Summary
不相关的代谢组学研究提供了一个假说，产生一种代谢轮廓的快照。此协议将展示从细胞，血清或组织中的代谢产物的提取和分析。代谢物甲范围进行调查，采用液 - 液固相萃取，微流超高效液相色谱/高分辨率质谱（UPLC-HRMS）耦合到差分分析软件。
Abstract
在这里，我们提出了一个工作流程，分析代谢公司的利益，包括生物样品，细胞，血清，或组织。先将样品分离成极性和非极性组分的液 - 液固相萃取，部分纯化的，以方便下游分析。这两种水溶液（极性代谢物）和有机相（非极性代谢物）的初始提取处理，调查广泛的代谢物。代谢物分开由不同的液相色谱方法，根据其分区属性。在该方法中，我们提出了微流的超高性能（UP）的液相色谱方法，但该协议是可扩展的，更高的流量和较低的压力下。介绍进入质谱仪可以通过优化源条件一般或复合。在正面和负面的模式在全扫描模式进行了广泛的离子检测m / z范围点多面广，使用高分辨率最近Ç仪器alibrated。出版商无差分析进行生物信息学平台。这种方法的应用包括代谢途径筛选，生物标志物的发现和药物开发。
Introduction
由于最近的技术进步，在人力资源管理领域的，不相关的，假设产生的代谢组学方法已经成为一种可行的方法复杂样品的分析。1质谱仪能够100,000决议，促进常规低的部分每百万（PPM）的质量精度，已成为广泛可从多个供应商2,3允许此质量准确度分析物的身份，同位素模式识别，加合物的鉴定中的初步分配更大的特异性和信心。4当加上适当的提取过程和高性能液相色谱或UPLC，复杂混合物可以分析来自于保留时间数据的附加 特异性。5 UPLC色谱具有更大的效率，并允许更高的灵敏度，分辨率和分析时间，使由此产生的大的数据集可以被整合到任何一个更大的覆盖范围的代谢组可能的。6多个差分分析软件和有用的模式或个别分析物开采7,8,9,10,11推测点击可以使用峰值检测算法相结合，精确的质量为基础的化学式预测，预测碎片，初步确定化学数据库搜索。这种方法允许优先费时的完整的结构鉴定或更敏感和更具体的稳定同位素稀释的发展目标UPLC /选定或多个反应监测/ MS研究，是目前的黄金标准定量方法。12
生物样品的不同性质导致尿13，15日，14日 ，血清细胞或组织16提取协议的优化。此协议功能的细胞，血清和组织提取物。在适当的情况下，意见和附加引用已被列入修饰蒸发散的程序处理包括稳定同位素，包括特别是不稳定的代谢物。
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Protocol
1。提取细胞样本
- 对于10厘米板细胞：一个预先标注为10毫升的玻璃离心管中收集1.5毫升的解除在介质中的细胞悬浮液进入。对于贴壁线，细胞应被举起，轻轻刮在1.5ml保存在冰中的介质。 可选 ：如果使用内部标准，添加一个适当的等分在这一步。
评论 ：淬火细胞代谢的某些代谢产物是至关重要的。对于时间敏感的代谢产物分析，如冷甲醇提取的程序应该考虑17 - 加入6毫升的氯仿（CHCl 3中）/甲醇（CH 3 OH）（2:1，体积/体积），以每10毫升含样品的玻璃试管。设置在摇床或低速多涡流混合器30分钟的样品。振摇后，将样品在1935×g离心10分钟，离心分离具有低的加速度/减速度设定在4℃以完全分离的相。
可选 氯仿 ，拔牙可以进行二氯甲烷（CH 2 Cl 2中 ）。18,12 - 使用长干巴斯德吸管，有机层（底部）转移到一个新的预标记的10毫升的玻璃离心管。继续到4.1。
- 购买到干净的塑料2毫升的Eppendorf管中，将上层的水。在氮气中蒸发掉样品。继续2.6.2脱盐水相直接分析或继续到4.1。
2。提取血清样本
- 20微升血清转移到一个塑料的2毫升的Eppendorf管中。 可选 ：如果使用内部标准，在这一步中添加适当的等分。
- 添加190微升CH 3 OH和涡持续10秒。
- 添加380μl的氯仿和涡持续10秒。
- 添加120微升H 2 O来诱导相分离。旋涡振荡的样品，持续10秒，并允许在室温下平衡10分。
- 离心样品在8000×g离心10分钟，在4℃下以分离相。
- 转移到一个干净的塑料2毫升的Eppendorf管较低的有机相。继续到4.1。
- 购买到干净的塑料2毫升的Eppendorf管中，将上层的水。在氮气中蒸发掉样品。
- 重悬样品200微升H 2 O也可以使用酸或碱试剂（0.1％乙酸，甲酸或0.1％氢氧化铵），优先提取pH敏感的代谢物。超声20分钟，冰重新完全暂停样品。
