脂质体学的最终边界：不饱和脂类异构物的深度分析
脂质是重要的生物分子，参与了生物体中重要的生理功能，例如细胞讯息传递、能量平衡、脏器保护，并受到生物体新陈代谢所调控。生物体的脂肪代谢失衡，将会改变细胞环境，进而连结到疾病状态，例如癌症、阿兹海默症、心血管疾病等。脂质分子的种类多样，多数的脂类分子具有疏水性长碳链，其碳链上具有数目不等的不饱和碳－碳双键(C=C)，例如脂肪酸类、磷酸脂类、甘油脂类分子皆属之。目前文献上，总计已有报导超过 4 万 3 千种的脂质分子，而每种脂质 分子的结构与功能也不尽相同。
脂质体学(lipidomics)为一门研究脂类分子的独特学门，最主要的目标，即在大规模地研究生物体中脂质分子组成及含量的时空变化，藉此了解脂质代谢背后的复杂网络。过去二十年来，分析化学技术的快速发展，推动了脂质体学的研究，其中以「质谱仪」(mass spectrometry) 的发展最为关键。由于质谱仪能提供丰富的分子结构及定量信息，使得科学家能以高通量方式解析复杂生物系统中的脂质成分，同时也发现许多可作为疾病生物标记物的脂质分子。
然而，目前利用质谱仪鉴定脂质分子的精确化学结构时，仍是目前很大的挑战。一般来说，当分子被游离进入质谱仪分析时，可利用串联质谱法(MS/MS)，导入高能气体进行碰撞诱发解离(CID)，将待测物撞碎，并藉由碎片离子回推其原始化学结构，而这也是市面上商用的质谱仪中，最广泛使用的串联质谱法。然而，以 CID-MS/MS为基础的结构分析方法，却无法解析脂肪长碳鍊上的 C=C 位置，而这些 C=C 位置异构物的精确量测，成为了脂质体学研究中的最大挑战，相关的信息仍然锁在黑盒子中。此外，近年已有一些研究指出，脂类异构物的组成变化，与组织细胞型态变化、糖尿病、癌症等皆有极大关联性，惟其实验仍仰赖特殊的光化学反应装置进行衍生化，或使用具臭氧引导裂解(OzID)或是紫外光裂解(UVPD)装置的专门质谱仪。至今，科学家仍无法使用一般商用质谱仪对脂质异构物进行大规模分析，更不用说是取得它们的分子影像，使得脂质体学的研究进展受到极大限制。
为了解决这个难题，台湾大学化学系郭廷浩和徐丞志助理教授的研究团队，开发一套极为简便且可立即通用全世界的方法：MELDI (mCPBAEpoxidation for Lipid Double-bond Identifcation)，可以让世界上大部分已经商业化的串联质谱用于解析脂质 C=C 。他们利用有机化学中的经典环氧化试剂「间氯过氧苯甲酸(metachloroperoxybenzoic acid, mCPBA)」作为脂质的双键衍生化反应试剂，并成功地利用传统串联质谱法来鉴定脂质分子 C=C 位置（如下图）。以单元不饱和、十八碳的脂肪酸(fatty acid)为例（简写为 FA 18:1），针对双键位于第九号碳(Δ9)、第十一号碳(Δ11)的两种异构物为例，经由 mCPBA在试管中进行环氧化后，送入质谱仪并利用 CID进行离子断片分析，可以精确鉴定到两者不同的双键位置。在这份研究中，他们进一步结合MELDI 于液相层析质谱(LC-MS)脂质体学分析与质谱影像(mass spectrometry imaging)，深入解析在生物体中的脂质及其异构物组成。
上述研究工作，近期已在线发表在《分析化学 (Analytical Chemistry) 》上。重要研究成果包含：（一）在人体血清及3T3-L1 脂肪细胞中，鑑定到超过 100 种脂质异构物（二）探究3T3-L1脂肪细胞的脂质生合成酵素1 (SCD1) 受到抑制后，如何重组脂肪异构物组成（三）在癌症转移的肺脏组织中，透过组织原位质谱影像，找到能区别癌化组织的脂质异构物。研究团队表示，未来他们将致力于推广MELDI 到全世界的质谱核心实验室，期望能够在脂质体学中，提供更高层次的结构分析资讯，有助于科学家深入瞭解生物脂质的代谢机制。
论文信息：T.-H. Kuo, H.-H. Chung, H.-Y. Chang, C.-W. Lin, M.-Y. Wang, T.-L. Shen and C.-C. Hsu, “Deep Lipidomics and Molecular Imaging of Unsaturated Lipid Isomers: A Universal Strategy Initiated by mCPBA Epoxidation”, Anal. Chem., 91, 11905-11915 (2019).
图一 利用 MELDI 解析脂质 C=C 双键位置示意图
