Anal. Chem.：代谢组学中有规律的信号比偏差对代谢物定量测定的影响

新陈代谢是每个生命体所必需的生命活动过程，在此过程中，诸多小分子化合物参与了生命体内的物质与能量，其整体构成了代谢组。代谢组学通过对生物体内所有代谢物进行定量分析，揭示了代谢物浓度与生命活动的关系，为代谢机理分析，疾病早期诊断，药物代谢路径等等研究提供了大量重要信息。目前，质谱（mass spectrometry）凭借高通量的数据采集和处理模式，被广泛应用于定量代谢组学研究中。

近期，英属哥伦比亚大学（University of British Columbia）化学系还涛教授课题组报道了一种具有规律性的质谱信号比偏差现象，该现象会导致代谢物定量分析产生重大偏差，相关成果发表在国际化学权威杂志Analytical Chemistry 上。

在代谢组学领域，代谢物在质谱中被检测到的信号强度，通常被直接用于半定量分析与对比。例如，A样品中辅酶A（Coenzyme A）分子的信号强度是B样品中的五倍，那么A样品中的辅酶A含量即为B样品中的五倍。在此工作中，还涛教授课题组证明了该分析方法会导致巨大的半定量分析偏差，即信号强度之比并不能反映出代谢物在样品中的含量（或浓度）比（图1）。对于在两个样品中某一给定代谢物，其测定到的质谱信号之比可能远小于浓度比（Compressed Ratio），远大于浓度比（Inflated Ratio），或者与浓度比基本一致（Unbiased Ratio）。对于人体尿液代谢组的分析表明，只有12%的代谢物具有可忽略的测量偏差（小于10%），而超过72%的代谢物浓度比都被严重“低估”了。研究人员发现，该现象与代谢物的离子化过程具有密切关系。电喷雾电离质谱法（electrospray ionization-mass spectrometry）是最常用的软电离离子源之一，可以高效地将中性的代谢物分子转化为带电离子同时保留分子结构完整性，继而被质谱定量检测。

图1. 代谢物的三种信号比测定情况

进一步的研究表明，这种定量测定偏差来源于电喷雾离子质谱本身，即代谢物的质谱信号与代谢物浓度并不是线性关系（图2）。这种现象与样品进样量过多无关，即便样品浓度远未达到仪器的饱和上限，仍然有大量代谢物表现出了非线性的信号响应。研究发现，当信号响应模式是上凸函数的时候，通常会导致偏低的浓度比测定，而下凸的响应模式会导致偏高的测定结果。对于某个给定的代谢物，“偏低”与“偏高”的测定结果可能会出现在不同的浓度范围中。

图2. 具有代表性的代谢物信号响应模式

在此基础上，该工作提出了一种基于交叉验证（cross validation）的信号校正方法（MRC），用来提高对于代谢物定量测定的准确性。该方法利用多种数据回归模型，对于测定到的信号模式进行拟合。利用交叉验证选择出最优模型后，对每个样品中测定的信号强度进行校正。相比于未进行校正的数据，MRC实现了对于半定量测定准确性的巨大提升，从而有助于人们从数据中获得更加可靠的代谢物浓度信息，为代谢物的研究提供了强有力的工具。

研究人员首次提出了在代谢组学领域中，具有规律性的半定量分析偏差，通过对人尿液代谢组的分析，揭示了偏差背后的原因，详细阐述了不同代谢物在电喷雾离子质谱仪器中的信号响应模式。在此基础上，研究人员提出了一种高效提升定量分析准确度的方法，并提供了相应的自动化数据处理工具，为代谢物的定量分析提供了崭新的思路。该代谢组学分析方法被应用于小鼠肠道代谢组学研究中，相比于正常小鼠，该工作揭示了革兰氏阴性菌感染的小鼠的肠道代谢组表现出了显著性差异。研究人员期望在该生物信息学工具的帮助下，基于质谱的代谢组学研究结果可以更加可靠，从而促进在生物，医学领域中对于代谢过程的研究。

英属哥伦比亚大学博士于华旭为第一作者，还涛教授为通讯作者。

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Patterned Signal Ratio Biases in Mass Spectrometry-Based Quantitative Metabolomics

Huaxu Yu, Tao Huan*

Anal. Chem., 2021, DOI: 10.1021/acs.analchem.0c04113