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胡庆宇
在传统代谢组学（包括脂质组学，下同）的研究范式中，非靶向代谢组学旨在利用高分辨质谱获得样本完整代谢轮廓，提供小分子代谢物的广阔视野；靶向代谢组学主要运用三重四极杆质谱，实现关注代谢物的精准定量。随着大规模样本分析需求的扩大，研究者开始寻求代谢组非靶向分析的高覆盖度和靶向分析高精准度之间的平衡，开创了大规模代谢组学技术（包括广泛靶向和拟靶向代谢组学，本文不做区分）。
大规模代谢组学关注生物体千余种核心代谢物，直接在三重四极杆质谱平台利用选择反应监测(SRM)或多反应监测(MRM)模式采集样本，在确保代谢物覆盖度的同时，可以显著提高低丰度代谢物的检测灵敏度和特异性，告别非靶向分析中海量信息处理的困扰，提供代谢物检测更宽的动态范围、更稳健的数据重现性和相对定量准确性，为大规模样本分析提供坚实可靠的数据基础。然而，受制于三重四极杆质谱扫描速度的限制，通常每个代谢物只能保留1~2个子离子以确保代谢物分析通量，从而降低代谢物鉴定的可靠性。
Thermo Scientific™ Stellar™质谱融合了Orbitrap Ascend™上双曲面分段四极杆、双压线性离子阱，以及Orbitrap Astral™上PMT检测器，实现了线性离子阱质谱前所未有的扫描速度。它开创性地将平行反应监测 (Parallel Reaction Monitoring, PRM) 模式从Orbitrap仪器运用到离子阱质谱，实现了大规模代谢组学同步定性定量分析，让代谢物鉴定准确性和定量可靠性可以兼得。
Thermo Scientific™ Stellar™ 质谱仪
01
Stellar MS 支持非靶向高分辨数据转化，打通“发现-验证”闭环
大规模代谢组学的经典策略之一是将高分辨质谱采集的DDA数据转化为可供SRM模式验证的scheduled MRM离子对，实现“发现-验证”闭环。如今，这一工作流可以在Orbitrap高分辨质谱数据向Stellar PRM方法转化中轻松实现，如图1所示。Compound Discoverer™软件和mzVault™ 软件可以将高分辨质谱DDA模式鉴定出的代谢物转化为Stellar™ 质谱兼容的PRM列表和二级质谱库（.msp），从而被TraceFinder™ 或Skyline™软件用于代谢物定性定量工作。Skyline™软件PRM Conductor 功能支持自动优化scheduled PRM采集通道，降低共流出代谢物对扫描速度的影响。我们发现，相同血浆样本在高分辨质谱全扫描结果和Stellar PRM分析结果具有极高的重现性（筛选三针重复进样CV<30%的feature），说明Stellar 质谱可以对非靶发现的代谢标志物在大规模样本水平进行验证。
图1 基于高分辨质谱的Stellar PRM大规模代谢组学方法开发流程和结果展示（点击查看大图）
02
Stellar MS支持三重四极杆方法快速转移，实现同步定性定量
如果用户既往已经在三重四极杆质谱平台开发了拟靶向或广泛靶向代谢组分析方法，Stellar™质谱同样可以实现原有方法的快速转移。在保留时间可高度重现的前提(相同液相系统)下，Stellar™质谱仪可以直接将SRM/MRM列表转换为PRM方法；即使保留时间在不同色谱系统上无法重现，用户也可直接在Stellar™仪器上通过采集混标快速建库，更新化合物保留时间和二级谱图。与传统SRM/MRM方法不同的是，PRM模式提供了待测物完整的二级谱图，无需以牺牲代谢物的分析通量为代价而增加额外的采集通道，即可实现代谢物同步定性定量，进一步增强代谢物鉴定信心。（图2）
图2. Stellar PRM对高分辨质谱采集到的代谢特征进行拟靶向分析（点击查看大图）
胆汁酸是胆固醇代谢的终产物，人体内初级胆汁酸可由肠道菌群转化为生物活性更高的次级胆汁酸，在生物体内具有维持胆固醇平衡，调控糖脂代谢和炎症反应等重要作用。我们将之前Thermo Scientific™ TSQ Altis™ 三重四极杆质谱仪上构建的胆汁酸定量方法，通过如图3所示的流程快速转移到Stellar™ MS上，实现了内源性33种胆汁酸进行了同步定性定量。
图3. 胆汁酸SRM/MRM列表PRM方法转移和同步定性定量（点击查看大图）
03
Stellar MS支持拟靶向脂质组学从头开发，实现甘油三酯精确定量
脂质因具有可预测的保留时间和二级质谱，因此非常适合进行拟靶向分析。Skyline™软件LipidCreator 功能可以生成脂质各种加合离子的二级质谱，直接用于拟靶向脂质组学方法的从头开发。脂酰肉碱（Acylcarnitine, AcCar）是哺乳动物体内调节糖脂代谢平衡的关键物质之一，不仅可以帮助脂肪酸穿梭进入线粒体进行β氧化，还可以与参与糖代谢调控酮体生成。研究证实脂酰肉碱与多种代谢性疾病密切相关，目前已广泛应用于新生儿遗传代谢病的临床诊断。脂酰肉碱具有特定碎片离子(m/z 144, m/z 85, m/z 60，以及特定脂肪酸链中性丢失) ，可以直接利用LipidCreator预测得到。应用Stellar PRM模式，我们在血浆和尿液中分别鉴定出207和340种酰基肉碱，如图4所示。
图4. Stellar PRM方法酰基肉碱鉴定情况
（点击查看大图）
04
Stellar MS支持多级质谱联合扫描，实现异构体精确解析
脂质分析中，存在三条脂肪链的甘油三酯(TG)定量尤其存在挑战。例如，使用SRM/MRM模式定量TG(50:4)时，无论利用哪条脂肪链的中性丢失，都只能确定其中一条脂肪链的构成，如使用FA16:0中性丢失碎片(m/z 573.7)定量只能证明该TG(50:4)存在FA16:0，但无法获得其余两条脂肪酸链的组成信息。而Stellar MS3可以精确定位TG的三条脂肪链组成，实现甘油三酯的准确定量（图5）。
图5. Stellar tMS3方法精确定量甘油三酯
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Stellar质谱无需单独设置MS3方法，即可直接与PRM模式并行用于代谢物定性定量，极大提升方法的灵活性。除对甘油三酯定量外，MS3还可用于同分异构体的准确定量，如胆汁酸家族中的甘氨鹅脱氧胆酸 (GCDCA) 和甘氨脱氧胆酸 (GDCA), 可以在PRM定量同时，增加MS3通道提升其定量灵敏度和鉴定准确度（图6）。
图6. Stellar tMS3准确定量胆汁酸同分异构体
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大规模代谢组学技术突破了传统非靶向代谢组学数据冗杂和靶向分析覆盖度低的局限，一次实验可以获得上千种代谢物的全面筛查，同时获得比肩靶向分析的高灵敏度和高重现性。Thermo Scientific™ Stellar™质谱的问世，标志着大规模代谢组学分析技术的一次革命性飞跃，它结合了四极杆质谱出色的定量以及双压线性离子阱强大的定性能力，加速科研向临床转化的速度，极大推动代谢组学在临床队列研究、个性化营养代谢图谱绘制等大规模样本分析的应用场景，以更精准的数据揭示生命代谢的深邃奥秘。
参考文献：
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