- 激活C18离心柱用500μlCH 3 OH。
- 平衡离心柱与500微升H 2 O洗涤两次，然后装入样品。如果使用酸/碱试剂在洗涤步骤中保持当前浓度。
- 用500μlH 2 O冲洗脱盐样品。再次，如果酸/碱试剂，也用于保持当前浓度在洗涤步骤。
- 成预先标记的干净的2毫升的Eppendorf管中，用两倍体积为200μl的80％CH 3 OH 中的H 2 O洗脱。再次，如果酸/碱试剂，也用于保持该浓度的洗涤步骤中。继续到4.1。
3。从组织样本提取
- 根据在纸巾上，使用冰冻组织10-100毫克之间。预先标记的2毫升低保留的Eppendorf管中，用1ml的PBS（1M，pH 6.8）中，在冰浴中添加整片的组织选择性的 ：如果使用内部标准，将其添加到缓冲器中，然后加入组织。
- 同质化的组织在冰用电动组织研磨30秒在每个Eppendorf公司。样品之间的，在两个单独的管中，CH 3 OH和H 2 O清洗组织研磨机。
- 用塑料移液管的组织匀浆转移到一个预先标记的10毫升的玻璃离心管中。转让后，冲洗每个Eppendorf管CH 3 OH，并用1毫升2倍，添加洗涤液的玻璃试管中的组织匀浆。
- 加入4毫升CHCl 3中，每个10ml玻璃管，管中含有的组织匀浆和CH 3 OH洗涤。设置在摇床或低速多涡流混合器30分钟的样品。
- 振摇后，用低加速/减速设定在1935×g离心样品10分钟，以完全分离的相。 可选 ：为了避免使用氯仿，提取已被开发，用CH 2 Cl 2中 。
- 使用长干巴斯德吸管，有机层（底部）转移到一个新的预标记的10毫升的玻璃离心管。继续到4.1。
- 使用长茎巴斯德移液管，将水层转移到一个新的预标记的10毫升的玻璃离心管中。 2.6.2脱盐或继续到4.1。
4。 UPLC样品重新悬浮和过滤
- 蒸发桑普氮气下的文件。
- 复溶干燥样品的起始溶液，然后随意的的UPLC方法（ 见表1）在适当的音量。 50-100微升通常是一个理想的再悬浮量。振荡和/或向上和向下吸液管的样本，以帮助溶解分析物。
- 将样品转移到0.22μm的尼龙管过滤器和旋转速度高达14,000 XG直到样品完全通过所述过滤器（约5分钟）。确保不存在任何可见的沉淀物样品中剩余。
- 将上清液转移到一个预先标记的UPLC小瓶插入的滤波后的采样。盖小瓶，然后用手指滑动的小瓶，以消除任何气泡从底部样品瓶中。将样品放入冷冻自动进样器（4-5°C）。
5。 UPLC设置
- 使用液相色谱仪控制软件，创建一个运行基于有机样品中列出的条件
- 让UPLC充分平衡。这应该包括一个完整的吸溶剂附加列前，按照制造商的一个新的列（通常为3-5倍柱体积）量平衡的方向。维护日志开始压力，以帮助诊断未来的问题。
6。质谱仪设置
- 使用控制软件，高分辨质谱，创建一个积极的模式使用在表2中列出的条件的方法。然后，在相同条件下，创建一个消极的方式方法。 可选 ：如果一组已知的目标分析物的高整型erest，优化源和使用这些化合物的重标记的模拟中的光学条件下，生成的方法，使用这些条件。
- 清洁和校准仪器，建立稳定的喷雾进入光谱仪，允许的时间校准解决方案，以充分消散从光源和光学系统。上可接受的稳定的喷雾，得到3-5％的相对标准偏差为作为LC方法被用来校准溶液以相同的流速注射强度超过至少100扫描。
- 设置所有样本的序列，设置适当的注入量，运行的第一个采样前的空白。如果样品之间的结转或基质效应怀疑，运行足够的空白/洗涤。样品应被设置在一个随机的方式使用一个随机数发生器和一个键，以避免引入的任何批次的影响分析。
评论 ：质量控制可能的目标包括稳定同位素标准或分析标准样品可极其宝贵的故障排除和保证可靠，重复性好，和有效的结果。只有一个标准样品，然后通过溶剂空白的一个技术上的复制可以用来访问到空白的信号强度和保留时间的偏差，以及交叉污染。 - 开始顺序和压力波动，或亏损的信号强度在整个运行的问题，包括定期监测。如果检测到严重的问题，停止运行，重复6.2。
7。微分分析
- 两个工作流程都提出了这个协议。首先是通过筛2.0，赛默飞世尔出售的专有标签差分分析软件。第二个工作是通过差异分析开始之前，斯克里普斯研究所的一个免费平台，通过网上XCMS 11，手动检查的抽动或寻找任何已知的化合物样品中过滤色谱，以确保运行的重复性注塑/ UPLC /喷雾整个样品的稳定性。
- 分子筛
- 质谱仪筛安装在工作站的硬盘中的原始数据文件传输。 （ 注：运行筛与一个网络或USB端口连接的驱动器上存储的数据是不可取的，因为它可以限制分析速度。）
