Введение

Липидомика – это крупномасштабное изучение путей и сетей клеточных липидов в биологических системах. Термин "липидом" используется для описания полного липидного профиля в клетке, ткани, организме или экосистеме, и он является подмножеством "метаболома", который также включает другие основные классы биологических молекул (такие как аминокислоты, сахара, промежуточные продукты гликолиза и цикла трикарбоновых кислот, а также нуклеиновые кислоты). Липидомика – относительно новая область исследований, развитие которой обусловлено быстрыми достижениями в таких технологиях, как масс-спектрометрия (МС), спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР), флуоресцентная спектроскопия, интерферометрия двойной поляризации и вычислительные методы, а также признанием роли липидов во многих метаболических заболеваниях, таких как ожирение, атеросклероз, инсульт, гипертония и диабет. Эта быстро развивающаяся область дополняет значительный прогресс, достигнутый в геномике и протеомике, которые вместе составляют семейство системной биологии. Исследования в области липидомики включают идентификацию и количественное определение тысяч молекулярных видов клеточных липидов и их взаимодействий с другими липидами, белками и другими метаболитами. Исследователи в области липидомики изучают структуру, функции, взаимодействия и динамику клеточных липидов, а также изменения, происходящие при нарушении гомеостаза системы. Хан и Гросс впервые определили область липидомики, интегрируя специфические химические свойства, присущие молекулярным видам липидов, с комплексным масс-спектрометрическим подходом. Хотя липидомика входит в сферу более общей области "метаболомики", она сама является отдельной дисциплиной благодаря уникальности и функциональной специфичности липидов по сравнению с другими метаболитами. В липидомических исследованиях накапливается большой объем информации, количественно описывающей пространственные и временные изменения в содержании и составе различных молекулярных видов липидов после нарушения состояния клетки в результате изменений ее физиологического или патологического статуса. Информация, полученная в ходе этих исследований, способствует пониманию механизмов изменений в клеточной функции. Таким образом, липидомические исследования играют важную роль в определении биохимических механизмов заболеваний, связанных с липидами, путем выявления изменений в клеточном метаболизме липидов, их транспорте и гомеостазе. Растущее внимание к исследованиям липидов также проявляется в инициативах, реализуемых в рамках стратегии LIPID Metabolites And Pathways Strategy (консорциум LIPID MAPS) и Европейской инициативы по липидомике (ELIfe).

Структурное разнообразие липидов

Липиды – это разнообразная и повсеместно распространенная группа соединений, выполняющих множество ключевых биологических функций, таких как участие в качестве структурных компонентов клеточных мембран, служение источниками энергии и участие в сигнальных путях. Липиды можно широко определить как гидрофобные или амфипатические малые молекулы, происходящие полностью или частично из двух различных типов биохимических субъединиц или "строительных блоков": кетоацильных и изопреновых групп. Огромное структурное разнообразие липидов обусловлено биосинтезом различных комбинаций этих строительных блоков. Например, глицерофосфолипиды состоят из глицеринового остова, связанного с одной из примерно 10 возможных головных групп, а также с 2 жирноацильными/алкильными цепями, которые, в свою очередь, могут иметь 30 или более различных молекулярных структур. На практике не все возможные комбинации обнаруживаются экспериментально из-за предпочтений цепей, зависящих от типа клетки, а также из-за пределов обнаружения; тем не менее, в клетках млекопитающих было обнаружено несколько сотен различных молекулярных видов глицерофосфолипидов. Однако, хлоропластные тилакоидные мембраны растений имеют уникальный липидный состав, поскольку в них наблюдается дефицит фосфолипидов. Кроме того, их основной компонент, моногалактозилдиглицерид или MGDG, не формирует водные бислои. Тем не менее, динамические исследования показывают нормальную организацию липидного бислоя в тилакоидных мембранах.

Экстракция липидов

Большинство методов экстракции и изоляции липидов из биологических образцов основаны на высокой растворимости углеводородных цепей в органических растворителях. Ввиду разнообразия классов липидов, невозможно подобрать единый метод экстракции, подходящий для всех классов. Традиционная процедура Блай/Дайера использует протоколы на основе хлороформа и метанола, включающие разделение фаз на органический слой. Однако существует несколько современных протоколов, в которых новые методы устраняют недостатки старых и решают проблемы, связанные, например, с целенаправленной изоляцией липидов или высокопроизводительным сбором данных. Большинство протоколов достаточно хорошо работают с различными физиологически значимыми липидами, но требуют адаптации для видов, обладающих специфическими свойствами, а также для липидных метаболитов низкой концентрации и неустойчивых к воздействиям.

