精准剖析心脏微组织代谢组和脂质组：为代谢组学研究解锁新 “钥匙”

在非靶向代谢组学研究中，代谢物注释存在高比例假阳性问题。研究人员开展心脏微组织极性代谢物和脂质库的测量与整理研究。结果得到 313 种极性代谢物和 1004 种脂质的库。这将助力心脏微组织非靶向代谢组学更精准注释。

　　在代谢组学的广阔领域中，代谢物注释就像一把关键的 “钥匙”，能打开通往精准毒理学和安全评估的大门。然而，目前这把 “钥匙” 却存在诸多问题。在基于质谱（MS）的代谢组学研究里，数据复杂得如同迷宫，一个代谢物往往会产生多个信号，而且同分异构体之间也难以区分，这给注释工作带来了极大的挑战。同时，常用的公共代谢物数据库，如人类代谢组数据库（HMDB）、京都基因与基因组百科全书（KEGG）和脂质图谱结构数据库（LMSD），里面包含了许多在实际分析样本中不存在或检测不到的化合物，这使得注释时假阳性结果大幅增加，严重影响了研究的准确性和可靠性。

为了攻克这些难题，来自英国伯明翰大学（University of Birmingham）等机构的研究人员开启了一场意义非凡的探索之旅。他们致力于测量并整理心脏微组织中存在的极性代谢物和脂质库，期望能为基于质谱的非靶向代谢组学研究提供更可靠的参考，从而推动相关领域的发展。最终，他们成功整理出包含 313 种极性代谢物和 1004 种脂质的库，这一成果意义重大，为后续研究奠定了坚实基础。该研究成果发表在《Metabolomics》杂志上。

在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。他们从 14 天成熟的心脏微组织中提取细胞内极性代谢物和脂质，分别采用 4:1（v/v）甲醇 / 水和 2:1（v/v）甲醇 / 氯仿进行提取。随后，利用亲水相互作用（HILIC）和基于 C₃₀的反相（RP-C₃₀）超高效液相色谱 - 质谱（UHPLC-MS）技术对提取物进行分析，并借助智能数据依赖采集（DDA）工作流程（AcquireX）获取丰富的碎片化数据。此外，通过 XCMS、Compound Discoverer?、LipidSearch?等软件对数据进行处理和注释，还使用了内部保留时间（RT）库和多个质谱数据库辅助注释工作 。

下面让我们深入了解一下具体的研究结果。

• MSⁿ覆盖情况：研究人员对心脏微组织细胞内代谢物和脂质提取物进行 UHPLC-MSⁿ测量后发现，经过 msPurity 处理和过滤的 MS/MS 碎片化光谱与 XCMS 衍生的特征列表比对结果显示，HILIC 正、负离子模式和 RP-C₃₀正、负离子模式数据集分别有 631、619、2942 和 2562 个特征具有碎片化数据，约占实验数据集的 44 - 62%。同时，Compound Discoverer?报告的过滤化合物中，80 - 90% 获得了 MS₂数据，这表明该研究的数据覆盖度较高，也体现了智能 DDA 的优势。
• 极性代谢物：综合多种注释方法，研究人员整理出心脏微组织极性细胞内提取物中存在 313 种化合物的列表。其中，126 种化合物达到了代谢组学标准倡议（MSI）的 1 级鉴定水平，即通过与真实化学标准品的 m/z 和保留时间（RT）匹配得以确认；其余 187 种为高可信度注释（MSI 2 级）。这些化合物涵盖了多种在心脏生物化学中具有关键功能的代谢物，如支链氨基酸（BCAA），它是心脏能量代谢和 ATP 合成的重要底物，其代谢受损与多种心血管疾病相关；还有肌酸，参与心脏收缩过程，在能量需求增加或缺氧时发挥重要作用。对这些极性化合物进行 KEGG 代谢通路映射发现，共有 204 种代谢物被映射到 57 条（人类）KEGG 通路，其中氨基酰 - tRNA 生物合成通路最为显著，这主要归因于在心脏微组织极性细胞内提取物中检测到 18 种氨基酸。此外，该列表中 54.6% 的化合物与毒性相关，这为利用心脏微组织进行基于代谢组学的心脏毒性生物标志物研究提供了有力支持。
• 脂质：研究人员整理出心脏微组织细胞内脂质提取物中存在 1004 种独特脂质组的列表。其中，21 种脂质通过与分析标准品的精确质量、保留时间和 MS/MS 数据匹配得以鉴定，其余 983 种仅进行了注释。在这些脂质中，甘油三酯的注释数量最多，其次是磷脂酰胆碱。这些脂质的变化与心脏功能密切相关，例如甘油三酯作为心脏的主要能量供应物质，其利用的改变与心脏功能受损有关；而二酰甘油、神经酰胺和酰基肉碱等脂质的积累则与心脏毒性相关 。

综合来看，这项研究意义重大。研究人员整理的心脏微组织极性代谢物和脂质库，为以心脏微组织为生物测试系统的代谢组学实验提供了宝贵资源。与通用的大型公共代谢物数据库相比，使用该库进行注释能够减少假阳性结果，提高注释的可信度。不过，研究人员也指出，若能进一步通过分析标准品对所有报告的代谢物和脂质进行明确鉴定，将进一步提升该资源的可靠性和相关生物学解释的准确性。从更广泛的角度来看，该研究中采用的方法若应用于其他毒理学测试系统的代谢物库构建，有望提升非靶向和混合代谢组学在毒理学和安全评估领域的价值，为生命科学和健康医学的发展开辟新的道路。