基于质谱探针技术的模型鼠粪便代谢物全分析方法学研究

The composition and proportions of human gut microbiota are closely correlated to human health. Since fecal metabolome can neutrally reflect the composition and concentrations of metabolites of gut microbiota in a comprehensive, dynamic, and non-invasive manner, analysis of fecal metabolome can be used to monitor the conditions of gut microbiota. However, comparing with the large number of metabolites discovered in human species so far, the current identified metabolites in faeces of mammalians are still limited. In addition, no fecal metabolites database has been established, which thus greatly restricts the in-depth study of gut microbiota. In this project we focus on the comprehensive analysis of fecal metabolome of model rat by establishing mass probe-based metabolomic analytical strategy. Briefly, the metabolites of fecal metabolome will be divided into sub-metabolomes, including carboxy-containing metabolites, amino-containing metabolites, carbonyl-containing metabolites, hydroxy-containing metabolites, and thiol-containing metabolites, etc. Then we will design and synthesize highly effective mass probes that are used to label sub-metabolomes carrying different functional groups. The labeled metabolites will be further subjected to enrichment and liquid chromatography-mass spectrometry analysis. By integrating the results from the analysis of different sub-metabolomes with our developed mass probe-based strategy, we can establish the comprehensive spectrum of fecal metabolome and construct the model rat fecal metabolome database. Through the comprehensive analysis of fecal metabolome, this project will provide important insight and analytical tools on the elucidation of the interaction between gut microbiota and host’s health and diseases.

肠道菌群组成的结构和比例与人体的健康状况有着密切联系。粪便代谢组分析作为一种相对全面、连续动态、无刺激的研究策略，能够系统客观地反映肠道菌群的代谢物组分及浓度，展示肠道菌群的代谢状态。然而，目前对粪便代谢物的了解十分有限，制约了对肠道菌群的深入研究。本项目以模型鼠粪便代谢组全分析为目标，将代谢物按官能团分为亚代谢组（羧基类代谢物、氨基类代谢物、羰基类代谢物、羟基类代谢物、巯基类代谢物等），通过设计和合成高效的质谱探针并分别标记含有不同官能团代谢物，建立基于质谱探针技术的代谢组的色谱-质谱分析方法，对模型鼠粪便进行亚代谢组分析；在综合不同官能团代谢物分析结果的基础上，实现模型鼠粪便代谢物全分析。希望通过本项目的研究，建立模型鼠粪便代谢组数据库，为深入研究肠道菌群与宿主之间的交互作用，揭示肠道菌群与机体的健康和疾病之间的关系提供重要基础数据和研究手段。

肠道菌群组成的结构和比例与人体的健康状况有着密切联系。粪便代谢组分析作为一种相对全面、连续动态、非侵入式的研究策略，能够系统客观地反映肠道菌群的代谢物组分及浓度，展示肠道菌群的代谢状态。本项目致力于开发基于化学衍生技术的新 LC-MS 方法，用于筛选和鉴定小鼠粪便中的代谢物，并建立相关代谢物数据库。主要研究工作包括：1) 针对含不同反应基团的代谢物，设计合成了12种稳定同位素标记试剂（质谱探针）；2）利用四种稳定同位素分别标记羧基、醛酮、氨基、巯基代谢物，建立了高覆盖度的亚代谢组分析方法，在模型小鼠粪便中检测到2300余种代谢物，发现了阿尔茨海默病(AD)和野生型小鼠粪便中具有显著差异的代谢物212个；3）提出了基于衍生化技术的源内裂解质谱分析新技术，建立了一次进样分析实现代谢物筛查和获取多级质谱图信息的亚代谢组分析方法；4）建立了基于AMPP衍生化的交替式双电压质谱扫描分析方法，实现了胆汁酸的“肝肠循环”系统中胆汁酸及其结合物的筛查，发现和鉴定了多种结合型胆汁酸；5）提出结构导向筛查新型脂质分子FAHFA的LC-MRM-MS分析方法，发现了FAHFA酯键位置与色谱保留值之间定量关系，为FAHFA位置异构体的鉴定提供了便利的方法；6）构建了可以实现柱后衍生LC-MS分析系统，建立了生物样品中单糖和醛的自动化高灵敏检测方法；7）建立了基于化学标记的亚代谢组保留指数体系，提高了色谱保留值辅助代谢物结构鉴定的可靠性；8）构建了包含小鼠粪便在内的多种生物样品中代谢物化学标记数据库（目前已收录2000多种代谢物），为代谢物的结构鉴定提供了新途径。发表基金标注的 SCI 收录论文 121 篇，申请发明专利16项（其中已授权13项），培养研究生43名。