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- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-375697
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.37569
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Date: | 31 July 2018 |
| Referee: | Prof. Dr. Wolfram Gronwald |
| Date of exam: | 30 July 2018 |
| Institutions: | Medicine > Institut für Funktionelle Genomik > Lehrstuhl für Funktionelle Genomik (Prof. Oefner) |
| Keywords: | NUS, non-uniform sampling, metabolomics, NMR, 2D |
| Dewey Decimal Classification: | 500 Science > 570 Life sciences |
| Status: | Published |
| Refereed: | Yes, this version has been refereed |
| Created at the University of Regensburg: | Yes |
| Item ID: | 37569 |
Abstract (English)
INTRODUCTION. Non-uniform sampling (NUS) accelerates the acquisition of otherwise uniformly sampled (US) multidimensional NMR spectra which offer higher resolution than 1D 1H spectra but need considerably longer measurement times. NUS in metabolomics so far has been primarily tested on pure samples or synthetic model mixtures containing predefined metabolites in non-physiological concentrations. ...
Abstract (English)
INTRODUCTION. Non-uniform sampling (NUS) accelerates the acquisition of otherwise uniformly sampled (US) multidimensional NMR spectra which offer higher resolution than 1D 1H spectra but need considerably longer measurement times. NUS in metabolomics so far has been primarily tested on pure samples or synthetic model mixtures containing predefined metabolites in non-physiological concentrations. Hence, the first aim of this contribution was the systematic quantitative evaluation of the impact of various NUS parameters on the accuracy and precision of 2D NMR measurements of endogenous metabolites in urine specimens. After having optimized and validated various NUS parameters regarding acquisition and processing, NUS was applied to a set of clinically interesting urine specimens to accelerate the acquisition of urine spectra compared to the US equivalent. As NUS can alternatively be implemented to enhance the spectral resolution, its effect on spectral analysis with respect to the time-equivalent US spectra were qualitatively and quantitatively assessed. Afterwards, enhanced resolution NUS spectra were employed with respect to NUS for accelerated quantification for the analysis of cancer cell lines.
METHODS. First, the performance of various NUS parameters was assessed in the context of accelerated quantification in comparison to US. To this end, six endogenous metabolites typically found in urine were spiked into a urine matrix at physiological concentrations. Urine aliquots were spiked with varying concentrations (15.6 - 500.0 µM) of tryptophan, tyrosine, glutamine, glutamic acid, lactic acid, and threonine which can only be resolved fully by 2D NMR. The impact of different reconstruction algorithms, sampling schemes, and seed values on the fraction of indirect points that might be omitted were analyzed. Both 1H,1H-TOCSY (total correlation spectroscopy) and 1H,1H-COSY45 (correlation spectroscopy) NMR experiments were chosen as spectral types. Afterwards, cohort study urine specimens from the German Chronic Kidney Disease (GCKD) and German National Cohort (GNC) studies were taken as a realistic biomedical application to implement the optimized NUS parameters. Employing urine from the GNC study, the applicability of optimized NUS for enhanced spectral resolution was investigated. Finally, supernatants and methanol extracts of two cancer cell lines modified in lactate dehydrogenase A (LDHA) expression were collected to quantitatively assess optimized NUS for enhanced resolution compared to NUS for accelerated quantification.
RESULTS. It is demonstrated that a reduction to 50% of the US measurement time is feasible for both types of homonuclear 2D NMR spectra when taking sinusoidal Poisson-gap sampling (sPGS) and a compressed sensing approach (CS-IRLS) for spectral reconstruction. Furthermore, the suitability of applying NUS for accelerated quantification of urinary metabolites in the context of cohort studies is shown as there is overall a high concordance in obtained results between the NUS and US spectra. When choosing NUS to enhance the spectral resolution in the selected urine specimen, peak analysis compared to the time-equivalent US spectra benefits from better-resolved peak shapes, newly emerged peaks, and separation of overlapping peaks. Analysis of the cancer cell samples demonstrates for most selected metabolites comparable results between time-reduced and enhanced-resolution NUS spectra but for glutamic acid more reliable quantitative results by means of enhanced-resolution NUS.
DISCUSSION. Given the optimized parameters, applying NUS can obtain comparable quantitative results as with conventional sampling in half the acquisition time. However, as NUS reduces the sensitivity, reliable quantitative results are given only if sensitivity is not limited. In case that NUS is applied for enhanced spectral resolution more and sharper peaks are obtained in comparison to the time-equivalent US spectrum aiding quantitative analysis.
CONCLUSION. The present study demonstrates that optimized NUS provides a suitable alternative to conventionally acquired 2D NMR spectra given complex biological mixtures allowing a considerably reduced measurement time of metabolites given sufficient sensitivity or increased spectral resolution for improved compound analysis. Therefore, NUS allows the application of 2D NMR spectroscopy to large cohort studies comprising up to thousands of samples.
Translation of the abstract (German)
EINLEITUNG. Non-uniform sampling (NUS) beschleunigt die Aufnahme von anderenfalls uniform gesampelten (US) multidimensionalen NMR Spektren, die eine erhöhte Auflösung gegenüber 1D 1H Spektren bieten, aber erheblich längere Messzeiten fordern. NUS in der Metabolomik wurde bisher primär an Reinsubstanzen oder synthetischen Modell-Mischungen mit vordefinierten Metaboliten in nicht-physiologischen ...
