지질은 생체 내에서 세포 확산 조절, 신호 전달, 세포 사멸 및 성장 등과 같은 다양하고 중요한 역할을 담당하고 있고 현대 사회의 여러 질병들이 지질 대사 과정의 불균형한 변화로 인해 발생됨이 알려져 있다. 최근 지질체학은 생명 현상을 이해하기 위한 과학적인 측면을 넘어 여러 질병들의 조기 진단 및 예후를 관찰하기 위한 의학적 분야로까지 확대되고 있으며, 궁극적으로 지질의 구조 및 대사 과정의 변화를 통해 바이오마커를 발굴하고 이를 통해 인간 질병에 대한 깊은 이해를 구하고자 하는 연구가 활발히 이뤄지고 있다. 기본적으로 지질체학 연구는 효율적인 지질 추출법을 활용하여 다양한 종의 지질을 추출하는 것을 기반으로 한다. 따라서 기존에 지질 추출법으로 많이 활용되던 CH3Cl 기반의 Folch 추출법을 methy-tert-butyl ether/CH3OH을 이용하는 방법으로 개선하여 새로운 추출법을 개발하였고, 이 개선된 추출법이 라이소인지질, 인지질 및 스핑고지질에 대한 보다 효율적인 추출이 가능함을 확인하였다. 앞서 개발한 지질 추출법을 기반으로 관상동맥질환의 바이오마커 후보군을 발굴하기 위해 질환자의 혈액 속의 지단백체의 지질 조성에 대한 분석을 수행하였다. 이를 위해 분석물의 크기 별 분리가 가능한 흐름 장-흐름 분획법을 이용하여 혈장 내 고밀도 지단백과 저밀도 지단백 입자들을 분리하였고 각각을 분취 받아 추출된 지질에 대해 나노유속 액체크로마토그래피-전자분무이온화법-탠덤질량분석법(nLC-ESI-MS/MS)을 통한 정성 및 정량 분석을 수행하였다. 또한 흐름 장-흐름 분획법과 nLC-ESI-MS/MS 분석법을 독립된 과정으로 연결하여 분석하는 것 뿐 아니라 칩 타입의 흐름 장-흐름 분획 채널을 질량분석기에 연결(cAF4-ESI-MS/MS)해 온라인 분석이 가능하게 하여 다양한 대사 환경을 조절한 토끼의 혈장 시료에서 지단백체의 지질 분석을 수행하였다. 동시에 이러한 bottom-up 방식과 top-down 방식의 지질체 분석법간의 결과를 비교하여 cAF4-ESI-MS/MS를 이용한 top-down 방식의 지질 분석법이 분석시간을 대폭 줄이면서도 신뢰할 수 있는 결과를 보이는 기존의 bottom-up 방식의 분석법의 대안적 분석 체계가 될 수 있음을 증명하였다. 나아가 관상동맥질환과 같은 대사질환들 이외에도 생체 내 지질 변화가 유전적 질환에서는 어떤 양상으로 이뤄지는지 비교하고자 하였다. 매우 희귀한 유전병인 고쉐병의 경우 지질 대사과정에 분열을 수반함을 고쉐병 환자의 혈장 및 뇨 시료에서 nLC-ESI-MS/MS 분석을 통해 확인하였고, 일반적으로 고쉐병의 치료에 이용되는 효소보충요법에 의한 개별적인 지질종의 변화 역시 관찰하였다. 마지막으로 또 다른 희귀 유전병의 하나인 파브리병 환자의 혈장 및 뇨 시료에서 지질 변화를 비교 분석하였다. 이때 기존의 나노유속 액체크로마토그래피보다 향상된 감도와 분해능을 제공하는 나노유속 초고성능 액체크로마토그래피를 사용하였고, 이로 인해 분석 시간을 상당히 단축하면서도 보다 향상된 분해능을 가지면서 지질 분리가 가능하고 질량분석 시 이온화 억제되는 현상을 최소화하여 고감도의 분석을 수행하였다.
Lipids play multiple and significant roles in biological system by controlling cell proliferation, signaling, apoptosis, and growth. Many types of human diseases are triggered and developed by alternation in lipid metabolism, and as lipidomics has broadened its applications from biological sciences to clinical fields for purposes of diagnostic and prognostic applications, studies on chemically complex lipids as sophisticated biomarkers of human diseases are conducted around the world for deeper understanding of the diseases. In support of effective lipidomic analysis, an extraction method that covers a wide range of lipids has to be carried out fundamentally. The modified Folch with methy-tert-butyl ether/CH3OH was developed based on the conventional Folch with CH3Cl method for highly efficient extraction of lysophospholipids (LPL) and phospholipids (PL), and this method was later on proven to be the most optimized method for sphingolipids (SL), as well. Followed by the development of efficient lipid extraction method, lipidomic analysis from lipoproteins of coronary artery disease (CAD) patients was performed in order to discover candidate biomarkers of the disease. Primarily, flow field-flow fractionation (FlFFF), a separation technique based on size, was utilized to fractionate high- and low-density lipoproteins, HDL and LDL, respectively, from plasma. Lipids within fractionations of lipoproteins were extracted and analyzed by nanoflow liquid chromatography electrospray-ionization tandem mass spectrometry (LC-ESI-MS/MS) for qualitative and quantitative purposes. The off-line coupling of FlFFF with nLC-ESI-MS/MS and on-line coupling of FlFFF to MS (cAF4-ESI-MS/MS) was carried out to profile lipoprotein lipidome from rabbits grown under different metabolic condition. The bottom-up and top-down lipidomic approaches were directly compared and its results supported the ruggedness of top-down cAF4-ESI-MS/MS as an alternative platform for an extremely rapid lipid analysis. As a rare genetic disorder such as Gaucher disease (GD) directly involves disruption of lipid metabolism, plasma and urinary lipidome from GD patients were analyzed using nLC-ESI-MS/MS and any alternation in levels of individual lipid species in response to enzyme replacement therapy (ERT), a medical treatment that patients receive on regular basis, was investigated. In the final chapter, plasma and urinary lipidome from another rare genetic disorder named Fabry disease was investigated but in this chapter, nUPLC-ESI-MS/MS was established for improved resolution and higher sensitivity, compared with the conventional nanoflow LC. With superior resolution, analysis time was dramatically shortened with reduced ion suppression.