敏感な、大規模定量的メタボロームのための戦略

サマリー

代謝物プロファイリングは、健康と病気における代謝の研究に貴重な資産となっている。極性切り替えと迅速なデューティサイクルの高分解能質量分析に連結された正常相化液体クロマトグラフィーを利用して、我々は、高感度、精度、および解像度を有する生物学的物質の極性代謝物を分析するためのプロトコルを記載している。

要約

代謝物プロファイリングは、健康と病気における代謝の研究に貴重な資産となっている。しかし、現在のプラットフォームでは、このような労働集約的試料調製、低検出限界、スロースキャン速度、各代謝のための集中的な方法の最適化、および積極的に両方を測定することができないことや、単一の実験では負に帯電したイオンなどの異なる制限要因を持っています。このため、新たなメタボロミクスプロトコルはメタボロミクス研究を進めることができます。アミド系親水性クロマトグラフィーは、任意の化学的誘導体化することなく、極性代謝物の分析を可能にします。 Q-Exactive（QE-MS）を用いて高分解能MSは、イオン光学系を改善し、スキャン速度（解像度7万256ミリ秒）に上昇し、正/負切り替えを行う能力を有している。冷メタノール抽出戦略を使用して、QE-MSとのアミドの列を結合することは、同時に、追加機能の168の標的極性代謝と数千のロバストな検出を可能にします。 DAT処理は非常に効率的な方法で市販のソフトウェアを用いて実施され、マススペクトルから抽出された未知の機能がデータベースに照会することができる。

概要

同時に複数の代謝物を測定した実験として定義メタボロミクスは、強烈な関心領域となっている。メタボロミクスは、分子生理学の直接的な読み取りを提供し、癌の^1-4などの開発や病気への洞察を提供してきました。核磁気共鳴（NMR）、ガスクロマトグラフィー-質量分析（GC-MS）は、最も一般的に使用される器具^5-9の一つである。 NMR、特に^、13 C標識された代謝産物などの重同位体標識された化合物は、以降フラックス実験のために使用されている^、10,11 NMR活性である。しかし、この戦略は、比較的高いサンプル純度とメタボロミクスへの応用が制限され、大きなサンプル量を必要とする。一方、NMRから収集されたデータは、集中的な分析を必要とし、複雑なNMRスペクトルの化合物の割り当てが困難である。 GC-MSは、広く極性代謝および脂質研究のために使用されてきたが、それは揮発性compounを必要とするDS、したがって、場合によっては時間がかかる可能性が錯体化学を伴い、実験ノイズが導入されて代謝物の多くの場合、誘導体化、。

第3の四重極を特徴フラグメントまたは娘イオンを選択するために使用される三連四重極質量分析に連結した液体クロマトグラフィー（LC）は、次いで、第2四重極で断片化された無傷の親イオンを選択するための第1の四重極を使用する。特定の娘イオンの親イオンからの遷移を記録するこの方法は、多重反応モニタリング（MRM）と呼ばれる。 MRMは、小分子とタンパク質定量^12-15,21両方のための非常に感度が高く、特異的で、かつロバストな方法である。しかし、MRMはその制限があります。高い特異性を達成するために、MRM方法は、各代謝産物のために構築する必要がある。この方法は、プロペンの事前知識を必要とする、特定のフラグメントを識別し、最適化された衝突エネルギーを対応するから成りこのような化学構造情報のような目的の代謝産物のrties。したがって、一般的なフラグメントのニュートラルロスを伴ういくつかの例外を除いて、それがこの方法で、未知の代謝物を同定することは不可能である。

近年では、高分解能質量分析（HRMS）器具は、例えばLTQ-オービトラップとExactiveシリーズ、QuanTof、およびTripleTOF 5600 ^16-18,22として、リリースされている。 HRMSは、数ppmの誤差内で無傷のイオンの比（m / z）の質量電荷を提供することができる。したがって、すべての前駆体イオン（ すなわち、フルスキャンモード）を検出することによって操作HRMS器具は、正確な質量及び分析物の得られた元素組成から直接の構造情報を得ることができ、この情報は、潜在的な代謝産物を同定するために用いることができる。実際、化合物に関するすべての情報は、構造異性体のレベルまで、正確な質量を得ることができる。また、フルスキャン方式は、代謝物の予備知識を必要とせず、法の最適化を必要としません。のm / zの走査範囲に落ちると、全てのイオンを分析することができるので、HRMSは、MRM法と比較して、単一の実行で定量することができる代謝産物の数の点でほぼ無制限の容量を有する。 HRMSも発生するフルMSスキャンで得られるデータ点の同程度の数が、その結果、短いデューティ·サイクルに定量的な能力の三連四重極MRMに匹敵する。したがって、HRMSは、定量的メタボロミクスのための代替アプローチを提供します。近年、HRMSの改良版は、（QE-MS）は、検出範囲^19を拡張^し 、単一の方法では十分に速いサイクル時間を有する正および負のモード間の切り替えの下で動作させることができるQ-Exactive質量分析法と呼ばれる。ここでは、QE-MSを用いて当社のメタボロミクス戦略を説明します。

