超高速液体クロマトグラフィーと質量分析(UPLC-MS)を組み合わせたノンターゲット代謝物プロファイリングは、代謝を調査するための強力な技術です。 この記事では、サンプルの組織化と調製、データ取得、データ解析、品質管理、代謝物の同定など、血清のノンターゲット代謝物プロファイリングに利用される一般的なワークフローについて概説します。
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方法論記事
超高速液体クロマトグラフィーと質量分析(UPLC-MS)を組み合わせたノンターゲット代謝物プロファイリングは、代謝を調査するための強力な技術です。 この記事では、サンプルの組織化と調製、データ取得、データ解析、品質管理、代謝物の同定など、血清のノンターゲット代謝物プロファイリングに利用される一般的なワークフローについて概説します。
超高速液体クロマトグラフィーと質量分析(UPLC-MS)を組み合わせたノンターゲット代謝物プロファイリングは、代謝を調査するための強力な技術です。 このアプローチは、診断テストや新しい治療法の開発、および疾患プロセスの理解を深めることを可能にする、偏りのない詳細な分析を提供します。 メタボロームの固有の化学的多様性は、重大な分析上の課題を生み出し、すべての代謝物を検出できる単一の実験的アプローチはありません。 さらに、個々の代謝の生物学的変動と代謝の環境要因への依存性により、意味のある生物学的解釈に必要な適切な統計的検出力を達成するためには、大量のサンプルが必要です。 これらの課題に対処するために、このチュートリアルでは、UPLC-MSによる血清の大規模な非標的代謝物プロファイリングの分析ワークフローについて概説します。この手順には、サンプルの整理と調製、データ取得、品質管理、代謝物同定に関するガイドラインが含まれており、大規模な実験で信頼性の高いデータ取得が可能になり、UPLC-MSによるノンターゲット代謝物プロファイリングを初めて行うラボの出発点となります。
「メタボロミクス」という用語は、多くのものを包含することができます。 例えば、メタボロミクス実験は、NMRやガスクロマトグラフィー、液体クロマトグラフィー、質量分析法など、さまざまな分析プラットフォームを使用して行うことができます。 さらに、メタボロミクス実験は、標的法または非標的法、あるいは両方の組み合わせで実施することができます。 ターゲットメタボロミクス実験では、目の前の生物学的問題にとって重要な分子のパネルを指向的に解析します(例えば、TCAサイクルに関与する低分子は、その経路の正確な定量を可能にします)。 このような状況では、生物学的仮説が分析で標的とする代謝物の選択を決定しており、分析ステップはこれらの分子の検出に最適化されています。 あるいは、ノンターゲットメタボロミクス実験が仮説を立てています。 この場合、実験は広範かつ偏りのない方法で行われ、できるだけ多くの代謝物を検出できるようにします。 ノンターゲット実験の結果は、研究の次のステップを推進します(多くの場合、ターゲットメタボロミクスワークフローが含まれる場合があります)。 また、2つのアプローチを組み合わせることも可能であり、その場合、実験はノンターゲット方式で行われ、同時にデータ内の既知の分子のパネルが監視されます。
ここで紹介するチュートリアルは、特に血清のノンターゲット代謝物プロファイリングに焦点を当てています。 上述したように、ノンターゲットアプローチは、検出可能な代謝物の偏りのないビューを提供し、大量の情報を生成することができ、最終的には新たな発見を可能にします。このアプローチの使用は、特に超高速液体クロマトグラフィーと質量分析(UPLC-MS)を組み合わせたもので、(1)実験デザイン、(2)サンプル収集、(3)サンプル調製、(4)UPLC-MSによるデータ取得、(5)データ前処理(ピーク検出、波形解析、アライメント、正規化)、(6)統計データ解析(単変量および多変量の両方)、(7)代謝物の同定、(8)生物学的なステップで、広く普及しています1、2、3。解釈。
現在、UPLC-MSベースのノンターゲット代謝物プロファイリングとその後のデータ前処理ステップのための確立された標準法はありません。 この標準化の欠如は、代謝物プロファイリングの主要な分析課題の1つに一部起因しています。メタボロームの化学的多様性。 この多様性のため、単一の抽出法または質量分析取得法では、1回の分析ですべての代謝物を包括的にカバーすることは不可能です。 概念的には、複数の抽出(水溶液、メタノール、クロロホルム:メタノールなど)と、さまざまなクロマトグラフィー条件(逆相、HILICなど)およびさまざまなイオン化モード(陽イオン、陰イオン、化学イオン化など)を組み合わせることで、代謝物のカバレッジを最大化できます。). しかし、多くの場合、研究者は特定の化学クラスに対して事前に決定されたバイアスを持っていないため、特に大規模な実験では、複数の抽出や機器の取得を行う費用は保証されません。 したがって、ここで紹介するビデオチュートリアルは、UPLC-MSによる血清の大規模なノンターゲット代謝物プロファイリングの一般的な手順を提供するように設計されています。 これにより、新規および既存のラボがこれらのタイプの実験を行うことができ、さまざまなサンプルタイプ、特定の化学クラス、またはターゲット分析のアプローチを拡大できるビルディングブロックが可能になります。 具体的には、このプロトコルには、血清サンプル調製、大規模研究のためのサンプル組織化、UPLC-MSデータ取得、品質管理(QC)手順、および代謝物の同定のステップが含まれます。 また、データの前処理と統計分析の戦略についても説明します。
