APPLICATION NOTEBOOK - MS IMAGING AND AMBIENT IONIZATION-MS FOR METABOLOMICS AND LIPIDOMICS

Význam tématu

V oblasti metabolomiky a lipidomiky je klíčové nejen stanovení množství malých molekul a lipidů, ale i jejich prostorové rozložení v biologických vzorcích. Tradiční metody založené na extrakci a chromatografii často ztrácejí okamžité informace o lokalizaci látek v tkáních. Kombinace zobrazovací hmotnostní spektrometrie (MS imaging) a ambientní ionizace nabízí možnost přímé analýzy povrchů bez složité přípravy, což otevírá nové perspektivy v objevování biomarkerů, validaci léků, potravinovém výzkumu i klinické diagnostice.

Cíle a přehled studie / článku

Soubor aplikací zpracovává několik studií i technických poznámek, jejichž společným cílem je ukázat možnosti:

• MS imaging pomocí MALDI a ion mobility (HDMS) pro vizualizaci a identifikaci proteinů, peptidů, metabolitů a lipidů přímo v tenkých vrstvách tkání,
• ambientní ionizace (DESI, DART, REIMS, ASAP) pro rychlé, in situ profilování malých molekul a lipidů bez časově náročné přípravy,
• využití multivariační analýzy (PCA, PLS-DA, OPLS-DA) integrované do softwaru High Definition Imaging (HDI) pro efektivní odhalení rozdílů mezi vzorky,
• určení kolizních průřezů lipidů v HDMS pro podporu jejich strukturální charakterizace,
• časově úsporné porovnání vzorků pomocí softwaru HDMS Compare.

Použitá metodika a instrumentace

• MALDI SYNAPT G2/G2-Si HDMS (Waters) s laserem Nd:YAG 1 kHz či 2,5 kHz, T-Wave ion mobility a HDI Software pro zpracování a vizualizaci MS imaging dat,
• MALDI Imaging HDMSE (data independent acquisition) pro simultánní získání MS a fragmentačních dat z jednoho průchodu,
• DESI (Desorption Electrospray Ionization) zdroj adaptovaný na SYNAPT G2-Si či Xevo G2-XS pro rychlé 2D snímání lipidních map za atmosférického tlaku v pozitivním i negativním módu,
• DART (Direct Analysis in Real Time) spojený s HDMS-TOF pro sekundovou analýzu a ion mobility separaci lipidů a malých molekul,
• softwarové nástroje: MassLynx, HDI Imaging, DriftScope, MassFragment, MarkerLynx XS, HDMS Compare.

Hlavní výsledky a diskuse

• HDI Software umožňuje kreslení regionů zájmu, zpracování MS a HDMSE dat, volbu multivariačních metod (PCA, PLS-DA, OPLS-DA) a přímou vizualizaci výsledků v jednom nástroji.
• Implementace multivariačních analýz u MALDI HDI urychluje odhalování biomarkerů, jak ukázal případ sledování proteomických změn xenografu po podání protinádorového léku.
• Nový laser v MALDI SYNAPT G2-Si výrazně zlepšuje obrazovou kvalitu při sub-50 µm pixelizaci a zároveň zkracuje dobu měření.
• MALDI Imaging HDMSE poskytuje nekalibrovaně MS i MS/MS informace o všech detekovatelných lipidech z jediné tkáňové sekce díky spojitému měření low- a high-energy funkcí a následné drift-time korelaci.
• Iontová mobilita odděluje isobarické interference a umožňuje lokalizovat malé molekuly a léky (např. cyklosporin A) v ledvinných tkáních, kde bez IMS zanikly v pozadí.
• DESI imaging prokázalo schopnost mapovat lipidy v mozkové tkáni v obou polaritách, včetně možnosti získat H&E barvení po analýze.
• Dvojpolaritní a sekvenční DESI snímání na stejném řezu umožňuje obohacené profilování bez poškození vzorku, včetně následného přímého barvení.
• DART-IMS-TOF analýza lidského kožního mazu a potravinářských olejů za pár sekund odhalila klíčové mastné kyseliny (DHA, EPA, ARA) a ceramidy bez chromatografie.
• HDMS Compare Software umožnila snadné binární porovnání ionogramů a vyznačení charakteristických oblastí rozdílů mezi vzorky.

Přínosy a praktické využití metody

• Urychlené objevování a validace biomarkerů s prostorovou lokalizací.
• Rychlá (sekundy–minuty) screeningová metoda pro potraviny, přírodní produkty a klinické vzorky.
• Možnost in situ sledovat rozložení léčiv a metabolit bez destruktivní přípravy.
• Integrované workflows (HDI, MassFragment, MarkerLynx XS) zkracují dobu od akvizice k výsledkům.
• Vysoká citlivost, selektivita a unikátní rozlišení izobarických a isomerických látek.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Další rozvoj ambientních ionizačních technik (REIMS, ASAP) a jejich integrace s IMS pro rozšíření spektra analyzovatelných látek.
• Pokročilé softwarové nástroje pro automatizovanou identifikaci a kvantifikaci lipidů v obrazech.
• Využití rychlého profilování v personalizované medicíně a intraoperační real-time diagnostice.
• Rozšíření MS imaging do jiných oborů, jako je forenzní věda, zemědělství nebo environmentální monitoring.

Závěr

Prezentované aplikace ukazují, že kombinací MALDI HDMS metod, ambientní ionizace (DESI, DART) a iontové mobility lze dosáhnout komplexního, prostorového i strukturálního rozlišení malých molekul a lipidů v tkáňových vzorcích i dalších materiálech. Inovativní akviziční postupy (HDMSE, rychlé IMS-TOF) a výkonné integrované softwarové platformy zásadně zkracují čas analýzy a otevírají nové možnosti ve výzkumu metabolomiky, lipidomiky, farmakologie i potravinářství.

Reference

1. Ridenour WB, et al. Anal Chem. 2010;82(5):1881–9.
2. Kakah BD. Transplant Proc. 2009;41:1423–7.
3. Giles K, et al. Rapid Commun Mass Spectrom. 2004;18:2401–14.
4. Koizumi S, et al. Neuroscience. 2010;168(1):219–25.
5. Triwave – patent Waters Corporation. 2012;720004176en.