一種有效獲取血清小分子代謝物信息的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種通過氣相色譜-質(zhì)譜選擇離子掃描方法和重疊峰去卷積技術(shù)，實現(xiàn)在不需要增加樣品量的情況下，即可獲得比常規(guī)方法更多的血清小分子代謝物信息的方法。血清質(zhì)量控制樣本經(jīng)肟化、硅烷化反應(yīng)后，應(yīng)用常規(guī)分析條件，獲得質(zhì)譜全掃數(shù)據(jù)，再經(jīng)AMDIS處理，建立初始的選擇離子掃描表。改變進樣量、分流比，進一步獲取痕量代謝物的信息。應(yīng)用去卷積軟件提供新增定性的痕量代謝物特征離子，并將其添加于初始的選擇離子掃描表，形成最終的選擇離子掃描表。最后用建立的選擇離子掃描表對樣本進行選擇離子方式的質(zhì)譜數(shù)據(jù)采集。本發(fā)明的方法具有反應(yīng)條件溫和，重復(fù)性好，穩(wěn)定性和操作性強，獲取的代謝物信息豐富，質(zhì)譜信號信噪比高等優(yōu)點。
【專利說明】一種有效獲取血清小分子代謝物信息的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及分析化學(xué)和代謝組學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域，是一種基于氣相色譜-質(zhì)譜選擇離子 掃描技術(shù)和重疊峰去卷積技術(shù)有效獲取血清小分子代謝物信息的方法。 技術(shù)背景
[0002] 目前，色譜質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)是復(fù)雜生物體系代謝組學(xué)研究的主流技術(shù)，其中，氣相色 譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)具有高效的代謝物分離、定性性能。生理代謝途徑中具有重要生理功能 的極性小分子，如：丙酮酸，乳酸，磷酸烯醇式丙酮酸，乙醇胺，甘油酸，甘氨酸，絲氨酸等，通 過衍生化后可在毛細管柱上實現(xiàn)高效的分離，并在質(zhì)譜上得到有效的檢測和定性。然而，由 于生物體內(nèi)代謝物間濃度分布范圍可達1〇 9,常規(guī)的氣質(zhì)聯(lián)用檢測方法遠不能滿足其線性 范圍，并且低豐度代謝物常被色譜流出時間相近的高豐度代謝物掩蓋，導(dǎo)致其信息不能被 有效提取。
[0003] 本發(fā)明引入本實驗室建立的擬靶向方法，其融合了SIM掃描方式的優(yōu)勢，與常規(guī) 的全掃方式相比，具有數(shù)據(jù)更穩(wěn)定、重復(fù)性更高、線性范圍更寬，靈敏度更高、數(shù)據(jù)質(zhì)量更 高、無需峰匹配等特點。然而，擬靶向方法建立過程所采用的QC(質(zhì)量控制）樣本是所有樣 本的等量混合，直接以此QC樣本獲得的全掃數(shù)據(jù)來建立SIM掃描表，極有可能會遺漏高濃 度樣本中低豐度代謝物的信息。此外，在對自動質(zhì)譜去卷積和鑒定系統(tǒng)（AMDIS，Automated MassSpectralDeconvolutionandIdentificationSystem)處理所得的色譜峰掃描點數(shù) 據(jù)進行優(yōu)化時，若相鄰代謝物色譜流出時間差位于預(yù)先設(shè)定的掃描點間距內(nèi)，相關(guān)代謝物 的信息極有可能被遺漏。
[0004] 針對現(xiàn)有的基于氣質(zhì)聯(lián)用技術(shù)的擬靶向方法的不足，本發(fā)明主要進行了兩方面的 改進，以實現(xiàn)在不需要增加樣品量的情況下，進一步豐富血清代謝物的信息。首先，通過改 變儀器參數(shù)即增大進樣量，減小分流比，以提高QC樣本進入色譜柱的量。在此情況下，QC樣 本中各代謝物的離子質(zhì)譜響應(yīng)會增強，從而使得低豐度代謝物更容易被檢出，有利于進行 相關(guān)的定量和定性。另一方面，引入ChromaT0F4. 43軟件優(yōu)越的去卷積功能，對重疊峰進行 去卷積處理，進一步挖掘被相鄰代謝物掩蓋的低豐度代謝物信息。最后，將新增的定性代謝 物特征離子添加于SIM掃描表中，再對樣本進行采集。既提離了血清代謝物的鑒定數(shù)量，又 保留了現(xiàn)有擬靶向方法的優(yōu)勢。