질량분석법(UPLC-MS)과 결합된 초고성능 액체 크로마토그래피에 의한 비표적 대사 산물 프로파일링은 대사를 조사하는 강력한 기술입니다. 이 문서에서는 시료 조직 및 준비, 데이터 수집, 데이터 분석, 품질 관리 및 대사 산물 식별을 포함하여 혈청의 비표적 대사 산물 프로파일링에 사용되는 일반적인 워크플로우를 간략하게 설명합니다.
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방법 논문
질량분석법(UPLC-MS)과 결합된 초고성능 액체 크로마토그래피에 의한 비표적 대사 산물 프로파일링은 대사를 조사하는 강력한 기술입니다. 이 문서에서는 시료 조직 및 준비, 데이터 수집, 데이터 분석, 품질 관리 및 대사 산물 식별을 포함하여 혈청의 비표적 대사 산물 프로파일링에 사용되는 일반적인 워크플로우를 간략하게 설명합니다.
질량분석법(UPLC-MS)과 결합된 초고성능 액체 크로마토그래피에 의한 비표적 대사 산물 프로파일링은 대사를 조사하는 강력한 기술입니다. 이 접근 방식은 진단 테스트, 새로운 치료법의 개발 및 질병 과정에 대한 이해를 높일 수 있는 편견 없고 심층적인 분석을 제공합니다. 대사체에 내재된 화학적 다양성은 상당한 분석적 문제를 야기하며 모든 대사체를 검출할 수 있는 단일 실험 접근 방식은 없습니다. 또한 개별 신진대사의 생물학적 다양성과 환경 요인에 대한 신진대사의 의존성으로 인해 의미 있는 생물학적 해석에 필요한 적절한 통계적 능력을 얻기 위해 많은 수의 샘플이 필요합니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 이 튜토리얼에서는 UPLC-MS에 의한 혈청의 대규모 비표적 대사 산물 프로파일링을 위한 분석 워크플로우를 간략하게 설명합니다. 이 절차에는 시료 구성 및 준비, 데이터 수집, 품질 관리 및 대사 산물 식별에 대한 지침이 포함되어 있으며, 대규모 실험을 위한 신뢰할 수 있는 데이터 수집을 가능하게 하고 UPLC-MS에 의한 비표적 대사 산물 프로파일링을 처음 접하는 실험실을 위한 시작점을 제공합니다.
"대사체학"이라는 용어는 많은 것을 포괄할 수 있습니다. 예를 들어, 대사체학 실험은 NMR 및 기체 및/또는 액체 크로마토그래피와 같은 다양한 분석 플랫폼을 사용하여 질량 분석법과 결합되어 수행할 수 있습니다. 또한 대사체학 실험은 표적 또는 비표적 방식 또는 두 가지 모두의 조합으로 수행할 수 있습니다. 표적 대사체학 실험에는 당면한 생물학적 문제에 중요한 분자 패널에 대한 지시 분석이 포함됩니다(예: TCA 회로에 관여하는 작은 분자는 해당 경로의 정확한 정량화를 가능하게 함). 이 상황에서 생물학적 가설은 분석에서 표적으로 삼을 대사 산물의 선택을 지시하고 분석 단계는 이러한 분자의 검출을 위해 최적화됩니다. 또는 비표적 대사체학 실험이 가설 생성입니다. 이 경우 실험은 가능한 한 많은 대사 산물을 검출할 수 있도록 광범위하고 편향되지 않은 방식으로 수행됩니다. 비표적 실험의 결과는 연구의 다음 단계를 주도할 것입니다(많은 경우 표적 대사체학 워크플로우가 포함될 수 있음). 또한 두 가지 접근 방식을 결합할 수도 있으며, 이 경우 실험은 비표적 방식으로 수행되며 동시에 데이터 내에서 알려진 분자 패널을 모니터링합니다.
여기에 제시된 튜토리얼은 특히 혈청의 비표적 대사 산물 프로파일링에 중점을 둡니다. 위에서 설명한 바와 같이, 비표적 접근법은 검출 가능한 대사 산물에 대한 편향되지 않은 관점을 제공하고, 많은 양의 정보를 생성할 수 있으며, 궁극적으로 새로운 발견을 가능하게 합니다. 특히 질량 분석법(UPLC-MS)과 결합된 초고성능 액체 크로마토그래피를 사용하는 이 접근 방식의 사용은 널리 보급되고 있으며 1, 2, 3 단계를 포함합니다: (1) 실험 설계 (2) 시료 채취 (3) 시료 준비 (4) UPLC-MS에 의한 데이터 수집 (5) 데이터 전처리(피크 검출, 적분, 정렬 및 정규화) (6) 통계 데이터 분석(단변량 및 다변량 모두) (7) 대사 산물 식별 및 (8) 생물학적 해석.
