Support by Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS, UMR 6612 and 7339) is gratefully acknowledged.

<ol>
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D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optimizing+the+phenotyping+of+rodent+ASD+models+enrichment+analysis+of+mouse+and+human+neurobiological+phenotypes+associated+with+high-risk+autism+genes+identifies+morphological,+electrophysiological,+neurological,+and+behavioral+features.">Optimizing the phenotyping of rodent ASD models enrichment analysis of mouse and human neurobiological phenotypes associated with high-risk autism genes identifies morphological, electrophysiological, neurological, and behavioral features.</a> Mol Autism. 3, 1 (2012).</li><li>Papaioannou, V., Behringer, R. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Mouse Phenotypes A Handbook of Mutation Analysis. , (2004).</li><li>Yu, F. 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J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multiparametric+optimization+of+(31)P+NMR+spectroscopic+analysis+of+phospholipids+in+crude+tissue+extracts.+1.+Chemical+shift+and+signal+separation.">Multiparametric optimization of (31)P NMR spectroscopic analysis of phospholipids in crude tissue extracts. 1. Chemical shift and signal separation.</a> Anal Chem. 82, 5433-5440 (2010).</li><li>Lutz, N. W., Cozzone, P. J., Lutz, N. W., Sweedler, J. V., Wevers, R. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Methodologies for Metabolomics. , (2013).</li><li>Lutz, N. W., Fernandez, C., Pellissier, J. F., Cozzone, P. J., Beraud, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cerebral+biochemical+pathways+in+experimental+autoimmune+encephalomyelitis+and+adjuvant+arthritis+a+comparative+metabolomic+study.">Cerebral biochemical pathways in experimental autoimmune encephalomyelitis and adjuvant arthritis a comparative metabolomic study.</a> PLoS ONE. 8, e56101 (2013).</li><li>Lutz, N. W., Cozzone, P. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Principles+of+multiparametric+optimization+for+phospholipidomics+by+31P+NMR+spectroscopy.">Principles of multiparametric optimization for phospholipidomics by 31P NMR spectroscopy.</a> Biophys Rev. 5, 295-304 (2013).</li><li>Pearson, G. 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The authors have nothing to disclose.

Espectroscopía de RMN es un método eficiente para la medición de concentraciones de compuestos químicos en solución de una manera muy reproducible y precisa. Sin embargo, para obtener datos de alta calidad, es necesario cumplir con ciertas normas relativas a la preparación y análisis de muestras. En la determinación de las concentraciones de metabolitos por espectroscopía de RMN, ni la generación ni la recepción de la señal de RMN domina el error de cuantificación, a menos que la intensidad de una señal ob...

