Termin "metabolomika" może obejmować wiele rzeczy. Na przykład eksperyment metabolomiczny można przeprowadzić przy użyciu różnych platform analitycznych, takich jak NMR oraz chromatografia gazowa i/lub cieczowa w połączeniu ze spektrometrią mas. Co więcej, eksperymenty metabolomiczne mogą być przeprowadzane w sposób ukierunkowany lub nieukierunkowany, lub w połączeniu obu. Ukierunkowany eksperyment metabolomiczny będzie obejmował ukierunkowaną analizę panelu cząsteczek ważnych dla danego zagadnienia biologicznego (np. małe cząsteczki zaangażowane w cykl TCA pozwolą na dokładne określenie ilościowe tego szlaku). W tej sytuacji hipoteza biologiczna dyktuje wybór metabolitów, które mają być przedmiotem analizy, a etapy analityczne są zoptymalizowane pod kątem wykrywania tych cząsteczek. Alternatywnie, nieukierunkowany eksperyment metabolomiczny generuje hipotezy. W tym przypadku eksperyment jest przeprowadzany w sposób szeroki i bezstronny, aby umożliwić wykrycie jak największej liczby metabolitów. Wyniki eksperymentu bez celowania będą stanowić podstawę do kolejnego etapu badań (który w wielu przypadkach może obejmować ukierunkowany przepływ pracy metabolomicznej). Możliwe jest również połączenie tych dwóch podejść, w którym to przypadku eksperyment jest przeprowadzany w sposób nieukierunkowany, podczas gdy jednocześnie monitorowany jest panel znanych cząsteczek w ramach danych.
Prezentowany tutaj poradnik skupia się konkretnie na profilowaniu metabolitów surowicy za pomocą nieukierunkowanego profilowania. Jak opisano powyżej, podejście nieukierunkowane zapewnia bezstronny obraz wykrywalnych metabolitów, może generować duże ilości informacji i ostatecznie umożliwić nowe odkrycia. Zastosowanie tego podejścia, w szczególności wykorzystującego ultrasprawną chromatografię cieczową sprzężoną ze spektrometrią mas (UPLC-MS), staje się powszechne 1, 2, 3 i obejmuje następujące etapy: (1) projekt eksperymentalny (2) pobieranie próbki (3) przygotowanie próbki (4) akwizycja danych przez UPLC-MS (5) wstępne przetwarzanie danych (wykrywanie, całkowanie, wyrównanie i normalizacja pików) (6) analiza danych statystycznych (zarówno jedno-, jak i wieloczynnikowych) (7) identyfikacja metabolitów i (8) biologiczne interpretacja.
Obecnie nie ma ustalonych standardowych metod profilowania metabolitów opartych na UPLC-MS i kolejnych etapach wstępnego przetwarzania danych. Ten brak standaryzacji wynika częściowo z jednego z głównych wyzwań analitycznych związanych z profilowaniem metabolitów; różnorodność chemiczna metabolomu. Ze względu na tę różnorodność niemożliwe jest, aby pojedyncza metoda ekstrakcji lub metoda akwizycji spektrometrii mas zapewniła kompleksowe pokrycie wszystkich metabolitów w jednej analizie. Koncepcyjnie pokrycie metabolitów można zmaksymalizować poprzez zastosowanie wielu ekstrakcji (np. wodnego, metanolu, chloroformu:metanolu itp.) w połączeniu z różnymi warunkami chromatograficznymi (np. faza odwrócona, HILIC itp.) i różnymi trybami jonizacji (np. jon dodatni, jon ujemny, jonizacja chemiczna itp.). Często jednak badacze nie mają z góry określonego uprzedzenia do określonej klasy chemicznej, a zatem koszt przeprowadzenia wielu ekstrakcji i nabycia instrumentów nie jest uzasadniony, zwłaszcza w przypadku eksperymentów na dużą skalę. W związku z tym prezentowany tutaj film instruktażowy został zaprojektowany w celu zapewnienia ogólnej procedury profilowania na dużą skalę, nieukierunkowanego profilowania metabolitów w surowicy przez UPLC-MS. Umożliwi to nowym i istniejącym laboratoriom przeprowadzanie tego typu eksperymentów oraz elementy składowe, na podstawie których będą mogły rozszerzyć podejście do różnych typów próbek, określonych klas chemicznych lub analizy celowanej. W szczególności protokół ten będzie zawierał następujące etapy: przygotowania próbki surowicy, organizacji próbki do badań na dużą skalę, pozyskiwania danych UPLC-MS, procedur kontroli jakości (QC) i identyfikacji metabolitów. Przedstawiono również strategie wstępnego przetwarzania danych i analizy statystycznej.
Protokół nie będzie skupiał się na etapach projektowania eksperymentalnego, pobierania próbek czy interpretacji danych biologicznych, ponieważ wykracza to poza zakres tego samouczka. Jednak w literaturze istnieje wiele źródeł na te tematy, a autorzy zachęcają badaczy nowych w metabolomice do ich dokładnego zbadania 4, 5, 6, 7, 8, 9. W szczególności niezwykle ważny jest projekt eksperymentalny, który ma kluczowe znaczenie dla powodzenia nieukierunkowanego eksperymentu metabolomicznego. Należy wziąć pod uwagę takie czynniki, jak właściwa replikacja biologiczna i spójność procedury pobierania próbek (np. czas na stanowisku badawczym, temperatura przechowywania, czas przechowywania, zamrażanie i rozmrażanie itp.) w celu zapewnienia wykonalności badania i ułatwienia właściwej interpretacji biologicznej danych.