没有针对性的代谢物分析:寻找癌症生物标记和抗生素
当没有针对性的路要走
植物和动物执行许多生理功能通过使用小分子代谢产物。研究这些关键分子的球员代谢表型的可以告诉我们很多关于生物系统,特别是有关疾病的信息,饮食模式和药物毒性。代谢物分析可以通过有针对性的和没有针对性方法执行根据研究的目的和已有的数据。当有必要准确地识别和量化一组预先决定的代谢物(换句话说,当你知道你正在寻找),可以采用有针对性的方法。但是当一个全面概要文件的所有样品中代谢物,已知和未知,是必需的,没有针对性技术的路要走。
分析代谢物发现癌症生物标记
的主要研究领域之一,受益于代谢分析技术是新型生物标志物的鉴定。代谢物浓度的变化对各种生理过程,并观察这些变化可以帮助找出疾病的潜在机制和相关的生物标志物。使用的诸多代谢组学,科学家可以研究biofluids病变的患者在搜索这些潜在的诊断的生物标志物。
”没有针对性的代谢分析是一种高通量、大规模并行分析在时间和空间,”教授说Ching-Wan Lam主任化学病理学、病理学系,香港大学,香港。“你不需要形成一个假说(可以大部分时间是错误的),而且,成功的机会找到一个癌症生物标记更高。”
林集团雇佣一个没有针对性的方法来发现新的癌症生物标记物诊断恶性胸腔积液。大约40%的渗出性胸腔积液有关肺癌,而~ 55%肺结核相关。因为条件有重叠症状和当前的诊断程序入侵和缓慢,生物标志物可以明显区分cancer-derived积液和TB-derived积液诊所将具有无可估量的价值。
林的病理实验室的研究人员使用液体chromatography-tandem质谱(质/ MS)为核心的分析平台为他们没有针对性分析,由于高检测灵敏度和特异性。事实上,他们发现5868的特性(m / z山峰)的积极的和消极的电喷雾电离(ESI)模式。每个功能都有自己的曲线下面积(AUC)值,并根据Lam最高的AUC可以区分为一个潜在的癌症生物标志物使用进一步分析工具。“质/女士是一个非常敏感的和公正的技术,核磁共振(NMR)相比,例如,”林说。“这是不可能的核磁共振检测每一个代谢物被质/女士。从理论上讲,你可以制定5868年的假设和测试每个单独的假设。但同时,你需要489年才能完成测试这些假设,一个每月的速度。”
图1所示。在mwa数据分析。面板:m / z(质量/电荷比率)带有正电荷的生物标志物在积极ESI(喷雾)模式和负电荷生物标志物- ESI模式。虚线表示metabolome-wide显著性水平(MWSL)假定值水平的4×10 - 6。面板B:“鞭笞”发明的情节Lam显示日志之间的曲线关系P和area-under-ROC m / z的峰值。从本质上讲,这是一个阴谋的统计学意义与临床意义的识别疾病的生物标记,即。,生物标志物area-under-ROC > 0.9和假定值小于MWSL。(来源:林和法律。蛋白质组研究》2014)
代谢物广泛的关联研究
通过使用Metabolome-Wide关联研究(mwa),林的研究小组发现,大多数在胸膜腔积液诊断癌症生物标记游离脂肪酸。从本质上讲,这是一个case-and-control协会研究涉及大规模代谢表型出现人类biofluids从疾病组和十几组。Lam mwa工作流改编的详细如图2所示。他强调,他的方法的敏感性,产生脂肪酸作为有效的生物标记物,比其他方法要高得多。“有研究探索循环肿瘤细胞在胸膜腔积液,例如,但敏感的范围从30 - 50%,而在我们的例子中为93.8%。”
图2。步骤无偏癌症代谢生物标志物发现使用mwa和没有针对性质/ MS(液相色谱-串联质谱)。mwa情况和控制协会研究涉及大规模代谢表型出现人类biofluids疾病组和十几组。(来源:林和法律。蛋白质组研究》2014)
没有针对性分析检测天然抗生素草原植物
博士Katherine法国生物学家从植物和微生物学系的加州大学伯克利分校和教授詹姆斯•McCullagh质谱研究机构主任牛津大学代谢组学并不陌生,但在他们的情况下,主要的研究对象是植物,而不是人类。17种野生草地植物的非针对性分析从16000年牲畜放牧领域发现植物化合物,包括与已知抗菌32属性。