本發(fā)明結(jié)合了氣質(zhì)聯(lián)用、重疊峰去卷積和選擇離子掃描技 術(shù)，目前尚無將此方法應(yīng)用于提高血清小分子代謝物信息的報道。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明針對現(xiàn)有常規(guī)氣質(zhì)檢測技術(shù)和擬靶向方法的不足，提出了一種結(jié)合了氣質(zhì) 聯(lián)用、重疊峰去卷積和選擇離子掃描技術(shù)的方法，以期在不增加樣品量的前提下，提高血清 小分子代謝物的定性數(shù)量，同時保留擬靶向方法高靈敏度、重復(fù)性、穩(wěn)定性、寬線性范圍的 特點，從而為其進一步推廣提供基礎(chǔ)。
[0006] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
[0007] -種有效獲取血清小分子代謝物信息的方法，
[0008] ①制備待分析血清樣本的質(zhì)量控制樣本（QC)，經(jīng)二步法衍生后，通過氣質(zhì)聯(lián)用分 析獲得相應(yīng)的質(zhì)譜全掃數(shù)據(jù)，經(jīng)AMDIS(自動質(zhì)譜去卷積和鑒定系統(tǒng)）處理后，建立初始的 SIM(選擇離子掃描）表；②改變分析條件，增大進樣量，減小分流比，獲得相應(yīng)的第二個質(zhì) 譜全掃數(shù)據(jù)，以獲取更多低豐度代謝物的信息；③引入ChromaTOF軟件的去卷積功能，分別 對同一QC樣本獲得的兩種全掃數(shù)據(jù)進行去卷積，代謝物定性后，找出新增定性的代謝物； ④將新增定性的代謝物特征離子添加于初始SIM表，形成最終的SIM表，應(yīng)用最終的SIM表 對待分析血清樣本進行選擇離子掃描方式的氣質(zhì)聯(lián)用分析，獲得各個樣本的代謝物含量信 肩、。
[0009] 于所述血清樣本中加入內(nèi)標(biāo)后，再進行氣質(zhì)聯(lián)用分析；獲得各個代謝物的峰面積 后，將各個代謝物的峰面積與內(nèi)標(biāo)峰面積的比值乘以1〇6,作為其在血清中的相對含量，即 獲得血清小分子代謝物的含量信息^
[0010] 所述二步法衍生是將血清樣本先經(jīng)甲氧胺吡啶溶液進行肟化反應(yīng)，再經(jīng)N-甲 基-N-三甲基硅烷三氟乙酰胺進行硅烷化反應(yīng)，生成相應(yīng)的衍生產(chǎn)物。
[0011] 步驟①對衍生完的QC樣本進行分析，獲得質(zhì)譜全掃數(shù)據(jù)后，經(jīng)AMDIS處理，利用獲 得的各個代謝物的色譜保留時間，生成初始的SIM表，SIM表中包括QC樣本中各個代謝物 的色譜保留時間、峰的起點時間、落點時間、對應(yīng)的特征離子，如表1所示。
[0012] 所述步驟②改變分析條件為：增大氣相色譜的進樣量至步驟①原來進樣量的2 倍、減小分流比至步驟①原來分流比的1/2倍，將更多量的樣品引入色譜柱，對QC樣本進行 分析，進一步獲取低豐度代謝物的信息，即保留時間和特征離子。
[0013] 利用ChromaTOF軟件對兩種分析條件下獲得的QC樣本質(zhì)譜全掃數(shù)據(jù)進行去卷積， 根據(jù)譜庫檢索、樣本驗證、質(zhì)譜圖人工對比進行代謝物定性。
[0014] 氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用系統(tǒng)中，質(zhì)譜包括四極桿質(zhì)譜、或三重四極桿質(zhì)譜。
[0015] 將新增的鑒定代謝物特征離子添加于初始的SIM表，完成SIM表的建立。新增代 謝物的離子由ChromaTOF軟件提供，或根據(jù)目標(biāo)離子在相鄰色譜峰的相對強度來確定。 [0016] 應(yīng)用血清樣本中加入的內(nèi)標(biāo)(十三酸）定量血清中的代謝物，內(nèi)標(biāo)加入量40iig/ mL〇
[0017] 采用QC樣本在PCA分布圖中的聚類情況、QC樣本間的相關(guān)系數(shù)、QC中各代謝物 RSD分布情況對該方法進行評價。
[0018] 血清QC樣本為將所有血清分析樣本等體積量混合再均分等體積份。
[0019] 本發(fā)明具有以下優(yōu)點：反應(yīng)條件溫和，重復(fù)性高，穩(wěn)定性強，在不需增加樣本量的 情況下，可獲得比常規(guī)分析方法更多的代謝物，并且，有利于提高絕大部分代謝物的信噪 t匕，適合大批量、多批次和多中心的血清代謝組學(xué)研究。
