Kapillarelektrophorese-Massenspektrometrie für die Metabolomik: Umgang miten Missverständnissen - 25. Mai 2021 - Marlien van Mever und Rawi Ramautar - Chromatography Today - Chromatography Today

2021-11-04 10:28:19 By : Mr. Coreshine Gao

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Die hauptsächlichen in Metadaten verwendeten analytischen Ansätze zur Beantwortung der Fragestellung der Flüssigkeitschromatographie-Massenspektrometrie (LC-MS) der Kernspinresonanzspektroskopie (NMR). Der Wert der Metabolomik, sterben im Darin besteht, Einblicke in ein wohldefiniertes biologisches Problem zu gewinnen, can jedoch völlig übersehen Werden, WENN nur this analytische Technologien betrachtet Werden. Insbesondere bei biologischen Fragen, die sich intrinsisch, aber auch für die „schwieriger“ Verbindungsklassen, wie z. B. hochpolare ionogene Metaboliten mit geringer Häufigkeit. Diese Arbeit zielt darauf ab, sterben Möglichkeiten der Kapillarelektrophorese-Massenspektrometrie (CE-MS) für sterben Metabolomik aufzuzeigen, d. h. einige zuerst und technologische Aspekte berücksichtigt werden, ume Missverständnisse über this Analysetechnik zu beheben. Mit aktuellen Beispielen zeigen wir den Nutzen von CE-MS für spezielle Anwendungen und damit den Wert dieses Ansatzes für die Metabolomik.

Im Vergleich zu anderen Techniken ist der Einsatz von CE-MS in der Metabolomik unterrepräsentiert [1], vermutlich weil this Analysetechnik von der Separationswissenschaft als weniger reproduzierbar, insbesondere für die Migrationszeit, wird [2]. In Metabolom-Studien ist die Reproduzierbarkeit der Migrationszeit von zentraler Bedeutung, da sie einen zuverlässigen Vergleich von Stoffwechselprofilen gewährleistet, einschließlich der Untersuchung von Proben auf subtile Veränderungen in den Mustern. Darüber hinaus unterstützt es die Identifizierung unbekannter Metaboliten und gilt als komplementär zu hochauflösender MS/MS. In CE-MS-basierten Metabolomics-Studien entsteht sterben Variabilität der Migrationszeit hauptsächlich durch Fluktuationen des elektroosmotischen Flusses (EOF), sterben durch probenmatrixinduzierte Kapillaroberflächeninteraktionen verursacht werden. Vor kurzem haben González-Ruiz et al. adressierte this Herausforderung durch die Entwicklung einer Software mit der Bezeichnung ROMANCE, sterben sterben Migrationszeitskala in Eine effektive elektrophoretische Mobilitätsskala umwandelt [3]. Der Ansatz basiert auf der Nutzung des grundlegenden Trennprinzips der CE (in diesem Fall speziell bezogen auf die Kapillarzonenelektrophorese), dh der effektiven elektrophoretischen Mobilität des gelösten Stoffes, die im Ort von der Ladung und Größe jeder Verbindung konstant sein wie die Viskosität des Trennpuffers). ROMANCE ermöglichte eine effektive Korrektur von Migrationszeitverschiebungen, sterben durch sterben EOF verursacht wurden, und dadurch die Wiederholbarkeit der CE-MS-Analysen verbessert. Durch sterben Verwendung of this auf effektiver elektrophoretischer Mobilität basierenden Ansatzes Haben Drouin et al. konstruierten eine Bibliothek für 458 endogene Metaboliten, um die Identifizierung von Metaboliten durch CE-MS zu erleichtern [4]. Um die wahre Stärke der Verwendung einer effektiven elektrophoretischen Mobilität in CE-MS-basierten Metabolomik-Studien zu bewerten, haben Drouin et al. haben kürzlich eine Metabo-Ring-Studie eingerichtet, an der 13 unabhängigen Labors aus 11 Ländern beteiligt waren [5]. Alle Laboratorien verwendet dieselbe Probencharge, die repräsentativen Metabolitengemische, Humanplasma und Urin, die mit denselben repräsentativen Metaboliten versetzt wurden. Jedes teilnehmende Labor hat die gleichen Hintergrundelektrolyten (BGE) auf der Grundlage eines Protokolls her und setzt ihn ein. Alle anderen Parameter, dh Kapillare, Schnittstelle, Injektionsvolumen, Spannungsrampe, Temperatur, Art des verwendeten Instruments, Kapillarkonditionierung und Spülverfahren usw. wurden vollständig den teilnehmenden Labors überlassen. Die kritischen Parameter, sterben von diesem Metabo-Ring untersucht wurden, waren die Reproduzierbarkeit der relativen Migrationszeit und die effektive elektrophoretische Mobilität in den Labors, sterben für eine Reihe von kationischen Metaboliten in jeder Probe bestimmt. Trotz der enormen Heterogenität der experimentellen Bedingungen und Plattformen in den 13 unabhängigen Labors reduzierte die Umrechnung der Migrationszeiten in der effektiven elektrophoretischen Mobilität die Variabilität von 10,9 % der relativen Migrationszeit auf 3,1 % der effektiven elektrophoretischen Mobilitätsskala unter Verwendung der BGE-Zusammensetzung . Obwohl sich this Arbeit hauptsächlich auf das kationische metabolische Profiling konzentrierte, wird erwartet, dass dieselbe Strategie auch auf das anionische metabolische Profiling angewendet werden könnte. Insgesamt ist this Studie, sterben Aufgrund ihrer Designs als einzigartig angesehen Werden can, Ein klares Beispiel für die tatsächliche Reproduzierbarkeit von CE-MS in der Metabolomik, dh sterben effektive elektrophoretische Mobilität can als robuster Parameter in der Metabolomik verwendet werden. Anzumerken ist, dass CE-MS seit mehr als zwei Jahren zur Untersuchung von Urinpeptiden als Biomarker für die Diagnose und Prognose von (Komplexen) Erkrankungen eingesetzt wird [6]. Bisher wurde der CE-MS-Peptidomics-Ansatz für die vergleichbare Analyse von mehr als 70.000 Urinproben eingesetzt und wurde zuvor in groß angelegten prospektiven und longitudinalen klinischen Studien für die Progressions- und Outcome-Prognose qualifiziert [7, 8]. In Deutschland ist der CE-MS-Peptidomics-Ansatz mittlerweile als In-vitro-Diagnostikum für eine Reihe klinischer Anwendungen registriert [9].