“我们发现的最有趣的植物产生多种抗生素和驱虫剂化合物这一目标从病原体生理、繁殖,”法国人告诉我们。“把绣线菊属植物(Filipendula ulmaria)为例。它包含香芹酚,能破坏细菌的细胞膜,rosmarinic酸,能抑制生物膜的形成。“法国接着说,一些化合物,如单宁,具有多个功能:他们可以引起皮肤损伤和减少运动性成人寄生虫,同时抑制幼虫的发展。
图3。热图31抗菌素和打虫药化合物的发现17个草原植物。这些化合物执行不同的功能,包括针对细菌、微生物细胞膜的完整性和接合干扰群体感应,减少肠道蠕虫的能动性和生育能力。样品从每个工厂被确定为第一个属的四个字母和物种的前三个字母根据林奈分类。(来源:法国et al。科学。众议员2018)
另一个重要的发现法国和McCullagh没有针对性的代谢组学的工作是植物从进化的角度来看彼此密切相关的有类似的代谢。这样的证据对植物次生代谢的遗传基础是非常有用的为未来的工作搜索和调查与特定的药用价值的植物。“我们发现,从豆科植物家族(豆类家族,包括植物像三叶草,紫花苜蓿,和大豆)有一个更大的多样性和丰富的抗菌化合物比其他高,“说法语。
这些发现具有深远的实际意义。许多豆类测试的研究中天然草地放牧的牲畜在英国。然而,他们通常不使用,在传统农业系统(无机)。拥有广泛的代谢组学数据,法国能够建议农民和种子公司在牲畜放牧体系包含哪些植物,为了控制微生物感染。“这些建议还可用于农民以外的英国;而不是播种豆类原产于英国,他们可以播种豆类土著居住地,如在巴西或南美,”她说。“这将促进牲畜健康,甚至导致当地生物多样性保护”。
至于所涉及的技术,法国和McCullagh选择质/女士反相色谱法与高分辨率质谱相结合的平台。“我们非常有兴趣获取尽可能多的信息关于小分子概要文件和寻找植物物种之间的相关性和土地管理;此外,我们想确定天然抗菌化合物和如何将这些代表在示例中,“McCullagh说。“使用非目标化质/女士工作流程,综合分析真正的标准从内部图书馆,使我们能够使用的正交测量参数包括准确的质量,保留时间和同位素模式匹配,自信地确定选定的代谢物。”
比较技术,核磁共振,法国指出,除了更敏感,但是往往容易在研究预算——这需要考虑当你有成百上千的样品分析。“只要你有一个良好的内部数据库,您可以识别数以百计的代谢物在你们的样品,“McCullagh说。对于他们的研究,法国和McCullagh利用图书馆的500多个真实的代谢物标准(包括超过100植物次生代谢物)但他们也利用网上数据库如人类代谢组数据库(HMDB)包含许多植物的初级和次级代谢产物。
工作流和挑战
工作流用于诸多代谢分析始于样品制备。当处理植物标本,冷冻干燥样品2 - 3天基本去除水分没有代谢物的损失。然后,样本被减少到一个细粉通过混合和离心法。“通过分解植物材料,你的代谢物中发现的细胞更容易代谢物中使用的溶剂萃取,”阐述了法语。“质/女士,我们用乙醇提取代谢物随后离心去除微粒。这种提取多种植物次生代谢物感兴趣的化合物类。”
“过滤后,乙醇提取物进行了分析使用质/平台,女士”McCullagh解释道。”结合准确的质量分析,保留时间,MS / MS峰值匹配和同位素模式,代谢物可以对比样本。我们确定了这些真实的co-analysis标准。“使用离线和在线平台包括数据处理初期发育气,MetaboAnalyst,R。
遇到的最大的挑战法国和McCullagh和她的团队在这些分析研究是成千上百的化合物的检测是完全未知的。“我们不能确定这些化合物通过使用LC / MS和公开数据库,”她说。“在线数据库的广泛开发植物代谢物远低于哺乳动物的新陈代谢,留给我们的大多数化合物为特征,但不确定,”詹姆斯补充道。
如此大量的信息通过诸多代谢组学,对法国和McCullagh下一步将寻找新的抗菌化合物的野草。“为了做到这一点,我们需要将样本分为分数,包含单个化合物的理想,并进行抗菌检测来确定他们是否显示生物活性,”她总结道。
