MALDI ZOBRAZOVACÍ HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETRIE PRO STUDIUM FYZIOLOGICKÝCH POCHODŮ V NÁDORECH

Význam tématu

Analýza prostorové distribuce biomolekul v rámci nádorové tkáně přináší klíčové informace o heterogenitě a patogenezi tumorů. MALDI zobrazovací hmotnostní spektrometrie (MALDI MSI) umožňuje rychlou a citlivou detekci proteinů, peptidů, lipidů či cukerných modifikací přímo ve tkáňových řezech bez nutnosti extrakce. Tato metoda se stává cenným nástrojem pro objevování nových nádorových markerů, podporu histopatologických vyšetření a potenciálně i pro klinickou diagnostiku a prognózu onkologických onemocnění.

Cíle a přehled studie

Autoři provedli literární rešerši výsledků MALDI MSI z posledních dvou let zaměřenou na různé typy nádorů. Primárním cílem bylo shrnout principy metody, techniky přípravy vzorků, vývoj instrumentace a nejnovější poznatky o aplikacích v onkologii, zejména v oblasti biomarkerů, prostorové heterogenity tumorů a kombinace s dalšími zobrazovacími postupy.

Použitá metodika a instrumentace

Pro MALDI MSI se nejčastěji využívá:

• MALDI-TOF hmotnostní spektrometrie pro spektrální záznam v širokém m/z rozsahu
• MALDI-FT-ICR MS s vysokým hmotnostním rozlišením pro detailní identifikaci peptidů a lipidů
• Kombinace s lineární iontovou pastí a orbitrapem (LTQ-Orbitrap) pro tandemovou analýzu
• Kryostaty a mikrotomy k přípravě řezu tkáně o tloušťce 5–20 µm
• Vodivá sklíčka potažená indiem dopovaným oxidem pro uchycení a kalibraci
• Robustní nanášecí systémy (sprayery) pro homogenní aplikaci matrice
• Softwarové nástroje pro kalibraci, korelaci 2D hmotnostních map s mikrofotografií a multivariační analýzu

Hlavní výsledky a diskuse

MALDI MSI odhalila řadu molekulárních profilů v různých typech nádorů:

• Glioblastom: identifikace proteinů GFAP, Thymosin β4, S100-A6 s prostorovou heterogenitou v myších i lidských vzorcích
• Karciomy jícnu: rozlišení piků charakteristických pro dlaždicobuněčné karcinomy a adenokarcinomy; marker S100-A10 prognosticky významný u Barrettova adenokarcinomu
• Karciomy plic: studium distribuce protirakovinných látek ve zvířecích a lidských modelech
• Karciomy prsu: zóna-specifická exprese lipidů a proteinů (IGHA2) spojená s ranou remodelací mikroprostředí a metastázováním
• Karciomy slinivky a prsu: rozlišení primárních nádorů a metastáz ve formol-parafinových řezech s přesností přes 80 %
• Hepatocelulární karcinom: odlišení forem s mikrovaskulární invazí podle modifikovaného histonu H4 (dimethylace, acetylace)
• Kolorektální karcinom: specifické fosfolipidové vzorce v nádorové vs. zdravé tkáni a v různých oblastech mikroprostředí
• Prostatický karcinom: zvýšená exprese fosfatidylinositolů a BLVRB ve vzorcích pacientů
• Kostní tumory a metastázy: kombinace MALDI MSI s MRI pro 3D modelování a odlišení nádorových buněk podle kalcyklinu, ubiquitinu a kalgranulinu A

Přínosy a praktické využití metody

Metoda přináší:

• Nepřímou diagnostiku biomarkerů přímo v tkáni bez extrakce
• Podporu histopatologie korelací se standardním barvením HE
• Možnost multianalyz v jediném experimentu (proteiny, lipidy, glykany)
• Využití v preklinickém výzkumu i potenciální postupnou integraci do klinických laboratoří
• Flexibilní kombinaci s imunohistochemií, LA-ICP-MS a dalšími zobrazovacími technikami

Budoucí trendy a možnosti využití

Další vývoj se očekává v oblastech:

• Vylepšení ionizačního procesu pro zvýšení citlivosti a snížení rušivých vlivů matrice
• Automatizace přípravy vzorků a validovaných workflow pro klinické nasazení
• Integrace 3D zobrazování a multimodálních dat (MALDI MSI, MRI, optické snímky)
• Vývoj chemicky modifikovaných matric pro selektivní ionizační enhancement vybraných analy­tů
• Strojové učení pro pokročilou analýzu heterogenity a predikci léčebné odpovědi

Závěr

MALDI zobrazovací hmotnostní spektrometrie se profiluje jako efektivní výzkumný nástroj v onkologii. Dokáže odhalit nové molekulární markery, zvýraznit prostorovou heterogenitu tumorské tkáně a podporovat histopatologii. Pro rutinní klinické použití je však nutná další validace markerů v nezávislých studiích, standardizace postupu a zjednodušení přípravy vzorků.

Reference

1. Stoeckli M., Chaurand P., Hallahan DE., Caprioli RM. Nat Med 7, 493 (2001).
2. Bednařík A., Kuba P., Houška P., Moskovets E., Tomalová I., Krásenský P., Preisler J. Chem Listy 107, S294 (2013).
3. Češková P., Brožková K., Hernychová L., Štěrba J., Valík D., Vojtěšek B. Chem Listy 100, 974 (2006).
4. Rodrigo MAM., Zitka O., Krizkova S., Moulick A., Adam V., Kizek R. J Pharm Biomed Anal 95, 245 (2014).
5. Gorzolka K., Bednarz H., Niehaus K. Planta 239, 1321 (2014).
6. Passarelli MK., Ewing AG. Curr Opin Chem Biol 17, 854 (2013).
7. Louie KB., Bowen BP., Cheng XL., Berleman JE., Chakraborty R., Deutschbauer A., Arkin A., Northen TR. Anal Chem 85, 10856 (2013).
8. Liu H., Chen R., Wang J., Chen S., Xiong C., Wang J., Hou J., He Q., Zhang N., Nie Z., Mao L. Anal Chem 86, 10114 (2014).
9. Chaurand P., Latham JC., Lane KB., Mobley JA., Polosukhin VV., Wirth PS., Nanney LB., Caprioli RM. J Proteome Res 7, 3543 (2008).
10. Gorzolka K., Walch A. Histol Histopathol 29, 1365 (2014).
11. Steven RT., Bunch J. Anal Bioanal Chem 405, 4719 (2013).
12. Nimesh S., Mohottalage S., Vincent R., Kumarathasan P. Int J Mol Sci 14, 11277 (2013).
13. Thomas A., Chaurand P. Bioanalysis 6, 967 (2014).
14. Martin-Lorenzo M., Balluff B., Sanz-Maroto A., van Zeijl RJM., Vivanco F., Alvarez-Llamas G., McDonnell LA. J Proteomics 108, 465 (2014).
15. Ko KH., Kwon CI., Park SH., Han NY., Lee HK., Kim EH., Hahm KB. Clin Endosc 46, 611 (2013).
16. Nedvěd J., Hajdúch M., Lemr K., Havlíček V. Chem Listy 105, 356 (2011).
17. Ait-Belkacem R., Berenguer C., Villard C., Ouafik L., Figarella-Branger D., Chinot O., Lafitte D. Proteomics 14, 1290 (2014).
18. Quaas A., Bahar AS., von Loga K., Seddiqi AS., Singer JM., Omidi M., Kraus O., Kwiatkowski M., Trusch M., Minner S., Burandt E., Stahl P., Wilczak W., Wurlitzer M., Simon R., Sauter G., Marx A., Schluter H. Histopathology 63, 455 (2013).
19. Elsner M., Rauser S., Maier S., Schone C., Balluff B., Meding S., Jung G., Nipp M., Sarioglu H., Maccarone G., Aichler M., Ruchtinger A., Langer R., Jutting U., Feith M., Kuster B., Ueffing M., Zitzelsberger H., Hofler H., Walch A. J Proteomics 75, 4693 (2012).