Die Kopplung von CE-MS wird oft auch technisch anspruchsvoll Unterfangen, insbesondere im Vergleich zu LC-MS oder GC-MS [10]. Das Fehlen von Standardarbeitsanweisungen und zweckdienlichen Datenworkflows könnte trotz neuer Fortschritte beim Probendurchsatz und der Qualitätskontrolle auch den weit verbreiteten Einsatz von CE-MS in der Metabolomik behindert haben [11, 12]. Für das kationische Metabolismus-Profiling wurden in den letzten Jahren etablierte CE-MS-Protokolle entwickelt und zur Analyse großer Probenkohorten wie der Tsuruoka Metabolomics Kohortenstudie mit mehr als 8000 menschlichen Plasmaproben eingesetzt [13]. Der für diese Metabolomik-Studie verwendete CE-MS-Ansatz wurde von Human Metabolome Technologies (HMT) bereitgestellt, einem in Japan ansässigen Biotechnologieunternehmen, das von Soga und Mitarbeitern an der Keio University gegründet. Sie entwickelten die ersten CE-MS-Methoden für die Metabolomik [14]. Heute can der CE-MS-Ansatz der HMT für das kationische Metabolismus-Profiling robust eingesetzt Werden und wird derzeit von verschiedenen Forschungsgruppen eingesetzt. Die Entwicklung eines robusten CE-MS-Ansatzes für das anionische metabolische Profiling ist jedoch noch eine fortlaufende Entwicklung. Yamamotoet al. zeigten kürzlich, dass häufig verwendete ammoniumbasierte BGEs mit einem pH-Wert über 9,0 durch irreversible Aminolyse der äußeren Polyimidbeschichtung zu zufälligen Kapillarbrüchen helfen können [15]. Die Studie ergab, dass. sterben Polyimidaminolyse einfach durch den Einsatz von schwach ammoniumbasierten BGEs mit einem pH-Wert unter 9,0 verhindert werden könnte praktische Aspekte für Metabolomics-Studien in Protokollpapieren [16-20]. Ein wichtiger neuer Trend in diesem Zusammenhang ist der Austausch wichtiger experimenteller Verfahren und bewährter Verfahren über von Experten begutachtete Videoartikel [21-24], und es wird erwartet, dass. Erwähnenswert ist in diesem Zusammenhang, dass. die aktuelle CE-MS Metabo-Ring-Studie deutlich gemacht hat, dass dieser Ansatz auch von Gruppen ohne (jegliche) Erfahrung in der Metabolomikforschung recht unkompliziert angewendet werden kann [5].  