- 打开筛，并开始一个新的实验。
- 进入筛，装入适当的文件。
- 分配比较组，并选择一个单一的参考文件，以允许分子筛生成参数进行分析。
- 按照提示按要求任何个人实验和调整任何参数。往往是最好开始用严格的参数，然后回去和放松的参数，更慷慨的设置可以延长分析时间。
- 加载正确的加合物为积极或消极的模式列表中的参数。
- XCMS在线
- 转换文件线上XCMS到一个可以接受的格式。在我们的例子中，我们转换为mzXML的格式。19
- 公开XCMS在线，并创建工作。
- 上传和命名的数据集。只有两个数据集（ 如控制与治疗）可以上传仅限于单机XCMS头比较。
- 从下拉列表中选择所需的设置。预填充的参数可用于不同的仪器设置，这些可以进一步修改后用于实验的需要。在我们的例子中，我们使用的HPLC-Orbi2设置。
- 提交和确认工作。
- 数据分析
- 列表中对于筛和XCMS的一个帧的功能，分别，分析完成后，将被填充。确保LC对齐覆盖任何地标峰。如果任何未对齐LC运行较大的偏差，具有里程碑意义的山峰，这可能表明样品有问题。
可选 ：对于筛，如果使用内部标准，找到相应的峰组和规格化到选定的帧。对于在线XCMS，正常化可以在出口后的电子表格。 - 绘制一个样人口（ 如控制样品）内的变异系数（CV）的数据。任何大的CV值可能指示一个或多个样品中的一个问题。想要的性状（ 如 p值<0.05> 1.5折变动，组内的低标准偏差等 ）的基础上对列表进行排序。
- 检查适当的高峰，各组对齐，峰积分，高斯峰形，信号强度，同位素，加合物分配每个峰。
- 将数据导出为需要作进一步的分析，或者生成有针对性的大规模名单进行确认，多级质谱实验。
- 列表中对于筛和XCMS的一个帧的功能，分别，分析完成后，将被填充。确保LC对齐覆盖任何地标峰。如果任何未对齐LC运行较大的偏差，具有里程碑意义的山峰，这可能表明样品有问题。
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Representative Results
结果显示选定的数据从6小时治疗的SH-SY5Y胶质母细胞瘤的农药和细胞与线粒体复合物I抑制剂鱼藤酮。为简单起见，只有有机相正模式数据。对样品进行处理，并如上所述分析（ 图1，表1，表2）和无标签定量，分子筛和XCMS的在线到两个差分分析平台上加载。虽然有大量的点击率（ 图2，图3），这些功能包括用于差分分析两种方案的确定可能出现的文物，集成不善的山峰，以及其他功能问题的分析价值。这可以通过筛选的命中为适当的信号强度，低的样品的同一组中，背景水平，良好的色谱峰的形状（ 图3）之间的变化来判断。
为了演示downstre的确认初始命中，我们相应的治疗鱼藤酮化合物3百万分之内（ 图3，图4）与群众隔离功能。我们确认分析物的身份，这与我们的样本UPLC-HR/tandem质谱（MS / MS）和纯化合物（ 图5）。我们还确定差异丰富的功能，减少了鱼藤酮治疗组，利用精确质量数据库搜索（ 图3）初步鉴定为D-泛硫乙胺。
图1。一般实验样品制备和分析由Microspray UPLC-HRMS纲要大致轮廓。样品制备，包括可选的内部标准和引进蛋白质或脂质/蛋白质含量分析。相分离，液相色谱法，由不同io的分析n模式质谱仪中进行了概述。
表1中。 UPLC条件和复合优化UPLC条件。有机相1，恒定流速为1.8微升/分钟，通过超临界流体的Waters C18 BEH130列的加热器保持在35℃下使用。溶剂A：99.5％的water/0.5％乙腈，0.1％甲酸水溶液，溶剂B：98％乙腈/ 2％的水，0.1％甲酸的有机相2，3.4微升/分钟的恒定流速通过一个Acentis快速C8柱在35℃下保持在加热器被使用。溶剂A：40％乙腈water/20％与0.1％甲酸水溶液和10mM甲酸铵，溶剂B：90％，对于水相含0.1％甲酸，甲酸铵和10mM乙腈isopropanol/10％，恒定流速1.2μ通过超临界流体的Waters C18 BEH130列的加热器保持在35升/分钟℃下使用。溶剂A：95％水/ 5％甲醇，0.1％氢氧化铵，溶剂B：95％甲醇/ 0.1％氢氧化铵的5％的水。
图2。镜子剧情产生与XCMS。镜子情节差异显示出丰富的功能，通过从有机相正模式UPLC-MS分析XCMS在线检测和量化。每个点代表一个独特的“功能”。绿点是功能更丰富的（较大的综合区），在控制，而红点更丰富的治疗。点的规模日益扩大，表明群体之间的褶皱变化幅度增加，增加色彩饱和度和颜色强度表示p值减少。
