非靶向代谢组学质谱分析方法的比较

作     者：肖晓莲 

作者单位：北京协和医学院 

学位级别：硕士

导师姓名：孙伟

授予年度：2021年

学科分类：1007[医学-药学(可授医学、理学学位)] 1006[医学-中西医结合] 100706[医学-药理学] 100602[医学-中西医结合临床] 10[医学] 

主      题：非靶向代谢组学 全扫描采集方式 数据依赖采集方式 

摘      要：非靶向代谢组学是一门新兴而有吸引力的学科,已被广泛应用于许多研究领域,包括疾病生物标志物的发现、代谢途径的研究、环境暴露总量的监测,寻找调节某些疾病表型的生物活性化学物质。液相色谱-高分辨质谱联用（LC-HRMS）技术具有灵敏度高、选择性好、动态范围宽、信息丰富等优点,已成为代谢组学研究的主要技术平台。在基于LC-HRMS的非靶向代谢组学中,液相色谱根据代谢物的化学性质来分离代谢物以降低样品的复杂度,代谢物的保留时间信息可用于辅助代谢物的鉴定。代谢物分离后,质谱通过检测代谢物的质谱信号强度,以进行定量评估。目前,非靶向代谢组学常用的质谱数据采集模式主要有两种,即全扫描采集（full scan acquisition,FSA）模式和数据依赖采集（data dependent acquisition,DDA）模式。两种模式的采集方法拥有各自的特点和局限性,如何为给定的非靶向代谢组学应用选择合适的采集模式是亟待解决的问题。本研究旨在比较不同模式在非靶向代谢组学的定性定量效果,以为如何选择最佳的数据采集模式提供指导和依据。本课题分别利用代谢物标准混合物和人类尿液样本,测试两种数据采集模式的分析能力。两种数据模式采集的代谢组学数据主要从五个方面进行评估:（1）检测到的代谢物特征数目,（2）代谢物鉴定数目,（3）代谢物定量的强度分布（4）代谢物定量的准确度（5）方法的方便性。标准品代谢物混合物含有9个代谢物,进行三次质谱分析。两种模式均能鉴定到全部的9个代谢物,FSA组的9个代谢物丰度均高于DDA组,平均高约2.36倍（P0.05）。其中,亮氨酸脑啡肽（556.2771）差异最明显,FSA组的丰度均值较DDA组高约3倍,而缬氨酸-酪氨酸-缬氨酸（380.2185）的差异较小,FSA组的丰度均值较DDA组高约2.1倍。定量的变异系数（coefficient of variation,CV）显示两种模式的定量准确度,FSA组的CV值范围在0.81%至5.42%,CV中位数为2.48%;DDA组的CV值范围在1.87%至10.09%,CV中位数为8.75%。尿液样本的分析,采取三种不同的进样量,每个进样量重复三次操作。不同进样量,FSA模式检测到的代谢物特征数目均较DDA模式多（P0.05）。代谢物鉴定结果显示,FSA模式鉴定的代谢物数目比DDA模式多,不同进样量（1、2和4 μL）时,FSA模式鉴定的代谢物数量比DDA模式分别多9.5%、1.9%和10%。同时,FSA模式鉴定到的代谢物定量丰度高于DDA组,且CV中位数（分别为7.1%、3.0%和2.6%）明显低于DDA模式者（分别为10.3%、7.0%和6.5%）。进样量1、2和4μL时,随着代谢物丰度的升高,FSA的CV值较DDA组分别低1.3～1.7、1.7～1.8和1.4～1.9倍（P0.05）;而且,随着峰宽增加,FSA组的CV值较DDA组分别低1.5～1.8、1.7～2.1和2.0～2.2倍（P0.05）。本课题对FSA和DDA两种数据采集模式用于非靶向代谢组学的质谱结果的比较,发现FSA模式在定性和定量准确度方面优于DDA模式,但其对系统稳定性要求高,更适合短时间小规模样品量分析;而DDA模式对系统稳定性要求相对较低,操作简便省时,可用于长时间大规模样品量的分析。本研究为今后如何选择最佳的数据采集模式提供了参考。