创新进展 | 单进军、谢彤团队构建模拟谱库快速表征一类特殊复杂脂质——心磷脂及其氧化产物

2022-05-19 14:37 来源:丁香园 作者:
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创新进展

近日,南京中医药大学单进军、谢彤团队在 Analytica Chimica Acta(分析化学一区,IF: 6.558)正式发表了题为 In-silico-library-based method enables rapid and comprehensive annotation of cardiolipins and cardiolipin oxidation products using high resolution tandem mass spectrometer 的研究性论文。

该文章基于 Orbitrap 高分辨质谱平台,创新性的通过计算机模拟方式,建立了心磷脂及其氧化产物的质谱谱库。凭借高分辨质谱平台的超高分辨率、亚 ppm 级质量精度,及 Stepped NCE 高能碎裂模式(HCD)获得的丰富二级碎片信息,使得该方法获得模拟谱图与真实检测样本的谱图匹配一致性高。该创新分析方法的建立,对于解决以心磷脂及其氧化物为代表的、具有结构多样性及低丰度分析挑战的代谢物/脂质,进而研究其在疾病发生发展过程中的生物学效应,都有着广泛而深远的参考与借鉴价值,为探索全新的疾病生物标志物带来可能!

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文章赏析

心磷脂(CL)是含有 3-4 个脂肪酰基侧链的独特磷脂。在真核生物中,它主要分布在线粒体内膜,占线粒体内膜磷脂总量的 10-25%。心磷脂独特的锥状结构能稳定线粒体膜结构,参与维持线粒体正常的嵴形态。大量文献报道心磷脂参与细胞色素 c、电子呼吸链蛋白的正常功能。异常的心磷脂含量、结构和心磷脂氧化会促使细胞凋亡并触发免疫炎症反应。

在非靶向脂质组学研究中,发现并快速注释心磷脂及其氧化产物有助于探索心磷脂代谢在疾病发生发展过程中的生物学效应。然而,由于心磷脂及其氧化物的结构多样性及低丰度特征,给其分析鉴定带来极大的挑战。为了解决这一问题,团队在色谱和质谱条件优化的基础上,基于计算机模拟方法建立了心磷脂及其氧化产物的质谱谱库。谱库中涵盖了 31578 个单溶血心磷脂、52160 个心磷脂以及 42180 个氧化型心磷脂的质谱谱图(谱图数据基于 Q-Exactive-MS/MS 质谱方法裂解模拟)。

该模拟谱库具有较好的兼容性,且谱库中的模拟谱图与真实检测样本的谱图匹配度好,匹配度得分值高,并成功地运用于线粒体非靶向心磷脂表征以及人工氧化心磷脂的研究中。

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该研究列出了样品与模拟谱库的匹配结果,并附上了谱图相似性评分(所有模拟谱库的二级碎片和丰度均来源于标准品模拟)。在优化的色谱条件下,模拟谱库涵盖了三个常规前体离子 [M-2 H]2-、[M-H]- 和 [M+NH4]+ 的二级谱图,扩充了质谱谱库中心磷脂特异性谱图的数量。三种前体离子的模拟谱库谱图相似性评分较高,均表现出较好的匹配度,体现了该方法的优势。

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运用此方法,该研究对心、肝、脾、肺、肾、大脑、小脑、回肠、结肠、十二指肠以及 Hep2、A549 两种细胞系中的心磷脂进行了定性定量分析。为了评估匹配结果、验证该数据库的可靠性,对不同谱图相似性得分段的谱图数进行统计,结果显示谱图得分值均较高。在 10 种动物组织线粒体和细胞系样品中,一共鉴定出 392 种心磷脂。通过新建的计算机模拟心磷脂谱库,能够很好的区分样本中单溶血心磷脂和心磷脂,实现对复杂生物样本中心磷脂的准确测量。

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该研究还建立了心磷脂氧化产物的模拟谱库,并成功对小鼠心脏和肝脏线粒体中的氧化型心磷脂进行了归属。比较了两种人工氧化方式氧化产物的偏好,发现 Fenton 反应易于生成+O 或者+2O 的氧化产物,而过氧化叔丁醇的氧化反应倾向于产生+3O 或者+4O 的氧化产物。通过对氧化碎片个数的统计,发现占比最多的氧化碎片是 C18-OH 和 C18-OOH,提示含有十八个碳的脂肪酰基更易被氧化。有趣的是,在过氧化叔丁醇的反应中,肝脏线粒体中的心磷脂似乎表现出更高的氧化产率,虽然没有进一步的验证,但是推测这种氧化效率的差异可能源于肝脏和心脏不同的代谢能力。

团队介绍

单进军,博士,教授

南京中医药大学中医儿科学研究所副所长,江苏省儿童呼吸疾病(中医药)重点实验室副主任,南京中医药大学——UC Davis 医学代谢组学联合实验室中方负责人。江苏省「333 高层次人才培养工程」中青年学术技术带头人,江苏省「六大人才高峰」高层次人才选拔培养对象,NIH West Coast Metabolomics Center 访问学者。

研究方向:代谢组学与中医药;复杂疾病代谢调控机理及中药防治作用。先后主持国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、江苏省「333」工程科研项目和江苏省高校自然科学研究重大项目等课题;以第一或(共同)通讯作者在 Gut Microbes,Pharmacol Res,Anal Chim Acta,Phytomedicine 和药学学报等国内外期刊发表学术论文 60 余篇;获国家发明专利 3 项;获教育部科学技术进步二等奖、世界中联中医药国际贡献奖-科技进步二等奖和江苏中医药科学技术奖一、二等奖。

现为世界中联儿童医药健康产品产业分会常务理事兼副秘书长、世界中联儿科专业委员会常务理事、中华中医药学会中药实验药理分会青年委员, 中国中医药信息研究会儿科分会理事、中国研究型医院学会儿科学专业委员会青年委员,《世界科学技术-中医药现代化》杂志中青年编委。

谢彤,博士,副教授

江苏省儿童呼吸疾病(中医药)重点实验室骨干成员。2012 年毕业于中国药科大学药学(药物代谢动力学)专业。美国 NIH West Coast Metabolomics Center (UC Davis) 访问学者。近年来主持国家自然科学基金等厅局级以上课题研究 8 项;以第一作者或者通讯作者在 Anal Chim Acta,J Chromatogr A 等杂志发表 SCI 论文 10 篇。现为世界中医药学会联合会儿科专业委员会理事。

研究方向:运用代谢组学/脂质组学技术研究(1)呼吸疾病发病机制及中药干预作用;(2)中药复杂组分的体内外物质基础研究;(3)药物安全性。

编辑: 朱卿

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