图3。提取离子色谱分析物峰。有机相正离子模式UPLC-MS分析的色谱图。A）更正（对齐）总离子流（TIC）从筛2.0，B）为特征初步鉴定为D-泛硫乙胺通过XCMS的。 ）提取离子色谱后来被确定为鱼藤酮从分子筛，D）为特征的功能，鱼藤酮从分子筛归旅游业议会后来被确定为XIC 点击这里查看大图 。
PG“/>
图4。数据库搜索结果。数据库点击）人类代谢组数据库（ http://www.hmdb.ca ）和B）ChemSpider / KEGG（通过筛）（ChemSpider单独也可以使用- http://www.chemspider.com ）的精确质量测定的功能显示在图3B，3C，3D对应离子的m / z 555.2516和395.1481基于这些离子的识别[MH] +物种。 点击这里查看大图 。
图5。 HR / MS / MS小号确认tructural。UPLC-MS/MS）类似的保留时间和B）相同的比较的商业标准的基础上的保留时间为23.22分钟作为鱼藤酮的离子的m / z 395.1481，与对应于识别特征的确认M / Z（395.1481〜0 ppm误差）几乎相同的碎片。 点击这里查看大图 。
| 质谱参数 | 设置 | 评论 |
| 源 | ESI | Michrom CaptiveSpray提供 |
| 离子型号 | 正或负 | |
| 方法长度 | 变量（约40-60分钟） | |
| 决议 | 60,000-100,000 | |
| 喷雾（KV） | 1.75 | |
| 管镜头（V） | 130 | 取决于目标化合物 |
| 毛细管温度（°C） | 250 | 可能会缩短寿命喷嘴 |
| 毛细管电压（V） | 50 | 取决于目标化合物 |
| 数据类型 | 形心 | （简介资料，见讨论） |
表2中。热提前一个Michrom俘虏喷雾ESI源的LTQ XL的Orbitrap MS设置一般用于复合优化质谱仪设置。
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Discussion
调查内源性或外源性的生物转化，或捕捉利益的样本新陈代谢不相关的代谢组学研究提供了有力工具。输出的分辨率和灵敏度的技术用来分离和分析样品，产生的大数据集的处理能力，并有能力来挖掘有用的信息数据集（ 例如，精确的质量数据库检索）的技术尺度。最近，这已促成进步高分辨率质谱仪，高或超高效液相色谱法。差分分析软件分析瓶颈已经解决，并可以完成峰值检测调整保留时间漂移，滤波，并进行统计分析高吞吐量。20,21,22选择的正确的信息管道应包括考虑质心算法的数据，峰值检测，峰值集成，alignmenT，整合能力MS / MS数据，有能力处理同位素或加合物。23选择适当的化学信息数据库也应该考虑。24,25,26,27任何特定的数据库目前的不足，能够全面识别化合物和整合准确的质量数据，MS / MS数据，或LC数据仍然在该领域的一大难题。
这里提出的工作流程集成了液 - 液萃取，微流量液相色谱法，高分辨质谱与两个不同的差分分析软件平台证明在细胞培养治疗模式。此外，提取协议列出的血清和组织，因为这些可以作为有用的样本进行类似的分析。
虽然任何方法应该用于不相关的代谢重复性，稳定的UPLC条件，和源的稳定性进行了优化，一些变化是不可避免的。两个筛和XCMS分配的应支付的保留时间漂移，但特别关注的瓦特校正，以确保在实验中设定的参数是足够的，以正确的变化。此外，稳定同位素标记的内标（S）可以很容易地集成到这个过程，减少文物和样本间样品萃取或LC-MS分析的差异所造成的变化。12所有敏感的LC-MS方法，这是至关重要的使用高纯度的试剂，并确保样品制备删除不良的颗粒物或聚合。工件可以产生的污染物的正常变化，这可能是可取的，以确认假定的匹配是不提取或分析过程实际上是无处不在的污染物。
最后，尽管该方法被标记为“不相关的”或“公正”的代谢，这是一个部分名不副实。的提取，分离，和分析的性质，将有利于代谢产物与某些characteris抽动，包括提取，分离过程中与固定相和流动相的相互作用，和上面的源质谱仪的电离过程中的稳定性。28,29,30根据可用的工具，此程序可适应不同的提取方法，流速，LC压力离子源，或质谱仪。因此，我们根据一般知识或内部标准代表的一类分子的利益，在一定条件下，可以优化过程中的说明。
