Methods and tools for mass spectrometric lipidome analysis

The analysis of lipid compositions from biological samples has become increasingly important. Lipids have a role in cardiovascular disease, metabolic syndrome and diabetes. They also participate in cellular processes such as signalling, inflammatory response, aging and apoptosis. Also, the mechanisms of regulation of cell membrane lipid compositions are poorly understood, partially because a lack of good analytical methods. Mass spectrometry has opened up new possibilities for lipid analysis due to its high resolving power, sensitivity and the possibility to do structural identification by fragment analysis. The introduction of Electrospray ionization (ESI) and the advances in instrumentation revolutionized the analysis of lipid compositions. ESI is a soft ionization method, i.e. it avoids unwanted fragmentation the lipids. Mass spectrometric analysis of lipid compositions is complicated by incomplete separation of the signals, the differences in the instrument response of different lipids and the large amount of data generated by the measurements. These factors necessitate the use of computer software for the analysis of the data. The topic of the thesis is the development of methods for mass spectrometric analysis of lipids. The work includes both computational and experimental aspects of lipid analysis. The first article explores the practical aspects of quantitative mass spectrometric analysis of complex lipid samples and describes how the properties of phospholipids and their concentration affect the response of the mass spectrometer. The second article describes a new algorithm for computing the theoretical mass spectrometric peak distribution, given the elemental isotope composition and the molecular formula of a compound. The third article introduces programs aimed specifically for the analysis of complex lipid samples and discusses different computational methods for separating the overlapping mass spectrometric peaks of closely related lipids. The fourth article applies the methods developed by simultaneously measuring the progress curve of enzymatic hydrolysis for a large number of phospholipids, which are used to determine the substrate specificity of various A-type phospholipases. The data provides evidence that the substrate efflux from bilayer is the key determining factor for the rate of hydrolysis.

Näytteiden lipidiseosten koostumuksen mittaaminen on tullut yhä tärkeämmäksi. Lipideillä on rooli sydän- ja verisuonitaudeissa, metabolisessa oireyhtymässä ja diabeteksessä. Lipidit myös osallistuvat moniin solun prosesseihin kuten signaalinvälitykseen, tulehdusreaktioon, vanhenemiseen ja apoptoosiin. Hyviä mittausmenetelmiä tarvitaan myös solun kalvojen lipidikoostumuksen säätelymekanismien tutkimiseen. Massaspektrometria on avannut uusia mahdollisuuksia lipidinäytteiden analysiontiin suuren erottelukykynsä ja herkkyytensä ansiosta. Näytteiden sähkösumutusmenetelmä sekä laitteiden jatkuva kehittyminen ovat mullistaneet lipidiseosten koostumuksen analytiikan. Sähkösumutusmenetelmän etuna on se että lipidit eivät hajoa ionisoinnin aikana, jolloin monikomponettisten seosten analysionti helpottuu. Lipidisignaalien epätäydellinen erottuminen, eri lipidien erilaiset vasteet sekä mittauksissa syntyvän datan suuri määrä vaikeuttavat monikomponenttisten seosten massaspektrometrista analysointia. Tämän vuoksi mittausdatan analysointi täytyy automatisoida. Tämän väitöskirjatyön aiheena on monikomponenttisten lipidiseosten massaspektrometristen analyysimenetelmien kehitys. Työssä on tutkittu sekä kokeellisia että laskennallisia menetelmiä. Ensimmäinen osatyö käsittelee lipidiseosten analysointia massaspektrometrillä ja selvittää kuinka fosfolipidien ominaisuudet ja pitoisuus vaikuttavat niiden vasteeseen massaspektrissä. Toisessa artikkelissa kuvataan uusi laskennallinen menetelmä isotooppipiikkijakaumien laskentaan. Kolmannessa artikkelissa julkaistaan monikomponenttisten lipidiseosten analysointiin kehitetyt ohjelmistot sekä vertaillaan erilaisia laskennallisia menetelmiä samankaltaisten lipidien päällekkäisten signaalien erottamiseen. Neljännessä osatyössä sovelletaan kehitettyjä menetelmiä useiden fosfolipiden seoksen yhtäaikaisen hydrolyysireaktion etenemiskäyrien mittaukseen, joiden avulla määritetään A-tyypin fosfolipaasien substraattispesifisyys. Tulosten perusteella voidaan myös päätellä substraatin irtautumisen kaksoiskalvosta olevan tärkein hydrolyysinopeuteen vaikuttava tekijä.