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多尺度工作流程在尿液食物生物活性代谢物分析与鉴定中的应用第一部分:尿液提取方法的优化研究
《Analytica Chimica Acta》:Multiscale workflow for the profiling and identification of urinary food bioactives metabolites Part I: Optimizing urine extraction
【字体: 大 中 小 】 时间:2025年03月28日 来源:Analytica Chimica Acta 5.7
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本研究针对食物生物活性化合物(FBs)代谢物在尿液中浓度低、化学多样性高及缺乏标准品等挑战,开发了一种兼容代谢组学分析和代谢物分离的尿液预处理工作流程。通过比较液液萃取(LLE)、固相萃取(SPE)和树脂富集(XAD-4/XAD-7)等方法,发现XAD-7树脂和EtOAc(1:3)萃取效果最佳,结合UPLC-HRMS和NMR技术实现了代谢物的高覆盖率和准确鉴定,为饮食与健康研究提供了新方法。
为解决这一难题,研究人员在《Analytica Chimica Acta》发表了一项创新研究,系统比较了12种尿液预处理方法。他们收集健康志愿者补充HT后的尿液,采用多平台分析策略,首次将天然产物研究中的树脂富集技术引入尿液代谢组学。研究发现XAD-7树脂与EtOAc(1:3)液液萃取组合最能平衡代谢物覆盖度与鉴定可靠性,为同时实现代谢组学分析和毫克级代谢物分离提供了标准化方案。这项工作架起了营养学与代谢组学之间的技术桥梁,为揭示饮食-代谢-健康的分子机制提供了关键工具。
关键技术方法包括:1) 采用28L HT补充者尿液建立样本库;2) 平行测试12种提取方案(4种树脂、3种LLE、5种SPE);3) HPLC-DAD/ELSD和UPLC-HRMS(Orbitrap)进行代谢轮廓分析;4) 600 MHz NMR用于结构确证;5) 建立整合质谱碎片模式与核磁数据的鉴定流程。
3.1 实验设计与方法
研究团队设计了系统化的方法评价体系,将12种预处理协议分为树脂组(P1-P4)、LLE组(P5-P6)和SPE组(P7-P11)。创新性地引入天然产物研究中常用的XAD树脂技术,解决了尿液高盐干扰的难题。评价指标不仅包含常规的提取效率,还特别关注了方法对后续分离纯化的兼容性。
3.2 提取效率
定量数据显示,离子交换树脂(P3)得率最高(12.56 g/L),但可能包含过多杂质;XAD-7(P2)和EtOAc(1:3)LLE(P5)分别获得2.17 g/L和1.74 g/L的理想平衡得率。SPE方法虽然特异性强,但得率普遍低于0.5 g/L,难以满足后续分离需求。
3.3 代谢物化学多样性
通过HPLC-DAD/ELSD分析发现,XAD-7(P2)在210-366 nm全波段均显示丰富色谱峰,提示其能捕获多样化代谢物。相比之下,C18 SPE(P7)主要富集中等极性化合物,而硅胶SPE(P10)仅适合高极性物质。多元统计分析证实XAD-7和EtOAc LLE最能保持代谢组的化学多样性。
3.4 代谢物覆盖度与鉴定
UPLC-HRMS鉴定结果显示,XAD-7(P2)检出136种独特代谢物,包括HT的8种相II代谢物。关键发现是鉴别出3种新型HT-葡萄糖醛酸结合物,其MS/MS碎片模式通过NMR得到验证。值得注意的是,XAD-7对硫酸化代谢物的回收率比常规SPE高40%。
3.5 通路分析
将鉴定到的代谢物映射到KEGG数据库发现,XAD-7提取物能反映5条显著改变的代谢通路(p<0.05),包括苯丙氨酸代谢和脂肪酸β氧化等HT相关通路。这证明该方法不仅能捕获外源代谢物,还能保留内源性通路信息。
3.6 大规模验证
将优选方案放大处理6L尿液时,XAD-7保持稳定的1.8-2.2 g/L得率,并成功分离出HT-3-O-硫酸酯等5种代谢物单体,获得足以进行2D NMR分析的样品量。这证实了方法的可扩展性。
这项研究建立了首个兼容代谢组学分析与代谢物分离的尿液处理工作流程,解决了FBs代谢研究中的关键技术瓶颈。XAD-7树脂与EtOAc LLE的组合,在保持代谢组广度的同时,其得率足以支持后续结构鉴定。该方法的价值体现在三个方面:技术上,实现了从纳克级检测到毫克级分离的跨越;生物学上,为阐明HT等FBs的体内命运提供了工具;应用上,支持了精准营养研究中的生物标志物发现。特别值得注意的是,该工作流程能够捕获外源物代谢与内源网络的交互效应,这对理解饮食干预的系统性效应具有重要意义。未来,该方法与单细胞测序等技术的结合,有望揭开"我们吃什么就是什么"这一古老格言的分子基础。
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