20. Vegvari A., Fehniger TE., Rezeli M., Laurell T., Dome B., Jansson B., Welinder C., Marko-Varga G. J Proteome Res 12, 5626 (2013).
21. Chughtai K., Jiang L., Greenwood TR., Glunde K., Heeren RMA. J Lipid Res 54, 333 (2013).
22. Kang SK., Maeng H., Kim BG., Qing GM., Choi YP., Kim HY., Kim PS., Kim Y., Kim YH., Choi YD., Cho NL. J Proteome Res 11, 4567 (2012).
23. Casadonte R., Kriegsmann M., Zweynert F., Friedrich K., Bretton G., Otto M., Deininger SO., Paape R., Belau E., Suckau D., Aust D., Pilarsky C., Kriegsmann J. Proteomics 14, 956 (2014).
24. Powers TW., Neely BA., Shao Y., Tang HY., Troyer DA., Mehta AS., Haab BB., Drake RR. PLoS One 9 (2014).
25. Le Faouder J., Laouirem S., Alexandrov T., Ben-Harzallah S., Leger T., Albuquerque M., Bedossa P., Paradis V. Proteomics 14, 965 (2014).
26. Turtoi A., Blomme A., Debois D., Somja J., Delvaux D., Patsos G., Di Valentin E., Peulen O., Mutijima EN., De Pauw E., Delvenne P., Detry O., Castronovo V. Hepatology 59, 924 (2014).
27. Pote N., Alexandrov T., Le Faouder J., Laouirem S., Leger T., Mebarki M., Belghiti J., Camadro JM., Bedossa P., Paradis V. Hepatology 58, 983 (2013).
28. Jones EE., Powers TW., Neely BA., Cazares LH., Troyer DA., Parker AS., Drake RR. Proteomics 14, 924 (2014).
29. Mirnezami R., Spagou K., Vorkas PA., Lewis MR., Kinross J., Want E., Shion H., Goldin RD., Darzi A., Takats Z., Holmes E., Cloarec O., Nicholson JK. Mol Oncol 8, 39 (2014).
30. Goto T., Terada N., Inoue T., Nakayama K., Okada Y., Yoshikawa T., Miyazaki Y., Uegaki M., Sumiyoshi S., Kobayashi T., Kamba T., Yoshimura K., Ogawa O. PLoS One 9 (2014).
31. Pallua JD., Schaefer G., Seifarth C., Becker M., Meding S., Rauser S., Walch A., Handler M., Netzer M., Popovscaia M., Osl M., Baumgartner C., Lindner H., Kremser L., Sarg B., Bartsch G., Huck CW., Bonn GK., Klocker H. J Proteomics 91, 500 (2013).
32. Steurer S., Borkowski C., Odinga S., Buchholz M., Koop C., Huland H., Becker M., Witt M., Trede D., Omidi M., Kraus O., Bahar AS., Seddiqi AS., Singer JM., Kwiatkowski M., Trusch M., Simon R., Wurlitzer M., Minner S., Schlomm T., Sauter G., Schluter H. Int J Cancer 133, 920 (2013).
33. Seeley EH., Wilson KJ., Yankeelov TE., Johnson RW., Gore JC., Caprioli RM., Matrisian LM., Sterling JA. Bone 61, 208 (2014).
34. Jones EA., Schmitz N., Waaijer CJF., Frese CK., van Remoortere A., van Zeijl RJM., Heck AJR., Hogendoorn PCW., Deelder AM., Altelaar AFM., Bovee J., McDonnell LA. J Proteome Res 12, 1847 (2013).
35. Becker JS. J Mass Spec 48, 255 (2013).
36. Raudenska M., Gumulec J., Podlaha O., Sztalmachova M., Babula P., Eckschlager T., Adam V., Kizek R., Masarik M. Metallomics 6, 55 (2014).
37. Gumulec J., Raudenska M., Adam V., Kizek R., Masarik M. PLoS One 9, e85346 (2014).
38. Sztalmachová M., Gumulec J., Cernei N., Hlavna M., Zitka O., Babula P., Adam V., Kizek R., Masarik M. Chem Listy 106, 1075 (2012).
39. Rodrigo MAM., Zitka O., Adam V., Kizek R. J Metallomics Nanotechnol 1(2), 25 (2014).