次世代メタボローム解析技術開発と応用

2019 年度 実績報告書

• 研究領域: 代謝アダプテーションのトランスオミクス解析
• 研究課題/領域番号: 17H06304
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 馬場 健史 九州大学, 生体防御医学研究所, 教授 (10432444)
• 研究分担者: 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)
• 研究期間 (年度): 2017-06-30 – 2022-03-31
• キーワード: 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

研究実績の概要

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．

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

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．

今後の研究の推進方策

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．

研究成果

• [雑誌論文] Metabolic effects of RUBCN/Rubicon deficiency in kidney proximal tubular epithelial cells (2020)
  • 著者名/発表者名: 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.
  • 雑誌名: Autophagy 巻: 16 ページ: 1-16
  • DOI: 10.1080/15548627.2020.1712107
  • 査読あり
• [雑誌論文] Lipidomic analysis of cells and extracellular vesicles from high- and low-metastatic triple-negative breast cancer (2020)
  • 著者名/発表者名: Nishida-Aoki, N., Izumi, Y., Takeda, H., Takahashi, M., Ochiya, T., Bamba, T.
  • 雑誌名: Metabolites 巻: 10 (2) ページ: 67
  • DOI: 10.3390/metabo10020067
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Lipid profiling of serum and lipoprotein fractions in response to pitavastatin using an animal model of familial hypercholesterolemia (2020)
  • 著者名/発表者名: Takeda, H., Izumi, Y., Tamura, S., Koike, T., Koike, Y., Shiomi, M., Bamba, T.
  • 雑誌名: J. Proteome Res. 巻: 19 (3) ページ: 1100-1108
  • DOI: 10.1021/acs.jproteome.9b00602
  • 査読あり
• [雑誌論文] An analytical system for single-cell metabolomics of typical mammalian cells based on highly sensitive nano-liquid chromatography tandem mass spectrometry (2020)
  • 著者名/発表者名: Nakatani, K., Izumi, Y., Hata, K., Bamba, T.
  • 雑誌名: Mass Spectrometry 巻: 9 (1) ページ: A0080
  • DOI: 10.5702/massspectrometry.A0080
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A shift in glutamine nitrogen metabolism contributes to the malignant progression of cancer (2020)
  • 著者名/発表者名: Kodama, M., Oshikawa, K., Shimizu, H., Yoshioka, S., Takahashi, M., Izumi, Y., Bamba, T., Tateishi, C., Tomonaga, T., Matsumoto, M., Nakayama, KI.
  • 雑誌名: Nat. Commun. 巻: 11 (1) ページ: 1320
  • DOI: 10.1038/s41467-020-15136-9
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Performance of small-domain monolithic silica columns in nano-liquid chromatography and comparison with commercial packed bed columns with 2 μm particles (2020)
  • 著者名/発表者名: Hara, T., Izumi, Y., Hata, K., Baron, G, V., Bamba, T., Desmet, G.
  • 雑誌名: J. Chromatogr. A 巻: 1616 ページ: 460804
  • DOI: 10.1016/j.chroma.2019.460804
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] 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)
  • 著者名/発表者名: Omori, K., Katakami, N., Arakawa, S., Yamamoto, Y., Ninomiya, H., Takahara, M., Matsuoka, TA., Tsugawa, H., Furuno, M., Bamba, T., Fukusaki, E., Shimomura, I.
  • 雑誌名: J. Atheroscler. Thromb. 巻: - ページ: -
  • DOI: -
  • 査読あり
• [雑誌論文] Comparison of Retention Behavior between Supercritical Fluid Chromatography and Normal-Phase High-Performance Liquid Chromatography with Various Stationary Phases (2019)
  • 著者名/発表者名: Hirose, T., Keck, D., Izumi, Y., Bamba, T.
  • 雑誌名: Molecules 巻: 24 (13) ページ: 2425
  • DOI: 10.3390/molecules24132425
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Improved quantitation of lipid classes using supercritical fluid chromatography with a charged aerosol detector (2019)
  • 著者名/発表者名: Takeda, H., Takahashi, M., Hara, T., Izumi, Y., Bamba, T.
  • 雑誌名: J. Lipid Res. 巻: 60 (8) ページ: 1465-1474
  • DOI: 10.1194/jlr.D094516
  • 査読あり
• [雑誌論文] Inter-laboratory comparison of metabolite measurements for metabolomics data integration (2019)
  • 著者名/発表者名: 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.
  • 雑誌名: Metabolites 巻: 9 (11) ページ: 257
  • DOI: 10.3390/metabo9110257