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Disclosures
作者什么都没有透露。
Acknowledgments
我们承认美国国立卫生研究院资助P30ES013508和5T32GM008076的支持。我们也感谢Thermo Scientific的访问2.0和DRS筛。尤金Ciccimaro和马克·桑德斯Thermo Scientific的有益的讨论。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Reagent | |||
| Phosphate Buffered Saline | Mediatech | 21-031-CM | |
| Water (H2O) | Fisher Scientific | W7-4 | (optima) |
| Acetonitrile (CH3CN) | Fisher Scientific | A996-4 | (optima) |
| Methanol (CH3OH) | Fisher Scientific | A454-4 | (optima) |
| Isopropanol | Fisher Scientific | A464-4 | (optima) |
| Chloroform (CH3Cl) | Sigma-Aldrich | 366927 | Hazard |
| Dichloromethane (CH2Cl2) | Acros Organics | 61030-1000 | To replace chloroform |
| Diethyl Ether | Sigma-Aldrich | 346136 | To replace chloroform |
| Formic Acid (FA) | Fisher Scientific | (optima) | |
| NH4OH | Fisher Scientific | A470-250 | (optima) |
| Ammonium formate (HCOONH4) | Sigma-Aldrich | 78314 | |
| MicroSpin C18 Columns | Nest Group Inc | SS18V | |
| Pasteur Pipettes | Fisher Scientific | 13-678-200 | |
| 10 ml Glass Centrifuge Tubes | Kimble Chase | 73785-10 | |
| 10 ml Plastic Centrifuge Tubes | CellTreat | CLS-4301-015 | |
| LC Vials (glass) | Waters | 60000751CV | |
| LC Inserts (glass) | Waters | WAT094171 | |
| LC Vials (plastic) | Waters | 186002640 | |
| 0.22 μm Filters | Corning | 8169 | nylon |
| 2 ml Eppendorf Tubes | BioExpress | C-3229-1 | Low Retention |
| Equipment | |||
| High Resolution Mass Spectrometer | Thermo Scientific | LTQ XL-Orbitrap | |
| HPLC/UPLC | Waters | nanoACQUITY UPLC | |
| Source | Michrom | Thermo Advance Source | |
| Differential Analysis Software | Thermo Scientific | SIEVE 2.0 | |
| nanoACQUITY C18 BEH130 | Waters | 186003546 | 1.7 μm particle size, 150 mm x 100 μm |
| Acentis Express C8 | Sigma-Aldrich | 54262 | 2.7 μm particle size, 15 cm x 200 μm |
References
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