Diagnostika dědičných metabolických poruch použitím metabolomických nástrojů

Mgr. Hana JANEČKOVÁ

Doctoral thesis

Diagnosis of inherited metabolic disorders using metabolomic approaches

Abstract:

Metabolomika je nově se rozvíjející vědní disciplína, která studuje komplexní profil nízkomolekulárních metabolitů přítomných v biologickém vzorku v definovaném čase. Našla své uplatnění v mnoha oborech a stává se důležitým nástrojem i v klinickém výzkumu a diagnostice lidských onemocnění. Pro metabolomické experimenty založené na měření hmotnostní spektrometrií lze použít dva hlavní přístupy, tzv. cílený a necílený. Cílený přístup využívá předem definovaných metabolitů, které jsou analyzovány charakteristickými přechody v tandemovém hmotnostním spektrometru. Necílený přístup používá data z analyzátorů založených na měření přesné hmoty a retenčního času, přičemž analyzované látky jsou a priori neznámé. Metabolomická data jsou matematicky upravena a statisticky zpracována především za použití vícerozměrných statistických analýz. Cílem této práce bylo uplatnit metabolomické přístupy pro diagnostiku dědičných metabolických poruch za použití kapalinové chromatografie a hmotnostní spektrometrie, to znamenalo nalézt změny v hladinách metabolitů, které nejlépe odlišují pacienty od zdravých jedinců. Byla vyvinuta metoda pomocí HPLC-MS/MS pro kvantitativní analýzu ribosidů druhé části purinové de novo syntézy, která umožňuje diagnostiku známých či dosud nepopsaných poruch. Metoda byla aplikována na vzorky močí, likvorů a mozkových tkání od pacientů s deficitem adenylosukcinátlyasy. V další studii se podařilo úspěšně uplatnit cílený metabolomický přístup v diagnostice dědičných metabolických poruch metodou přímého nástřiku vzorků plazem ve spojení s MS/MS. Podařilo se rozlišit 34 pacientů od 50 kontrolních vzorků na základě nesupervizovaného statistického zpracování dat. Necílený metabolomický přístup byl testován na vzorcích suché krevní kapky a moči technikou HPLC-TOF-MS. Bylo prokázáno, že tento přístup lze uplatnit pro diagnostiku dědičných metabolických poruch. Vzorky od pacientů se podařilo rozlišit od kontrolních vzorků uplatněním různých statistických nástrojů. Na základě diskriminační analýzy byly prokázány známé i potenciálně nové markery jednotlivých onemocnění. V rámci dalšího projektu byla vyvíjena cílená metabolomická metoda pomocí HPLC-MS/MS, která umožňuje analýzu celkem 410 metabolitů v pozitivním a negativním módu. Metoda byla uplatněna pro analýzy močí, sér, kondenzátů dechu, extraktů leukocytů a CEM buněk.

Abstract:

Metabolomics is a new developing science which studies complex profile of low-molecular weight metabolites present in a biological sample in defined time. It has applied in many fields and it has become an important tool in clinical research and in diagnosis of human diseases. Two main approaches (targeted and untargeted) can be used for metabolomic experiments based on measurements by mass spectrometry. Targeted approach is based on predefined metabolites, which are analyzed by characteristic transitions in tandem mass spectrometry. Untargeted approach uses data from analyzers based on exact mass and retention time measurement whereas analyzed compound are a priori unknown. Metabolomic data are mathematically and statistically processed mainly using multivariate statistical analyses. The aim of this study was to apply metabolomic approaches for the diagnosis of inherited metabolic disorders using liquid chromatography and mass spectrometry. It meant to find changes in the levels of metabolites that best distinguish patients from healthy individuals. A method using HPLC-MS/MS for the quantitative analysis of ribosides in the second part of purine de novo synthesis was developed. It enables the diagnosis of known or thus far unidentified disorders. The method was applied to urine, cerebrospinal fluid and brain tissue samples from patients with adenylosuccinate lyase deficiency. In another study a targeted metabolomic approach was successfully applied in the diagnosis of inherited metabolic disorders using flow injection analysis of plasma samples coupled with MS/MS. All 34 patient samples were distinguished from 50 control samples based on unsupervised statistical data processing. Untargeted metabolomic approach was tested on dried blood spots and urine samples by HPLC-TOF-MS technique. It was demonstrated that this approach can be applied for the diagnosis of inherited metabolic disorders. Patient samples were distinguished from control samples using various statistical tools. Known markers of diseases were confirmed and also new potential suggested based on discriminant analysis The next project was focused on development of targeted metabolomic HPLC-MS/MS method that allows analysis of a total of 410 metabolites in positive and negative mode. The method was applied in the analysis of urine, serum, breath condensates, extracts of leukocytes and CEM cells.

Keywords

cílená metabolomika, necílená metabolomika, dědičné metabolické poruchy, diagnostika, kapalinová chromatografie, hmotnostní spektrometrie

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 9. 7. 2013

Accessible from:: 9. 7. 2013

Thesis defence

• Date of defence: 12. 9. 2013

PALACKÝ UNIVERSITY IN OLOMOUC

Faculty of Medicine and Dentistry

Doctoral programme / field:
Medical Genetics / Medical Genetics