Translation of the abstract (German)
EINLEITUNG. Non-uniform sampling (NUS) beschleunigt die Aufnahme von anderenfalls uniform gesampelten (US) multidimensionalen NMR Spektren, die eine erhöhte Auflösung gegenüber 1D 1H Spektren bieten, aber erheblich längere Messzeiten fordern. NUS in der Metabolomik wurde bisher primär an Reinsubstanzen oder synthetischen Modell-Mischungen mit vordefinierten Metaboliten in nicht-physiologischen Konzentrationen getestet. Daher war die Absicht hier zunächst systematisch den Einfluss von diversen NUS Parametern auf die Genauigkeit und Präzision von 2D NMR Messungen von endogenen Metaboliten in Urinproben quantitativ zu evaluieren. Nachdem verschiedene Aufnahme- und Prozessierungsparameter von NUS optimiert und validiert wurden, wurde zeit-reduziertes NUS im Vergleich zum linear aufgenommenen US Pendant auf ein Set von klinisch interessanten Urinproben angewandt. Außerdem wurde untersucht, wie sich eine Erhöhung der spektralen Auflösung über NUS qualitativ und quantitativ im Vergleich zu zeitäquivalenten US Spektren auswirkt. Anschließend wurden auflösungserhöhte im Vergleich zu zeitreduzierten NUS Spektren herangezogen, um Krebszelllinien zu analysieren.
METHODEN. Zuerst wurde die Verwendung verschiedener NUS Parameter für die beschleunigte Quantifizierung im Vergleich zu US beurteilt. Dabei wurden sechs typischerweise in Urin vorkommende endogene Metabolite in physiologischen Konzentrationen zu einer Urinmatrix hinzugegeben. Hierzu wurden Urinaliquote mit unterschiedlichen Konzentrationen (15.6 - 500.0 µM) von Tryptophan, Tyrosin, Glutamin, Glutaminsäure, Milchsäure und Threonin versetzt, deren Signale in Gänze nur mit 2D NMR aufgelöst werden können. Es wurde der Einfluss verschiedener Rekonstruktionsalgorithmen, verschiedener Schemata der Datenkollektion und der Einfluss von Variationen in den Positionen der ausgewählten Datenpunkte auf den Anteil der indirekten Punkte, die ausgelassen werden können, untersucht. Als Spektrentypen wurden sowohl 1H,1H-TOCSY (total correlation spectroscopy) als auch 1H,1H-COSY45 (correlation spectroscopy) NMR Experimente verwendet. Anschließend wurden Urinproben der German Chronic Kidney Disease (GCKD) und German National Cohort (GNC) Studien herangezogen, um die optimierten NUS Parameter für eine realistische biomedizinische Anwendung zu implementieren. Urin der GNC Studie wurde ausgewählt, um optimiertes NUS zur erhöhten spektralen Auflösung zu verwenden. Schließlich wurden Überstände und Methanolextrakte zweier Krebszelllinien, deren Laktatdehydrogenase A (LDHA) Expression modifiziert war, gesammelt, um optimiertes NUS zur Erhöhung der spektralen Auflösung im Vergleich zu NUS zur schnelleren Aufnahme quantitativ zu bewerten.
ERGEBNISSE. Es wird gezeigt, dass für beide Typen von homonuklearen 2D NMR Spektren eine Reduzierung auf 50% der US Aufnahmezeit praktikabel ist, wenn ein sinusförmiges Poisson-gap sampling (sPGS) und ein compressed sensing-
basierter (CS-IRLS) Ansatz für spektrale Rekonstruktion gewählt wird. Weiterhin wird die Eignung von NUS für die beschleunigte Quantifizierung von Urinmetaboliten im Kontext von Kohortenstudien anhand einer insgesamt hohen Übereinstimmung zwischen NUS und US Spektren gezeigt. Wenn NUS zur Erhöhung der spektralen Auflösung der ausgesuchten Urinprobe gewählt wird, begünstigt dies die Metabolitsignalanalyse im Vergleich zum zeitäquivalenten US Spektrum durch besser aufgelöste Signalformen, neu aufgetauchte Signale und die Auftrennung überlappender Signale. Die Analyse der Krebszellprobe ergibt für die meisten der gewählten Metabolite vergleichbare quantitative Ergebnisse zwischen zeitreduzierten und auflösungserhöhten NUS Spektren, allerdings für Glutaminsäure eine verlässlichere Quantifizierung mittels auflösungserhöhten NUS Spektren.
DISKUSSION. Mit den optimierten NUS Parametern können mit NUS vergleichbare quantitative Ergebnisse zu US in der Hälfte der Aufnahmezeit erzielt werden. Allerdings, da NUS die Sensitivität verringert, können verlässliche quantitative Ergebnisse nur erzielt werden, wenn die Sensitivität nicht beschränkt ist. Wenn NUS zur Erhöhung der spektralen Auflösung genutzt wird, können im Vergleich zum US in der gleichen Messzeit sowohl mehr als auch schärfere Signale erhalten werden, welches die quantitative Analyse begünstigt.
FAZIT. Die vorliegende Studie zeigt, dass NUS eine geeignete Alternative zu konventionell aufgenommenen 2D NMR Spektren von komplexen biologischen Mischungen bietet, was eine maßgebliche Reduzierung der Aufnahmezeit von Metaboliten bei ausreichender Sensitivität oder eine erhöhte spektrale Auflösung für eine verbesserte Komponentenanalyse bietet. Somit ermöglicht NUS die Anwendung von 2D NMR Spektren für große Kohortenstudien mit bis zu mehreren tausend Proben.
Metadata last modified: 14 Jul 2021 12:17
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