Development and application of next generation metabolome analysis technologies

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Transomic Analysis of Metabolic Adaptation
• Project/Area Number: 17H06304
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 馬場 健史 九州大学, 生体防御医学研究所, 教授 (10432444)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 山田 健一 九州大学, 薬学研究院, 教授 (60346806) ; 和泉 自泰 九州大学, 生体防御医学研究所, 准教授 (70622166) ; 相馬 悠希 九州大学, 生体防御医学研究所, 助教 (80781955)
• Project Period (FY): 2017-06-30 – 2022-03-31
• Keywords: メタボローム解析 / メタボロミクス / トランスオミクス / 代謝アダプテーション

Outline of Annual Research Achievements

本年度は，定量分析系の開発において，引き続きGC/MSにおける定量ライブラリの構築に取り組み，解析対象親水性代謝物の拡充を図るとともに，当該分析系を用いた実サンプルの分析を複数機関で実施し分析系の検証を行った．化合物ごとに再現性に差があることがわかり，今後の検討課題を抽出することができた（論文投稿準備中）．さらに，GC/MSで分析が困難な高親水性代謝物の分析系として，親水性相互作用/陰イオン交換クロマトグラフィータンデム質量分析 (HILIC/AEX/MS/MS) による親水性代謝物分析法の開発に取り組み，HILCとAEXによる分離を連続して行うことが可能で，幅広い成分を一斉分析可能な新規分析系の開発に成功した（特許出願．論文投稿準備中）．
また，定量解析用安定同位体ラベル化標準品およびMSプローブの開発においては，引き続き安定同位体ラベル化標準品の微生物におけるin vivo合成、および、無細胞系でのin vitro 合成に取り組むとともに，酸化脂質解析用プローブの開発に取り組んだ．酸化脂質解析用プローブの開発については，蛍光プローブを用いた脂質酸化ラジカル定量方法の開発成功し，各種酸化脂質の定量分析が可能になった（Y. Matsuoka Anal. Chem., 2020）．
また，定量メタボロームデータ解析手法の開発についても，実データを用いて解析アルゴリズム，ソフトウエアの開発に取り組んだ．SFC/MSにおける定量リピドーム解析用のライブラリならびに専用解析ソフトウエアの開発に取り組み，非常に複雑で時間のかかるデータ解析のスループットと精度を向上させることに成功した．
構築した分析法を用いて，領域内外の共同研究者と連携しながら分析系の検証および各種代謝アダプテーションに関する応用研究を実施した．

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

定量分析系の開発において，これまで分析が困難であった高親水性代謝物を含むこれまでにない幅広いカバレージを有する親水性相互作用/陰イオン交換クロマトグラフィータンデム質量分析分析系（HILIC/AEX/MS/MS）の開発に成功し，国際学会を含めて国内外から高い評価を受けている（特許出願．論文投稿準備中）．その他に，開発したGC/MSメタボローム解析用定量ライブラリやアミノ酸，有機酸，糖類，脂肪酸をターゲットした個別分析系については，他施設での比較検証実験に取り組み実用性を確認している．
また，定量解析用安定同位体ラベル化標準品調製技術の開発については，これまで非常に解析が困難であった酸化脂質の分析を可能にする蛍光ラベル試薬の開発に成功し，生体内の酸化脂質のプロファイリングができるようになり，国内外より非常に高い評価を受けている（Y. Matsuoka Anal. Chem., 2020）．
さらに，これまでに開発したメタボローム分析システムを用いて，領域内外との研究者と積極的に共同研究に取り組み，代謝アダプテーションに関する応用研究において，成果を挙げることができている．
上記のとおり，研究開発は当初の計画より進展している状況である．

