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探索自上而下的暴露组学

作者：Stephen M. Rappaport
加州大学伯克利分校

Anthony Macherone
安捷伦高级应用化学家
访问学者，约翰霍普金斯大学

暴露组 (Exposome) 指个体在一生当中受到的所有化学暴露的总和，包括外源性（食物、污染物、电离辐射、药物、生活方式因素和传染源等）和内源性（人和微生物群的新陈代谢、氧化应激、脂质过氧化、感染和已存在的疾病等）两种来源。“如此来看，暴露组包括一切“非基因组”，即囊括所有的传统组学概念”。[1]。

如今，暴露科学正从传统的自下而上的单点式策略（测量单个暴露因子和单个影响指标）逐渐转向自上而下的发现式方法。首先采用非靶向技术找到相关的生物标志物，然后利用靶向方法区分暴露和疾病生物标志物。暴露测量或暴露组测量过去一直依赖于自填式问卷调查，这在上世纪基本没有发生太大改变。但是，这种缺乏基于实验室的暴露组学技术及方法的现状正迅速发生改变。

测量血液中的暴露组

将暴露组关联分析研究 (EWAS) 和后续研究所要求的极端复杂多通道、高灵敏度和高通量分析进行必要的结合是一项巨大的技术挑战。我们需要取数百名受试者每人 10–50 µL 血液、血清或血浆来进行非靶向 EWAS 研究，再从数千受试者中取相同体积的血液或血清进行后续的生物标记物靶向分析。此分析可使用液相色谱 (LC) 或气相色谱 (GC)，联用具有优异检测灵敏度和质量精度的飞行时间 (TOF) 质谱。随后使用自动化系统和带有多反应监测的三重四极杆质谱对有前景的生物标记物进行后续研究。

分析策略

纳流型液相色谱/飞行时间质谱仪和液相色谱/三重四极杆质谱，以及气相色谱/飞行时间质谱仪、气相色谱/三重四极杆质谱等专用平台，对于保证数据导向的 EWAS 和靶向、高通量的后续工作的高灵敏度和精度是必不可少的。

在最近的一项非靶向分析[2]中，研究人员利用反相液相色谱及亲水相互作用色谱在正离子和负离子电喷雾模式下从一个 100 µL 血清或血浆样品中测定出超过 30000 种独特分子特征。其中使用了 Agilent 1200 Infinity 系列和 Agilent 6538 超高分辨率精确质量四极杆-飞行时间液质联用系统，该系统是小分子 EWAS 研究的理想选择。

另一种策略是对 Agilent-Fiehn 气质联用方法 [3] 略加修改，采用 Agilent 7890B 气相色谱仪及 Agilent 7200 Q-TOF 研究经甲氧胺盐酸盐及 N-甲基-N-(三甲基硅烷基)三氟乙酰胺衍生的血清提取物。

从一般至特殊

一旦对生物相关的标记物进行了标注和验证，我们就需要采用靶向高通量分析来测定相关暴露的生物标记物和疾病恶化的生物标记物。利用 Agilent 7890B 气相色谱联用 Agilent 7000C 系列三重四极杆质谱系统测量内分泌干扰素正是其中的一个例子[4]。

数据一旦收集完毕，我们就需要采用复杂的生物信息学软件来比较整个人群的生物标记物水平，并研究其协变量。Agilent Mass Profiler Professional (MPP) 软件拥有先进的统计分析和可视化工具，用于气质联用仪、液质联用仪、毛细管电泳仪/质谱、电感耦合等离子体质谱仪的数据分析，可用来鉴定关键分子特征并进行全局分析（图 1）。

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图 1. 利用 Agilent Mass Profiler Professional 软件生成的尿液中有机酸尿症生物标志物的主成分分析结果

测定尿液中的暴露组

在槭糖尿病 (MSUD) 中，三种对蛋白合成非常关键的氨基酸发生了代谢异常，并在血液中蓄积达到毒性水平，从而导致酸尿症。虽然大多数有机酸尿症均与遗传异常直接相关，但也有很多是由外源性及医源性因素引起，例如二甲苯异构体（常见于涂料溶剂中）及胃肠道失调。

单四极杆气质联用系统可鉴定并定量分析尿液有机酸尿症 (UOA)，例如 MSUD，从而在任意生命阶段中建立 UOA 暴露组的曲线图。Agilent J&W HP-5ms 超高惰性气相色谱柱非常适用于此类分析。基线数据可在出生时采集，并与后期数据比较以监测疾病的发生和发展。可采用统计分析方法评价并比较大型队列研究中的个体暴露组，以测定新型 UOA 生物标志物（图 1）。此外，监测化学暴露还有利于发现影响人发病率与死亡率的大多数疾病的风险因子，以及鉴定其中的新型生物标志物。该模型可进一步帮助我们理解疾病中基因组与环境因素间的相互关系。

安捷伦暴露组学解决方案

约 70% 至 90% 的人类慢性疾病由环境因素引起，而非遗传变异性。安捷伦的相关工具将能帮助您研究这一巨大且基本尚未开发的领域，并深入了解多种长期存在的威胁人类及动物健康的环境因素。更多详情，请参见安捷伦应用简报 5991-3418CHCN 利用血液暴露组学研究来发现疾病起因及 5991-3541EN 靶向暴露组学：分析尿液中的有机酸。

参考文献

1. J. Pleil. J. Toxicol. Environ. Health, Part B. 15, 264 (2012).
2. J. Ivanisevic et al. Anal. Chem. 85, 6876 (2013).
3. M. Palazoglu, O. Fiehn. 1. Metabolite Identification in Blood Plasma Using GC/MS and the Agilent Fiehn GC/MS Metabolomics RTL Library（应用 GC/MS 及安捷伦 Fiehn GC/MS 代谢组学 RTL 数据库鉴定血浆中的代谢物），应用简报，安捷伦科技有限公司，出版号 5990-3638EN (2009).
4. A. Macherone, M. Churley. Monitoring steroidal analogues in clinical and environmental chemistry: one model for exposomics. The 61st Conference on Mass Spectrometry and Allied Topics, June 9–13. Minneapolis Convention Center, Minneapolis, Minnesota (2013).

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