代谢组学研究作为系统生物学研究的重要组成部分，可通过对生物体系（如细胞、组织、体液或生物体）在特定条件下的所有小分子代谢产物进行定性和定量分析，来反映生物体系的实时生理和病理状态。同时代谢组学能够提供关于生物体内代谢活动的综合信息，这些信息对于揭示生物学过程和病理状态至关重要。因为代谢物数量相对较少，易于确证，便于后续分析，使得代谢组学成为能够直接反映生物体表型的研究领域之一。并且随着现代化、高自动化技术的发展，越来越多的研究者开始关注以细胞为对象的代谢组学研究。

Part 01.

代谢组质谱检测介绍

代谢组学技术检测和分析生物样本中低分子量代谢物。代谢物的水平会随着外部刺激而变化。检测代谢物随时间的变化可以提供健康和患病的生理状况的指示。代谢组学能够同时分析数千种代谢物，显著高于比目前传统实验室技术所能达到的数量，因此它被广泛用于研究动植物生物学中的复杂生理过程。与基因组和蛋白质组工作流程相比，代谢组学工作流相对繁杂，因为没有一种技术能用于分析所有的代谢组。具有不同物理化学性质的分子、不同类别代谢物涉及用不同工作流程处理（例如极性与非极性）。同时，在样品制备过程中，由于残留的酶活性，代谢物水平可能发生变化。往往需要使用低温和有机溶剂按照严格的方案提取代谢物。随着代谢组学国际质量保证/质量控制 （QA/QC） 实践的发展，在提取样品时需要制备不同类型的 QC 样品。数千样品的大规模代谢组学研究则需要满足重复性要求。

Part 02.

行业痛点-质谱样本的前处理

代谢组学样本前处理是代谢组学研究中非常关键的一步，它直接影响到质谱检测结果的准确性和可靠性。质谱样品前处理的目的是去除样品中的干扰物质，特别是会影响质谱结果的物质。未经过恰当前处理的样品直接上机，可能导致质谱仪器的污染、信号抑制或增强，影响分析结果准确性。

样品前处理包括多个阶段：样品的采集、保存、目标物提取、纯化和衍生化等等。前处理技术路线的选择取决于样品类型、目标分析物的性质以及质谱分析的具体要求。每个阶段都需要根据待测物物性和特征进行考量，应用恰当的实验方法避免样品降解、损失或污染。例如，在提取目标物过程中，选择合适的溶剂和萃取方法，最大限度提取目标分析物，最小化基质干扰。随着质谱技术的发展，样品前处理也在不断进步。

Part 03.

非靶向代谢组样本前处理技术

现代样本前处理技术包括固相微萃取（SPME）、固相萃取（SPE）、液液萃取（LLE）、蛋白质沉淀、超滤等等。近年，大批量样本分析、高通量多维度的组学数据采集和分析，数据可溯源性和稳定性的需要，对样本前处理提出了高通量、自动化的更高需求。例如在多组学研究中，结合基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学等不同组学技术，通过集成多种功能和分析模块的自动化平台对样本进行前处理、分离、检测和基于AI的数据分析，以实现对生物体全面的信息剖析，帮助理解复杂的生物学现象和推动精准医疗发展。

Part 04.

贝克曼库尔特生命科学自动化方案

高通量样本处理平台（Throughput Pretreatment，TP）用于准确快速地对样品和试剂进行高通量移液，可处理的体积范围从微升到毫升。同时具备可拓展性，可以作为自动化整合系统核心灵活集成第三方设备实现高度自动化。贝克曼库尔特公司提供的高通量样本处理平台样本前处理自动化系统通过标准化操作、提高通量、减少人为错误、实时监控、数据采集和追踪、提高数据处理准确性、提升方法开发的灵活性和适应性，以及减少样本消耗等多方面作用，显著提高了数据的准确性和重复性。

超高通量前处理与分析平台（Ultrahigh Throughput Pretreatment and Analysis，UTPA）该平台技术结合了自动化装备及声波激发耦合质谱系统（ADE-OPI-MS，Acoustic Droplet Ejection-Open Port Interface-Mass Spectrum）两个模块，将样品前处理及样品检测的速度大幅提升。模块A使用Beckman自动化工作站，包含了耗材堆栈、液体处理工作站、正压过滤模块，低温高速离心机，通过机械臂实现内部串联；模块B使用SCIEX Echo® MS，包含了声波激发系统、OPI系统和OptiFlow电喷雾离子源的三重四级杆质谱系统。

Part 05.

结果展示：案例一

这项研究作者开发了一个自动化样本制备和分析工作流程，用于在96孔微孔板中培养的HepaRG细胞的体外代谢组学，使用Biomek i7液体工作站（Beckman Coulter）和Orbitrap Elite（Thermo Scientific）高分辨率纳米电喷雾注射质谱（nESI-DIMS），覆盖极性代谢物和脂质。通过评估实验条件，如代谢物提取的天数、96孔微孔板中样本提取的顺序、微孔板在仪器托盘上的位置和微孔板内孔位的位置，使用谱图特征的中位数相对标准偏差（mRSD）来证明工作流程的可重复性（最终mRSD <30%）。为了进一步提高自动化工作流程的质量，进行了小的方法优化，并应用于一个大样本队列研究（4860个样本注入物跨三个nESI-DIMS分析），证实了从细胞培养到代谢物测量的整个工作流程的非常高的可重复性，同时显著提高了样本通量。预计自动化的体外代谢组学工作流程将有助于推进代谢组学在化学安全中的应用，主要是作为高通量筛选和优先排序的方法。展示了在大型队列研究中应用优化后的工作流程，证明了平台的高通量和可重复性。

Part 06.

结果展示：案例二

这项研究使用了牛肉提取物粉末（Sigma B4888）和羔羊肾脏分数作为样本材料。牛肉提取物粉末样本分为6批，每批12个重复样本，在两天内处理完成。羔羊肾脏样本为1批，包含14个重复样本，用于测试组织样本的提取工作流程。该实验旨在通过自动化工作流程处理不同类型的样本，并通过随机化样本位置、包含空白样本、以及使用不同的色谱-质谱方法来分析极性和非极性分数，最终通过PCA来评估批次效应，以确保工作流程的可重复性。

Part 07.

优势总结

综上，小贝为您总结了自动化代谢组样本前处理的优势：

参考文献：

1.Semi-automated extraction of cell and tissue samples for multi-omic analysis using the Biomek i7 Hybrid Workstation.

2. Automated Sample Preparation and Data Collection Workflow for High-Throughput In Vitro Metabolomics. metabolites 2022, 12, 52.

3.Zhidan Zhang, Chao Zhang, Xu Zhang, Jiuzhou Chen, Ningyun Cai, Shasha Zhong, Zhibo Han, Yan Zhu, Ping Zheng, Jibin Sun, Changxiao Li. Automated and integrated ultrahigh throughput industrial strain screening enabled by acoustic-droplet-ejection mass spectrometry, Journal of Pharmaceutical Analysis, 2024.

4. Casey W Coutelin Johnson et al. Fully Automated Peptide Desalting for Liquid Chromatography–Tandem Mass Spectrometry Analysis Using Beckman Coulter Biomek i7 Hybrid Workstation.Beckman Coulter Life Sciences.