近日，清華大學化學系瑕瑜教授、精密儀器系張文鵬副教授及同系博士后劉易昆(現清譜科技創(chuàng)新設計中心脂質組學科學家)，于分析化學領域國際權威期刊Analytical Chemistry發(fā)表了題為“Structural Lipidomics Enabled by Isomer-Resolved Tandem Mass Spectrometry”的綜述文章，系統(tǒng)闡述了結構脂質組學這一前沿交叉領域的發(fā)展與趨勢。

該文系統(tǒng)梳理了串聯質譜(MS/MS)技術用于脂質精細結構表征的原理與方法學進展，闡述了脂質結構解析技術與多元分析平臺相集成的工作流程，回顧了近年來該方向在基礎代謝研究與生物醫(yī)學應用中的關鍵成果，并對當前面臨的方法學挑戰(zhàn)與未來發(fā)展趨勢進行了展望。

上期系統(tǒng)介紹了結構脂質組學的分析工作流程。本期將聚焦該技術在脂質代謝基礎研究與生物醫(yī)學應用中的具體案例與前沿進展，旨在展示異構體水平分析如何揭示新的生物學機制，并為疾病診斷與分型提供更具特異性的分子依據。

結構脂質組學核心應用

代謝通路研究

基于異構體分辨質譜技術的結構脂質組學研究，能夠揭示脂質在C=C位置、sn-位置等精細結構層面的差異，從而闡明傳統(tǒng)脂質組學難以觸及的代謝通路。

1. 發(fā)現由異構體指示的全新代謝通路

脂質異構體可作為特定代謝途徑的標志。以哺乳動物體內主要的單不飽和脂肪酸C18:1為例，其n-9與n-7兩種雙鍵位置異構體由SCD酶通過不同途徑催化合成。研究表明，在肝癌細胞及組織中，由FADS2催化生成的另一脂肪酸C16:1(n-10)水平顯著升高，提示癌細胞可利用FADS2介導的、獨立于SCD的新穎途徑，滿足其快速增殖的代謝需求。進一步的機制研究表明，FADS2能與延長酶ELOVL2協同，生成包含n-8、n-10、n-12在內的多種單不飽和脂肪酸，揭示了不飽和脂肪酸代謝網絡的復雜性。

2.闡明酶促反應的位點特異性

該技術對溶血磷脂酰膽堿酰基轉移酶-1(LPCAT1)的研究表明，該酶對酰基輔酶A底物表現出嚴格的sn-1位置選擇性。其主要產物PC 18:1/16:0的含量可直接反映LPCAT1的活性，在肝細胞癌中的顯著變化提示其可作為潛在的功能性生物標志物。

3.在單細胞水平揭示代謝異質性

將Paternò–Büchi(PB)反應-串聯質譜聯用與單細胞分析技術結合，可在單細胞水平上解析脂質結構差異。例如，通過檢測人肺癌單細胞中PC 32:1的n-7異構體相對豐度，可有效區(qū)分對吉非替尼敏感與耐藥的細胞亞群。PB反應憑借其高特異性和快速的反應動力學，可與電離源在線耦合，非常適合單細胞或微量樣本中C=C位置異構體的鑒定與相對定量，為在單細胞水平上研究腫瘤異質性及藥物響應機制提供了有效工具。

圖 1.?吉非替尼敏感與耐藥人肺癌細胞的鑒定

(圖源：Nat. Commun. 2021, 12(1), 2869)

4.揭示代謝網絡的動態(tài)補償調節(jié)

通過對脂質異構體的動態(tài)監(jiān)測，可揭示代謝途徑的適應性調節(jié)。例如，在乳腺癌細胞中抑制SCD1會導致n-9 C18:1合成減少，但細胞可通過激活脂肪酸β-氧化等途徑，動態(tài)調節(jié)含C18:1甘油磷脂中n-9與n-7異構體的比例，以維持穩(wěn)態(tài)，表明脂質去飽和與β-氧化過程共同參與了對異構體組成的精細調控。

生物醫(yī)學應用

結構脂質組學通過提供“高分辨”的分子結構信息，在疾病標志物發(fā)現與精準分型中展現出重要價值。

1.發(fā)現高特異性脂質異構體標志物

相較于脂質總量的變化，特定異構體的比例(如n-9/n-7比值、sn-位置異構體比例)與疾病狀態(tài)的相關性通常更強、特異性更高，且個體間變異更小。例如，利用LC-PB-MS/MS分析2型糖尿病(T2D)患者血漿，發(fā)現一系列含C18:1磷脂的n-9/n-7比值發(fā)生顯著改變。PB反應生成的明確診斷離子，使得無需色譜分離即可直接對復雜生物樣品中的C=C位置異構體進行定性與相對定量。類似的異構體比例失調現象，已在阿爾茨海默病、前列腺癌、乳腺癌等多種疾病模型中得到報道。

圖 2.?基于PE 16:0_18:1定量與異構體比值(IΔ9/IΔ11)的個體差異分析：正常與T2D血漿樣本的比較

(圖源：Nat. Commun. 2019, 10 (1), 79)

2.實現基于多維度結構信息的疾病精準分型

整合C=C位置、sn-位置等多層次結構信息，可構建鑒別力更強的分子圖譜。例如，在非小細胞肺癌中，單獨使用sn-位置或C=C位置異構體信息難以有效區(qū)分癌與正常組織，但聯合使用則可實現準確區(qū)分。在膠質瘤研究中，通過分析中性鞘糖脂的多種精細結構參數，能成功區(qū)分正常組織、IDH突變型與IDH野生型腫瘤，為后者這一缺乏經典遺傳標記的亞型提供了新的分子分型依據。將PB衍生化與色譜、離子淌度等技術聯用，可進一步提升對同重與低豐度脂質異構體的分離和分析能力。

圖 3.?基于%hFA、%C24、%SPD和%n-9參數的膠質瘤組織層次聚類分析圖

(圖源：Nat. Commun. 2024, 15 (1), 5627)

總結與展望

近年來，脂質異構體精細結構的解析方法取得了顯著進展。然而，目前發(fā)展的多數MS/MS技術仍存在一定局限：其應用主要集中于磷脂酰膽堿、磷脂酰乙醇胺等高豐度脂質類別，且研究對象多聚焦于C=C位置異構體與sn-位置異構體。因此，仍需發(fā)展能夠覆蓋更廣泛脂質類別、并實現對其他類型精細脂質結構進行解析的新型MS/MS方法。

在定量分析方面，異構體分辨MS/MS技術與定量策略相結合，為系統(tǒng)闡明脂質異構體的組成特征提供了重要潛力。隨著異構體分辨MS/MS方法及相關儀器在實驗室中的逐步推廣，預計未來將在多種疾病中鑒定出更多具有指示意義的脂質生物標志物。同時，新型MS/MS方法與脂質組學在多組學框架下的進一步整合，也有望推動復雜脂質生物合成新途徑的揭示。

原文鏈接：  

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.analchem.4c06680