Сепарация липидов

Самый простой метод разделения липидов – использование тонкослойной хроматографии (ТЛХ). Хотя он не такой чувствительный, как другие методы определения липидов, он обеспечивает быстрый и всесторонний инструмент для предварительного скрининга перед использованием более чувствительных и сложных методов. Хроматография твердофазной экстракции (SPE) полезна для быстрой препаративной сепарации сырых липидных смесей на различные классы липидов. Это включает использование предварительно заполненных колонок, содержащих силикагель или другие стационарные фазы, для разделения глицерофосфолипидов, жирных кислот, холестериновых эфиров, глицеролипидов и стеролов из сырых липидных смесей. Высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ или LC) широко используется в липидомическом анализе для разделения липидов перед масс-анализом. Разделение может быть достигнуто либо с помощью ВЭЖХ нормальной фазы (NP), либо с помощью ВЭЖХ обращенной фазы (RP). Например, ВЭЖХ NP эффективно разделяет глицерофосфолипиды на основе полярности головной группы, в то время как ВЭЖХ RP эффективно разделяет жирные кислоты, такие как эйкозаноиды, на основе длины цепи, степени ненасыщенности и замещения. Для всесторонних, нецелевых липидомических исследований обычно используют как RP, так и NP или колонки для жидкостной хроматографии с гидрофильным взаимодействием (HILC) для расширения охвата липидома. Применение нанопоточной жидкостной хроматографии (nLC) оказалось наиболее эффективным для повышения общей чувствительности измерения и охвата липидома при глобальном липидомическом подходе. Хроматографическое (ВЭЖХ/СВЭЖХ) разделение липидов может выполняться как в автономном режиме, так и в режиме онлайн, когда элюат интегрируется с источником ионизации масс-спектрометра.

Выявление липидов

Прогресс современной липидомики был значительно ускорен развитием спектрометрических методов в целом и методов мягкой ионизации для масс-спектрометрии, таких как электрораспылительная ионизация (ESI) и матрично-активированная лазерная десорбция/ионизация (MALDI) в частности. "Мягкая" ионизация не вызывает сильной фрагментации, что позволяет комплексно детектировать широкий спектр липидов в сложной смеси и соотносить его с экспериментальными условиями или состоянием заболевания. Кроме того, метод химической ионизации при атмосферном давлении (APCI) приобретает все большую популярность для анализа неполярных липидов.

Государства-члены ЕСИ

ESI MS был первоначально разработан Фенном и его коллегами для анализа биомолекул. Он основан на образовании газофазных ионов из полярных, термически нестабильных и преимущественно нелетучих молекул и, следовательно, идеально подходит для анализа различных липидов. Это метод мягкой ионизации, который редко изменяет химическую структуру аналита перед масс-анализом. Разработаны различные методики ESI MS для анализа различных классов, подклассов и отдельных видов липидов в биологических экстрактах. Недавно были опубликованы всесторонние обзоры этих методик и их применения. Основными преимуществами ESI MS являются высокая точность, чувствительность, воспроизводимость и возможность применения метода к сложным растворам без предварительной дериватизации. Хан и его коллеги разработали метод, известный как "липидомика дробью", который заключается в непосредственном введении сырого липидного экстракта в источник ESI, оптимизированный для внутриисточникового разделения липидов на основе их собственных электрических свойств.

DESI МС

Масс-спектрометрия DESI — это метод ионизации в условиях окружающей среды, разработанный профессором Золтаном Така́тсом и коллегами в группе профессора Грэхема Кукса из Университета Пердью. Этот метод успешно применяется в липидомике как инструмент визуализации для картирования распределения липидов в образцах тканей. Одним из преимуществ DESI MS является отсутствие необходимости использования матрицы при подготовке тканей, что позволяет проводить несколько последовательных измерений на одном и том же образце. DESI MS также может быть использована для визуализации липидов в срезах тканей.