현재 UPLC-MS 기반 비표적 대사 산물 프로파일링 및 후속 데이터 전처리 단계에 대해 확립된 표준 방법은 없습니다. 이러한 표준화의 부족은 부분적으로 대사 산물 프로파일링의 주요 분석 과제 중 하나에 기인합니다. 대사체의 화학적 다양성. 이러한 다양성으로 인해 단일 추출 방법 또는 질량 분석 수집 방법으로는 단일 분석에서 모든 대사 산물을 포괄적으로 포괄할 수 없습니다. 개념적으로 대사 산물 커버리지는 다양한 크로마토그래피 조건(예: 역상, HILIC 등) 및 다양한 이온화 모드(예: 양이온, 음이온, 화학적 이온화 등)와 결합된 다중 추출(예: 수성, 메탄올, 클로로포름:메탄올 등)을 사용하여 최대화할 수 있습니다.). 그러나 연구자들은 특정 화학 물질군에 대해 미리 결정된 편향을 가지고 있지 않은 경우가 많기 때문에 특히 대규모 실험의 경우 여러 추출 및 기기 획득을 수행하는 데 드는 비용이 보증되지 않습니다. 따라서 여기에 제시된 비디오 튜토리얼은 UPLC-MS에 의한 혈청의 대규모 비표적 대사 산물 프로파일링을 위한 일반적인 절차를 제공하도록 설계되었습니다. 이를 통해 신규 및 기존 실험실은 이러한 유형의 실험을 수행할 수 있으며 다양한 샘플 유형, 특정 화학 등급 또는 표적 분석에 대한 접근 방식을 확장할 수 있는 구성 요소를 구축할 수 있습니다. 구체적으로 이 프로토콜에는 혈청 시료 준비, 대규모 연구를 위한 시료 조직, UPLC-MS 데이터 수집, 품질 관리(QC) 절차 및 대사 산물 식별 단계가 포함됩니다. 데이터 전처리 및 통계 분석을 위한 전략도 제시됩니다.
프로토콜은 이 튜토리얼의 범위를 벗어나므로 실험 설계, 샘플 수집 또는 생물학적 데이터 해석 단계에 초점을 맞추지 않습니다. 그러나 이러한 주제에 대한 문헌에는 많은 자료가 존재하며, 저자는 대사체학을 처음 접하는 연구자들이 이러한 주제를 철저히 탐구할 것을 권장합니다 4, 5, 6, 7, 8, 9. 특히, 실험 설계는 매우 중요하며 비표적 대사체학 실험의 성공에 매우 중요합니다. 적절한 생물학적 복제 및 샘플 채취 절차의 일관성(예: 벤치에서의 시간, 보관 온도, 보관 시간, 동결-해동 등)과 같은 요소를 고려하여 실행 가능한 연구를 보장하고 데이터의 적절한 생물학적 해석을 용이하게 해야 합니다.
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1. 샘플 구성
2. 혈청 및 품질 관리(QC) 샘플 준비 절차
3. UPLC-MS 데이터 수집
4. 피크 감지, 통합, 정렬 및 정규화
프리웨어 및 공급업체별 도구를 포함하여 이러한 단계를 수행할 수 있는 다양한 옵션이 있습니다. 이 단계는 비디오 자습서에서 건너뛰었지만 아래 접근 방식은 예로 설명되어 있습니다.
각 샘플에 대해 이러한 유형의 실험에서 생성된 분석 데이터는 머무름 시간, m/z 값 및 스펙트럼 강도로 설명되는 이온 프로파일입니다. 비표적 대사 산물 프로파일링 실험은 많은 샘플로 구성되므로 데이터 세트의 후속 통계 분석을 가능하게 하기 위해 피크 검출, 머무름 시간 정렬 및 정규화를 수행해야 합니다.
5. 통계 분석
대사체학 실험의 경우 데이터 해석을 위해 다변량 및 일변량 통계 기법이 모두 필요합니다. 일반적으로 사용되는 두 가지 기법으로는 주성분 분석(Principal Component Analysis)과 분산 분석(ANOVA)이 있습니다. 데이터의 통계 분석에 접근하는 방법에는 여러 가지가 있으며 오픈 소스 및 상용 소프트웨어 도구를 모두 사용할 수 있습니다. 이 단계는 비디오 자습서에서 건너뛰었지만 아래 접근 방식은 예로 설명되어 있습니다.
6. 대사 산물 식별
여기에 제시된 워크플로우는 매우 일반적이며 모든 기기 플랫폼의 결과에 적용할 수 있습니다. 대안 전략은 토론 섹션에 나와 있습니다.
