Development of 1H-NMR Serum Profiling Methods for High-Throughput Metabolomics

Author

Barrilero Regadera, Rubén

Director

Correig i Blanchar, F. Xavier

Date of defense

2017-11-27

Pages

135 p.



Department/Institute

Universitat Rovira i Virgili. Departament d'Enginyeria Electrònica, Elèctrica i Automàtica

Abstract

El perfilat de sèrum per ressonància magnètica nuclear de protó (1H-RMN) està especialment indicat per a anàlisi a gran escala en estudis epidemiològics, nutricionals o farmacològics. L’espectroscòpia 1H-RMN requereix mínima manipulació de mostra i gràcies a la seva resposta quantitativa permet la comparació directa entre laboratoris. Un perfilat complet de sèrum per 1H-RMN requereix de tres mesures que es corresponen amb tres espècies moleculars diferents: lipoproteïnes, metabòlits de baix pes molecular i lípids. El perfilat de sèrum per 1H-RMN permet obtenir informació de grandària, nombre de partícules i contingut lipídic de les subfraccions lipoproteiques, així com l'abundància d'aminoàcids, productes de la glicòlisi, cossos cetònics, àcids grassos i fosfolípids, entre d'altres. No obstant això, la complexitat espectral afavoreix la inclusió d'errors en l'anàlisi manual de les dades, mentre que les múltiples interaccions moleculars en el sèrum comprometen la seva precisió quantitativa. És per tant necessari desenvolupar mètodes robustos de perfilat metabòlic per consolidar la 1H-RMN en la pràctica clínica. Per a això, aquesta tesi presenta diverses estratègies metodològiques i computacionals. En el primer treball, es van desenvolupar mètodes de regressió dels lípids del perfil lipídic clàssic, generalitzables a mostres de població sana i amb valors de lípids i lipoproteïnes anormals. Aquests lípids representen els principals indicadors de risc cardiovascular i els objectius terapèutics primaris. En el segon estudi caracteritzem els errors de quantificació en el perfilat 1H-RMN de metabòlits clínicament rellevants, que són deguts a la seva agregació a la proteïna sanguínia. També proposem un mètode que fomenta la competició per l'agregació i que ens permet obtenir quantificacions dels nostres metabòlits properes a les absolutes. Finalment, el tercer treball presenta LipSpin: una eina bioinformàtica de codi obert específicament dissenyada per al perfilat de lípids per 1H-RMN. A més, aquest estudi exposa alguns aspectes metodològics per millorar l'anàlisi de lípids per RMN.


El perfilado de suero por resonancia magnética nuclear de protón (1H-RMN) está especialmente indicado para el análisis a gran escala en estudios epidemiológicos, nutricionales o farmacológicos. La espectroscopía 1H-RMN requiere mínima manipulación de muestra y gracias a su respuesta cuantitativa permite la comparación directa entre laboratorios. Un perfilado completo de suero por 1H-RMN requiere de tres mediciones que se corresponden con tres especies moleculares distintas: lipoproteínas, metabolitos de bajo peso molecular y lípidos. El perfilado de suero por 1H-RMN permite obtener información de tamaño, número de partículas y contenido lipídico de las subfracciones lipoproteicas, así como la abundancia de aminoácidos, productos de la glicólisis, cuerpos cetónicos, ácidos grasos y fosfolípidos, entre otros. Sin embargo, la complejidad espectral favorece la inclusión de errores en el análisis manual de los datos, mientras que las múltiples interacciones moleculares en el suero comprometen su precisión cuantitativa. Es por tanto necesario desarrollar métodos robustos de perfilado metabólico para consolidar la 1H-RMN en la práctica clínica. Para ello, esta tesis presenta varias estrategias metodológicas y computacionales. En el primer trabajo, se desarrollaron métodos de regresión de los lípidos del perfil lipídico clásico, generalizables a muestras de población sana y con valores de lípidos y lipoproteínas anormales. Estos lípidos representan los principales indicadores de riesgo cardiovascular y los objetivos terapéuticos primarios. En el segundo estudio caracterizamos los errores de cuantificación en el perfilado 1H-RMN de metabolitos clínicamente relevantes, que son debidos a su agregación a la proteína sanguínea. También proponemos un método que fomenta la competición por la agregación y que nos permite obtener cuantificaciones de nuestros metabolitos cercanas a las absolutas. Por último, el tercer trabajo presenta LipSpin: una herramienta bioinformática de código abierto específicamente diseñada para el perfilado de lípidos por 1H-RMN. Además, este estudio expone algunos aspectos metodológicos para mejorar el análisis de lípidos por RMN.


1H-NMR serum profiling is especially suitable for high-throughput epidemiological studies and large-scale nutritional studies and drug monitoring. It requires minimal sample manipulation and its quantitative response allows inter-laboratory comparison. A comprehensive 1H-NMR serum profiling consists of three measurements encoding different molecular species: lipoproteins, low-molecular-weight metabolites and lipids. 1H-NMR serum profiling provides information of size, particle number and lipid content of lipoprotein subclasses, as well as abundance of amino acids, glycolysis-related metabolites, ketone bodies, fatty acids and phospholipids, among others. However, the spectral complexity promotes errors in manual data analysis and the multiple molecular interactions within the sample compromise reliable quantifications. Developing robust methods of metabolite serum profiling is therefore desirable to consolidate high-throughput 1H-NMR in the clinical practice. This thesis presents several methodological and computational strategies to that end. In the first study, we developed generalizable regression methods for lipids in routine clinical practice (known as “lipid panel”), to be applied in healthy population and in a wide spectrum of lipid and lipoprotein abnormalities. These standard lipids are still the main measurements of cardiovascular risk and therapy targets. In the second study, we characterised the quantitative errors introduced by protein binding in 1H-NMR profiling of clinically-relevant LMWM in native serum. Then, we proposed a competitive binding strategy to achieve quantifications closer to absolute concentrations, being fully compatible with high-throughput NMR. Finally, the third study presents LipSpin: an open source bioinformatics tool specifically designed for 1H-NMR profiling of serum lipids. Moreover, some methodological aspects to improve NMR-based serum lipid analysis are discussed.

Keywords

Metabolòmica; 1H-NMR; perfilat; perfilado; Metabolomics; profiling

Subjects

577 - Material bases of life. Biochemistry. Molecular biology. Biophysics; 621.3 Electrical engineering

Knowledge Area

Enginyeria i arquitectura

Documents

TESI.pdf

7.856Mb

 

Rights

ADVERTIMENT. L'accés als continguts d'aquesta tesi doctoral i la seva utilització ha de respectar els drets de la persona autora. Pot ser utilitzada per a consulta o estudi personal, així com en activitats o materials d'investigació i docència en els termes establerts a l'art. 32 del Text Refós de la Llei de Propietat Intel·lectual (RDL 1/1996). Per altres utilitzacions es requereix l'autorització prèvia i expressa de la persona autora. En qualsevol cas, en la utilització dels seus continguts caldrà indicar de forma clara el nom i cognoms de la persona autora i el títol de la tesi doctoral. No s'autoritza la seva reproducció o altres formes d'explotació efectuades amb finalitats de lucre ni la seva comunicació pública des d'un lloc aliè al servei TDX. Tampoc s'autoritza la presentació del seu contingut en una finestra o marc aliè a TDX (framing). Aquesta reserva de drets afecta tant als continguts de la tesi com als seus resums i índexs.

This item appears in the following Collection(s)