基于“多维组合衍生化”和“同步选择性提取”的宽覆盖靶向代谢组学LC/MS分析新方法研究

A key step in metabolomics is to perform accurate quantification of the metabolomes in comparative samples with high coverage. In order to break through the common technical barriers such as narrow coverage, poor selectivity, low sensitivity and response discrimination etc in mass spectrometry based non-targeted metabolomics，in this project, multi-dimensional derivatization and synchronous selective-extraction were used in combination with LC-MS to develop high coverage targeted metabolomics approach. It involves the optimization of derivatization reagents, preparation of magnetic mesoporous silica gel nanoparticles, tandem derivatization, parallel derivatization and screening of diagnostic ion for endogenous metabolites identification. Consequently, a high coverage and highly sensitive LC/MS method covering 3-5 classes of metabolites, 6-8 metabolic pathways, nearly 500 kinds of non-lipid metabolites would be established and validated integrating absolute and relative quantification. The developed noval LC/MS method would be applied to screen out biomarker for the molecular classification of children bronchiolitis. The predictable success of this research project will rich and perfect the theory and method of metabolomics.

本项目聚焦于代谢组学“数据采集”关键步骤，针对目前基于LC/MS的代谢组学分析方法存在的覆盖窄、选择性差、灵敏度低、响应歧视等瓶颈问题，从“多维”和“同步”两个角度出发，探索发展基于“多维组合衍生化”和“同步选择性提取”的宽覆盖、高灵敏的靶向代谢组学LC/MS新方法和技术体系：包括配对衍生化试剂结构优化、磁性介孔硅胶纳米探针制备、串联衍生化策略、并联衍生化策略、基于同源离子识别和质谱诊断离子的类成分鉴定等。建立整合“已知物质绝对定量”与“未知物质半定量”组合检测的、能覆盖3-5类代谢物、6-8个代谢途径、近500种非脂类代谢物的高灵敏宽覆盖LC/MS定量分析新方法，并实际应用于儿童毛细支气管炎分子分型研究，从代谢调控角度比较不同亚型患儿雾化吸入药物治疗的反应差异性。本课题的开展将推动代谢组分析向“高精准、宽覆盖”方向发展，所建立的技术体系和分析方法将为药物体内效应分子研究提供有力支撑。

本项目聚焦于代谢组学“数据采集”关键步骤，针对目前基于LC/MS的代谢组学分析方法存在的覆盖窄、选择性差、灵敏度低、响应歧视等瓶颈问题，聚焦于“多维”和“同步” 两个角度，探索发展基于“多维组合衍生化”和“同步选择性提取”的宽覆盖、高灵敏的靶向代谢组学LC/MS新方法和技术体系，包括：建立覆盖短、中、长链FFA的高灵敏LC-MS/MS分析方法，弥补了现有方法覆盖范围窄、灵敏度有限、专属性不强等缺陷，为开发宽覆盖目标代谢组学分析方法提供了新思路；提出配对衍生化策略，既能有效避免生物分析中同位素标记内标不易得的难题，又能为每个待测物提供结构类似的一一对应内标，为内源性物质分析方法建立中内标获取提供了新的选择； 以丹磺酰哌嗪为模板化合物，以质谱ESI(+)离子化和反相色谱保留理论为指导，设计并合成了12个新型磺酰哌嗪类质谱探针，比较评价了12个新型磺酰哌嗪类质谱探针的质谱增敏效果，确定并开发出了最优质谱探针SK-10，其增敏效率比Dns-PP最高可提高300倍；首次将“一侧多评”引入代谢组学研究，建立了基于微波辅助化学衍生化的酰基肉碱LC-MS/MS分析方法；设计并优化了两步固相萃取同时制备代谢组和脂质组的样本预处理方法，建立整合“已知物质绝对定量”与“未知物质半定量”组合检测方法，覆盖13类代谢物、8个代谢途径、近500种小分子物质的高灵敏宽覆盖LC/MS定量分析新方法。所建方法实际应用于儿童毛细支气管炎分子分型研究，筛选了潜在生物标志物并建立了疾病亚型的预测模型。本课题的开展推动了代谢组分析向“高精准、宽覆盖 ”方向发展，所建立的技术体系和分析方法可为临床伴随诊断和疾病生物标志物发现提供有力支撑。本项目相关研究目前已发表SCI论文13篇，申请发明专利2项，培养博士研究生2名，硕士研究生5名。