[0020] 本發(fā)明的意義在于：血清中含有大量的代謝物信息，本方法的進一步應(yīng)用，有助于 拓寬血清代謝物的覆蓋度，提高代謝物的質(zhì)譜信號響應(yīng)，最終獲得更為完善的血清代謝組 學(xué)數(shù)據(jù)，對疾病機理研究、診斷標(biāo)志物發(fā)現(xiàn)等具有重要的意義。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021] 圖1 :氣相色譜-質(zhì)譜數(shù)據(jù)分析流程。分析條件1 :lyL進樣量，分流比10 : 1 ; 分析條件2 :2yL進樣量，分流比5 : 1。
[0022] 圖2 :QC及代表性血清化療前、后樣本SM圖。
[0023] 圖3:部分新增鑒定代謝物的EIC(提取離子流圖）和SIM圖。新增的鑒定代謝物 的特征離子峰用箭頭標(biāo)出，并顯示其信噪比（S/N)及部分干擾峰。
[0024] 圖4 :QC樣本主成分（PCA)分布圖。
[0025] 圖5 :QC樣本間的線性。只列出第一個和最后一個QC樣本的散點圖。
[0026] 圖6:血清代謝物相對含量相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD)分布圖。

【具體實施方式】
[0027] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
[0028] 1血清QC樣本的制作
[0029] 從所有血清分析樣本中各取等體積的量，均勻混合成一個大的血清質(zhì)量控制樣， 再均分成與欲分析的血清樣本等體積的小份。
[0030] 2血清樣本的預(yù)處理
[0031] 往血清樣本中，加入一定比例的有機溶劑沉淀蛋白、萃取小分子代謝物，離心后取 上清并凍干。對凍干樣品中的小分子代謝物進行衍生化處理。
[0032] 3氣相色譜-質(zhì)譜全掃數(shù)據(jù)的獲取
[0033] 衍生完后的QC樣本分別在不同分析參數(shù)下進行質(zhì)譜全掃，獲得不同色譜柱進樣 量的血清質(zhì)譜全掃數(shù)據(jù)。
[0034] 4血清代謝物的定性
[0035] 應(yīng)用ChromaT0F4. 43對不同分析條件下獲得的全掃數(shù)據(jù)進行去卷積處理，并得到 相對應(yīng)的代謝物峰表，隨后，通過譜庫檢索、標(biāo)準(zhǔn)化合物驗證、人工核對質(zhì)譜圖對各個代謝 物進行定性，并對比，獲得在常規(guī)條件下未檢測到或定性出的代謝物。
[0036] 5選擇離子掃描（SIM)表的建立
[0037] 常規(guī)分析條件下的質(zhì)譜全掃原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入AMDIS進行處理后，依據(jù)獲得的各個代 謝物的氣相色譜保留時間相關(guān)信息，形成初始的SIM掃描表。此外，將新增定性的代謝物特 征離子補充至初始的SM掃描表，完成最終SM表的建立。
[0038]6?質(zhì)譜選擇離子掃描方法的建立
[0039] 根據(jù)氣相色譜-質(zhì)譜選擇離子掃描得到中各個代謝物峰的起點時間、落點時間， 獲得相鄰代謝物的間距，對代謝物進行分組，設(shè)置在各個時間段中，只對相應(yīng)的特征離子進 行掃描。完成質(zhì)譜選擇離子掃描方法的建立。
[0040] 7.分析樣本的質(zhì)譜采集
[0041] 應(yīng)用建立的質(zhì)譜選擇離子掃描方法對QC和其它分析樣本進行氣相色譜-質(zhì)譜選 擇離子掃描分析，獲得血清小分子代謝物的定量信息(峰面積)。
[0042] 8?分析方法的表征
[0043] 將各個代謝的峰面積與內(nèi)標(biāo)峰面積的比值乘以106,作為其在血清中的含量信息， 再用QC樣本的PCA分布及其相關(guān)性、QC中各個代謝物含量的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差分布對方法進 行表征。
[0044] 實施例
[0045] 1樣本采集
[0046] 32對配對的口腔癌化療前、后血清樣本由上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院 提供。化療前的樣本在病人入院后第二天采，化療后的樣本為病人化療后2-3周采。每份 樣本都是在病人空腹時米集。