Strategy for Future Research Activity

定量分析系の開発においては，引き続きHILIC/AEX/MS/MS分析系における対象親水性代謝物の拡充を図るともに，当該分析系を用いた実サンプルの測定を行い，必要に応じて分析系の改良，開発を実施する．また，GC/MSにおけるCCLD定量ライブラリの構築，SFC/MS分析系における定量リピドーム解析システムの開発にも同様に解析対象代謝物の拡充，実サンプルの測定を実施し，必要に応じて分析系の改良，開発についてもとり組む．さらに，生体サンプルを用いて構築した手法のバリデーションを行い，必要に応じて改良・最適化を実施する．
定量解析用安定同位体ラベル化標準品の調製においては，引き続き，安定同位体ラベル化標準品の微生物におけるin vivo合成，および，無細胞系でのin vitro 合成に取り組む．高標識化率安定同位体内部標準品群（Stable Isotope Labeled Internal Standard: SILIS）生産のための技術開発を進め，各種モデル生物を用いたin vivoでのSILIS合成では使用宿主を拡張するとともに，大腸菌を中心として合成代謝経路導入と代謝工学的宿主改変を適用することで野生型大腸菌に本来含まれない代謝物や，その他の宿主も含めて細胞内存在量の少ない代謝物を多く含有するSILIS生産基盤の構築に取り組む．微量成分の高感度化・絶対定量に向けたMSプローブの開発においては，特定官能基を有する化合物を対象としたプローブの開発等について取り組む．
定量メタボロームデータ解析手法の開発についても，実データを用いて解析システムの構築を進めるとともに，課題を解決するための技術開発に取り組む．
以上の次世代定量メタボローム分析法の開発を進めるとともに，現状の分析法を用いて，共同研究者と連携しながら各種代謝アダプテーション研究に精力的に取り組む．

