第三期：结构脂质组学的应用进展｜AC综述特刊
近日，清华大学化学系瑕瑜教授、精密仪器系张文鹏副教授及同系博士后刘易昆(现清谱科技创新设计中心脂质组学科学家)，于分析化学领域国际权威期刊Analytical Chemistry发表了题为“Structural Lipidomics Enabled by Isomer-Resolved Tandem Mass Spectrometry”的综述文章，系统阐述了结构脂质组学这一前沿交叉领域的发展与趋势。
该文系统梳理了串联质谱(MS/MS)技术用于脂质精细结构表征的原理与方法学进展，阐述了脂质结构解析技术与多元分析平台相集成的工作流程，回顾了近年来该方向在基础代谢研究与生物医学应用中的关键成果，并对当前面临的方法学挑战与未来发展趋势进行了展望。
上期系统介绍了结构脂质组学的分析工作流程。本期将聚焦该技术在脂质代谢基础研究与生物医学应用中的具体案例与前沿进展，旨在展示异构体水平分析如何揭示新的生物学机制，并为疾病诊断与分型提供更具特异性的分子依据。
结构脂质组学核心应用
代谢通路研究
基于异构体分辨质谱技术的结构脂质组学研究，能够揭示脂质在C=C位置、sn-位置等精细结构层面的差异，从而阐明传统脂质组学难以触及的代谢通路。
1. 发现由异构体指示的全新代谢通路
脂质异构体可作为特定代谢途径的标志。以哺乳动物体内主要的单不饱和脂肪酸C18:1为例，其n-9与n-7两种双键位置异构体由SCD酶通过不同途径催化合成。研究表明，在肝癌细胞及组织中，由FADS2催化生成的另一脂肪酸C16:1(n-10)水平显著升高，提示癌细胞可利用FADS2介导的、独立于SCD的新颖途径，满足其快速增殖的代谢需求。进一步的机制研究表明，FADS2能与延长酶ELOVL2协同，生成包含n-8、n-10、n-12在内的多种单不饱和脂肪酸，揭示了不饱和脂肪酸代谢网络的复杂性。
2.阐明酶促反应的位点特异性
该技术对溶血磷脂酰胆碱酰基转移酶-1(LPCAT1)的研究表明，该酶对酰基辅酶A底物表现出严格的sn-1位置选择性。其主要产物PC 18:1/16:0的含量可直接反映LPCAT1的活性，在肝细胞癌中的显著变化提示其可作为潜在的功能性生物标志物。
3.在单细胞水平揭示代谢异质性
将Paternò–Büchi(PB)反应-串联质谱联用与单细胞分析技术结合，可在单细胞水平上解析脂质结构差异。例如，通过检测人肺癌单细胞中PC 32:1的n-7异构体相对丰度，可有效区分对吉非替尼敏感与耐药的细胞亚群。PB反应凭借其高特异性和快速的反应动力学，可与电离源在线耦合，非常适合单细胞或微量样本中C=C位置异构体的鉴定与相对定量，为在单细胞水平上研究肿瘤异质性及药物响应机制提供了有效工具。
图 1. 吉非替尼敏感与耐药人肺癌细胞的鉴定
(图源：Nat. Commun. 2021, 12(1), 2869)
4.揭示代谢网络的动态补偿调节
通过对脂质异构体的动态监测，可揭示代谢途径的适应性调节。例如，在乳腺癌细胞中抑制SCD1会导致n-9 C18:1合成减少，但细胞可通过激活脂肪酸β-氧化等途径，动态调节含C18:1甘油磷脂中n-9与n-7异构体的比例，以维持稳态，表明脂质去饱和与β-氧化过程共同参与了对异构体组成的精细调控。
生物医学应用
结构脂质组学通过提供“高分辨”的分子结构信息，在疾病标志物发现与精准分型中展现出重要价值。
1.发现高特异性脂质异构体标志物
相较于脂质总量的变化，特定异构体的比例(如n-9/n-7比值、sn-位置异构体比例)与疾病状态的相关性通常更强、特异性更高，且个体间变异更小。例如，利用LC-PB-MS/MS分析2型糖尿病(T2D)患者血浆，发现一系列含C18:1磷脂的n-9/n-7比值发生显著改变。PB反应生成的明确诊断离子，使得无需色谱分离即可直接对复杂生物样品中的C=C位置异构体进行定性与相对定量。类似的异构体比例失调现象，已在阿尔茨海默病、前列腺癌、乳腺癌等多种疾病模型中得到报道。
图 2. 基于PE 16:0_18:1定量与异构体比值(IΔ9/IΔ11)的个体差异分析：正常与T2D血浆样本的比较
(图源：Nat. Commun. 2019, 10 (1), 79)
2.实现基于多维度结构信息的疾病精准分型
整合C=C位置、sn-位置等多层次结构信息，可构建鉴别力更强的分子图谱。例如，在非小细胞肺癌中，单独使用sn-位置或C=C位置异构体信息难以有效区分癌与正常组织，但联合使用则可实现准确区分。在胶质瘤研究中，通过分析中性鞘糖脂的多种精细结构参数，能成功区分正常组织、IDH突变型与IDH野生型肿瘤，为后者这一缺乏经典遗传标记的亚型提供了新的分子分型依据。将PB衍生化与色谱、离子淌度等技术联用，可进一步提升对同重与低丰度脂质异构体的分离和分析能力。
图 3. 基于%hFA、%C24、%SPD和%n-9参数的胶质瘤组织层次聚类分析图
(图源：Nat. Commun. 2024, 15 (1), 5627)
总结与展望
近年来，脂质异构体精细结构的解析方法取得了显著进展。然而，目前发展的多数MS/MS技术仍存在一定局限：其应用主要集中于磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺等高丰度脂质类别，且研究对象多聚焦于C=C位置异构体与sn-位置异构体。因此，仍需发展能够覆盖更广泛脂质类别、并实现对其他类型精细脂质结构进行解析的新型MS/MS方法。
在定量分析方面，异构体分辨MS/MS技术与定量策略相结合，为系统阐明脂质异构体的组成特征提供了重要潜力。随着异构体分辨MS/MS方法及相关仪器在实验室中的逐步推广，预计未来将在多种疾病中鉴定出更多具有指示意义的脂质生物标志物。同时，新型MS/MS方法与脂质组学在多组学框架下的进一步整合，也有望推动复杂脂质生物合成新途径的揭示。
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