プロトコル

1。LC-MS試薬、クロマトグラフィ法の確立の準備、計測器操作手順の確立

1. LC溶媒の準備
   1. 500ミリリットルの移動相を準備します。 Aは、20mM酢酸アンモニウムおよび3％アセトニトリル/水中の15mMの水酸化アンモニウム、最終pHは9.0であり;そしてBは、100％アセトニトリルである。
   2. 緩く、ボトルにキャップを水浴超音波処理に置き、そして余分な加熱せずに10分間超音波処理。 （このステップは、アンモニウム塩の全てが完全に溶解すること、および残存気泡がないことを保証することである。）
   3. LC-MS用に250mlのガラスボトルに250mlの溶媒を移し、4℃で剰余を保つ
2. 低質量範囲のキャリブレーション溶液を調製する。正確な質量が、低分子量で検出されることを保証するメタボロミクスアプリケーション用にカスタマイズされた低質量範囲のキャリブレーション混合物を使用することが重要である。
   1. SODI両方5mgを量るウムフルオロおよびホモバニリン酸および1 mg / mlの最終濃度を作るために5mlの水にそれらを溶解する。 10 mg / mlの終濃度を作るためにメタノールにダイアジノンを溶解する。
   2. 負の低質量較正溶液1mlを調製し、ナトリウムfluoroaceateおよびホモバニリン酸溶液20mlで熱負の較正溶液960ミリリットルを混合する。正の低質量キャリブレーション溶液1mlを加えるには、サーモプラスの校正液の990ミリリットルと10ミリリットルダイアジノン溶液を混合。 （低質量​​キャリブレーション溶液は、4℃で保存されるべきであり、2ヶ月ごとに新しく調製する。）
3. 低質量範囲でのQE-MSのキャリブレーション
   1. 低質量範囲のキャリブレーションを行う前に、製造者の指示に基づいて、正と負の両方のモードで標準的な質量較正た（m / z、150-2,000）を行う。
   2. 定期的な質量キャリブレーションが経過すると、測定器のコントロールパネルで60〜900メートル/ Zとスキャン範囲を調整そしてポジティブモードとネガティブモード35 eVで25 eVでのソースCIDが適用される。 （これはカフェインのフラグメントイオンと硫酸イオンの強固な信号が得られます。ここでスキャン範囲が固定され、最後のm / zが始まるのm / zの15倍よりも大きくするべきではありませんので）
   3. イオン源が安定すると、カスタマイズされた後、キャリブレーションを行う。注：安定したソースがポジティブモードで総イオン電流変化量の10％未満と定義し、ネガティブモードで15％未満れる。カスタマイズされたキャリブレーションイオンおよび対応するm / zが表1に列挙されている。
4. 極性代謝物分析のためのLC-MS装置を確立します。 LCは、代謝産物の分離および検出のためのQE-MSに連結されている。
   1. 加熱されたエレクトロスプレーイオン化プローブ（H-ESI）とQE-MSを装備。記載されているプローブに関連するチューニングパラメータを設定します。ヒーターの温度、120℃;シースガス、30;補助ガス、10; 、スイープガス3; 、電圧をスプレーするため3.6 kVのポジティブモード及びネガティブモードのは2.5kV。 55で320℃、キャピラリー温度、およびS-レンズセット。
   2. フルスキャン範囲：次のようにフルスキャンの方法を構築する60から900（M / z）を;解像度70,000;最大射出時間：50ミリ秒の周りに典型的な噴射時間で200ミリ秒;自動利得制御（AGC）3,000,000イオン。これらの設定は、正と負の両方のモードでスキャンを実行するために周りの550ミリ秒のデューティサイクルをもたらす。
   3. クロマトグラフィー法を確立する。室温^13,15での化合物の分離のために、アミドカラム（100×内径2.1 mm 3.5 mm）を使用する。上述したように、移動相Aであり、移動相Bはアセトニトリルである。以下のように線形グラデーションを使用します。0分85％のB; 1.5分間、85％B、5.5分、35％B; 10分、35％B、10.5分、0〜10分15〜35％B、14.5分、35％B、15分間、85％B、20分間、85％B.流速0.15ミリリットル/分20分、10.5〜14.5分で0.3ml /分である。