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UPLC-MS를 이용한 비표적 대사체 프로파일링 실험의 기본 분석 단계가 그림 1에 요약되어 있습니다. 각 샘플의 원시 데이터는 베이스 피크 크로마토그램으로 시각화할 수 있습니다. 그림 2는 튜토리얼의 기울기 옵션 (a)로 분석한 혈청 샘플의 베이스 피크 크로마토그램 예시를 보여줍니다. 위에서 설명한 통계 분석에 따라, 통계적으로 유의미한 모든 분자 특징에 대해 대사체 식별을 시도합니다. 확신 수준이 높은 식별(레벨 1)을 위해서는 동일한 분석 장비에서 획득한 실험적 분자 특징과 추정 대사체의 표준품 사이의 크로마토그래피 머무름 시간, 정확한 질량 및 파편화 패턴이 일치해야 합니다. 그림 3은 인간 혈청 내 카페인의 레벨 1 대사체 식별 예시를 보여줍니다.
본 프로토콜은 시료 정리 및 준비, UPLC-MS 데이터 획득 및 품질 관리, 그리고 분석적 대사체 식별에 중점을 둡니다. 피크 검출,...
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이 튜토리얼은 UPLC-MS를 통해 대규모 비표적 대사산물 프로파일링을 수행하기 위한 출발점 역할을 하기 위한 것입니다. 워크플로우는 수성 메탄올 용매로 추출하고 C8 또는 C18 UPLC 컬럼에 유지되며 양이온으로 검출될 수 있는 대사산물에 중점을 둡니다. 특정 대사산물 종류에 대해 미리 결정된 편향이 없고 글로벌 프로파일을 생성하는 가설이 필요한 상황에서 이 프로토콜은 다양한 화학 종류(즉, 적당히 극성에서 비극성 화합물). 예산과 시간이 허락하는 경우, 다양한 추출 방법, 크로마토그래피 분리 및 이온화 모드의 통합으로 대사 산물 범위를 쉽게 확장할 수 있습니다 13,14 15.
시간 경과에 따른 데이터 안정성은 데이터가 몇 주 또는 몇 달에 걸쳐 수집될 수 있는 대규모 실험에서 중요한 분석 고려 사항입니다. 접근 방식의 편견 없고 전체론적인 특성을 감안할 때 데이터 정규화를 목적으로 내부 표준(또는 내부 표준 패널)을 통합하는 것은 적절...
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저자는 경쟁하는 금전적 이해관계가 없음을 선언합니다.
제시된 튜토리얼은 콜로라도 주립 대학의 단백질체학 및 대사체학 시설(Proteomics and Metabolomics Facility)에서 수행 및 개발되었으며, 이 시설은 CSU Research Administration Resources for Scholarly Projects에서 부분적으로 자금을 지원합니다.
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| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 96웰 플레이트 - 500 μ l 웰 | VWR | 40002-020 | 이들은 샘플 준비에 사용됩니다 |
| 96 웰 플레이트 매트 | VWR | 89026-514 | 이들은 샘플 준비에 사용됩니다 |
| 96 웰 플레이트 - 350 μ l wells | Waters Corporation | WAT058943 | 샘플 주입에 사용됩니다 |
| 96웰 플레이트 매트 | Waters Corporation | 186000857 | 샘플 주입에 사용됩니다 |
| 96웰 플레이트 히트 씰 | Waters Corporation | 186002789 | 샘플 주입 또는 장기 보관에 사용할 수 있습니다 |
| 96웰 플레이트 히트 씰러 | Waters Corporation | 186002786 | |
| LC-MS 등급 메탄올 | Fluka | 34966 | |
| LC-MS 등급 아세토니트릴 | Fluka | 34967 | |
| LC-MS 등급 아터 | Fluka | 39253 | |
| LC-MS 등급 포름산 | Fluka | 56302 | |
| 다채널 전자 피펫 | VWR | 89000-674 | |
| 피펫 팁 | Eclipse(Light Labs를 통해 구매) | B-5061/B-4061 | |
| 냉각 원심분리기 - Allegra X-12R | Beckman Coulter | 해당 없음 - 문의: Beckman Coulter | |
| Acquity Ultra performance Liquid Chromatography (UPLC) System | : Waters Corporation | 해당 없음 - 문의: Waters Corporation | |
| UPLC C8 컬럼(그래디언트 옵션 a) | Waters Corporation | 186002876 | |
| UplC T3 컬럼(그래디언트 옵션 b), | Waters Corporation | 186003536 | |
| Xevo G2 Q-TOF 질량분석기 | Waters Corporation | N/A - Contact Waters Corporation |
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