このチュートリアルの範囲外であるため、このプロトコルは実験デザイン、サンプル収集、または生物学的データの解釈のステップには焦点を当てません。 しかし、これらのトピックに関する文献には多くのリソースが存在しており、著者はメタボロミクスに不慣れな研究者に、これらを徹底的に探求することを奨励しています4、5、6、7、8、9。 特に、実験計画は非常に重要であり、ノンターゲットメタボロミクス実験の成功に不可欠です。 適切な生物学的複製やサンプル収集手順の一貫性(ベンチでの時間、保管温度、保管時間、凍結融解など)などの要素を考慮して、実行可能な研究を確保し、データの適切な生物学的解釈を促進する必要があります。
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1. サンプル構成
2. 血清および品質管理(QC)サンプル調製手順
3. UPLC-MSデータ取得
| 時間 (分) | %A | %B | 曲線 |
| 0.0 | 100 | 0 | |
| 0.1 | 100 | 0 | 6 |
| 1.0 | 60 | 40 | 6 |
| 3.0 | 30 | 70 | 6 |
| 11.0 | 0 | 100 | 6 |
| 17.0 | 0 | 100 | 6 |
| 17.1 | 100 | 0 | 6 |
| 23.0 | 100 | 0 | 6 |
| 時間 (分) | %A | %B | 曲線 |
| 0.0 | 100 | 0 | |
| 1 | 100 | 0 | 6 |
| 13 | 5 | 95 | 6 |
| 16 | 5 | 95 | 6 |
| 16.05 | 100 | 0 | 6 |
| 20 | 100 | 0 | 6 |
4. ピーク検出、積分、アライメント、正規化
これらの手順を実行するためのさまざまなオプションがあり、これにはフリーウェアやベンダー固有のツールが含まれます。この手順はビデオチュートリアルではスキップされていますが、ここでは例としてアプローチを以下に説明します。
各サンプルについて、このタイプの実験から生成される分析データは、保持時間、m/z値、およびスペクトル強度によって記述されるイオンのプロファイルです。ノンターゲット代謝物プロファイリング実験は多数のサンプルで構成されるため、データセットのその後の統計解析を可能にするために、ピーク検出、保持時間のアラインメント、および正規化を行う必要があります。
5. 統計分析
メタボロミクス実験では、データの解釈に多変量統計手法と単変量統計手法の両方が必要です。一般的に使用される2つの手法には、主成分分析と分散分析(ANOVA)があります。データの統計分析には複数の方法があり、オープンソースと商用の両方のソフトウェアツールが利用可能です。この手順はビデオチュートリアルではスキップされていますが、ここでは例としてアプローチを以下に説明します。
6. 代謝物の同定
ここで紹介するワークフローは非常に一般的で、どの機器プラットフォームからの結果にも適用できます。別の戦略については、「ディスカッション」セクションで説明します。
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UPLC-MSによる非標的メタボロームプロファイリング実験の基本的な分析手順を図1に概説します。各サンプルの生データは、ベースピーククロマトグラムとして可視化できます。図2は、本チュートリアルのグラジエントオプション(a)で分析した血清サンプルのベースピーククロマトグラムの例です。上述の統計解析の後、統計的に有意なすべての分子特徴についてメタボライトの同定を試みます。確実な同定(レベル1)には、同一の分析装置を用いて得られた実験的な分子特徴と、推定されるメタボライトの認証標準品との間で、クロマトグラフィーの保持時間、正確な質量、およびフラグメンテーションパターンの照合が必要です。図3は、ヒト血清中のカフェインのレベル1メタボライト同定の例を示しています。
本プロトコルでは、サンプルの整理と調製、UPLC-MSデータの取得と品質管理、および分析的な代謝物同定に焦点を当てています。ピーク検出、アライメント、標準化、および統計解析のステップは、非標的代謝物プロファイリング実験の結果を得る...