Die Voraussetzung geringer Probenvolumina für die CE-MS-Analyse macht es zu einem attraktiven Werkzeug für die Analyse volumenbegrenzter oder knapp verfügbarer Proben. Aufgrund der begrenzten Belastbarkeit von CE und des konzentrationssensitiven Nachweises von ESI-MS wird die Technik jedoch oft auch ungeeignet für die Spurenmetabolometrie angesehen. Nichtsdestotrotz wurde die Beladungskapazität von CE effektiv durch die Verwendung von Techniken zur Anreicherung von Proben in der Kapillare angegangen. Kürzlich haben Wells et al. verwendet eine auf elektrokinetischer Aufladung basierende Anreicherung für die Neurotransmitteranalyse in volumenbegrenzten Gewebeproben von Rattenhirngewebe ganzen Drosophila an [25], wobei Nachweisgrenzen von nur 10 pikomolar erreicht wurden. In einer anderen Studie haben van Mever et al. optimierten den Einsatz von dynamischem pH-Junction-Stacking für Ratten-Brian-Mikrodialyseproben [26] und zeigt damit die Kompatibilität des Stacking-Verfahrens mit der salzreichen Matrix des Mikrodialysats (Abbildung 1). Die Nachweisgrenzen für Aminosäure-Neurotransmitter lagen im flach nanomolaren Bereich, was ihr Potenzial für spurensensitive Hirnmetabolomik-Studien zeigt.

Außerdem sollte beachtet werden, dass. in beiden zuvor diskutierten Arbeiten eine konventionelle Hülligkeits-ESI-CE-MS-Schnittstelle verwendet wurde. Bei Verwendung einer mantellosen CE-MS-Schnittstelle konnte eine 10-fache Verbesserung der Nachweisempfindlichkeit erreicht werden. Somit könnte CE-MS durchaus vergleichbare Nachweisgrenzen im Vergleich zu herkömmlichen LC-MS-Methoden liefern, mit dem Haupt, dass bei CE nur ein Volumen von ca. 30-300 nL injiziert wird, während 5-10 µL im Probenfläschchen ausreichend für die Injektion, wohingegen bei einem herkömmlichen LC-MS-Verfahren 300-10000 nL injiziert werden. Dies macht den Einsatz von CE-MS vorteilhaft, wenn die Probenmenge sehr begrenzt ist, wie es beispielsweise bei der Einzelzellanalyse der Fall ist. Kürzlich wurde wiederholt über das Potenzial der CE-MS für die Einzelzellanalyse berichtet [27] und Lombard-Banek et al. berichtet über eine CE-MS-Methode, sterben in vivo-Proteomik und Metabolomik in derselben Einzelzelle in Chordatum-Embryonen unter Verwendung von X. laevis ermöglichte [28]. Mit einem speziell angefertigten CE-MS-System wurden quantitative proteo-metabolomische Unterschiede zwischen Zellen im Spaltungsstadium beobachtet. Diese Arbeit zeigt das Potenzial von CE-MS für die spurensensitive Metabolomik, die Fähigkeit, die Zellheterogenität in zukünftigen Metabolomik-Studien zu untersuchen.

Die Hochdurchsatzanalyse von Dutzenden, Hunderten oder sogar Tausenden biologischer Proben gewinnt für Metabolomics-Studien an Bedeutung. Insbesondere für volumenbeschränkte Proben werden schnelle und robuste Metabolomik-Workflows benötigt. Eine bemerkenswerte Verbesserung der CE-MS-Analysestrategien ist der Multi-Segment-Injektions-(MSI)-Ansatz [29], der 2013 von der Forschungsgruppe von Britz-Mckibbin entwickelt wurde. MSI ermöglicht serielle Injektionen von sieben oder mehr Proben. Darüber hinaus can Bei niedriger Einer Qualitätskontrollprobe Eine Stärkere Qualitätskontrolle und Chargenkorrektur während desselben Laufs durchgeführt Werden. In den letzten Jahren war MSI-CE-MS ein effizientes Analysewerkzeug für Metabolomik-Studien in verschiedenen Probentypen und CE-MS-Methoden [30-32]. Kürzlich wurde das Potenzial von MSI-CE-MS für groß angelegte Metabolomik in einer Studie mit mehr als tausend Serumproben gezeigt [20]. In this Studie wurden metabolische Profile in Serumproben von schwangeren Frauen aus ganz Kanada über 7 Monate mit standardisierter Methodik und Datenanalyse. Die Ergebnisse zeigen eine akzeptable mittlere Präzision für eine Reihe von Metaboliten. Insgesamt zeigte dies Arbeit klar den Wert von MSI-CE-MS für die robuste Durchführung groß angelegter Metabolomikstudien mit hohem Durchsatz, einschließlich erfolgreicher Korrektur für langfristige Signaldrift und Variationen zwischen den Chargen.