Research Products

• [Journal Article] Metabolic effects of RUBCN/Rubicon deficiency in kidney proximal tubular epithelial cells (2020)
  • Author(s): Matsuda, J., Takahashi, A., Takabatake, Y., Sakai, S., Minami, S., Yamamoto, T., Fujimura, R., Namba-Hamano, T., Yonishi, H., Nakamura, J., Kimura, T., Kaimori, JY., Matsui, I., Takahashi, M., Nakao, M., Izumi, Y., Bamba, T., Matsusaka, T., Niimura, F., Yanagita, M., Yoshimori, T., Isaka, Y.
  • Journal Title: Autophagy Volume: 16 Pages: 1-16
  • DOI: 10.1080/15548627.2020.1712107
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Lipidomic analysis of cells and extracellular vesicles from high- and low-metastatic triple-negative breast cancer (2020)
  • Author(s): Nishida-Aoki, N., Izumi, Y., Takeda, H., Takahashi, M., Ochiya, T., Bamba, T.
  • Journal Title: Metabolites Volume: 10 (2) Pages: 67
  • DOI: 10.3390/metabo10020067
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Lipid profiling of serum and lipoprotein fractions in response to pitavastatin using an animal model of familial hypercholesterolemia (2020)
  • Author(s): Takeda, H., Izumi, Y., Tamura, S., Koike, T., Koike, Y., Shiomi, M., Bamba, T.
  • Journal Title: J. Proteome Res. Volume: 19 (3) Pages: 1100-1108
  • DOI: 10.1021/acs.jproteome.9b00602
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] An analytical system for single-cell metabolomics of typical mammalian cells based on highly sensitive nano-liquid chromatography tandem mass spectrometry (2020)
  • Author(s): Nakatani, K., Izumi, Y., Hata, K., Bamba, T.
  • Journal Title: Mass Spectrometry Volume: 9 (1) Pages: A0080
  • DOI: 10.5702/massspectrometry.A0080
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A shift in glutamine nitrogen metabolism contributes to the malignant progression of cancer (2020)
  • Author(s): Kodama, M., Oshikawa, K., Shimizu, H., Yoshioka, S., Takahashi, M., Izumi, Y., Bamba, T., Tateishi, C., Tomonaga, T., Matsumoto, M., Nakayama, KI.
  • Journal Title: Nat. Commun. Volume: 11 (1) Pages: 1320
  • DOI: 10.1038/s41467-020-15136-9
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Performance of small-domain monolithic silica columns in nano-liquid chromatography and comparison with commercial packed bed columns with 2 μm particles (2020)
  • Author(s): Hara, T., Izumi, Y., Hata, K., Baron, G, V., Bamba, T., Desmet, G.
  • Journal Title: J. Chromatogr. A Volume: 1616 Pages: 460804
  • DOI: 10.1016/j.chroma.2019.460804
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Identification of Plasma Inositol and Indoxyl Sulfate as Novel Biomarker Candidates for Atherosclerosis in Patients with Type 2 Diabetes. -Findings from Metabolome Analysis Using GC/MS (2020)
  • Author(s): Omori, K., Katakami, N., Arakawa, S., Yamamoto, Y., Ninomiya, H., Takahara, M., Matsuoka, TA., Tsugawa, H., Furuno, M., Bamba, T., Fukusaki, E., Shimomura, I.
  • Journal Title: J. Atheroscler. Thromb. Volume: - Pages: -
  • DOI: -
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Comparison of Retention Behavior between Supercritical Fluid Chromatography and Normal-Phase High-Performance Liquid Chromatography with Various Stationary Phases (2019)
  • Author(s): Hirose, T., Keck, D., Izumi, Y., Bamba, T.
  • Journal Title: Molecules Volume: 24 (13) Pages: 2425
  • DOI: 10.3390/molecules24132425
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Improved quantitation of lipid classes using supercritical fluid chromatography with a charged aerosol detector (2019)
  • Author(s): Takeda, H., Takahashi, M., Hara, T., Izumi, Y., Bamba, T.
  • Journal Title: J. Lipid Res. Volume: 60 (8) Pages: 1465-1474
  • DOI: 10.1194/jlr.D094516
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Inter-laboratory comparison of metabolite measurements for metabolomics data integration (2019)
  • Author(s): Izumi, Y., Matsuda, F., Hirayama, A., Ikeda, K., Kita, Y., Horie, K., Saigusa, D., Saito, K., Sawada, Y., Nakanishi, H., Okahashi, N., Takahashi, M., Nakao, M., Hata, K., Hoshi, Y., Morihara, M., Tanabe, K., Bamba, T., Oda, Y.
  • Journal Title: Metabolites Volume: 9 (11) Pages: 257
  • DOI: 10.3390/metabo9110257
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Development of polar metabolite profiling method by supercritical fluid chromatography/mass spectrometry (2020)