Los modelos murinos han sido utilizados ampliamente en la investigación del cerebro 1. Correlaciones genotipo-fenotipo han sido investigados en cerebros de ratón y de rata mediante el estudio de la expresión génica en el ARN y / o los niveles de proteína, por una parte, y fenotipos morfológicos, funcionales, electrofisiológicas y / o de comportamiento en el otro 2-6. Sin embargo, para entender completamente los mecanismos que vinculan fenotipo a genotipo, es imperativo investigar los eventos moleculares aguas abajo de la expresión de proteínas, es decir. el metabolismo de los sustratos bioquímicos sobre la que actúan las enzimas 7. Este requisito llevó, en los últimos 10 a 15 años, a un renacimiento de la investigación metabólica en muchas ramas de la biología 8,9. Mientras que los estudios metabólicos clásicos a menudo se han centrado en los detalles de las vías específicas, el nuevo enfoque de metabolómica está orientada a una investigación que todo lo abarca del perfil metabólico global del tejido en estudio.Una consecuencia de este concepto es evidente la necesidad de herramientas de análisis que minimizan el sesgo hacia las vías y / o clases de compuestos metabólicos específicos. Sin embargo, un ensayo bioquímico clásico se basa en una reacción química particular de un analito específico que necesita ser especificado antes de que se realiza el ensayo. Por el contrario, técnicas espectroscópicas tales como resonancia magnética (NMR) nuclear y espectrometría de masas (MS) (i) se basan en propiedades moleculares particulares (físicas) de compuestos bioquímicos, cada uno de los cuales da lugar a una o varias señales distintas en un espectro detectado en el transcurso de un experimento; y (ii) detectar un gran número de diferentes compuestos por experimento. Por lo tanto, cada espectro contiene la información combinada de toda una gama de metabolitos. Por esta razón, métodos espectroscópicos son herramientas adecuadas para la metabolómica, como ninguna selección previa necesita ser hecha en cuanto a la naturaleza del analito a medir 8 </sup&gt;. Como consecuencia, estas técnicas se prestan naturalmente a los estudios exploratorios porque facilitan en gran medida la detección de cambios metabólicos inesperados. Aunque la espectroscopia de RMN y MS se pueden utilizar indistintamente para el análisis de muchos metabolitos, cada método tiene ventajas y desventajas de que recientemente se han revisado 10 específicos. Brevemente, la espectroscopía de RMN se puede realizar generalmente a partir de extractos crudos y no requiere separación cromatográfica de los compuestos de la muestra antes del análisis. Por el contrario, MS funciona con gas o cromatografía líquida (GC o LC) de separación, a excepción de determinados acontecimientos recientes, como la imagen de espectrometría de masas. En unos pocos casos especiales, tales como el análisis de azúcares, separación de LC puede llegar a ser una necesidad para la espectroscopia de RMN, así, porque las líneas de resonancia de diferentes azúcares se solapan significativamente en protones (1 H) Los espectros de RMN. Sin embargo, 1 H RMN espectroscopía sin chrseparación omatographic sigue siendo el método de RMN metabolómico más popular, casi universalmente aplicada. En general, la preparación de muestras es más largo y complejo para la EM que para la espectroscopía de RMN. Los problemas graves debido a los efectos de matriz son mucho menos comunes en la espectroscopia de RMN que en MS en los que pueden dar lugar a señales considerablemente atenuadas. La cuantificación de metabolitos puede lograrse con cualquiera de los métodos. Sin embargo, se necesitan múltiples compuestos estándar para la EM, debido a las variaciones en los efectos de matriz y la eficiencia de ionización entre metabolitos. Por el contrario, sólo se necesita un estándar por muestra para un análisis espectroscópico de RMN porque bajo condiciones de medición adecuadas, el último método es intrínsecamente gracias cuantitativos a la respuesta RMN estrictamente lineal por los núcleos observados. Un inconveniente importante de RMN es su sensibilidad relativamente baja. MS, en particular, LC-MS, es más sensible que la RMN en varios órdenes de magnitud; por esta razón, MS es preferible más de RMN para elanálisis de compuestos que se producen a concentraciones muy bajas. Por otro lado, la naturaleza no destructiva del experimento de RMN es una clara ventaja sobre MS; de esta manera, RMN se puede realizar varias veces sobre la misma muestra, por ejemplo, para diferentes núcleos-RMN activo tal como 1 H, fósforo-31 (31 P), carbono-13 (C 13), flúor-19 (19 F) etc., ya que ningún material se consume por NMR en comparación con las mediciones de EM. Tanto RMN y MS se pueden emplear en diferentes modos, cada uno de ellos sea óptima para la detección de compuestos con características químicas particulares. Por ejemplo, 31 P RMN es a menudo más adecuado que 1 H RMN para el análisis de compuestos fosforilados moderadamente concentradas, aunque casi todos los metabolitos fosforilados también contienen protones. Sin embargo, sus señales de 1 H RMN pueden ser oscurecidos por 1 H NMR señales de otros compuestos, no fosforilados, mientras que el segundoobviamente no causan señales de fondo en 31 P espectros de RMN. En una situación analógica, 19 F análisis de RMN es preferible para los compuestos fluorados, por ejemplo, medicamentos fluorados (no hay señales de fondo de metabolitos endógenos), mientras que el caso especial de 13 C RMN es de interés casi exclusivamente si el destino de 13 C precursores metabólicos exógenos marcados necesita ser seguido, debido a la extremadamente baja abundancia natural del isótopo 13 C (ca. 1%). Muchos espectrómetros de masas funcionan tanto en modo de ion negativo o modo de ion positivo. Por lo tanto, es importante saber de antemano el análisis de si los iones que se deben observar están cargados negativamente o positivamente. Nos centramos aquí en un protocolo para el análisis del metaboloma tejido cerebral por 1 H y 31 P espectroscopía de RMN ya que este método se obtiene un gran número de concentraciones de metabolitos importantes a bajo costo en términos de (i) el tiempo necesario para la preparación de muestras de unnd (ii) el esfuerzo requerido para la cuantificación de metabolitos. Todos los experimentos se pueden realizar utilizando el equipo de un laboratorio húmedo química estándar y una instalación de espectroscopia de RMN de alta resolución. Otros requisitos se describen en la sección Protocolo de abajo.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="921">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:281px;">Isoflurane</td>