Bis heute konzentrierte sich die überwiegende Mehrheit der CE-MS-basierten Metabolomik-Berichte auf die Analyse von polaren ionogenen Metaboliten unter Verwendung eines wässrigen Puffersystems (5-10% v/v) unter Verwendung von CZE als Haupttrennmodus. CZE-MS ist ideal für die Profilerstellung verschiedener Klassen hochpolarer Metaboliten (einschließlich organischer Säuren, Nukleotide, Zuckerphosphate) und ihrer intakten Konjugate (z. B. Glycin, Sulfat oder Glucuronid), die bei Umkehrphasen-LC schlecht zurückgehalten werden oder gebrauchte Bandenverbreiterung in hydrophilen Interaktions-LC-Analysen. Neben CZE gibt es andere CE-Trennmethoden, die Potenzial für Metabolomik-Studien zeigen, wie nicht-wässrige CE (NACE) und mizellare elektrokinetische Chromatographie (MEKC). NACE, bei dem Hintergrundelektrolyte (BGEs) aus organischen Lösungsmitteln bestehen, die flüchtigen Salze wie Ammoniumacetat in einem kleinen Teil Wasser enthalten, bietet interessante Eigenschaften für die Analyse von apolaren und geladenen Verbindungen. Darüber hinaus kann die Verwendung von stark auf organischen Lösungsmitteln basierenden BGEs die Elektrospray-Ionisationseffizienz weiter verbessern. Kürzlich haben Azab et al. eine NACE-MS-Methode entwickelt, um mehr als 20 nicht veresterte Fettsäuren in menschlichem Plasma und Serum zu profilieren [33]. Der NACE-MS-Ansatz in Verbindung mit MSI ermöglichte eine schnelle und umfassende Profilierung von Fettsäuren in volumenbeschränkten Proben. MEKC, erstmals von Terabe und Mitarbeitern eingeführt [34], can zur Trennung neutraler und geladener Verbindungen verwendet werden. In MEKC werden ionische Mizellen oder Tenside, oft SDS, als pseudostationäre Phase verwendet und die Trennung basiert auf der unterschiedlichen Verteilung von neutralen und geladenen Verbindungen zwischen der Mizellenphase und der wässrigen BGE. Angesichts der nichtflüchtigen Natur von SDS ist die Online-Kopplung von MEKC und MS eine Herausforderung, da die Einführung nichtflüchtiger Tenside in die MS die ESI-Effizienz (Ionenunterdrückung) verringern und die Ionenquelle verunreinigen kann. Um dieses Problem der Inkompatibilität anzugehen, haben Moreno-González et al. entwickelt eine selektive und sensitive MEKC-MS-Methode, die Ammoniumperfluoroctaat (APFO) als flüchtiges Tensid für die Analyse von Aminosäuren im menschlichen Urin verwendet [35]. Dieses Verfahren wurde von Prior et al. und zur enantioselektiven Analyse von Aminosäuren in Liquor cerebrospinalis verwendet [36]. Es wird erwartet, dass NACE und MEKC die Rolle von CE-MS in der Metabolomik in den kommenden Jahren weiter ausbauen werden.

Marlien van Mever und Rawi Ramautar danken für die finanzielle Unterstützung des Vidi-Stipendienprogramms der Niederländischen Organisation für wissenschaftliche Forschung (NWO Vidi 723.016.003).

Die Autoren haben keine anderen relevanten Verbindungen oder finanzielle Beteiligungen mit einer Organisation oder Einrichtung mit einem finanziellen Interesse oder einem finanziellen Konflikt mit den im Manuskript besprochenen Themen oder Materialien, abgesehen von den offengelegten.

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