  • Author(s): Yutaka Konya, Yoshihiro Izumi, Takeshi Bamba
  • Organizer: AOMSC 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Single-run comprehensive hydrophilic metabolome analysis by unified hydrophilic-interaction/anion-exchange liquid chromatography mass spectrometry (2020)
  • Author(s): Kohta Nakatani, Yoshihiro Izumi, Masatomo Takahashi, Keita Sakurai, Michio Butsugan, Takeshi Bamba
  • Organizer: AOMSC 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] SFCの未来 (2020)
  • Author(s): 馬場健史
  • Organizer: Nexera UC Prep発売記念セミナー
  • Invited
• [Presentation] SFCによる揮発性成分の分析 (2020)
  • Author(s): 藤戸由佳, 早川禎宏, 馬場健史
  • Organizer: 第5回 食品SFC懇談会
  • Invited
• [Presentation] SFCによる揮発性成分の分析 (2020)
  • Author(s): 藤戸由佳, 早川禎宏, 馬場健史
  • Organizer: 第20回 SFC研究会
  • Invited
• [Presentation] Development of single-cell molecular phenotyping technologies based on mass spectrometry (2020)
  • Author(s): Takeshi Bamba
  • Organizer: The 29th Hot Spring Harbor International Symposium
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 脂質由来ラジカル種の構造解析法 (2019)
  • Author(s): 松岡悠太, 和泉自泰, 高橋政友, 馬場健史, 山田健一
  • Organizer: 第67回 質量分析総合討論会
• [Presentation] 新規スプリットフロー法を用いた実用SFE-SFC/MSシステムの開発 (2019)
  • Author(s): 酒井美穂, 早川禎宏, 舟田康裕, 安藤孝, 福崎英一郞, 馬場健史
  • Organizer: 第67回 質量分析総合討論会
• [Presentation] 超臨界流体クロマトグラフィー三連四重極型質量分析によるワイドターゲット定量リピドーム分析法の開発 (2019)
  • Author(s): 高橋政友, 竹田浩章, 和泉自泰, 馬場健史
  • Organizer: 第67回 質量分析総合討論会
• [Presentation] 親水性相互作用/陰イオン交換クロマトグラフィータンデム質量分析による次世代メタボローム分析法の開発 (2019)
  • Author(s): 中谷航太, 和泉自泰, 高橋政友, 櫻井恵太, 佛願道男, 馬場健史
  • Organizer: 第67回 質量分析総合討論会
• [Presentation] Metabolic profiling by supercritical fluid extraction and separation (2019)
  • Author(s): Takeshi Bamba
  • Organizer: SFC/SFE China 2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Highly Accurate Detection and Identification Methodology of Xenobiotic Metabolites Using Stable Isotope Labeling, LC/HRMS/MS Analysis, and Data Mining Techniques (2019)
  • Author(s): Masatomo Takahashi, Yoshihiro Izumi, Fukumatsu Iwahashi, Yasumune Nakayama, Mitsuhiko Iwakoshi, Motonoa Nakao, Seiji Yamato, Eiichiro Fukusaki, Takeshi Bamba
  • Organizer: 67th ASMS Conference on Mass Spectrometry and Allied Topics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Liquid-Chromatography coupled to Tandem Mass Spectrometry for 28 Bile Acids Profiling in Serum or Liver Samples (2019)
  • Author(s): Yoshihiro Izumi, Mikael Levi, Jun Watanabe, Takeshi Bamba
  • Organizer: 67th ASMS Conference on Mass Spectrometry and Allied Topics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A Novel Mass Spectrometry-Based Analytical System for Single-Cell Proteomics and Metabolomics in Mammalian Cells (2019)
  • Author(s): Yoshihiro Izumi, Kousuke Hata, Kohta Nakatani, Takeshi Hara, Shohei Yamamura, Masaki Matsumoto, Takeshi Bamba
  • Organizer: 67th ASMS Conference on Mass Spectrometry and Allied Topics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Large-Scale Metabolomic Analysis of Hydrophilic Metabolites Using Hydrophilic Interaction Liquid Chromatography Tandem Mass Spectrometry with a Novel Polymer-Based Amino Column (2019)
  • Author(s): Kohta Nakatani, Yoshihiro Izumi, Masatomo Takahashi, Keita Sakurai, Michio Butsugan, Takeshi Bamba
  • Organizer: 67th ASMS Conference on Mass Spectrometry and Allied Topics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Lipidomic analysis for the prediction of cholesterol efflux capacity and atherosclerotic cardiovascular disease (2019)
  • Author(s): Masatsune Ogura, Hiroaki Takeda, Yoshihiro Izumi, Mika Hori, Kota Matsuki, Masashi Yamamoto, Takeshi Bamba, Mariko Harada-Shiba
  • Organizer: 60th International Conference on the Bioscience of Lipids
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Novel analytical method for global metabolomic analysis by hydrophilic interaction/anion-exchange liquid chromatography tandem mass spectrometry (2019)
  • Author(s): Kohta Nakatani, Yoshihiro Izumi, Masatomo Takahashi, Keita Sakurai, Michio Butsugan, Takeshi Bamba
  • Organizer: 15th Annual Conference of the Metabolomics Society (Metabolomics 2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] シングルセル分子フェノタイプ解析に向けた基盤技術の創生 (2019)