			<td style="width:144px;">Virbac</td>
			<td style="width:180px;">Vetflurane</td>
			<td style="width:316px;">Anesthetic for animals</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Isoflurane vaporizer</td>
			<td>Ohmeda</td>
			<td>Isotec 3</td>
			<td>Newer model available: Isotec 4</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Scalpel, scissors, forceps, clamps</td>
			<td>Harvard Apparatus 
			Fisher Scientific</td>
			<td>various 
			various</td>
			<td>Surgical equipment for animals</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Freeze-clamp tool</td>
			<td>homebuilt</td>
			<td>n/a</td>
			<td>Tong with aluminium plates, to be inserted 
			in liquid nitrogen for cooling</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Dewar</td>
			<td>Nalgene</td>
			<td>4150-4000</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Liquid nitrogen</td>
			<td>Air Liquide</td>
			<td>n/a</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Nitrogen gas</td>
			<td>Air Liquide</td>
			<td>n/a</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Nitrogen evaporator</td>
			<td>Organomation Associates</td>
			<td>N-EVAP 111</td>
			<td>Can be replaced by homebuilt device</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Mortar</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>Z247472</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Pestle</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>Z247510</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Tissue homogenizer</td>
			<td>Kinematica</td>
			<td>Polytron</td>
			<td>With test tubes fitting homogenizer shaft</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Electronic scale</td>
			<td>Sartorius</td>
			<td>n/a</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Methanol</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>M3641</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Chloroform</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>366910</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Glass centrifuge tubes</td>
			<td>Kimble</td>
			<td>45500-15, 45500-30</td>
			<td>Kimax 15-mL, 30-mL tube</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Microcentrifuge tubes</td>
			<td>Kimble</td>
			<td>45150-2</td>
			<td>Kimax 2-mL tube; should replace &#34;Eppen-dorf&#34; tube if compatible with centrifuge rotor</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">polystyrene pipettes</td>
			<td>Costar Corning</td>
			<td>Stripettes</td>
			<td>5 and 10-mL volumes</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Deuterochloroform</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>431915</td>
			<td>99.96 % deuterated</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Deuterium oxide</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>423459</td>
			<td>99.96 % deuterated</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Deuterium chloride</td>
			<td>Alpha Aesar</td>
			<td>42406</td>
			<td>20 % in deuterium oxide</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Sodium deuteroxide</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>164488</td>
			<td>30 % in deuterium oxide</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Lyophilizer</td>
			<td>Christ</td>
			<td>Alpha 1-2</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Cold centrifuge</td>
			<td>Heraeus</td>
			<td>Megafuge 16R</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">pH meter</td>
			<td>Eutech Cybernetics</td>
			<td>Cyberscan</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">CDTA</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>D0922</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Cesium hydroxide</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>516988</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">NMR tubes</td>
			<td>Wilmad</td>
			<td>528-PP</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">NMR stem coaxial insert</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>Z278513</td>
			<td>By Wilmad</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">NMR pipettes</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>Z255688</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Pipettes</td>
			<td>Eppendorf</td>
			<td>Research</td>
			<td>With tips for volumes from 0.5 to 1000 &#956;L</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Pipet-Aid</td>
			<td>Drummond</td>
			<td>XP</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">NMR spectrometer</td>
			<td>Bruker</td>
			<td>AVANCE 400</td>
			<td>including probe and other accessories</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">NMR software</td>
			<td>Bruker</td>
			<td>TopSpin 1.3</td>
			<td>newer version available: Topspin 3.2</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Water-soluble standard compounds</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>various</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Phospholipid standard compounds</td>
			<td>Avanti Polar Lipids 
			Doosan Serdary 
			Sigma-Aldrich</td>
			<td>various 
			various 
			various</td>
			<td>&#160; 
			Source for plasmalogens, but may be 
			&#60; 70 - 80 % purity</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Methylenediphosphonate</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>M9508</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">TSP-d4</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>269913</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

