PRESS RELEASE (2022/11/29)

世界⼀包括的な代謝物測定法の開発に成功〜ワンショットで親⽔性代謝物を⾼感度かつ網羅的に測定！メタボロミクスに⾰新！〜

ポイント①

代謝物は疾患と密接に関わるため健康状態を把握するのに有益な指標になります。

②

これまで⾼感度にかつ網羅的にメタボロームを測定する⽅法はありませんでした。

③

メタボロームをワンショットで測定する⾰新的な分析⼿法の開発に成功しました。

④

今後、様々な疾患メカニズムを解き明かす新規ツールとしての応⽤が期待されます。

概要
タンパク質を構成するアミノ酸や、DNA を構成する ATP などのヌクレオチドに代表される⽣体中の代謝物の総体をメタボロームと呼びます。メタボロームの中には様々な疾患と密接に関わるものが数多く⾒つかっており、これら数千にも及ぶ代謝物を⼀⻫計測することのできる分析⼿法が待望されていました。
九州⼤学⽣体防御医学研究所の⾺場健史教授、和泉⾃泰准教授、中⾕航太学術研究員、髙橋政友助教の研究グループは、代謝物の極性と電荷特性 (陰イオン性、陽イオン性、両イオン性、⾮荷電) の違いを利⽤した unified-HILIC/AEX という新規分離戦略を⽤いることで、ワンショットで親⽔性メタボロームを⾼感度かつ網羅的に測定する⽅法を開発することに成功しました。
本研究で開発した分析法では、液体クロマトグラフィー (※1) によりメタボロームを分離し、分離した代謝物を質量分析 (※2) で⾼感度に検出します。この液体クロマトグ
ラフィーでの合理的かつ効率的な分離のために、当該研究グループでは独⾃の分離カラムを作製し、新しい unified-HILIC/AEX/MS という分離・検出⼿法を開発しました。
Unified-HILIC/AEX/MS は、極性の違いにより陽イオン性、両イオン性、⾮荷電の親⽔性代謝物を分離分析する親⽔性相互作⽤クロマトグラフィー (HILIC ※3) からまず始まり、次いでイオン強度の違いにより陰イオン性の代謝物を分離する陰イオン交換クロマトグラフィー (AEX ※4 ) を連続で⾏い、最終的にクロマト分離した幅広い代謝物をMS にて⾼感度検出・定量可能です。これまで世界で頻⽤されている代謝物測定法と⽐較すると、本⼿法では約 2 倍の情報量が得られることが分かりました。今後、本⼿法は世界各国で汎⽤されている代謝計測を⼀新し、様々な疾患メカニズムを解き明かす新規ツールとして応⽤されることが期待されます。
本研究成果は、⽶国の国際科学誌「Analytical Chemistry」に 2022 年 11 ⽉ 25 ⽇(⾦)に掲載されました。

(参考図) Unified-HILIC/AEX による分離⼿法の概要。分析前半 (左) では陰イオンを固定相に吸着させておきながら、その他の陽イオン、両性イオン、⾮荷電分⼦を測定。分析後半 (右) では吸着させておいた陰イオンを測定。