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このチュートリアルは、UPLC-MS による大規模な非標的代謝物プロファイリングを実施するための出発点として機能することを目的としています。このワークフローは、メタノール水溶液溶媒で抽出し、C8 または C18 UPLC カラムに保持し、陽イオンとして検出できる代謝物に焦点を当てています。特定の代謝物クラスに対する事前に決定されたバイアスがなく、グローバルプロファイルを生成する仮説が望まれる状況では、このプロトコルは、さまざまな化学クラスからの血清代謝物の大部分を検出するため、価値があります(つまり、 中 程度の極性から非極性の化合物)。予算と時間が許せば、さまざまな抽出方法、クロマトグラフィー分離、およびイオン化モードを組み込むことで、代謝物のカバレッジを簡単に拡大できます 13,14 15。
経時的なデータの安定性は、数週間または数か月にわたってデータが収集される可能性がある大規模な実験では、重要な分析上の考慮事項です。アプローチの偏りのない全体的な性質を考えると、データの正規化を目的とした内部標準(または内部標準のパネル)を組み込むこ...
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著者らは、競合する金銭的利益はないと宣言している。
提示されたチュートリアルは、コロラド州立大学のプロテオミクスおよびメタボロミクス施設内で実施および開発されました。この施設は、CSU Research Administration Resources for Scholarly Projectsによって部分的に資金提供を受けています。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 96ウェルプレート - 500 μlウェルVWR | 40002-020 | サンプル調製に使用されます | |
| 96ウェルプレートマット | VWR | 89026-514 | これらはサンプル調製に使用されます |
| 96ウェルプレート - 350 μl ウェルズ | ウォーターズ・コーポレーション | WAT058943 | これらはサンプル注入に使用されます |
| 96ウェルプレートマット | ウォーターズ・コーポレーション | 186000857 | これらはサンプル注入に使用されます |
| 96ウェルプレートヒートシール | ウォーターズコーポレーション | 186002789 | これらはサンプル注入または長期保存に使用できます |
| 96ウェルプレートヒートシーラー | ウォーターズコーポレーション | 186002786 | |
| LC-MS グレード メタノール | Fluka | 34966 | |
| LC-MS グレード アセトニトリル | Fluka | 34967 | |
| LC-MS グレード aater | Fluka | 39253 | |
| LC-MS グレード ギ酸 | Fluka | 56302 | |
| マルチチャンネル電動ピペット | VWR | 89000-674 | |
| Pipett tips | Eclipse (Light Labs から購入) | B-5061/B-4061 | |
| チルド遠心分離機 - Allegra X-12R | Beckman Coulter | N/A - 接触 Beckman Coulter | |
| Acquity Ultra performance 液体クロマトグラフィー (UPLC) システム | Waters Corporation | N/A - 接触 Waters Corporation | |
| UPLC C8 カラム (グラジエントオプション a) | Waters Corporation | 186002876 | |
| UplC T3 カラム (グラジエントオプション b) | WatersCorporation | 186003536 | |
| Xevo G2 Q-TOF 質量分析計 | Waters Corporation | N/A - Waters Corporation |
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