Ion Chromatography Coupled with Mass Spectrometry for Metabolomics

Význam tématu

Metabolomika a metabonomika studují složité směsi nízkomolekulárních metabolitů v biologických vzorcích a vyžadují spolehlivou separaci a citlivou detekci. Tradiční reverzně-fázová chromatografie se potýká s problematickou retencí a separací polárních a iontových sloučenin (organické kyseliny, nukleotidy, aminokyseliny), zatímco iontově-výměnná chromatografie (IC) nabízí výrazně lepší rozlišení těchto látek. Hlavní překážkou je však vysoký obsah solí v eluentech, který je nevhodný pro hmotnostní spektrometrii (MS). Propojení IC s on-line potlačením eluenta umožňuje konverzi vysoce solného roztoku na čistou vodu, čímž se otevírá cesta pro přímou detekci pomocí MS a rozšíření aplikačního záběru na metabolomické studie.

Cíle a přehled studie / článku

Hlavním cílem bylo představit a demonstrovat funkční propojení iontově-výměnné chromatografie s hmotnostní spektrometrií (IC–MS) pro analýzu polárních a iontových metabolitů. Autor popisuje sestavu IC s on-line desaltingem eluenta prostřednictvím elektrolytické potlače, schopnou dodávat nízkonasušované eluenty do vysokorozlišovací MS. Studie ukazuje separaci klíčových metabolitů a přínos IC–MS v oboru metabolomiky, včetně případových ukázek z analýzy biologických vzorků.

Použitá metodika a instrumentace

• Analytická technika: Iontově-výměnná chromatografie s elektrolytickým potlačením eluenta
• Eluent: Gradient hydroxidu draselného (KOH) generovaný elektroylticky v hlavě kolony
• Potlačovač: Moderní elektrolytický potlačovač aniontů (anion-exchange suppressor) k přeměně KOH na čistou vodu, sledováno vodivostní detekcí (<1 μS·cm–1)
• Kolona: Thermo Scientific Dionex IonPac AS11 (2 mm i.d.) pro aniontovou separaci; možnost cation-exchange variant
• Pumpa: PEEK™-based pumpa zajišťující ultrapure vodu pro eluentní generátor
• Detekce: Vysokorozlišovací hmotnostní spektrometrie (ESI–HRMS) s volitelným přidáním organického rozpouštědla pro lepší desolvataci

Hlavní výsledky a diskuse

Studie demonstruje schopnost IC–MS:

• Rozdělení a identifikaci polárních metabolitů (organické a karboxylové kyseliny, nukleotidy, cukry, aminokyseliny) obtížně analyzovatelných v RP–LC–MS
• On-line potlačení KOH eluenta umožňuje nízkou slanost eluátu a přímou ESI–MS detekci
• Komplementarita separačních režimů: IC doplňuje RP a HILIC, přidává se do metabolomických workflow a zvyšuje pokrytí metabolomů až o desítky procent
• Příklad: V analýze Trypanosoma brucei IC–MS samostatně identifikovala 24/80 látek v tryptofanové dráze; celková identifikace v kombinaci s RP a HILIC dosáhla 379/652 intermediátů

Přínosy a praktické využití metody

• Rozšířené metabolomické pokrytí díky cílené separaci iontových metabolitů
• Odstranění isobarických interferencí separací izomerů před MS
• Minimalizace chemického šumu vysokých solí a lepší citlivost detekce
• Využití v potravinářské analýze, environmentálním monitoringu, biochemických a klinických studiích

Budoucí trendy a možnosti využití

Očekává se rozšíření na kapilární IC pro vyšší citlivost a nižší objem vzorku, zavedení více poměrných separačních trysek (aniont vs. kation), integrace dat s pokročilými software pro metabolomické analýzy (XCMS, MZmine, MetExplore). Kombinace s ortogonálními technikami a širším spektrem detektorů posílí biologické a klinické aplikace v personalizované medicíně a systémech bioprocessingu.

Závěr

Propojení iontově-výměnné chromatografie s on-line desaltingem eluenta a vysokorozlišovací MS představuje robustní platformu pro analýzu polárních a iontových metabolitů. IC–MS výrazně rozšiřuje pokrytí metabolomů, zvyšuje selektivitu, citlivost a přesnost identifikace, a umožňuje detailní studium metabolických drah, které jsou klíčové pro moderní metabolomiku, klinickou diagnostiku a biotechnologie.

Reference

1. Small H.; Stevens T.S.; Bauman W.C. Anal. Chem. 1975, 47, 1801.
2. DeBorba B.; Rohrer J.S. J. Chromatogr., A 2007, 1155, 22–30.
3. Lyubarskaya Y. et al. Anal. Biochem. 2006, 348, 24–39.
4. Thayer J.R. et al. Anal. Biochem. 2007, 361, 132–139.
5. Weiss J. Ion Chromatography; VCH Weinheim, 1995.
6. Wang L.J.; Schunte W.A. LC-GC, Sep 2, 2009.
7. Mohsin S.B. J. Chromatogr., A 2000, 884, 23–30.
8. Bauer K.H. et al. J. Chromatogr., A 1999, 837, 117–128.
9. Bruggink C. et al. J. Chromatogr., A 2005, 1085, 104–109.
10. Saccani G. et al. J. Chromatogr., A 2005, 1082, 43–50.
11. Gika H.G. et al. J. Sep. Sci. 2008, 31, 1598–1608.
12. Daviss B. The Scientist 2005, 19(8), 25–28.
13. Lindon J.C. et al. Biomarkers 2004, 9(1), 1–31.
14. Bruggink C. et al. J. Chromatogr., B 2005, 829, 136–143.