MALDI MS

Масс-спектрометрия MALDI – это метод мягкой ионизации, основанный на использовании лазера, который часто применяется для анализа крупных белков, но также успешно используется для липидов. Липид смешивают с матрицей, например, с 2,5-дигидроксибензойной кислотой, и наносят на держатель образца в виде небольшого пятна. Лазерный луч направляется на это пятно, и матрица поглощает энергию, которая затем передается анализируемому веществу, что приводит к ионизации молекулы. Масс-спектрометрия MALDI с измерением времени пролета (MALDI TOF MS) стала очень перспективным методом для исследований в области липидомики, особенно для визуализации липидов в срезах тканей.

МБ APCI

Источник APCI аналогичен ESI, за исключением того, что ионы формируются в результате взаимодействия нагретого растворителя анализируемого вещества с иглой, создающей коронный разряд, находящейся под высоким электрическим потенциалом. Первичные ионы образуются непосредственно вблизи иглы и взаимодействуют с растворителем, формируя вторичные ионы, которые в конечном итоге ионизируют образец. APCI особенно эффективен для анализа неполярных липидов, таких как триацилглицерины, стеролы и эфиры жирных кислот.

Методы визуализации

Высокая чувствительность DESI в липидном диапазоне делает его мощным методом для обнаружения и картирования обилия липидов в образцах тканей. Недавние усовершенствования методов MALDI позволили осуществлять прямое обнаружение липидов in situ. При прямом анализе тонких срезов ткани, при последовательном сборе спектров с поверхности ткани, покрытой MALDI-матрицей, образуется большое количество ионов, связанных с липидами. Коллизионная активация молекулярных ионов может использоваться для определения липидного класса и часто для структурного определения молекулярных видов. Эти методы позволяют обнаруживать фосфолипиды, сфинголипиды и глицеролипиды в тканях, таких как сердце, почки и мозг. Более того, распределение множества различных молекулярных видов липидов часто определяет анатомические области внутри этих тканей.

Липидный профилирование

Липидный профилирование – это целевая метаболомическая платформа, обеспечивающая всесторонний анализ липидных видов в клетке или ткани. Профилирование на основе электрораспылительной тандемной масс-спектрометрии (ESI MS/MS) позволяет получать количественные данные и адаптируется к высокопроизводительному анализу. Эффективный подход, использующий трансгенные модели, а именно делецию и/или сверхэкспрессию продукта гена в сочетании с липидомикой, может дать ценные сведения о роли биохимических путей. Методы липидного профилирования также применяются к растениям и микроорганизмам, таким как дрожжи. Сбор хроматографических и масс-спектрометрических данных требует значительных усилий по спектральному выравниванию и статистической оценке колебаний интенсивности сигнала. Эти вариации имеют множество причин, включая биологическую изменчивость, обработку образцов и аналитическую точность. Следовательно, для надежного определения уровня липидов в сложных смесях обычно требуется несколько повторностей. За последние несколько лет различные компании и исследовательские группы разработали ряд программных пакетов для анализа данных, полученных при MS-профилировании метаболитов, включая липиды. Обработка данных для дифференциального профилирования обычно включает несколько этапов: манипулирование входными файлами, спектральную фильтрацию, обнаружение пиков, хроматографическое выравнивание, нормализацию, визуализацию и экспорт данных. Примером программного обеспечения для метаболического профилирования является свободно доступное приложение Mzmine, разработанное на Java. Другой пример – коммерческие приложения Metabolon, Inc. для метаболомического анализа с использованием проприетарного программного обеспечения. Недавно программное обеспечение MS DIAL 4 было интегрировано с всеобъемлющим липидным атласом, содержащим информацию о времени удерживания, эффективном сечении столкновения и тандемной масс-спектрометрии для 117 подклассов липидов и 8051 липида. Некоторые программные пакеты, такие как Markerview, включают методы многомерного статистического анализа (например, анализ главных компонент), которые могут быть полезны для выявления корреляций между липидными метаболитами, связанными с физиологическим фенотипом, в частности, для разработки липидных биомаркеров. Другая задача информационных технологий в липидомике – построение метаболических карт на основе данных о липидных структурах, липид-связанных белках и генах. Некоторые из этих липидных путей чрезвычайно сложны, например, путь гликосфинголипидов у млекопитающих. Создание доступных для поиска и интерактивных баз данных липидов и связанных с ними генов/белков также является важным ресурсом для липидомического сообщества. Интеграция этих баз данных с MS и другими экспериментальными данными, а также с метаболическими сетями открывает возможности для разработки терапевтических стратегий, направленных на предотвращение или обращение вспять патологических состояний, связанных с нарушением липидных процессов.