2。のPr代謝産物試料のeparation

1. 抽出溶媒を準備します。 50mlチューブ中の40 mlのメタノール（LC-MSグレード）および10 mlの水（LC-MSグレード）に混合し、使用前に少なくとも1時間、-80℃の冷凍庫に保管してください。注：この手順は、以下の手順とは、生体組織および体液試料を抽出するために修飾することができる。
   1. 完全な増殖培地で3 10cmの皿または6ウェルプレート中で培養大腸癌HCT 8細胞は、RPMI 1640 10％熱不活化ウシ胎児血清および100,000単位/ Lのペニシリンおよび100mg / Lのストレプトマイシンを補充した。
   2. 細胞が80％コンフルエントに達したときに、すぐに培地を除去し、ドライアイス^13,15の上に皿またはプレートを配置します。すぐに（80％メタノール/水）、溶媒1ミリリットル抽出を追加し、-80℃の冷凍庫にプレートを転送する。 10cmディッシュのために、各ウェルに抽出溶媒の3ミリリットルを追加します。 （中の媒体から残留塩によるイオン抑制の影響を避けるために可能な限り削除するようにしてください。）
   3. 15分間のプレートのままにしておきます。冷凍庫から取り出し、ドライアイス上で溶媒中に細胞をこすり取る。 1.7ミリリットルエッペンドルフチュー​​ブに溶液を移し、10分間4℃で2万×gでの速度で遠心する。 （3反復サンプルを作るために3つの別々の皿から細胞代謝物を準備します。2のチューブを維持する目的は、バックアップとして1を持つことです。）
   4. 2新しいエッペンドルフチュー​​ブに上清を移し、高速真空でそれらを乾燥させます。これは、使用高速真空に応じて約3-6時間かかります。 （サンプルはまた、窒素ガス下で一晩乾燥させることができる。）
   5. 乾燥後、-80℃の冷凍庫で各サンプルのストアのチューブ。準備ができたら、20mlの水（LC-MSグレード）に一つのサンプルを再構成し、分析のためにLC-MS QE-5ミリリットル注入する。

サンプル·シーケンスの3。セットアップ

1. 較正が正しくQE-MS上で実施された後、流量で85％のAで5分間、LCカラムを平衡化LC勾配の開始条件は0.15 ml /分の速度。
2. ランダムにサンプル·シーケンスを設定します。注：このようにして、各サンプルにLC-MSによって導入変動を分配し、異なるサンプル間のより正確な比較を確実にする。 LCグラジエントは10分間95％Aで0.15 ml /分の流速で85％Aで5分のカラム平衡化に続い除くすべての6サンプルは、同じMS法を共有する洗浄運転を追加する。システムのバックグラウンドを評価し、レベルに運ぶために、各洗浄の実行後にブランク試料（水100％）を追加します。
3. シーケンスを保存し、LCカラムは400 PSIまわり、安定した圧力を示し、一度、シーケンスの実行を開始します。他のサンプルが存在しない場合、この配列の後に実行されるべきであり、次いで、グラジエントの最後0 ml /分の流量を有する配列の端部にストップランを追加し終えた後に「スタンバイ」を選択するシーケンス。
4. 再実行して同じサンプルは、キャリブレーション後の12時間に設定してください。 （これは私がキャリブレーション後の質量誤差の変動を評価するための）。

4。ポストの分析計測器クリーニングとメンテナンス

1. シーケンスの最後に、0.2〜2時間、ml /分の流速で95％Aでカラムを洗浄し、必要に応じて、洗浄前の列を逆転。
2. LCカラムを取り外し、直接結合によってイオン源へのLCを接続してください。 （：V：V、90:10:0.2 v）を、待機モードにMSを設定し、除去し、1時間0.1ミリリットル/分の流速でLC-MSシステムを洗浄溶媒としては、水/メタノール/ギ酸を掃除調製残差は、塩または他の不純物を沈殿させた。あまりにも多くのシステム圧力がある場合、流量を低下させる。
3. 50℃のキャピラリー温度を設定し、イオンケージを取り外す。キャピラリー温度が50℃まで低下した後、慎重にイオンスイープコーンおよびイオントランスファーチューブを取り出しイオンスイープコーンの表面に残った不純物を除去するために、サンドペーパーなどの粗いメッシュを使用する。
4. イオンの移動を置く0.1％ギ酸を含む10ミリリットルの90％水/メタノールを含有する15 50mlのFalconチューブにチューブ。 20分間水浴超音波処理チューブを超音波処理した後、内部の溶媒をデカント10ミリリットル純メタノールと交換し、さらに20分間超音波処理。 （必要に応じて、超音波処理は、良好な洗浄結果を達成するために40℃以上、より高い温度で行うことができる。）