[0047] 2血清QC樣本制作
[0048] 血清樣本于室溫下解凍，渦旋10s，每個樣本各取100UL以備后續(xù)處理，同時取出 15yL，以制備QC。所有樣本取完后，將QC混合樣渦旋5min以充分混勻，再將其分成每份 100yL的QC測試樣，所有樣本于-80°C下保存。QC樣本的處理和儀器分析與待分析的血清 樣本一致，每10個分析樣本插入一個QC樣本。
[0049] 3血清樣本的處理
[0050] 1) 100yL血清樣本于室溫下解凍，加入400iiL冷甲醇（內(nèi)含40iig/mL的十三酸 內(nèi)標(biāo))，潤旋30s，于15000g，4°C條件下離心15min。取360yL上清液，于10°C下凍干。
[0051] 2)往凍干樣品中加入100yL甲氧胺批陡溶液（20mg/mL)，潤旋30s，并超聲lOmin， 置于40°C水浴中，肟化2h;再加入80yLN-甲基-N-三甲基硅烷三氟乙酰胺，于40°C水浴 中硅烷化lh。衍生完后，衍生溶液于15000g，4°C條件下離心15min，去除不溶物，取出上清 液進行后續(xù)的儀器分析。
[0052] 4儀器分析條件
[0053] 色譜分離、質(zhì)譜檢測在島津GCMS-QP2010分析系統(tǒng)上進行。
[0054] 1)色譜分離條件：色譜柱為08-51^毛細管柱（3〇111\25〇11111\0.2511111)，進樣口溫 度為300°C，載氣為氦氣，恒流流速為1. 19mL/min。程序升溫程序：初始柱溫70°C保持3min， 5°C/min升到300°C，保持5min。分析條件1:進樣量1iiL，分流比10 : 1;分析條件2:進 樣量2iiL，分流比5 : 1。
[0055] 2)質(zhì)譜檢測條件：界面溫度和離子源溫度各為280和230°C，檢測電壓1. 17kV，電 離方式為電子轟擊，電離電壓70eV，質(zhì)荷比掃描范圍：33-600。溶劑切割時間6.0min。質(zhì)譜 掃描頻率2譜圖/s。
[0056] 5血清QC樣本小分子代謝物的定性
[0057] 血清代謝物的定性在ChromaT0F4. 43軟件(力可公司）上進行，通過譜庫檢索 (NISTll，Wiley和Fiehn)、標(biāo)樣驗證和人工核對質(zhì)譜圖對代謝物進行定性。此外，通過相關(guān) 標(biāo)樣在相同分析條件下的出峰順序，可區(qū)分具有相似質(zhì)譜碎片特征、但保留時間有差異的 代謝物，從而有利于其定性。在峰識別與去卷積處理中，峰寬和信噪比分別設(shè)為4s和50。
[0058] 6SM(選擇離子監(jiān)測）表的建立
[0059] 分析條件1 (1UL進樣量，分流比10 : 1)獲得的QC樣本質(zhì)譜全掃數(shù)據(jù)導(dǎo)入 AMDIS(AutomatedMassSpectralDeconvolutionandIdentificationSystem,安捷倫公 司）軟件，采用默認的參數(shù)進行處理。在AMDIS獲得的各個代謝物掃描點數(shù)據(jù)中，連續(xù)4個 掃描點數(shù)據(jù)當(dāng)成是來源于同一個化合物峰，只取強度最大的掃描點，利用掃描點信息獲得 各個代謝物的色譜保留時間，形成初始的SIM掃描表；此外，為了獲取更豐富的低豐度代謝 物的質(zhì)譜響應(yīng)信息，改變分析條件，在分析條件2 (QC樣本的進樣量增至2yL，分流比調(diào)到 5 : 1)下，獲得相應(yīng)的質(zhì)譜全掃數(shù)據(jù)。應(yīng)用ChromaT0F4.43軟件對兩種分析條件獲得的數(shù) 據(jù)進行去卷積和代謝物定性，并將新增的衍生產(chǎn)物特征離子添加于初始的SIM掃描表，形 成最終的SIM表(見表1)(共有258個衍生產(chǎn)物的特征離子)。新增代謝物的特征離子由ChromaT0F4. 43軟件提供或根據(jù)相鄰代謝物產(chǎn)物離子的相對響應(yīng)大小來確定。血清樣本的 氣相色譜-質(zhì)譜數(shù)據(jù)分析流程見附圖1。
[0060] 表1最終的SIM掃描表及相關(guān)信息。新增鑒定的代謝物用*表示如下
[0061]

【權(quán)利要求】
