Термин "метаболомика" может охватывать множество вещей. Например, эксперимент по метаболомике может быть выполнен с использованием различных аналитических платформ, таких как ЯМР и газовая и/или жидкостная хроматография в сочетании с масс-спектрометрией. Кроме того, метаболомные эксперименты могут проводиться целенаправленным или нецелевым образом, или комбинацией того и другого. Целевой метаболомный эксперимент будет включать в себя направленный анализ панели молекул, важных для рассматриваемого биологического вопроса (например, малые молекулы, участвующие в цикле ТСА, позволят точно количественно оценить этот путь). В этой ситуации биологическая гипотеза диктует выбор метаболитов, на которые будет нацелен анализ, и аналитические шаги оптимизируются для обнаружения этих молекул. В качестве альтернативы, нецелевой эксперимент по метаболомике является генерацией гипотезы. В этом случае эксперимент проводится широко и непредвзято, чтобы можно было обнаружить как можно больше метаболитов. Результаты нецелевого эксперимента послужат толчком к следующему этапу исследования (который во многих случаях может включать в себя целевой рабочий процесс метаболомики). Также можно объединить эти два подхода, и в этом случае эксперимент проводится нецеленаправленным образом, в то время как в данных одновременно отслеживается панель известных молекул.
Представленное здесь учебное пособие специально сфокусировано на нецеленаправленном метаболитном профилировании сыворотки. Как описано выше, нецелевой подход обеспечивает непредвзятое представление об обнаруживаемых метаболитах, может генерировать большие объемы информации и, в конечном счете, позволяет делать новые открытия. Использование этого подхода, в частности, ультрапроизводительной жидкостной хроматографии в сочетании с масс-спектрометрией (ПЛХ-МС), становится все более распространенным 1, 2, 3 и включает в себя следующие этапы: (1) экспериментальный дизайн (2) сбор образцов (3) подготовка образцов (4) сбор данных с помощью УПЛХ-МС (5) предварительная обработка данных (обнаружение пиков, интегрирование, выравнивание и нормализация) (6) статистический анализ данных (как одномерный, так и многомерный) (7) идентификация метаболитов и (8) биологическая интерпретация.
В настоящее время не существует установленных стандартных методов для нецелевого профилирования метаболитов на основе UPLC-MS и последующих этапов предварительной обработки данных. Это отсутствие стандартизации отчасти связано с одной из основных аналитических проблем профилирования метаболитов; химическое разнообразие метаболома. Из-за такого разнообразия ни один метод экстракции или метод масс-спектрометрии не может обеспечить полный охват всех метаболитов в одном анализе. В концептуальном плане охват метаболитов может быть максимизирован за счет использования нескольких экстракций (например, водная, метаноловая, хлороформ:метанол и т.д.) в сочетании с различными хроматографическими условиями (например, обратная фаза, HILIC и т.д.) и различными режимами ионизации (например, положительный ион, отрицательный ион, химическая ионизация и т.д.).). Зачастую, однако, исследователи не имеют заранее определенной предвзятости в отношении конкретного химического класса, и, таким образом, затраты на проведение многократных экстракций и приобретение инструментов не оправданы, особенно для крупномасштабных экспериментов. Таким образом, представленный здесь видеоурок был разработан для того, чтобы предоставить общую процедуру крупномасштабного нецелевого метаболитного профилирования сыворотки с помощью UPLC-MS. Это позволит новым и существующим лабораториям проводить такие типы экспериментов и создать строительные блоки, на основе которых они смогут расширить подход к различным типам образцов, конкретным химическим классам или целевому анализу. В частности, этот протокол будет включать в себя следующие этапы: подготовка образцов сыворотки, организация образцов для крупномасштабных исследований, сбор данных UPLC-MS, процедуры контроля качества (QC) и идентификация метаболитов. Также представлены стратегии предварительной обработки данных и статистического анализа.
Протокол не будет фокусироваться на этапах планирования эксперимента, сбора образцов или интерпретации биологических данных, поскольку это выходит за рамки данного руководства. Тем не менее, в литературе существует множество ресурсов по этим темам, и авторы призывают исследователей, новичков в метаболомике, тщательно изучить эти 4, 5, 6, 7, 8, 9. В частности, дизайн эксперимента чрезвычайно важен и имеет решающее значение для успеха эксперимента по нецелевой метаболомике. Такие факторы, как надлежащая биологическая репликация и согласованность процедуры сбора образцов (например, время нахождения на стенде, температура хранения, время хранения, замораживание-оттаивание и т.д.), должны учитываться для обеспечения жизнеспособности исследования и содействия надлежащей биологической интерпретации данных.