开发生物标志物的新工具：代谢组学
来源：中检健康
编辑：中检健康
时间：2020-12-08
凭借技术的进步，代谢组学正在迅速发展，并推动生物标志物发现和个性化医疗发展。代谢物研究通常需要分离复杂的生物分子混合物，因此常用的技术是色谱分离，包括液相色谱（LC）和质谱（MS）。诚然，多样的化学物和丰富的代谢物为人们带来了挑战，但仪器和软件的进步正在克服这些挑战。
工具在改进
如今，代谢物分析的工具正变得更灵敏，它们能够从样本中提取出比以往更多的数据。Metabolon公司在美国提供代谢组学分析服务，其研发总监Annie Evans表示：“大约20年前Metabolon刚开始运营时，我们只能鉴定大约100种化合物。如今，由于色谱和质谱技术的改进，我们可以鉴定2,000多种化合物。”
今年，赛默飞世尔科技推出了两款新的质谱仪，分别是Orbitrap Exploris™ 240和Orbitrap Exploris™ 120仪器，特别适合分析复杂样本的代谢特征。Orbitrap Exploris 240改善并提高了大量关键的光学离子部件和仪器设计解决方案，并包含全自动的AcquireX智能数据采集流程，可增强未知代谢物的注释能力。
从代谢组学的原始数据中获得新见解，数据分析起着关键作用。“将LC-MS原始数据转化为可操作的信息，需要自信定义假定的化合物，并表征已知的代谢物，”赛默飞代谢组学项目经理Amanda Souza谈道。例如，LC-MS数据需要预处理，以解释技术本身引起的几个因素，包括基线漂移以及污染物和加合物的信号。
数据的进一步分析则需要高级软件，如赛默飞的Compound Discoverer软件。该软件可处理数千个原始文件，进行统计分析、数据挖掘、可视化、生化通路映射和交互式化学网络分析。“Compound Discoverer软件提供了许多注释工具，如元素组成预测，数据库搜索，针对mzCloud™谱库的MS2光谱匹配以及注释来源指示器，”Souza说。
赛默飞最近还与佛罗里达大学病理学副教授Timothy Garrett合作。Garrett采用Orbitrap Exploris 240质谱仪分析了Laron综合征和Guevara-Rosenbloom综合征患者的血浆样本，以鉴定每种疾病的生物标志物。这两种罕见病的特征都是身材矮小，但Laron综合征患者更容易患上糖尿病和癌症。“采用半靶向分析方法，我们除了检测到已知的代谢差异，还发现了先前未知的生物标志物，”Souza说。
更准确，更精确
精准医疗的挑战之一是确定每个人之间有何差异，以及为什么有些人在治疗时有反应而另一些人则没有。Evans表示：“代谢组学研究特别适合分析应答者与无应答者的代谢特征。某些人的代谢应激功能使其无法建立足够强大的免疫系统，无法对特定的药物产生应答，也无法形成治疗癌症所需的抗体。”
举个例子，南阿拉巴马大学的Art Frankel实验室采用Metabolon的超高效液相色谱 – 串联质谱（UPLC-MS/MS）平台进行无偏倚的代谢谱分析。他们鉴定了转移性黑色素瘤患者的微生物群和代谢产物，这些与免疫检查点抑制剂疗法的有效性有关。
代谢组学分析显示，当患者的肠道微生物群中富含特定种类的细菌以及高水平的代谢产物anacardic acid时，他们能够在免疫检查点抑制剂疗法中产生应答。Evans表示：“我们希望在鉴定这些代谢物和细菌之后，用益生菌或抗生素来治疗这些患者，从而提高他们在免疫治疗时的应答能力。”
Evans认为，代谢组学是整个精准医学范畴的强大工具，从科研到临床。为了证明其平台具有临床应用所需的准确性和精确性，Metabolon验证了其非靶向代谢组学平台，获得了美国FDA的CLIA认证和CAP认证。“我们希望每个人都能生成高质量的数据，因为我们相信代谢组学的力量，”Evans谈道。
应用更广泛
显然，越来越多的研究人员对代谢组学感兴趣，其中包括纽约大学代谢组学核心资源实验室的主任Drew Jones。他所在的实验室主要使用液相色谱和高分辨率质谱来开展代谢组学和脂质组学分析。他们编写了一个基于Python的数据分析工具用于数据分析，包括谱库搜索以及分子式和结构确定。
“我们可根据代谢物的串联质谱图对其进行鉴定，并对研究样本中的代谢物进行相对定量，”Jones谈道。他预计将在明年发表这种方法，并在www.metabolomics.org上发布一个平台。“我们的整个工作流程将对所有科研人员开放，这样他们就能够上传自己的原始数据并使用我们的分析流程，然后在期刊上与大家分享结果。”
除了核心实验室外，Jones自己的研究实验室还利用代谢组学来研究人们对流感疫苗的反应。“我们正在开发一些新的代谢标志物，以反映人们对疫苗和流感的免疫反应，”他说。他的实验室参与了美国NIH的合作流感疫苗创新中心（CIVICs）项目，该项目旨在改进每年的流感疫苗，最终开发出通用的流感疫苗。
同时，Jones也收到了许多合作要求，涉及到癌症、代谢疾病、神经系统疾病以及一些研究不多的疾病。“例如，我们分析了寄生虫的代谢特征，试图验证寄生虫与及共生细菌之间的代谢相互作用，”Jones谈道。此外，代谢组学也有助于人类肠道微生物组的研究。
专家认为，仪器的不断进步将继续推动代谢组学在实验室和临床上的应用。“如今的仪器可靠耐用，而且易于操作，灵敏度和稳定性方面有了很大的改进，”Evans表示。“在过去15年中，代谢组学的硬件有了绝对改善，但我认为这一趋势不会放缓。”