  • Author(s): 和泉自泰, 松本雅記, 山村昌平, 馬場健史
  • Organizer: 日本プロテオーム学会2019年大会 第70回日本電気泳動学会総会
  • Invited
• [Presentation] 次世代メタボローム分析法：親水性相互作用/陰イオン交換クロマトグラフィータンデム質量分析の開発 (2019)
  • Author(s): 中谷航太, 和泉自泰, 高橋政友, 櫻井恵太, 佛願道男, 馬場健史
  • Organizer: 日本プロテオーム学会2019年大会 第70回日本電気泳動学会総会
• [Presentation] 1細胞マルチ分子フェノタイピング技術の開発 (2019)
  • Author(s): 馬場健史, 和泉自泰
  • Organizer: 京都バイオ計測センター・京都大学ナノハブ拠点連携シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] 超臨界流体クロマトグラフィーの基礎 (2019)
  • Author(s): 馬場健史
  • Organizer: 第19回 SFC研究会
  • Invited
• [Presentation] Basic Understanding SFC and SFE (2019)
  • Author(s): Takeshi Bamba
  • Organizer: Food Analysis Workshop 2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Development of metabolomics technologies by using SFC and SFE (2019)
  • Author(s): Takeshi Bamba
  • Organizer: Food Analysis Workshop 2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 超臨界流体の利用によって広がる新たな分離分析技術の可能性 (2019)
  • Author(s): 馬場健史
  • Organizer: JASIS 2019
• [Presentation] 質量分析を基盤としたシングルセル分子フェノタイプ解析 (2019)
  • Author(s): 和泉自泰, 馬場健史
  • Organizer: 第71回 日本生物工学会大会
  • Invited
• [Presentation] 親水性相互作用/陰イオン交換クロマトグラフィータンデム質量分析による親水性代謝物の一斉分析法の開発 (2019)
  • Author(s): 中谷航太, 和泉自泰, 高橋政友, 櫻井恵太, 佛願道男, 馬場健史
  • Organizer: 第71回 日本生物工学会大会
• [Presentation] 次世代定量メタボローム解析に資する安定同位体標識内部標準品群調製法の開発 (2019)
  • Author(s): 相馬悠希, 藤原由梨, 高橋政友, 後藤麻衣子, 下平武彦, 池田明夏里, 寺内勉, 和泉自泰, 馬場健史
  • Organizer: 第71回 日本生物工学会大会
• [Presentation] 1細胞分子フェノタイプ解析に向けた基盤技術の創生 (2019)
  • Author(s): 和泉自泰, 馬場健史
  • Organizer: Single Cellome Co-Innovators’Consortium 第1回 オープンフォーラム
  • Invited
• [Presentation] Development of next generation metabolome analytical technologies for trans-omics (2019)
  • Author(s): Takeshi Bamba
  • Organizer: The 57th Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Development of polar metabolite profiling method by supercritical fluid chromatography/mass spectrometry (2019)
  • Author(s): Yutaka Konya, Yoshihiro Izumi, Takeshi Bamba
  • Organizer: SFC 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Unified HILIC/AEX/MS/MSによる新規メタボローム分析法の開発 (2019)
  • Author(s): 和泉自泰, 中谷航太, 櫻井恵太, 佛願道男, 馬場健史
  • Organizer: 第13回 メタボロームシンポジウム
• [Presentation] トランスオミクスに向けた定量メタボローム分析技術の開発 (2019)
  • Author(s): 馬場健史
  • Organizer: 第180回 東京脂質談話会
  • Invited
• [Presentation] 最新の分離分析技術とその有効括用－分析をうまく使いこなすためには－ (2019)
  • Author(s): 馬場健史
  • Organizer: 株式会社久留米科学機器 新技術説明会
  • Invited
• [Presentation] メタボロミクスの技術 (2019)
  • Author(s): 馬場健史
  • Organizer: 第44回 質量分析講習会
  • Invited
• [Presentation] 超臨界流体を用いた脂質プロファイリング (2019)
  • Author(s): 馬場健史
  • Organizer: 第19回 基準油脂分析試験法セミナー
  • Invited
• [Presentation] Development of metabolic profiling methodologies by supercritical fluid technologies (2019)
  • Author(s): Takeshi Bamba
  • Organizer: Okinawa Analytical Instrument Network Meeting 2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Exploring column performance of monolithic silica capillary columns and its application in nano-LC (2019)
  • Author(s): Takeshi Hara, Kosuke Hata, Yoshihiro Izumi, Gino.V. Baron, Takeshi Bamba and Gert Desmet
  • Organizer: HPLC 2019 Kyoto
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] これからはじめるメタボロミクス～メタボロミクス解析を有効活用するためには (2019)
  • Author(s): 馬場健史
  • Organizer: 第42回 日本分子生物学会
  • Invited
• [Presentation] Development of single-cell molecular phenotyping technologies based on mass spectrometry. (2019)
  • Author(s): Takeshi Bamba
  • Organizer: 第42回 日本分子生物学会
  • Invited
• [Presentation] Unified HILIC/AEX/MS/MSによる次世代メタボローム分析法の開発 (2019)
  • Author(s): 和泉自泰, 中谷航太, 高橋政友, 櫻井恵太, 佛願道男, 馬場健史
  • Organizer: 第30回 クロマトグラフィー科学会議
• [Book] 脂質解析ハンドブック～脂質分子の正しい理解と取扱い・データ取得の技術 (2019)
  • Author(s): 池田和貴, 馬場健史
  • Total Pages: 310
  • Publisher: 羊土社
  • ISBN: 978-4-7581-2241-2
• [Patent(Industrial Property Rights)] 質量分析用標識組成物、代謝物の定量分析法、及び代謝物の動態解析法 (2019)
  • Inventor(s): 脇村明夏里, 寺内勉, 馬場健史, 和泉自泰, 他4名
  • Industrial Property Rights Holder: 脇村明夏里, 寺内勉, 馬場健史, 和泉自泰, 他4名
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 特願2019-090121
• [Patent(Industrial Property Rights)] メタボローム分析用分離材及びメタボローム分析用カラム (2019)
  • Inventor(s): 櫻井惠太, 佛願道男, 馬場健史, 和泉自泰, 中谷航太
  • Industrial Property Rights Holder: 櫻井惠太, 佛願道男, 馬場健史, 和泉自泰, 中谷航太
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: PCT/JP2019/043995
  • Overseas