1. 一種有效獲取血清小分子代謝物信息的方法，其特征在于： ①制備待分析血清樣本的質(zhì)量控制樣本（QC)，經(jīng)二步法衍生后，通過氣質(zhì)聯(lián)用分析獲 得相應(yīng)的質(zhì)譜全掃數(shù)據(jù)，經(jīng)AMDIS (自動質(zhì)譜去卷積和鑒定系統(tǒng)）處理后，建立初始的SM 表；②改變分析條件，增大進樣量，減小分流比，獲得相應(yīng)的第二個質(zhì)譜全掃數(shù)據(jù)，以獲取更 多低豐度代謝物的信息；③引入ChromaTOF軟件的去卷積功能，分別對同一 QC樣本獲得的 兩種全掃數(shù)據(jù)進行去卷積，代謝物定性后，找出新增定性的代謝物；④將新增定性的代謝物 特征離子添加于初始SIM表，形成最終的SIM表，應(yīng)用最終的SIM表對待分析血清樣本進行 選擇離子掃描方式的氣質(zhì)聯(lián)用分析，獲得各個樣本的代謝物含量信息。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于：于所述血清樣本中加入內(nèi)標(biāo)后，再進行氣質(zhì) 聯(lián)用分析；獲得各個代謝物的峰面積后，將各個代謝物的峰面積與內(nèi)標(biāo)峰面積的比值乘以 1〇6,作為其在血清中的相對含量，即獲得血清小分子代謝物的含量信息。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于：所述二步法衍生是將血清樣本先經(jīng)甲氧胺 吡啶溶液進行肟化反應(yīng)，再經(jīng)N-甲基-N-三甲基硅烷三氟乙酰胺進行硅烷化反應(yīng)，生成相 應(yīng)的衍生產(chǎn)物。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于：步驟①對衍生完的QC樣本進行分析，獲得 質(zhì)譜全掃數(shù)據(jù)后，經(jīng)AMDIS處理，利用獲得的各個代謝物的色譜保留時間，生成初始的SM 表，SIM表中包括QC樣本中各個代謝物的色譜保留時間、峰的起點時間、落點時間、對應(yīng)的 特征離子，如表1所示。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于：所述步驟②改變分析條件為：增大氣相色譜 的進樣量至步驟①原來進樣量的2倍、減小分流比至步驟①原來分流比的1/2倍，將更多量 的樣品引入色譜柱，對QC樣本進行分析，進一步獲取低豐度代謝物的信息，即保留時間和 特征離子。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于：利用ChromaTOF軟件對兩種分析條件下獲 得的QC樣本質(zhì)譜全掃數(shù)據(jù)進行去卷積，根據(jù)譜庫檢索、樣本驗證、質(zhì)譜圖人工對比進行代 謝物定性。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于：氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用系統(tǒng)中，質(zhì)譜包括四極 桿質(zhì)譜、或三重四極桿質(zhì)譜。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于：將新增的鑒定代謝物特征離子添加于初始 的SIM表，完成SIM表的建立，新增代謝物的離子由ChromaTOF軟件提供，或根據(jù)目標(biāo)離子 在相鄰色譜峰的相對強度來確定。
9. 根據(jù)權(quán)利要求2所述方法，其特征在于：應(yīng)用血清樣本中加入的內(nèi)標(biāo)-十三酸，定量 血清中的代謝物，內(nèi)標(biāo)加入量40 ii g/mL。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于：采用QC樣本在PCA分布圖中的聚類情況、 QC樣本間的相關(guān)系數(shù)、QC中各代謝物RSD分布情況對該方法進行評價。
【文檔編號】G01N30/06GK104458983SQ201310422817
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2013年9月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月16日
【發(fā)明者】許國旺, 葉國注, 尹沛源, 路鑫, 趙燕妮 申請人:中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所