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Development of polar metabolite profiling method by supercritical fluid chromatography/mass spectrometry (2020)
  • 著者名/発表者名: Yutaka Konya, Yoshihiro Izumi, Takeshi Bamba
  • 学会等名: AOMSC 2020
  • 国際学会
• [学会発表] Single-run comprehensive hydrophilic metabolome analysis by unified hydrophilic-interaction/anion-exchange liquid chromatography mass spectrometry (2020)
  • 著者名/発表者名: Kohta Nakatani, Yoshihiro Izumi, Masatomo Takahashi, Keita Sakurai, Michio Butsugan, Takeshi Bamba
  • 学会等名: AOMSC 2020
  • 国際学会
• [学会発表] SFCの未来 (2020)
  • 著者名/発表者名: 馬場健史
  • 学会等名: Nexera UC Prep発売記念セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] SFCによる揮発性成分の分析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 藤戸由佳, 早川禎宏, 馬場健史
  • 学会等名: 第5回 食品SFC懇談会
  • 招待講演
• [学会発表] SFCによる揮発性成分の分析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 藤戸由佳, 早川禎宏, 馬場健史
  • 学会等名: 第20回 SFC研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Development of single-cell molecular phenotyping technologies based on mass spectrometry (2020)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Bamba
  • 学会等名: The 29th Hot Spring Harbor International Symposium
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 脂質由来ラジカル種の構造解析法 (2019)
  • 著者名/発表者名: 松岡悠太, 和泉自泰, 高橋政友, 馬場健史, 山田健一
  • 学会等名: 第67回 質量分析総合討論会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 酒井美穂, 早川禎宏, 舟田康裕, 安藤孝, 福崎英一郞, 馬場健史
  • 学会等名: 第67回 質量分析総合討論会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 高橋政友, 竹田浩章, 和泉自泰, 馬場健史
  • 学会等名: 第67回 質量分析総合討論会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 中谷航太, 和泉自泰, 高橋政友, 櫻井恵太, 佛願道男, 馬場健史
  • 学会等名: 第67回 質量分析総合討論会
• [学会発表] Metabolic profiling by supercritical fluid extraction and separation (2019)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Bamba
  • 学会等名: SFC/SFE China 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Highly Accurate Detection and Identification Methodology of Xenobiotic Metabolites Using Stable Isotope Labeling, LC/HRMS/MS Analysis, and Data Mining Techniques (2019)
  • 著者名/発表者名: Masatomo Takahashi, Yoshihiro Izumi, Fukumatsu Iwahashi, Yasumune Nakayama, Mitsuhiko Iwakoshi, Motonoa Nakao, Seiji Yamato, Eiichiro Fukusaki, Takeshi Bamba
  • 学会等名: 67th ASMS Conference on Mass Spectrometry and Allied Topics
  • 国際学会
• [学会発表] Liquid-Chromatography coupled to Tandem Mass Spectrometry for 28 Bile Acids Profiling in Serum or Liver Samples (2019)
  • 著者名/発表者名: Yoshihiro Izumi, Mikael Levi, Jun Watanabe, Takeshi Bamba
  • 学会等名: 67th ASMS Conference on Mass Spectrometry and Allied Topics
  • 国際学会
• [学会発表] A Novel Mass Spectrometry-Based Analytical System for Single-Cell Proteomics and Metabolomics in Mammalian Cells (2019)
  • 著者名/発表者名: Yoshihiro Izumi, Kousuke Hata, Kohta Nakatani, Takeshi Hara, Shohei Yamamura, Masaki Matsumoto, Takeshi Bamba
  • 学会等名: 67th ASMS Conference on Mass Spectrometry and Allied Topics
  • 国際学会
• [学会発表] Large-Scale Metabolomic Analysis of Hydrophilic Metabolites Using Hydrophilic Interaction Liquid Chromatography Tandem Mass Spectrometry with a Novel Polymer-Based Amino Column (2019)
  • 著者名/発表者名: Kohta Nakatani, Yoshihiro Izumi, Masatomo Takahashi, Keita Sakurai, Michio Butsugan, Takeshi Bamba
  • 学会等名: 67th ASMS Conference on Mass Spectrometry and Allied Topics
  • 国際学会
• [学会発表] Lipidomic analysis for the prediction of cholesterol efflux capacity and atherosclerotic cardiovascular disease (2019)
  • 著者名/発表者名: Masatsune Ogura, Hiroaki Takeda, Yoshihiro Izumi, Mika Hori, Kota Matsuki, Masashi Yamamoto, Takeshi Bamba, Mariko Harada-Shiba
  • 学会等名: 60th International Conference on the Bioscience of Lipids
  • 国際学会
• [学会発表] Novel analytical method for global metabolomic analysis by hydrophilic interaction/anion-exchange liquid chromatography tandem mass spectrometry (2019)
  • 著者名/発表者名: Kohta Nakatani, Yoshihiro Izumi, Masatomo Takahashi, Keita Sakurai, Michio Butsugan, Takeshi Bamba
  • 学会等名: 15th Annual Conference of the Metabolomics Society (Metabolomics 2019)
