Lipidomics - az új csillag az "OMICS" égbolton - Az átfogó új technológiai megközelítése
A teljes lipidprofilok átfogó leírásának új technológiai megközelítése
Mindenekelőtt a technológiai és analitikai előrelépés elősegíti a kutatást. Az orvosbiológiai területen ez különösen a lipidkutatás területére vonatkozik, amelyet évtizedek óta akadályoz az emberi testben található lipidek óriási komplexitásának vizsgálatára alkalmas analitikai módszerek hiánya. Most kezdődik a lipidomika korszaka, amely a biológiai mintában található összes lipidre vonatkozik. Széles körben alkalmazható az alapkutatásban, a biotechnológiában és a biomedicinában (a jelenlegi állapotot a lipidomikáról szóló véleménycikkek mutatják [1]).
A zsír fáj nekünk. Igazából?
Agytömegünk szintén körülbelül 50% lipidből áll, ami lehetővé teszi számunkra, hogy gondolkodjunk - remélhetőleg a biomolekulák ezen osztályának fontosságáról is!
Mik azok a lipidek?
A lipideket hidrofobitásuk határozza meg, vagyis oldhatók szerves oldószerekben és oldhatatlanok vízben. Ez a meglehetősen homályos meghatározás azonban már bizonyos technikai kihívásokat is felvet a lipidelemzés szempontjából. Számos esszenciális lipid szerves oldószerekkel nem könnyen kivonható, és a lipid intermedierek egy része vízben is oldódik.
1. ábra A lipidek egy nagyon heterogén molekulacsoport. Kis választék: Az arachidonsav zsírsav, és fontos szerepet játszik jelátviteli molekulaként; elődje a prosztaglandinoknak is, amelyek hormonszerű funkciókkal rendelkeznek. A triacil-glicerint (TAG) általában zsírnak nevezik. Három zsírsavmaradékot tartalmaz, és ez az anyagcsere-energiatárolás leghatékonyabb formája. A zsírsav típusától (telített vagy telítetlen) a TAG folyékony (például olívaolaj) vagy szilárd (például vaj). A foszfatidil-inozit (PI) egy membrán-foszfolipid. A koleszterin modulálja a membrán tulajdonságait. A cerebrozid egy cukortartalmú lipid az ideg- és izomsejtekben (a PubChem adatbázisból származó képletek: https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/).
Az 1. ábra kémiai heterogenitásuk szemléltetésére különféle lipidmolekulákat mutat be, ideértve a koleszterint, a glicerolipideket és a szfingolipideket. Számos lipid bioszintetikus út szolgál az antibiotikumok célpontjaként (pl. Bakteriális zsírsavak szintézise) vagy farmakológiai szerekként (például szterin bioszintézis gombákban vagy emberekben). A lipidek részletes osztályozási sémája megtalálható a Lipid MAPS weboldalán (https://www.lipidmaps.org/) [2]. A sejt vagy szövet lipidómjának kvantitatív leírása másik fő akadálya, hogy a különböző lipidosztályok és -típusok rendkívül eltérő mennyiségben fordulnak elő: A funkcionálisan esszenciális szignálmolekulák csak csekély mennyiségben lehetnek jelen, így a mennyiségi lipidek átfedésben vannak egymással.
A lipidomika megjelenése
„Célzott” vagy „Nem célzott”: kiegészítő módszerek speciális alkalmazásokhoz
A lipidomikában a legelterjedtebb módszer a tömegspektrometrián (MS) alapszik [6,7]: a mintából származó lipideket a tömegspektrométer vákuumába injektálják, gyenge ionizációnak vetik alá (általában elektrospray konfigurációban), és az ionokat azok alapján A tömeg/töltés arány (m/z) elvált, mielőtt a detektorhoz értek. Ez a szétválasztás általában speciálisan koordinált, váltakozó mágneses mezők sorozatában történik („kvadrupól”). Ezenkívül ioncsapdákkal fel lehet használni bizonyos ionok szelektálását és dúsítását a kimutatás előtt. Annak érdekében, hogy jobb betekintést nyerjünk a szerkezeti jellemzőkbe, az ionokat az úgynevezett ütközési cellákban jellegzetes fragmentumokká lehet osztani. A repülési idő (TOF) beállításai lehetővé teszik a töredékek azonosításának további javítását a tömegspektrométerben a repülési idő alapján [6,7].
2. ábra Egy lipid minta tömegspektruma. A kibővített terület ennek a spektrumnak egy kis szakaszát mutatja, és szemlélteti a nagy tömegpontosságot, amely lehetővé teszi a különböző lipidfajok egyértelmű megkülönböztetését.
A lipidomika megközelítés lehet célzott vagy nem célzott. A megcélzott változatban a kimutatáshoz és a mennyiségi meghatározáshoz egy speciálisan kiválasztott lipidmolekulatípus-spektrumot használnak, amelyek mindegyikét meghatározott m/z értékek határozzák meg, és a nem kívánt háttérzaj elkerülése érdekében kihagyják a vizsgálat szempontjából nem releváns lipidtípusokat. . A nem célzott variáns megpróbálja lefedni a teljes tömegspektrumot, és ezáltal lehetővé teszi az ismeretlen lipidmolekulák kimutatását. Mindkét megközelítésnek vannak előnyei és hátrányai az elemzési idő és az érzékenység szempontjából (2. ábra).
Nagy a minta áteresztőképessége a puskalövéses megközelítéssel érhető el, amelynek során lipidkivonatokat előzetes kromatográfiás elválasztás nélkül injektálunk a tömegspektrométerbe. Az elemzés mintánként csak néhány másodpercet vesz igénybe, hogy lefedje a lipidtípusok célzott vagy nem megcélzott spektrumát. Habár ez a folyamat meglehetősen gyors, könnyen elárasztja a lipid molekuláris fajok nagy és sokféle változata. A mátrixhatások, amelyek elnyomják a mérési jelet és akadályozzák a lipidfajok számszerűsítését, csökkenthetők, vagy javulhat a lipidazonosítás, ha a mintát kromatográfiás elválasztásnak vetik alá az MS elemzése előtt. Ez a változat "kvantitatívabb", mint a puskás módszer, de jelentősen meghosszabbítja az elemzési időt. Ezeknek a jellemzően egymást kiegészítő folyamatoknak melyiket kell előnyben részesíteni, azt a konkrét alkalmazástól kell függővé tenni.
Lipidomikai alkalmazások és aktuális kihívások
Miért van ilyen hatalmas heterogenitás és komplexitás a lipidmolekulákban a sejtben? Van-e valamilyen speciális funkció ezzel a sokféleséggel kapcsolatban? A lipidomika végül megválaszolja ezeket az alapvető kérdéseket. Az élet végső soron egy körülbelül 5 nm vastag lipidréteg (= 5 milliárd milliomod része vagy 100-szor vékonyabb, mint a szappanbuborék fala) működésétől függ, amely meghatározza a sejtet, mint olyat, és elválasztja annak belsejét a külső szövettől. Jobb, ha kinézünk és gondoskodunk a lipidjeinkről!