nachweis möglichst vieler Metaboliten zu ermöglichen. Die Ergebnisse eines nicht zielgerichteten Experiments werden den nächsten Schritt der Forschung vorantreiben (der in vielen Fällen einen gezielten Metabolomik-Workflow beinhalten kann). Es ist auch möglich, die beiden Ansätze zu kombinieren, wobei in diesem Fall ein Experiment nicht zielgerichtet durchgeführt wird, während gleichzeitig eine Gruppe bekannter Moleküle innerhalb der Daten überwacht wird.
Das hier vorgestellte Tutorial konzentriert sich speziell auf die Erstellung von nicht-zielgerichteten Metabolitenprofilen von Serum. Wie oben beschrieben, bietet der nicht-zielgerichtete Ansatz einen unvoreingenommenen Blick auf die nachweisbaren Metaboliten, kann große Mengen an Informationen generieren und letztendlich neue Entdeckungen ermöglichen. Die Anwendung dieses Ansatzes, bei dem speziell die Hochleistungsflüssigkeitschromatographie in Verbindung mit der Massenspektrometrie (UPLC-MS) eingesetzt wird, wird immer häufiger 1, 2, 3 und umfasst die folgenden Schritte: (1) Versuchsplanung (2) Probenentnahme (3) Probenvorbereitung (4) Datenerfassung mittels UPLC-MS (5) Datenvorverarbeitung (Peak-Detektion, Integration, Ausrichtung und Normalisierung) (6) statistische Datenanalyse (sowohl uni- als auch multivariat) (7) Metabolitenidentifikation und (8) biologische Auslegung.
Derzeit gibt es keine etablierten Standardmethoden für UPLC-MS-basiertes nicht-zielgerichtetes Metaboliten-Profiling und nachfolgende Datenvorverarbeitungsschritte. Dieser Mangel an Standardisierung ist zum Teil auf eine der wichtigsten analytischen Herausforderungen bei der Erstellung von Metabolitenprofilen zurückzuführen. die chemische Vielfalt des Metaboloms. Aufgrund dieser Vielfalt ist es unmöglich, dass eine einzige Extraktionsmethode oder eine Massenspektrometrie-Erfassungsmethode eine umfassende Abdeckung aller Metaboliten in einer einzigen Analyse bietet. Konzeptionell kann die Metabolitenabdeckung durch die Verwendung mehrerer Extraktionen (z. B. wässrig, Methanol, Chloroform:Methanol usw.) in Verbindung mit verschiedenen chromatographischen Bedingungen (z. B. Umkehrphase, HILIC usw.) und verschiedenen Ionisationsmodi (z. B. positives Ion, negatives Ion, chemische Ionisation usw.) maximiert werden.). Oft haben Forscher jedoch keine vorgegebene Voreingenommenheit für eine bestimmte chemische Klasse, so dass die Kosten für die Durchführung mehrerer Extraktionen und Instrumentenbeschaffungen nicht gerechtfertigt sind, insbesondere bei groß angelegten Experimenten. Daher wurde das hier vorgestellte Video-Tutorial entwickelt, um ein allgemeines Verfahren für die groß angelegte nicht-zielgerichtete Metabolitenprofilierung von Serum mittels UPLC-MS bereitzustellen. Es wird neuen und etablierten Laboratorien ermöglichen, diese Art von Experimenten durchzuführen, und die Bausteine, auf denen sie den Ansatz für verschiedene Probentypen, spezifische chemische Klassen oder gezielte Analysen erweitern können. Konkret umfasst dieses Protokoll die folgenden Schritte: Vorbereitung der Serumprobe, Probenorganisation für groß angelegte Studien, UPLC-MS-Datenerfassung, Qualitätskontrollverfahren (QC) und Identifizierung von Metaboliten. Strategien zur Datenvorverarbeitung und statistischen Analyse werden ebenfalls vorgestellt.
Das Protokoll konzentriert sich nicht auf die Schritte der Versuchsplanung, der Probenentnahme oder der Interpretation biologischer Daten, da es außerhalb des Rahmens dieses Tutorials liegt. In der Literatur gibt es jedoch viele Ressourcen zu diesen Themen, und die Autoren ermutigen Forscher, die neu in der Metabolomik sind, diese gründlich zu untersuchen 4, 5, 6, 7, 8, 9. Insbesondere das Versuchsdesign ist äußerst wichtig und entscheidend für den Erfolg eines nicht-zielgerichteten Metabolomik-Experiments. Faktoren wie eine angemessene biologische Replikation und Konsistenz des Probenentnahmeverfahrens (z. B. Zeit auf dem Labortisch, Lagertemperatur, Lagerzeit, Frost-Tau-Zustand usw.) müssen berücksichtigt werden, um eine tragfähige Studie zu gewährleisten und eine angemessene biologische Interpretation der Daten zu erleichtern.