  • 国際学会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 和泉自泰, 松本雅記, 山村昌平, 馬場健史
  • 学会等名: 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
  • 招待講演
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 中谷航太, 和泉自泰, 高橋政友, 櫻井恵太, 佛願道男, 馬場健史
  • 学会等名: 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
• [学会発表] 1細胞マルチ分子フェノタイピング技術の開発 (2019)
  • 著者名/発表者名: 馬場健史, 和泉自泰
  • 学会等名: 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
  • 招待講演
• [学会発表] 超臨界流体クロマトグラフィーの基礎 (2019)
  • 著者名/発表者名: 馬場健史
  • 学会等名: 第19回 SFC研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Basic Understanding SFC and SFE (2019)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Bamba
  • 学会等名: Food Analysis Workshop 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Development of metabolomics technologies by using SFC and SFE (2019)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Bamba
  • 学会等名: Food Analysis Workshop 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 馬場健史
  • 学会等名: JASIS 2019
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 和泉自泰, 馬場健史
  • 学会等名: 第71回 日本生物工学会大会
  • 招待講演
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 中谷航太, 和泉自泰, 高橋政友, 櫻井恵太, 佛願道男, 馬場健史
  • 学会等名: 第71回 日本生物工学会大会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 第71回 日本生物工学会大会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 和泉自泰, 馬場健史
  • 学会等名: Single Cellome Co-Innovators’Consortium 第1回 オープンフォーラム
  • 招待講演
• [学会発表] Development of next generation metabolome analytical technologies for trans-omics (2019)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Bamba
  • 学会等名: The 57th Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Development of polar metabolite profiling method by supercritical fluid chromatography/mass spectrometry (2019)
  • 著者名/発表者名: Yutaka Konya, Yoshihiro Izumi, Takeshi Bamba
  • 学会等名: SFC 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Unified HILIC/AEX/MS/MSによる新規メタボローム分析法の開発 (2019)
  • 著者名/発表者名: 和泉自泰, 中谷航太, 櫻井恵太, 佛願道男, 馬場健史
  • 学会等名: 第13回 メタボロームシンポジウム
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 馬場健史
  • 学会等名: 第180回 東京脂質談話会
  • 招待講演
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 馬場健史
  • 学会等名: 株式会社久留米科学機器 新技術説明会
  • 招待講演
• [学会発表] メタボロミクスの技術 (2019)
  • 著者名/発表者名: 馬場健史
  • 学会等名: 第44回 質量分析講習会
  • 招待講演
• [学会発表] 超臨界流体を用いた脂質プロファイリング (2019)
  • 著者名/発表者名: 馬場健史
  • 学会等名: 第19回 基準油脂分析試験法セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] Development of metabolic profiling methodologies by supercritical fluid technologies (2019)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Bamba
  • 学会等名: Okinawa Analytical Instrument Network Meeting 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Exploring column performance of monolithic silica capillary columns and its application in nano-LC (2019)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Hara, Kosuke Hata, Yoshihiro Izumi, Gino.V. Baron, Takeshi Bamba and Gert Desmet
  • 学会等名: HPLC 2019 Kyoto
  • 国際学会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 馬場健史
  • 学会等名: 第42回 日本分子生物学会
  • 招待講演
• [学会発表] Development of single-cell molecular phenotyping technologies based on mass spectrometry. (2019)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Bamba
  • 学会等名: 第42回 日本分子生物学会
  • 招待講演
• [学会発表] Unified HILIC/AEX/MS/MSによる次世代メタボローム分析法の開発 (2019)
  • 著者名/発表者名: 和泉自泰, 中谷航太, 高橋政友, 櫻井恵太, 佛願道男, 馬場健史
  • 学会等名: 第30回 クロマトグラフィー科学会議
• [図書] 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)
  • 著者名/発表者名: 池田和貴, 馬場健史
  • 総ページ数: 310
  • 出版者: 羊土社
  • ISBN: 978-4-7581-2241-2
• [産業財産権] 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)
  • 発明者名: 脇村明夏里, 寺内勉, 馬場健史, 和泉自泰, 他4名
  • 権利者名: 脇村明夏里, 寺内勉, 馬場健史, 和泉自泰, 他4名
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特願2019-090121
• [産業財産権] 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)
  • 発明者名: 櫻井惠太, 佛願道男, 馬場健史, 和泉自泰, 中谷航太
  • 権利者名: 櫻井惠太, 佛願道男, 馬場健史, 和泉自泰, 中谷航太
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: PCT/JP2019/043995
  • 外国