（作者：Caitlin Smith / 生物通编译）
工具在改进
如今，代谢物分析的工具正变得更灵敏，它们能够从样本中提取出比以往更多的数据。Metabolon公司在美国提供代谢组学分析服务，其研发总监Annie Evans表示：“大约20年前Metabolon刚开始运营时，我们只能鉴定大约100种化合物。如今，由于色谱和质谱技术的改进，我们可以鉴定2,000多种化合物。”
今年，赛默飞世尔科技推出了两款新的质谱仪，分别是Orbitrap Exploris™ 240和Orbitrap Exploris™ 120仪器，特别适合分析复杂样本的代谢特征。Orbitrap Exploris 240改善并提高了大量关键的光学离子部件和仪器设计解决方案，并包含全自动的AcquireX智能数据采集流程，可增强未知代谢物的注释能力。
从代谢组学的原始数据中获得新见解，数据分析起着关键作用。“将LC-MS原始数据转化为可操作的信息，需要自信定义假定的化合物，并表征已知的代谢物，”赛默飞代谢组学项目经理Amanda Souza谈道。例如，LC-MS数据需要预处理，以解释技术本身引起的几个因素，包括基线漂移以及污染物和加合物的信号。
数据的进一步分析则需要高级软件，如赛默飞的Compound Discoverer软件。该软件可处理数千个原始文件，进行统计分析、数据挖掘、可视化、生化通路映射和交互式化学网络分析。“Compound Discoverer软件提供了许多注释工具，如元素组成预测，数据库搜索，针对mzCloud™谱库的MS2光谱匹配以及注释来源指示器，”Souza说。
赛默飞最近还与佛罗里达大学病理学副教授Timothy Garrett合作。Garrett采用Orbitrap Exploris 240质谱仪分析了Laron综合征和Guevara-Rosenbloom综合征患者的血浆样本，以鉴定每种疾病的生物标志物。这两种罕见病的特征都是身材矮小，但Laron综合征患者更容易患上糖尿病和癌症。“采用半靶向分析方法，我们除了检测到已知的代谢差异，还发现了先前未知的生物标志物，”Souza说。
更准确，更精确
精准医疗的挑战之一是确定每个人之间有何差异，以及为什么有些人在治疗时有反应而另一些人则没有。Evans表示：“代谢组学研究特别适合分析应答者与无应答者的代谢特征。某些人的代谢应激功能使其无法建立足够强大的免疫系统，无法对特定的药物产生应答，也无法形成治疗癌症所需的抗体。”
举个例子，南阿拉巴马大学的Art Frankel实验室采用Metabolon的超高效液相色谱 – 串联质谱（UPLC-MS/MS）平台进行无偏倚的代谢谱分析。他们鉴定了转移性黑色素瘤患者的微生物群和代谢产物，这些与免疫检查点抑制剂疗法的有效性有关。
代谢组学分析显示，当患者的肠道微生物群中富含特定种类的细菌以及高水平的代谢产物anacardic acid时，他们能够在免疫检查点抑制剂疗法中产生应答。Evans表示：“我们希望在鉴定这些代谢物和细菌之后，用益生菌或抗生素来治疗这些患者，从而提高他们在免疫治疗时的应答能力。”
Evans认为，代谢组学是整个精准医学范畴的强大工具，从科研到临床。为了证明其平台具有临床应用所需的准确性和精确性，Metabolon验证了其非靶向代谢组学平台，获得了美国FDA的CLIA认证和CAP认证。“我们希望每个人都能生成高质量的数据，因为我们相信代谢组学的力量，”Evans谈道。
应用更广泛
显然，越来越多的研究人员对代谢组学感兴趣，其中包括纽约大学代谢组学核心资源实验室的主任Drew Jones。他所在的实验室主要使用液相色谱和高分辨率质谱来开展代谢组学和脂质组学分析。他们编写了一个基于Python的数据分析工具用于数据分析，包括谱库搜索以及分子式和结构确定。
“我们可根据代谢物的串联质谱图对其进行鉴定，并对研究样本中的代谢物进行相对定量，”Jones谈道。他预计将在明年发表这种方法，并在www.metabolomics.org上发布一个平台。“我们的整个工作流程将对所有科研人员开放，这样他们就能够上传自己的原始数据并使用我们的分析流程，然后在期刊上与大家分享结果。”
除了核心实验室外，Jones自己的研究实验室还利用代谢组学来研究人们对流感疫苗的反应。“我们正在开发一些新的代谢标志物，以反映人们对疫苗和流感的免疫反应，”他说。他的实验室参与了美国NIH的合作流感疫苗创新中心（CIVICs）项目，该项目旨在改进每年的流感疫苗，最终开发出通用的流感疫苗。
同时，Jones也收到了许多合作要求，涉及到癌症、代谢疾病、神经系统疾病以及一些研究不多的疾病。“例如，我们分析了寄生虫的代谢特征，试图验证寄生虫与及共生细菌之间的代谢相互作用，”Jones谈道。此外，代谢组学也有助于人类肠道微生物组的研究。
专家认为，仪器的不断进步将继续推动代谢组学在实验室和临床上的应用。“如今的仪器可靠耐用，而且易于操作，灵敏度和稳定性方面有了很大的改进，”Evans表示。“在过去15年中，代谢组学的硬件有了绝对改善，但我认为这一趋势不会放缓。”
（作者：Caitlin Smith / 生物通编译）
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