【研究の背景と経緯】
代謝物には⾷事から摂取した成分や、それらを基にして体の中で⽣合成される成分があります。疾患では特定の成分が過剰産⽣されたり、あるいは枯渇状態になったりする様⼦が頻繁にみられます。したがって、代謝バランスの詳細かつ継続的なモニタリングは、疾患の早期診断や新規治療戦略への活⽤が期待されています。しかしながら、数千にも及ぶ代謝物の全体像であるメタボロームを⼀度の分析により⼀⻫計測することは極めて難しく、これまでは複数のプラットフォームを⽤いた複数の分析⽅法を組み合わせる煩雑な⽅法が実施されていました。⼤量の検体を扱うコホート研究では、分析⼿法を選択せざるを得ず、活⽤できる代謝物情報が限定的になってしまうという課題を抱えています。
【研究の内容と成果】
私たちは、代謝物が電荷的に陰イオン性とそれ以外 (陽イオン性、両イオン性、⾮荷電)いう 2 つのグループに分類できることに着⽬しました。そこで、1-3 級アミン及び 4 級アンモニウムカチオンを固定相として有する独⾃の分離カラムを⽤いた分離⼿法を検討しました。詳細な条件の検討の結果、陰イオン性の代謝物を正に帯電した固定相に吸着させながら、それ以外の陽イオン性、両イオン性、⾮荷電の代謝物を極性の違いを利⽤して分離分析する親⽔性相互作⽤クロマトグラフィー (HILIC) を分析前半にまず⾏い、次いでシームレスに、固定相に吸着させておいた陰イオン性の代謝物をイオン強度の違いを利⽤して分離分析する陰イオン交換クロマトグラフィー (AEX) を分析後半に⾏うというユニークな分離⼿法の開発に成功しました (参考図) 。私たちは開発した分離検出⼿法を unifiedHILIC/AEX/MS と命名し、メタボローム解析における分析性能を従来法と⽐較しました。
その結果、精度と代謝物情報量といった点で、本⼿法は、これまで世界で頻⽤されてきた測定法を凌駕する性能を⽰すことが確認されました。
【今後の展開】
今後、本⼿法は世界各国で汎⽤されている代謝計測を⼀新し、様々な疾患メカニズムを解き明かす新規ツールとして応⽤が期待されます。当研究室においても、ヒト検体をはじめとした様々なモデル⽣物の代謝研究へと本⼿法を応⽤し、代謝が関与する⽣命現象の分⼦基盤を解明していきたいと考えています。また、本⼿法は低分⼦化合物を測定する能⼒が⾮常に⾼いことから、⾷品の機能性成分、薬物動態、残留農薬といった様々な場⾯での利活⽤も期待されます。
【⽤語解説】(※1)液体クロマトグラフィー
化合物を分離する⼿法。移動相として⽔や有機溶媒などの液体を使⽤する。測定試料は移動相と⼀緒にカラム内をとおり、カラム内の固定相と相互作⽤をしながら分離される。相互作⽤の強さにより化合物が溶出する時間が異なるため、この溶出時間を特定の化合物の同定に使⽤することができる。
(※2)質量分析
分⼦をイオン化し、⾶⾏しているイオンの質量電荷⽐ (質量数÷電荷数) を電気的・磁気的な作⽤によって分離し、検出する分析⽅法。
(※3)HILIC
液体クロマトグラフィーにおいて、相互作⽤の種類によって分離モードの呼称が異なる。
親⽔性相互作⽤を利⽤して化合物を分離する⽅法を親⽔性相互作⽤クロマトグラフィー(Hydrophilic interaction chromatography, HILIC) と呼ぶ。
(※4)AEX
液体クロマトグラフィーのうち、相互作⽤がイオン性相互作⽤によるものをイオンクロマ
トグラフィーと呼ぶ。特に、陰イオンが分析対象の場合は、陰イオン交換クロマトグラフ
ィー (Anion exchange chromatography, AEX) と呼ぶ。

【謝辞】
本研究は、JST 未来創造事業 (JPMJMI20G1) ，JST ムーンショット (JPMJMS201162)，JST-CREST (JPMJCR22N5，JPMJCR15G4)，JST A-STEP (JPMJTR204J)，AMEDCREST (JP22gm1010010) ，NEDO カーボンリサイクル実現を加速するバイオ由来製品⽣産技術の開発(JPNP20011)，JSPS 科研費 (JP21K14472，JP22H01883，JP22K18924，
JP22H05185，JP20K15101，JP17H06304，JP18H01800)の助成により実施されました。

【論⽂情報】
掲載誌: Analytical Chemistry
タイトル: Unified-hydrophilic-interaction/anion-exchange liquid chromatography mass
spectrometry (unified-HILIC/AEX/MS): A single-run method for comprehensive andsimultaneous analysis of polar metabolome
著者名: Kohta Nakatani, Yoshihiro Izumi*, Masatomo Takahashi, Takeshi Bamba*. (*Cocorresponding author)
DOI: 10.1021/acs.analchem.2c03986

左から⾺場健史教授、中⾕航太学術研究員、和泉⾃泰准教授、髙橋政友助教

【お問合わせ先】＜研究に関すること＞
九州⼤学 ⽣体防御医学研究所 教授
⾺場 健史 (ばんば たけし)
TEL：092-642-6170
e-mail：bamba@bioreg.kyushu-u.ac.jp
九州⼤学 ⽣体防御医学研究所 准教授
和泉 ⾃泰 (いずみ よしひろ)
TEL：092-642-6171
e-mail：izumi@bioreg.kyushu-u.ac.jp＜報道に関すること＞
九州⼤学 広報室
TEL：092-802-2130 FAX：092-802-2139
Mail：koho@jimu.kyushu-u.ac.jp「本学は今年 111 周年を迎えます」