Lipidomika - nová hviezda na oblohe „OMICS“ - Nový technologický prístup k komplexnému prístupu

Nový technologický prístup k komplexnému popisu kompletných lipidových profilov

Predovšetkým technologický a analytický pokrok posúva výskum vpred. V biomedicínskej oblasti sa to týka najmä oblasti lipidového výskumu, ktorý je už desaťročia brzdený nedostatkom vhodných analytických metód na štúdium obrovskej zložitosti lipidov v ľudskom tele. Teraz sa začína éra lipidomiky, ktorá sa týka celkového množstva lipidov v biologickej vzorke. Má rôzne aplikácie v základnom výskume, biotechnológiách a biomedicíne (súčasný stav je uvedený v článkoch o lipidomike [1]).

Tuk nás bolí. Naozaj?

Naša mozgová hmota tiež pozostáva z približne 50% lipidov, čo nám umožňuje premýšľať - dúfajme, tiež o dôležitosti tejto triedy biomolekúl!

Čo sú to lipidy?

Lipidy sú definované svojou hydrofóbnosťou, to znamená, že sú rozpustné v organických rozpúšťadlách a nerozpustné vo vode. Táto dosť neurčitá definícia však už znamená určité technické výzvy pre lipidovú analýzu. Mnoho základných lipidov nie je ľahko extrahovateľných organickými rozpúšťadlami a niektoré lipidové medziprodukty sú dokonca rozpustné vo vode.

hviezda

Obr. 1 Lipidy sú veľmi heterogénnou triedou molekúl. Malý výber: Kyselina arachidónová je mastná kyselina a hrá dôležitú úlohu ako signálna molekula; je tiež predchodcom prostaglandínov, ktoré majú funkcie podobné hormónom. Triacylglycerol (TAG) sa bežne označuje ako „tuk“. Obsahuje tri zvyšky mastných kyselín a je najúčinnejšou formou ukladania metabolickej energie. V závislosti od typu mastnej kyseliny (nasýtenej alebo nenasýtenej) je TAG buď tekutý (napr. Olivový olej), alebo tuhý (napr. Maslo). Fosfatidylinozitol (PI) je membránový fosfolipid. Cholesterol moduluje vlastnosti membrány. Cerebroside je lipid obsahujúci cukor v nervových a svalových bunkách (vzorce prevzaté z databázy PubChem https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/).

Obrázok 1 zobrazuje - na ilustráciu ich chemickej heterogenity - rôzne lipidové molekuly vrátane cholesterolu, glycerolipidov a sfingolipidov. Niekoľko lipidových biosyntetických dráh slúži ako cieľ pre antibiotiká (napr. Syntéza bakteriálnych mastných kyselín) alebo farmakologických látok (napr. Biosyntéza sterolov v hubách alebo u ľudí). Podrobnú schému klasifikácie lipidov nájdete na webovej stránke Lipid MAPS (https://www.lipidmaps.org/) [2]. Ďalšou hlavnou prekážkou kvantitatívneho popisu lipidómu bunky alebo tkaniva je, že rôzne triedy a typy lipidov sa vyskytujú v extrémne odlišných množstvách: Funkčne nevyhnutné signálne molekuly môžu byť prítomné iba v malom množstve, takže ich v analýze prekrývajú objemové lipidy.

Vznik lipidomiky

„Cielené“ alebo „necielené“: doplnkové metódy pre špeciálne aplikácie

Najrozšírenejšia metóda v lipidomike je založená na hmotnostnej spektrometrii (MS) [6,7]: lipidy zo vzorky sa vstrekujú do vákua hmotnostného spektrometra, podrobia sa slabej ionizácii (zvyčajne v elektrosprejovej konfigurácii) a ióny založené na ich Pomer hmotnosti k náboju (m/z) sa oddelil skôr, ako narazili na detektor. Táto separácia zvyčajne prebieha v rade špeciálne koordinovaných striedavých magnetických polí („štvorpól“). Okrem toho sa môžu iónové lapače použiť na výber a obohatenie určitých iónov pred detekciou. Aby sa získal lepší prehľad o štrukturálnych vlastnostiach, môžu sa ióny rozdeliť na charakteristické fragmenty v takzvaných kolíznych bunkách. Nastavenia času letu (TOF) umožňujú ďalej vylepšiť identifikáciu fragmentov na základe ich letových časov v hmotnostnom spektrometri [6,7].

Obr. 2 Hmotnostné spektrum vzorky lipidov. Zväčšená oblasť ukazuje malú časť tohto spektra a ilustruje vysokú presnosť hmotnosti, ktorá umožňuje zreteľnú diferenciáciu medzi rôznymi lipidovými druhmi.

Lipidomické prístupy môžu byť cielené alebo necielené. V cieľovom variante sa na detekciu a kvantifikáciu používa špeciálne vybrané spektrum typov lipidových molekúl, ktoré sú všetky definované špecifickými hodnotami m/z, pričom sa vynechajú lipidové typy, ktoré nie sú relevantné pre vyšetrovanie, aby sa zabránilo nežiaducemu šumu v pozadí. . Necielený variant sa snaží pokryť celé hmotnostné spektrum a umožňuje tak detekciu neznámych lipidových molekúl. Oba prístupy majú výhody a nevýhody z hľadiska času a citlivosti analýzy (obr. 2).

Vysoký výkon vzorky sa dosahuje brokovým prístupom, pri ktorom sa lipidové extrakty injektujú do hmotnostného spektrometra bez predchádzajúcej chromatografickej separácie. Analýza trvá len niekoľko sekúnd na vzorku, aby sa pokrylo buď cieľové alebo nezacielené spektrum typov lipidov. Aj keď je tento proces pomerne rýchly, je ľahko zahltený veľkým počtom a veľmi rozdielnou paletou druhov lipidových molekúl. Maticové efekty, ktoré potláčajú merací signál a bránia kvantifikácii lipidových druhov, je možné znížiť alebo zlepšiť identifikáciu lipidov, ak je vzorka pred analýzou MS podrobená chromatografickej separácii. Tento variant je „kvantitatívnejší“ ako brokovnicová metóda, ale značne predlžuje čas potrebný na analýzu. Ktorý z týchto procesov, ktoré sa obvykle navzájom dopĺňajú, má byť uprednostňovaný, by mal závisieť od konkrétnej aplikácie.

Aplikácie lipidomiky a súčasné výzvy

Prečo je v bunke taká obrovská heterogenita a zložitosť lipidových molekúl? Sú s touto rozmanitosťou spojené nejaké špeciálne funkcie? Lipidomika nakoniec odpovie na niektoré z týchto základných otázok. Život nakoniec závisí od funkcie lipidovej vrstvy hrubej približne 5 nm (= 5 milióntin metra alebo stokrát tenšej ako stena mydlovej bubliny), ktorá definuje bunku ako takú a oddeľuje jej vnútro od vonkajšieho tkaniva. Radšej sa pozrieme a postaráme sa o svoje lipidy!