Der Stoffwechsel dient als direktes Spiegelbild biologischer Funktionen und pathologischer Zustände. Im Laufe der Jahre haben sich Biologen und Ärzte mit den komplexen Stoffwechselmechanismen befasst, die physiologischen Prozessen und Krankheitszuständen zugrunde liegen. Eine Vielzahl von Techniken, darunter LC-MS, GC-MS und CE-MS, haben unser Verständnis der entscheidenden Rolle des Stoffwechsels für Gesundheit und Krankheit erheblich erweitert.
Dennoch bleibt die Profilierung des Metaboloms auf verschiedenen Ebenen, von Organellen bis hin zu Zellen und Geweben, eine ständige Herausforderung. Der herkömmliche Einsatz von LC-MS, GC-MS und CE-MS zur Analyse von Homogenaten biologischer und klinischer Proben hat unsere Fähigkeit, zelluläre Heterogenität innerhalb von Geweben aufzudecken, eingeschränkt.
Folglich ist uns das Metabolom einzelner Zellen oder die In-situ-Verteilung von Metaboliten innerhalb von Geweben immer noch unbekannt. Glücklicherweise haben neuartige Modifikationen und Weiterentwicklungen, die auf traditionellen Techniken aufbauen, den Fortschritt in der Metabolomik-Forschung erheblich beschleunigt und gleichzeitig ihre Anwendung sowohl in biologischen Studien als auch in der klinischen Praxis verbessert.
Die bemerkenswerten Durchbrüche, beispielhaft dargestellt durch die revolutionäre Einzelzell- und Einzelorganellen-Metabolomik, bieten umfassende Einblicke in die komplizierten Stoffwechselmechanismen einzelner Zellen und Organellen. Die Fortschritte in der Einzelzell-Transkriptomik und -Sequenzierung haben die Erforschung der zellulären Heterogenität erheblich vorangetrieben und die Aufmerksamkeit der wissenschaftlichen Gemeinschaft auf die Profilierung von Proben wie einzelnen Zellen und Organellen gelenkt.
Diese bemerkenswerten Fortschritte ermöglichen eine ganzheitliche Untersuchung der vielfältigen Natur des Stoffwechsels und seiner zentralen Rolle in zahlreichen biologischen Prozessen, einschließlich der Aufklärung der metabolischen Heterogenität in alternden Lysosomen und der Entdeckung neuer Stoffwechselwege.
Die Visualisierung des Stoffwechsels in situ ist eine zusätzliche Aufgabe von Biologen und klinischen Forschern. Die Veränderung von Metaboliten in bestimmten biologischen Prozessen und Krankheiten spielt eine zentrale Rolle für das Verständnis der zugrunde liegenden Stoffwechselmechanismen. Die Fortschritte in der massenspektrometrischen Bildgebung erleichtern die Stoffwechselprofilierung von Gewebeschnitten und einzelnen Zellen vor Ort mit außergewöhnlicher Präzision und ermöglichen so die direkte Analyse des Zell- und Gewebestoffwechsels.
Diese Techniken haben zu erheblichen Fortschritten in der Zellbiologie geführt, einschließlich der Bestimmung des Differenzierungsschicksals auf der Grundlage des Zellstoffwechsels. Räumliche Rekonstruktionstechniken bieten eine direkte Visualisierung der Verteilung und Veränderungen im dreidimensionalen Raum des Metaboloms. Verschiedene Modifikationen der Massenbildgebung haben die Analysetechniken für klinische Anwendungen weiter verbessert, darunter intraoperative Metabolomik, pathologische Analyse und Bestimmung der Tumorränder.
Herkömmliche metabolomische Techniken wie LC-MS und GC-MS finden Anwendung in den Bereichen klinische therapeutische Arzneimittelüberwachung (TDM), Neugeborenen-Screening (NBS) und Biomarker-Entdeckung. Die Modifikation und Weiterentwicklung dieser Techniken ermöglichen verbesserte Lösungen im Gesundheitswesen und in der Therapie.
Insgesamt tragen technische Fortschritte in der Metabolomik erheblich zur Analyse biologischer und klinischer Proben auf verschiedenen Ebenen bei und bieten eine umfassende Perspektive auf den Stoffwechsel im Gesundheits- und Krankheitsbereich. Die Implementierung innovativer metabolomischer Techniken hat zu bemerkenswerten Durchbrüchen in der biologischen und klinischen Forschung geführt und verspricht in absehbarer Zukunft noch größere Vorteile für die Patienten.
Die Studie wird in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaftsbulletin.
Mehr Informationen:
Ziyi Wang et al., Fortschritte in massenspektrometriebasierten Multiskalen-Metabolom-Methoden und ihre Anwendungen in biologischen und klinischen Untersuchungen, Wissenschaftsbulletin (2023). DOI: 10.1016/j.scib.2023.08.047