代谢组学是继基因组学、转录组学和蛋白组学后出现的新兴学科,是系统生物学的重要组成部分。它通过定性鉴别和定量描述生物基质中小分子代谢物的表达与修饰变化来系统反馈生命体对自身机体调控或者外界环境扰动所做出的代谢应答。当前,代谢组学已广泛应用于药理毒理,疾病发病机制和临床诊断,植物生长发育等研究领域并取得良好的进展。以往的代谢组学研究以非靶向研究方法为主,即采用核磁共振和质谱平台进行不同生物基质中小分子代谢产物(代谢组)的无歧视全扫描分析,以获得最大化的代谢组信息。然而,由于分析仪器固有属性的特殊性,非靶向代谢组学方法一方面无法高灵敏检测具有特殊属性的代谢物,同时,目前一个最大瓶颈就是差异代谢物的精准鉴定与定量。面临如此困境,靶向代谢组学方法在突破通量的瓶颈的前提下,将是一个优势选择,尤其解决多生物基质的目标代谢组的精准定性和定量问题,即不需要繁琐的代谢产物的鉴定过程,另对每个目标代谢产物精准优化分析参数,达到最佳灵敏检出。基于此,本研究拟基于高效液相色谱质谱联用系统(LC/TQ MS系统)和目标小分子代谢物标准品,优化开发能够高灵敏分析目标代谢组的精准靶向代谢组学方法,并将该方法应用于不同生物基质的目标代谢组分析,验证普适性,以实现方法宽口径应用于多基质精准修饰代谢组分析和应用研究。本研究首先通过对目标代谢组的标准化合物以针泵进样模式进行三重四级杆分析MRM定性和定量参数的手动优化,并结合多分析参数自动优化,稳定建立糖、氨基酸、核酸、维生素、有机酸和生物碱共6大类203个目标代谢物的MRM定性检测和定量分析方法。并在此基础上,针对性地优化高效液相色谱分离分析参数,通过对不同化学类型色谱柱、流动相梯度、流动相的p H值和柱温等色谱参数进行优化,确定最佳的色谱条件,最终成功建立能同时快速稳定分析152个目标代谢物的的LC/TQ MS精准靶向代谢组分析方法。针对已经建立的精准靶向代谢组分析方法,本研究进行随机的方法学验证,分别考察该方法学的检测限、定量限、线性、稳定性和重复性等方面内容,即选取果糖、胞嘧啶、亮氨酸、烟酸、硫胺素和乙酰胆碱为代表性代谢物。结果表明,它们的线性回归方程相关系数(R2)均大于0.999,日间精密度和日内精密度相对标准偏差(RSD)均小于5%。确证所优化建立的方法灵敏度高,线性、稳定性和重复性良好,可应用于精准靶向代谢组学研究。为了验证所开发代谢组分析方法的生命科学领域应用研究的普适性,我们将已建立的基于LC/MS的精准靶向代谢组分析方法应用于不同生物基质的的代谢组分析。本研究主要选择生物体液(尿液和血液)、微生物、细胞、植物组织和昆虫等进行代谢组分析,并通过应用多种模式识别方法(Heatmap和PCA等)对处理组和正常对照组数据进行区组分析。最终结果显示,每种生物基质靶向代谢组的处理组和正常对照组均可显著区分,而且组内不同生物样品明显聚集分布。因此,实验证实,前述所开发精准靶向代谢组方法具有良好稳定性和区分度,可满足不同生物基质的代谢组研究的需要,用于不同生物学科学问题的解决。综上所述,本研究已经成功建立了基于高效液相色谱质谱联用系统的精准靶向代谢组分析方法,该方法稳定灵敏覆盖150个具有明确生理功能的小分子代谢物,这些代谢物涉及100个以上主要代谢通路,它们生物合成和表达水平的修饰改变反馈许多至关重要的生物学过程和生物学事件。并且,该代谢组分析方法具有良好的普适性,已成功地应用于体液(尿液和血清)、微生物、细胞、植物组织和昆虫等不同生物基质的精准靶向代谢组学研究。总之,本研究首次开发了一套精准靶向代谢组分析方法,可普适性应用于不同生物基质的精准靶向代谢组学研究,用于不同学科领域生命科学相关科学问题的解决。