重新定义参考物质以适应不断演进的代谢组学格局

《ANALYTICAL AND BIOANALYTICAL CHEMISTRY》：Redefining reference materials for the evolving metabolomics landscape

　　

代谢组学旨在全面测量生物基质中的小分子有机组成，这一领域的发展从根本上重塑了分析测量可靠性的格局。2011年，美国国家标准与技术研究院（NIST）发布了标准参考物质（SRM）1950冷冻人血浆代谢物，这是首个为45种分析物提供认证值以解决复杂生物基质测量精度问题的参考物质。对于国家计量研究院而言，为众多化合物赋予高阶值高度耗费资源。此外，单个代谢物的认证值无法解决非靶向工作流程中与样品处理、分析测量和数据处理相关的广泛挑战。代谢组学界认识到SRM 1950作为方法开发和技术质量控制（QC）基准材料而非严格用于定量的潜力。认识到这一由使用者驱动的转变，NIST启动了一项新型参考物质（RM）开发战略，以提供可获取的、适用于特定目的的材料，并通过新的统计框架——一致性系数（Coefficient of Disagreement, COD）评估生产均匀性。本文介绍了向具有表型不同代谢物谱的基质特异性QC套组的转变，其第一代产品包括人血浆套组、尿液套组、肝脏套组和粪便材料。通过优先考虑高效生产并采用基于共识的深度表征社区参与模式，这些套组为实验室比较、仪器评估、软件开发和培训提供了可靠工具。这类新型RM支撑了测量可靠性的下一阶段，补充了传统被测量认证，同时支持全面代谢谱分析的多样化需求。

**重新定义参考物质：面向不断演进的代谢组学格局**

代谢组学致力于全面测量生物基质中的小分子有机组成，为细胞状态和表型提供功能性读数。然而，代谢组固有的化学多样性、浓度跨度及理化性质差异给分析化学带来了巨大挑战。验证特定代谢物或复杂代谢物谱作为可靠生物标志物，需要不同实验室和多种分析平台（液相色谱-质谱联用（LC-MS）、气相色谱-质谱联用（GC-MS）、核磁共振（NMR）波谱）生成的数据集进行严格比较。美国国家标准与技术研究院（NIST）长期担任测量可靠性的仲裁者。在Stephen A. Wise博士领导下，NIST分析化学部率先从简单校准溶液发展为复杂生物基质标准参考物质（SRM）。2011年，NIST在国立卫生研究院支持下发布了SRM 1950冷冻人血浆代谢物，为近50种分析物提供认证值，成为代谢组学界首个真正的基准材料。然而，传统参考物质模式面临局限：高等级认证值的赋予对每个化合物都耗费大量资源；非靶向工作流程需要覆盖广度和未知分析物，单一化合物的认证无法解决样品处理、分析测量和数据处理的广泛挑战；单一材料也无法满足特定人群或疾病状态的需求。因此，NIST启动了新型参考物质（RM）开发战略，引入一致性系数（COD）作为生产均匀性评估的统计框架，并推出基质特异性质量控制（QC）套组。该论文发表于《ANALYTICAL AND BIOANALYTICAL CHEMISTRY》。

研究人员采用的主要关键技术包括：多平台分析（¹H NMR、LC-MS/MS、GC-MS、下一代测序（NGS））；COD统计框架；基于ISO 33406和NIST SP 260-136的名义属性共识赋值流程；样本队列来自EPA人类肝脏生物样本库及糖尿病、高甘油三酯血症、非裔美国人、不同性别吸烟状态、不同饮食模式（杂食/素食）的捐赠者。

**Fit-for-purpose QC套组**：NIST的代谢组学质量保证与质量控制材料（MetQual）计划提供成本友好、基质匹配的材料，专门用于非靶向和差异分析。QC套组包含表型不同的代谢物谱，支持常规测量、分析方法适用性评估和分析人员培训，同时为代谢物注释和鉴定的置信度评估提供基准。

**RM 8231冷冻人血浆套组**：包含糖尿病（6男5女，葡萄糖>126 mg/dL，低/正常甘油三酯<150 mg/dL）、高甘油三酯血症（11男，甘油三酯>300 mg/dL，葡萄糖<100 mg/dL）、非裔美国人（8男8女，健康，20-25岁）三个供体池。非靶向¹H NMR分析发现葡萄糖、乳酸、乙酸盐、甜菜碱、甘氨酸、EDTA（采集抗凝剂）和马尿酸盐在不同供体池中的水平差异；脂质组学在高甘油三酯血症池中鉴定出含月桂酸的脂质，在非裔美国人池中鉴定出含氧化脂肪酸的磷脂，确认了表型不同群体的独特谱型。

**RM 8232冷冻人尿液套组**：包含女性非吸烟者、女性吸烟者、男性非吸烟者、男性吸烟者四个供体池。¹H NMR谱显示池级代谢谱差异：女性池中检测到布洛芬及其代谢物2-羟基布洛芬和羧基布洛芬；戊二酸、3-羟基苯乙酸和N-乙酰半胱氨酸-对乙酰氨基酚分别区分男性非吸烟者、女性非吸烟者和女性吸烟者池。该套组可用于验证针对环境暴露和生活方式因素驱动差异的检测方法。

**RM 8462人肝脏套组**：基于EPA人类肝脏生物样本库的冷冻标本，按尸检时病理数据和体质指数（BMI）分为正常（BMI<27.5）、充血（病理学家目视检查）和脂肪肝（平均BMI 35.3）三种健康状态。初步NMR和LC-MS数据显示三种状态间存在可测量且可重现的差异，主成分分析（PCA）评分显示明显分离，有助于减少实体器官分析中的固有不确定性。

**RM 8048人粪便材料**：由多供体匀浆粪便以100 mg/mL