Isotopic-labeling experiments have been valuable to monitor the flux of metabolic reactions in biological systems, which is crucial to understand homeostatic alterations with disease. Experimental determination of metabolic fluxes can be inferred from a characteristic rearrangement of stable isotope tracers (e.g., 13C or 15N) that can be detected by mass spectrometry (MS). Metabolites measured are generally members of well-known metabolic pathways, and most of them can be detected using both gas chromatography (GC)-MS and liquid chromatography (LC)-MS. In here, we show that GC methods coupled to chemical ionization (CI) MS have a clear advantage over alternative methodologies due to GC’s superior chromatography separation efficiency and the fact that CI is a soft ionization technique that yields identifiable protonated molecular ion peaks. We tested diverse GC-CI-MS setups, including methane and isobutane reagent gases, triple quadrupole (QqQ) MS in SIM mode, or selected ion clusters using optimized narrow windows (∼10 Da) in scan mode, and standard full scan methods using high resolution GC-(q)TOF and GC-Orbitrap systems. Isobutane as a reagent gas in combination with both low-resolution (LR) and high-resolution (HR) MS showed the best performance, enabling precise detection of isotopologues in most metabolic intermediates of central carbon metabolism. Finally, with the aim of overcoming manual operations, we developed an R-based tool called isoSCAN that automatically quantifies all isotopologues of intermediate metabolites of glycolysis, TCA cycle, amino acids, pentose phosphate pathway, and urea cycle, from LRMS and HRMS data.

中文翻译：

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探索气相色谱-化学电离质谱（GC-CI-MS）在代谢组学中稳定同位素标记的应用

同位素标记实验对于监测生物系统中代谢反应的通量非常有价值，这对于了解疾病的体内稳态变化至关重要。可以从可以通过质谱（MS）检测到的稳定同位素示踪剂（例如13C或15N）的特征重排推断出代谢通量的实验确定。所测量的代谢物通常是众所周知的代谢途径的成员，并且大多数都可以使用气相色谱（GC）-MS和液相色谱（LC）-MS进行检测。在这里，我们证明，由于GC的出色色谱分离效率以及CI是一种软电离技术，可产生可识别的质子化分子离子峰，因此与化学电离（CI）MS耦合的GC方法具有明显的优势。我们测试了多种GC-CI-MS设置，包括甲烷和异丁烷反应气，SIM模式下的三重四极杆（QqQ）MS或在扫描模式下使用优化的窄窗（〜10 Da）选择的离子簇，以及使用高分辨率GC-（q）TOF和GC-Orbitrap系统。异丁烷作为反应气与低分辨率（LR）和高分辨率（HR）MS结合使用显示出最佳性能，从而能够精确检测中央碳代谢的大多数代谢中间体中的同位素异构体。最后，为了克服手动操作的目的，我们开发了一种名为isoSCAN的基于R的工具，该工具可以根据LRMS和HRMS数据自动定量糖酵解，TCA循环，氨基酸，磷酸戊糖途径和尿素循环的中间代谢产物的所有同位素。包括甲烷和异丁烷反应气，SIM模式下的三重四极杆（QqQ）MS或在扫描模式下使用优化的窄窗（〜10 Da）选择的离子簇以及使用高分辨率GC-（q）TOF和GC的标准全扫描方法-Orbitrap系统。异丁烷作为反应气与低分辨率（LR）和高分辨率（HR）MS结合使用显示出最佳性能，从而能够精确检测中央碳代谢的大多数代谢中间体中的同位素异构体。最后，为了克服手动操作的目的，我们开发了一种名为isoSCAN的基于R的工具，该工具可以根据LRMS和HRMS数据自动定量糖酵解，TCA循环，氨基酸，磷酸戊糖途径和尿素循环的中间代谢产物的所有同位素。包括甲烷和异丁烷反应气，SIM模式下的三重四极杆（QqQ）MS或在扫描模式下使用优化的窄窗（〜10 Da）选择的离子簇以及使用高分辨率GC-（q）TOF和GC的标准全扫描方法-Orbitrap系统。异丁烷作为反应气与低分辨率（LR）和高分辨率（HR）MS结合使用显示出最佳性能，从而能够精确检测中央碳代谢的大多数代谢中间体中的同位素异构体。最后，为了克服手动操作的目的，我们开发了一种名为isoSCAN的基于R的工具，该工具可以根据LRMS和HRMS数据自动定量糖酵解，TCA循环，氨基酸，磷酸戊糖途径和尿素循环的中间代谢产物的所有同位素。或在扫描模式下使用优化的窄窗口（约10 Da）选择离子簇，以及使用高分辨率GC-（q）TOF和GC-Orbitrap系统的标准全扫描方法。异丁烷作为反应气与低分辨率（LR）和高分辨率（HR）MS结合使用显示出最佳性能，从而能够精确检测中央碳代谢的大多数代谢中间体中的同位素异构体。最后，为了克服手动操作的目的，我们开发了一种名为isoSCAN的基于R的工具，该工具可以根据LRMS和HRMS数据自动定量糖酵解，TCA循环，氨基酸，磷酸戊糖途径和尿素循环的中间代谢产物的所有同位素。或在扫描模式下使用优化的窄窗口（约10 Da）选择离子簇，以及使用高分辨率GC-（q）TOF和GC-Orbitrap系统的标准全扫描方法。异丁烷作为反应气与低分辨率（LR）和高分辨率（HR）MS结合使用显示出最佳性能，从而能够精确检测中央碳代谢的大多数代谢中间体中的同位素异构体。最后，为了克服手动操作的目的，我们开发了一种名为isoSCAN的基于R的工具，该工具可以根据LRMS和HRMS数据自动定量糖酵解，TCA循环，氨基酸，磷酸戊糖途径和尿素循环的中间代谢产物的所有同位素。异丁烷作为反应气与低分辨率（LR）和高分辨率（HR）质谱仪结合使用显示出最佳性能，可精确检测中央碳代谢的大多数代谢中间体中的同位素异构体。最后，为了克服手动操作的目的，我们开发了一种名为isoSCAN的基于R的工具，该工具可以根据LRMS和HRMS数据自动定量糖酵解，TCA循环，氨基酸，磷酸戊糖途径和尿素循环的中间代谢产物的所有同位素。异丁烷作为反应气与低分辨率（LR）和高分辨率（HR）MS结合使用显示出最佳性能，从而能够精确检测中央碳代谢的大多数代谢中间体中的同位素异构体。最后，为了克服手动操作的目的，我们开发了一种名为isoSCAN的基于R的工具，该工具可以根据LRMS和HRMS数据自动定量糖酵解，TCA循环，氨基酸，磷酸戊糖途径和尿素循环的中间代谢产物的所有同位素。