metabolomic analysis of rat brain by high resolution nuclear magnetic resonance spectroscopy of tissue extracts

Studies of gene expression on the RNA and protein levels have long been used to explore biological processes underlying disease. More recently, genomics and proteomics have been complemented by comprehensive quantitative analysis of the metabolite pool present in biological systems. This strategy, termed metabolomics, strives to provide a global characterization of the small-molecule complement involved in metabolism. While the genome and the proteome define the tasks cells can perform, the metabolome is part of the actual phenotype. Among the methods currently used in metabolomics, spectroscopic techniques are of special interest because they allow one to simultaneously analyze a large number of metabolites without prior selection for specific biochemical pathways, thus enabling a broad unbiased approach. Here, an optimized experimental protocol for metabolomic analysis by high-resolution NMR spectroscopy is presented, which is the method of choice for efficient quantification of tissue metabolites. Important strengths of this method are (i) the use of crude extracts, without the need to purify the sample and/or separate metabolites; (ii) the intrinsically quantitative nature of NMR, permitting quantitation of all metabolites represented by an NMR spectrum with one reference compound only; and (iii) the nondestructive nature of NMR enabling repeated use of the same sample for multiple measurements. The dynamic range of metabolite concentrations that can be covered is considerable due to the linear response of NMR signals, although metabolites occurring at extremely low concentrations may be difficult to detect. For the least abundant compounds, the highly sensitive mass spectrometry method may be advantageous although this technique requires more intricate sample preparation and quantification procedures than NMR spectroscopy. We present here an NMR protocol adjusted to rat brain analysis; however, the same protocol can be applied to other tissues with minor modifications.

Para obtener mejor resolución en los espectros de RMN metabólica de cerebro y otros extractos de tejidos, se ha sido durante mucho tiempo una práctica común para eliminar iones o máscara de metal (lo más importante: iones paramagnéticos) presentes en soluciones de extracto. Esto se ha logrado ya sea mediante la adición de un agente quelante tal como EDTA o CDTA al extracto 19, o haciendo pasar el extracto a través de una resina de intercambio iónico tal como Chelex-100 20. Los resultados ...

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Metabolomic Analysis of Rat Brain by High Resolution Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy of Tissue Extracts

The neurochemistry of mammalian brain is changed in many neurological and systemic diseases. Characteristic profiles of cerebral metabolites can be efficiently obtained based on crude extracts of brain tissue. To this end, high-resolution NMR spectroscopy is employed, enabling detailed quantitative analysis of metabolite concentrations (metabolomics).

Análisis de Metabolómica de cerebro de rata por Alta Resolución Nuclear Espectroscopía de Resonancia Magnética de Extractos de Tejidos

Studies of gene expression on the RNA and protein levels have long been used to explore biological processes underlying disease. More recently, genomics ...

metabolomic-analysis-rat-brain-high-resolution-nuclear-magnetic

Research

JoVE Journal

Neuroscience

14.6K vistas.  Aix-Marseille Université. The neurochemistry of mammalian brain is changed in many neurological and systemic diseases. Characteristic profiles of cerebral metabolites can be efficiently obtained based on crude extracts of brain tissue. To this end, high-resolution NMR spectroscopy is employed, enabling detailed quantitative analysis of metabolite concentrations (metabolomics).