尿液代谢组学分析新突破：HS-GC/MS技术优化助力炎症性肠病无创诊断

《Biology Methods and Protocols》：Optimization of the HS-GC/MS technique for urine metabolomic profiling

本研究针对尿液样本中挥发性成分含量低、传统HS-GC/MS技术检测灵敏度不足的问题，通过优化样品制备流程（包括盐混合物添加、样本体积调整、温度控制及三重萃取结合冷冻捕集技术），成功建立了适用于尿液挥发性代谢物分析的高灵敏度方法。该方法在IBD患者尿液中发现2-庚酮和十五烷等特征性生物标志物，为炎症性肠病的无创诊断提供了新策略。

　　

在当今精准医疗时代，代谢组学作为连接基因组学与表型的重要桥梁，正日益成为疾病诊断和机制研究的热点领域。特别是对于炎症性肠病（IBD）这种病因复杂、诊断困难的慢性疾病，寻找可靠的无创诊断方法一直是临床研究的重点。传统上，粪便样本被认为是研究肠道代谢物的理想来源，但令人困扰的是，部分IBD患者由于病情严重无法提供足量粪便样本，这使得代谢组学研究面临实质性障碍。

正是在这一背景下，由Natalya B. Zakharzhevskaya领衔的研究团队将目光投向了尿液这一更易获取的生物样本。尽管尿液中的挥发性有机物（VOCs）浓度远低于粪便，但其中蕴含的代谢信息可能同样具有重要诊断价值。研究人员意识到，要解锁尿液中的代谢密码，必须首先攻克技术瓶颈——开发一种能够高效捕获低浓度挥发性成分的分析方法。

研究团队选择头顶空间气相色谱-质谱联用技术（HS-GC/MS）作为突破口，这种技术原本主要用于分析挥发性成分含量较高的样本。面对尿液样本的特殊性，研究人员进行了一系列精妙的技术优化：他们创新性地采用铵盐和磷酸盐的混合盐体系，将样品体积增至1毫升，优化温度控制程序，并引入三重萃取结合冷冻捕集技术，显著提高了检测灵敏度。

通过对10名IBD患者和10名健康对照者的尿液样本分析，研究团队成功检测到了包括短链脂肪酸（SCFAs）、酮类、醛类等在内的多种挥发性代谢物。令人振奋的是，优化后的方法不仅能够稳定检测出60%以上的代谢物，还通过主成分分析（PCA）和正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA）清晰区分了IBD患者与健康对照组的代谢特征。

更为重要的是，研究团队鉴定出了两个具有显著差异的生物标志物——2-庚酮和十五烷。这两种物质在IBD患者尿液中的含量明显升高，为IBD的无创诊断提供了新的分子靶点。特别是十五烷，此前已在结核性脑膜炎患儿中发现异常，本次研究首次揭示了其与IBD的潜在关联，为理解IBD的代谢机制开辟了新视角。

关键技术方法包括：采用HS-GC/MS（Shimadzu QP2010 Ultra系统结合HS-20顶空进样器）分析技术，样本来源于10例IBD患者和10例健康对照者的尿液队列，通过优化盐混合物（硫酸铵与磷酸二氢钾4:1比例）添加、三重冷冻捕集（TenaxTA填料，-20°C捕集/200°C解吸）和色谱条件（VF-WAX MS毛细管柱程序升温），结合NIST 2014质谱库和MetaboAnalyst 5.0进行数据分析。

优化HS-GC-MS方法用于尿液分析

通过系统优化样品制备参数，研究人员成功解决了尿液样本中挥发性成分浓度低的技术难题。采用混合盐添加、增加样本体积、调整温控程序并结合三重冷冻捕集技术，显著提高了代谢物检测灵敏度。优化后的方法能够稳定检测包括短链脂肪酸、酮类、醛类等在内的多种挥发性有机物，为后续比较研究奠定了技术基础。

HS-GC-MS方法在IBD尿液分析中的应用

在方法验证阶段，研究发现IBD患者尿液中的挥发性代谢物种类显著多于健康对照组，特别是外源性物质降解产物明显增多。通过多变量统计分析，IBD患者与健康对照组的代谢谱呈现明显分离趋势，表明优化后的方法能够有效区分疾病状态。值得注意的是，大多数代谢物在IBD组中浓度升高，反映了疾病状态下代谢通路的整体改变。

生物标志物发现

通过严格的统计学分析，研究人员鉴定出2-庚酮和十五烷作为IBD的潜在生物标志物。这两种化合物在IBD患者尿液中的含量显著高于对照组，具有重要的诊断价值。其中十五烷作为长链烷烃，其与IBD的关联为理解疾病机制提供了新的线索。

本研究通过技术优化成功突破了尿液挥发性代谢物分析的技术瓶颈，建立了灵敏度高、重复性好的HS-GC/MS分析方法。该方法不仅为IBD的无创诊断提供了新的技术路径，更重要的是拓展了尿液代谢组学在疾病研究中的应用范围。研究发现的两个特征性生物标志物为IBD的早期诊断和病情监测提供了新的分子依据，而方法学上的创新也为其他低浓度生物样本的代谢组学研究提供了重要参考。随着后续大样本验证的开展，这一技术有望成为IBD临床诊断的有力工具，特别适用于无法提供粪便样本的特殊患者群体，具有重要的临床转化价值。