用IM-MS分析疾病的代谢表型

朱质谱与代谢组学实验室致力于质谱(MS)代谢组学技术的开发，包括液相色谱(LC -MS)技术、代谢物谱数据库和数据处理软件。朱实验室隶属于中国科学院(CAS)上海有机化学研究所(SIOC)生物与化学跨学科研究中心(IRCBC)，研究人员开发数据处理程序和/或建立代谢产物数据库，用于自动化数据处理(定量和定性分析)。该团队还在探索用于代谢组学和脂质组学的数据独立采集(DIA)和离子迁移谱(IMS)-MS技术等新技术，并将研究扩展到各种具有挑战性的疾病的代谢表型。

该实验室还专注于衰老和衰老依赖的神经退行性疾病，如阿尔茨海默病和帕金森病。研究人员使用MS和代谢组学工具来了解衰老过程中的代谢重塑，以及衰老和衰老相关疾病的代谢调控。

中科院生物与化学交叉研究中心代谢组学研究中心主任、首席研究员朱正江博士介绍了实验室的作用:

“我们实验室里有大约10名正在攻读博士学位的研究生，还有实验室技术人员、博士后和科学家。我们所有的项目都与MS和代谢组学有关，每个人都专注于自己的具体项目，包括阿尔茨海默氏症等与衰老有关的疾病的应用，以及临床应用。”

代谢物是在代谢过程中转化的化学实体，它们提供了细胞生物化学的功能读数。利用基于ms的代谢组学技术，现在可以从最少量的生物材料中定量测量数千种代谢物，从而实现系统级分析。通过进行全球代谢物分析，将细胞通路与生物机制联系起来的新发现正在被揭示，并正在塑造对细胞生物学、生理学和医学的理解。

尽管与基因组学和蛋白质组学的前辈相比，代谢组学的研究相对较新，但它已经导致了疾病诊断的生物标记物的发现，对细胞生物化学的基本见解，以及与疾病发病机制有关的线索。朱博士描述了代谢组学在这些研究领域的快速应用:

“十年前，你听到了很多基因组学和蛋白质组学;随着越来越多的人对这项技术的新应用感兴趣，你会越来越多地听到代谢组学。一个迹象是，发表在出版物上的代谢组学研究的数量增长非常快，现在甚至赶上了发表在蛋白质组学方面的研究，这引起了很多人的注意。大约5-10年前，该领域的人们专注于开发代谢组学技术。现在，科学家们正在研究不同领域的潜在应用——不仅是生物学家，还有医生和临床医生，药物发现研究人员和其他人。”

代谢组学研究面临的最大挑战之一是可靠的识别，以确保数据的正确解释。由于代谢物的化学相似性(如等压物和同分异构体)，仅通过质谱或色谱进行鉴定可能很困难。离子迁移率-质谱(IMS-MS)已经成为解决这些问题的强大技术，IMS-MS在非靶向代谢组学中的应用表明，它提高了代谢物异构体的分离和多维数据的生成，以支持代谢物的鉴定。朱博士解释了这是如何影响代谢组学研究的:

“在大多数情况下，区分异构体是一个挑战，因为它们可能具有相同的质量、电荷和物理性质，但在功能和识别方面差异很大。分离和鉴定这些复杂的异构体材料是非常耗时和资源密集的。雷竞技网页版这就是我们开始寻找新技术的原因。”

这种寻找促使朱博士在2020年7月测试并最终购买了Bruker timsTOF Pro仪器。

Bruker timsTOF Pro使用了捕获离子迁移率光谱(TIMS)，这是一种气相分离技术，离子被气流推动通过TIMS隧道。电场控制每个离子移动到由离子的流动性定义的位置之外，在那里它从气流中经历的推力与电场的力相匹配。降低电场可以根据离子的迁移率选择性地从TIMS隧道中释放离子。

独特的TIMS设计使研究人员能够重复测量所有检测到的离子的碰撞截面(CCS)值，这些值可用于进一步提高系统的选择性，从复杂样品和短梯度分析中获得越来越可靠的相对定量信息。

在MS/MS设计中引入了新型的并行积累串行碎片(PASEF)采集方法，允许离子在前面部分积聚，而后面部分的离子根据其离子迁移率依次释放。通过使用双TIMS分析仪，离子几乎可以连续排队进行积累、排序和通过迁移率洗脱，允许占空比接近100%(图1)。

CAS研究团队发现，Bruker timsTOF Pro的性能可以对IM信息进行常规测量，并在保留时间、m/z和IM方面实现高质量的4D特征对齐。实现这种深度为代谢组学中分析数百到数千个样本的大样本队列提供了全新的可能性。朱博士描述了其优势:

“大多数时候，我们每天使用timsTOF Pro在12分钟内分析数百个样本。使用timsTOF Pro 2，我认为我们可以将每个样本的时间缩短到6分钟，也许最快可以达到2分钟。其他仪器可以适应高通量分析，但它们牺牲了灵敏度。timsTOF Pro使我们能够提高扫描速度，同时也获得非常丰富的信息。

另一个好处是CCS提供了新的信息维度，可用于进一步提高系统的选择性，使复杂样品和短梯度分析的相对定量信息越来越可靠。它有助于区分LC-MS无法实现的异构体。这就是为什么我们在代谢组学研究中需要IM。”

自从使用timsTOF Pro开发了第一个测试以来，Zhu实验室的研究人员一直与Bruker密切合作，评估该仪器如何帮助实验室的一系列项目。朱博士描述了这种关系:

“我们经常与Bruker进行技术会议，沟通并解决我们遇到的任何问题。

布鲁克非常支持。我们在生物信息学方面也与他们的团队有很好的合作。

此外，我们提供给他们的反馈是非常有帮助的，因为他们了解更多关于我们如何使用仪器我们的研究目的。这对两家公司都很有价值。”

朱博士实验室的研究重点是基于ms的代谢组学技术的发展和各种挑战性疾病的代谢表型，主要集中在衰老和年龄依赖性神经退行性疾病，如:

• 衰老过程中的代谢重塑/稳态
• 黑腹果蝇衰老的代谢调控
• 神经退行性疾病中的代谢蛋白相互作用
• 阿尔茨海默病诊断的代谢物生物标志物的发现。

朱实验室的科学家们认为，在系统水平上对代谢物进行全面研究，可能会对与衰老相关的疾病相关的挑战性问题提供全面的看法。在该领域取得的成就中，该团队使用IMS-MS仪器(如Bruker timsTOF Pro)开发了新的代谢组学技术。朱博士描述了这项研究:

“我们用果蝇作为模型来研究衰老，因为果蝇的寿命约为60天，我们还用老鼠来测量衰老过程中代谢物的变化。

我们探索器官间交流的代谢指示，例如，大脑如何与肝脏交流。我们发现，当动物还小的时候，器官间的交流非常好。但在衰老过程中，这种交流或代谢稳态在很大程度上被破坏了。我们认为这种脱节可能有代谢因素。研究可以帮助改善代谢健康，甚至延长这些动物模型的寿命。在动物模型中，代谢物随着年龄的增长而减少，所以补充这些代谢物可能会减缓衰老过程。”

朱实验室的科学家们正在展望高通量代谢组学应用于临床的未来。目前，该实验室的研究人员与上海的医院密切合作，以获取样本，以检测患有特定疾病或病症的患者的代谢组学差异，这最终可能会改善治疗方法。朱博士概述了他的团队的代谢组学研究如何在临床环境中提供帮助:

“例如，我们从正在接受不同类型化疗的结肠癌患者身上收集样本。有些人对治疗有反应，他们的肿瘤缩小了，他们恢复得更好。但有些人对化疗反应不佳，肿瘤继续生长，甚至转移到其他器官或组织。我们正试图测量他们代谢谱的差异，并确定为什么有些人对这些治疗反应如此好，而另一些人则不然。”

朱博士和他的团队认为，IMS-MS与自动样品制备和注射技术的结合将在临床环境中实现高效和大规模的代谢组学。因此，这项研究最终可以根据患者的代谢状况，以个性化药物的形式改进治疗方法。他解释说:

“通常情况下，尤其是在传统中医中，你用药物治疗疾病，但你不知道为什么会治愈它。这就是为什么我们正在努力促进我们实验室和医院医生之间的合作。生物标志物可以预测患者是否会对治疗产生有效或实际的反应。

最终，我们看到了精准或个性化医疗的应用，医生可以预测一种治疗方法是否对患者有益。”

随着布鲁克timsTOF Pro等IMS-MS仪器性能的提高，朱博士看到了代谢组学研究的新可能性。即将到来的数据库和处理IMS-MS数据的软件工具的改进是他的实验室努力利用其研究潜力的下一步。此外，由于IM的超高分离速度，Zhu博士认为该技术有潜力取代LC，因为该领域将继续努力实现高通量代谢组学分析。他解释说:

“特别是对于复杂的材料，比如中药中发现的那些，I雷竞技网页版MS-MS有能力识别出其他技术无法分析的化合物。目前，代谢组学中使用的仪器约80%是LC-MS系统。我认为在未来5-10年，几乎所有这些都将被IMS-MS所取代。”

高分辨率IMS-MS的可用性将为该技术在代谢组学中的应用开辟新的可能性。此外，朱博士和他的团队还看到了将IMS-MS仪器与不同的电离源结合起来的潜力，以及对代谢物进行成像分析。他描述了这项技术未来的可能性:

“代谢组学已经从技术开发转向应用，我们正在研究该技术的能力如何在其他领域取得进展，包括环境、药物发现、临床等。

随着IMS-MS变得更加成熟，我们将看到代谢组学从传统用途转向其他应用，许多新领域将出现。”

[1]罗丹丹，周忠文，朱志军(2020).使用本文离子迁移率质谱在非靶向代谢组学中的应用:从分离到鉴定。分析与测试杂志4:163-174,https://doi.org/10.1007/s41664-020-00133-0。

周忠文，涂军，朱志军(2018). [2]在机器学习时代推进代谢组学和脂质组学的大规模CCS数据库。化学生物学最新观点，42:34-41,https://doi.org/10.1016/j.cbpa.2017.10.033。

一般参考

周震，罗敏，陈旭，尹勇，熊旭，王荣，朱志军(2020).使用本文非靶向代谢组学中已知和未知代谢物注释的离子迁移率碰撞截面图谱。自然通讯，11:4334。https://doi.org/10.1038/s41467-020-18171-8

布鲁克使科学家们能够取得突破性的发现，并开发提高人类生活质量的新应用。布鲁克的高性能科学仪器和高价值的分析和诊断解决方案使科学家能够在分子、细胞和微观层面探索生命和材料。雷竞技怎么下载雷竞技网页版

通过与客户的密切合作，Bruker在生命科学分子研究、应用和制药应用、显微镜和纳米分析、工业应用、细胞生物学、临床前成像、临床表型组学和蛋白质组学研究以及临床微生物学方面实现创新，提高生产力和客户成功。雷竞技怎么下载