Überblick

Die NMR-Metabolomik nutzt die Kernspinresonanzspektroskopie zur Identifizierung und Quantifizierung von Metaboliten in komplexen biologischen Gemischen. NMR detektiert Atomkerne (hauptsächlich 1H und 13C) mit einem Spin und erzeugt Spektren, in denen jeder Metabolit ein charakteristisches Muster chemischer Verschiebungen und Kopplungskonstanten aufweist. Die Hauptstärken der NMR für die Metabolomik sind ihre inhärente quantitative Natur — die Signalintensität ist direkt proportional zur Konzentration — ihre hervorragende Reproduzierbarkeit über Labore und Instrumente hinweg sowie ihre zerstörungsfreie, unvoreingenommene Detektion, die keine vorherige Derivatisierung oder Trennung erfordert.

Methoden

Die 1H-NMR ist das Arbeitspferd der NMR-Metabolomik und bietet einen globalen Überblick über alle wasserstoffhaltigen Metaboliten in einer Probe mit typischen Nachweisgrenzen im niedrigen mikromolaren Bereich. Die Spektrenvorverarbeitung umfasst Phasenkorrektur, Basislinienkorrektur, chemische Verschiebungsreferenzierung und Unterdrückung des Wassersignals. Binning oder Bucketing unterteilt das Spektrum in kleine chemische Verschiebungsfenster, um die Dimensionalität zu reduzieren und geringe Verschiebungsvariationen zu berücksichtigen. Das gezielte Profiling passt Reinsubstanzspektren aus Bibliotheken an das experimentelle Spektrum an und ermöglicht so die Identifizierung und Quantifizierung bekannter Metaboliten. Zweidimensionale NMR-Methoden wie HSQC und TOCSY lösen überlappende Signale durch Hinzufügen einer zweiten Spektrendimension auf und erleichtern die Identifizierung unbekannter Substanzen.

Anwendungen

Die NMR-Metabolomik wird häufig in der klinischen Diagnostik eingesetzt, insbesondere beim Screening auf angeborene Stoffwechselerkrankungen in Urin und Plasma. Sie wird in der Toxikologie zur Identifizierung metabolischer Signaturen arzneimittelinduzierter Organschäden, in der Lebensmittelwissenschaft zur Authentizitätsprüfung und in der Pflanzenbiologie zur Chemotaxonomie verwendet. Die Methode stützt sich auf die Prinzipien der NMR-Spektroskopie, ergänzt Massenspektrometrie-basierte Ansätze und liefert quantitative Daten, die die Analyse von Stoffwechselwegen bereichern.