基于LC-MS的“拟”靶向代谢组学分析新方法及其在前列腺癌研究中的应用

Non-targeted metabolic profiling based on LC-MS is one of the most widely used method for discovery metabolomics. Its main bottlenecks include analytical sensitivity, dynamic range and repeatabilities etc. To solve these problems, a novel pesudo-targeted metabolic profling mehtod will be estabished for human palsma analysis using ultra performance liquid chromatography-tandem mass spectrometry with multiple-reaction monitoring (UHPLC-QQQ MRM MS). To establish UHPLC-QQQ MRM MS method for all known and unknown metobolites, retention time and parent ion/product ion of all metabolites must be acquired. Ultra performance liquid chromatography coupled with quadrupole time-of-flight mass spectrometry (UHPLC-Q TOF/MS) has similar ion collision mode with UHPLC-QQQ MRM MS. It will be used to obtain retention time and parent ion/product ion of all detected metabolites. For acquiring parent ion/product ion as much as possible, a integrated MS/MS method will be devloped accoding to retention behavior on liquid chromatogram and ion suppression on MS. The developed method will has the advantages of both non-targated metabolic profiling and targeted metabolomics method. Its sensitity, dynamic range and repeatabilities will obvious better than current non-targeted LC-MS method, and it doesn't need complicated peak alignment for large-scale analysis. The established method will used for Chinese prostate cancer (PCa) study. The plasma samples obtained from PCa patients, benign prostatehyperplasia and health control will be analyzed. The metabolic phenotype and differential metabolites for PCa will be found. The deveolped method will be an efficiently method for discovery metabolomics. It will play an important role in discovery metabolomics.

本课题针对基于LC-MS的非靶向代谢组学分析方法在灵敏度、动态范围、重复性等方面的不足，以血浆为研究对象，建立基于LC-MS"拟"靶向代谢组学分析新方法。该方法具有靶向方法的高灵敏度、宽动态范围及分析可靠性，适合组学的大样本分析；同时兼具非靶向方法的高信息量。"拟"靶向代谢组学方法设计选用UHPLC-QQQ MRM MS技术，为实现非靶向数据采集，需事先获知样本中"全部"代谢物的保留时间和MRM离子对信息。为此，选用与"拟"靶向分析方法具有相同质谱碎裂方式的UHPLC-Q TOF/MS技术，通过研究多种MS/MS模式，结合质谱条件优化和自编软件获得保留时间、候选离子对；最终通过动态MRM采集和质谱条件优化等建立最终的"拟"靶向LC-MS代谢组学新方法。将所建立的方法用于中国人群前列腺癌代谢组学研究，寻找与前列腺癌发生密切相关的差异代谢物。该方法将为代谢组学提供有效的分析技术手段。

本项目为了提高LC-MS非靶向代谢组学方法在灵敏度、检测动态范围和可靠性等方面分析性能，以生物样本为研究对象，发展基于LC-MS“拟”靶向代谢组学新方法。“拟”靶向代谢组学方法设计选用UHPLC-QQQ MRM MS技术，为实现该方法的非靶向数据采集，需事先获知样本中“全部”代谢物的保留时间和MRM离子对信息。为此，选用UHPLC-Q TOF/MS技术，通过研究多种MS/MS模式，结合质谱条件优化和自编软件获得保留时间、候选离子对；最终通过动态MRM建立最终的“拟”靶向代谢组学新方法。并将所建立的方法用于中国人群前列腺癌代谢组学研究，寻找与前列腺癌发生密切相关的差异代谢物和探讨可能的发病机制。在完成原计划内容基础上，还开展了基于液质联用的非靶向代谢组学模式向拟靶向模式自动转化方法研究，基于“拟靶向”方法（UHPLC-QQQ MRM MS和GC-MS SIM的拟靶向方法）的大规模代谢组学数据整合方法研究以及基于GC-MS SIM“拟靶向”方法的疾病代谢组学应用研究。.项目实施过程中，系统发展了基于UHPLC-QQQ MRM MS的“拟”靶向代谢组学方法，包括基于UHPLC-QQQ MRM MS的血清“拟”靶向代谢组学方法，尿液“拟”靶向代谢组学方法和拟靶向脂质组学分析方法。所发展的方法兼具非靶向和靶向代谢组学方法的优势，具有灵敏度高、分析可靠性好、代谢组覆盖度广和动态范围宽等，特别适合大规模组学样本分析。如何从成千上万的二级谱图中高效地挑选出特征离子对信息是拟靶向分析技术的关键，为此构建了基于液相色谱-质谱联用技术的非靶向模式向拟靶向模式的自动转化方法，实现了高通量、自动化地的“拟”靶向化。此外，发展了基于“拟靶向”方法的大规模代谢组学数据整合方法, 有效地整合多批次大规模代谢组数据，解决了大规模代谢组学的分析难题。开展前列腺癌和膀胱癌的代谢组学研究，分别筛选出了各2组有临床应用前景的潜在血清/血浆和尿液组合标志物。在本项目实施过程中在Anal. Chem., J.Chromatogr. A等国际期刊发表SCI收录论文9篇，获得中国发明专利授权2项，申请中国发明专利3项，培养博士研究生4人。