5。LC-MSデータの解析を

1. サンプル·シーケンスを確実にするためには、シーケンスの最初の二つのサンプルを終えた後、未知の代謝物ピークを確認し、スムーズに動作します。入力ファイルとして、代謝物名、中性化学式および検出モード（正または負）の一覧のCSVファイルを使用して、出力ファイルはppmで抽出されたピークと質量誤差が含まれています。ピーク形状が異常であるか、質量誤差が5ppm以下でオフである場合、シーケンスの残りの部分は停止し、トラブルシューティングを行う必要があることが必要である。
2. 「ピークの位置合わせの方法を選択してくださいそして市販のソフトウェアでのフレーム抽出」。 LC-MSおよびグループ化からの生データを選択します。ピークの位置合わせのためのクロマトグラフィーの基準サンプルとして実行シーケンスの途中でサンプルを選ぶ。収集した情報に基づき対象となる代謝物の分析と、対応するフレームの種のための既知の代謝物を含むフレームの種をアップロードします。
3. 別々に正および負のモードでデータ解析を行う。他のパラメータのデフォルト設定を使用してください。データベースの検索機能をオフにして、ワークフローを実行します。すべてのフレームのピーク面積を含むExcelシートとして処理されたデータをエクスポートします。フレームの最初のセットは、ターゲットリスト内の代謝物に対応しています。注：標的代謝産物分析のために、代謝産物情報は、以前の研究^13,15に基づいて取得される。
4. 非標的代謝物分析のために、「成分抽出」の方法を選択します。バックグラウンド除去のためのブランク試料をロードします。設定したピーク強度閾値aをt10の^5,3の対雑音比10 ppmおよび信号のm / zの幅。
5. 未知の化合物の同定のためのヒューマン·メタボローム·データベースを使用します。反復サンプル内の大きなCVSでコンポーネントを削除するのCVフィルタを使用します。手動で各コンポーネントを通過し、明確に定義されたピークまたはデータベース検索のための種々のサンプルタイプでは比較的大きな差を持つものを選択します。データベース内のヒットしたデータをエクスポートします。 （ピークアラインメントスコアが低すぎる場合には、ピーク位置合わせをバイパスすることができる。）

結果

メタボロミクスデータの精度は非常にLC-QE-MS装置の性能に依存します。器具が良好な状態で動作しているかどうかを評価するために、 図1に示すように、適用される方法が適切であるかどうか、いくつかの既知の代謝産物のLCピークは、全イオンクロマトグラム（TIC）から抽出される。アミノ酸を含む極性代謝産物、解糖中間体、TCA中間体、ヌクレオチド、ビタミン、というように、ATP、NADP ⁺とは、現在のLC条件の下でアミドの列の列と良好なピーク形状に良好な保持を持っている。一方、質量誤差試験は三連のサンプルの6つの異なる濃度の校正後に二回実行される。 図2に示すように、低質量較正後24時間以内に行われ、全体の時間範囲は、ほぼ24時間を覆っている。質量誤差は、標的代謝物の理論のm / zを検出したm / zを比較することによって評価される。ここで対象となる代謝物は、m / zを持っている74（グリシン）から744（NADP ^+）の範囲。ここでY軸は、特定の質量誤差範囲内の代謝産物の累積パーセンテージを表す。赤色の曲線は12〜24時間から...

ディスカッション

このプロトコルを使用して、細胞内の正常な代謝物プロファイリングのための最も重要なステップは次のとおりです。1）増殖培地、細胞を慎重に取り出しを制御する。 2）定量のためのピーク間で十分に（通常は少なくとも10）のデータ·ポイントがあることを確認するために、MSメソッドの設定に基づいて、LC法を調整する。 3）サンプルを実行する前に、低質量キャリブレーションを行う。 4）保持時間のシフトを回避するために、せいぜい5ミリリットル注入し、ピークの広がりは、水に起因する;および5）バッチ効果を最小化するために、同じバッチ内の比較のためのサンプルを準備し、実行する。

低質量範囲のキャリブレーションのためにここで選択された基準（ 表1）は、交換可能である。質量スキャン範囲内に収まるのm / zを有する任意の公知の化合物を、ウェルH-ESIソースに挙動し、水、メタノール、またはアセトニトリルに溶解されている較正標準のための合理的な候補である。それは非常にすべてのキャリブレーション溶液Aを保存することをお勧めしますトン4°C、カフェインを安定させるとともに、キャリ...

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
ポジキャリブレーションミックス	Thermo Scientific	#88323	光に敏感です。4°Cで保管します。C
ネガティブキャリブレーションミックス	Thermo Scientific	#88324	4°C;C
Diazinon	Sant Cruz Biotechnology	#C0413	それは目の刺激を引き起こすので、フードで作業してください。4°Cで保管します。C
H-ESIニードルインサート	Fisher Scientific	#1303200	目詰まりした場合は、5%ギ酸/水(ゴムリングを取り外す)で交換または洗浄することができます。
Xbridge アミドカラム	Waters	#186004860	カラムの寿命を延ばすために、ガードカラムをお勧めします。