A Multi-Derivatization Strategy-Based Mass Spectrometry Imaging Technique for Clinical Spatial Metabolomics Studies

Význam tématu

Spatial metabolomika založená na zobrazovací hmotnostní spektrometrii umožňuje sledovat prostorové rozložení malých molekul v biologických vzorcích. Metoda překonává omezení tradičního metabolomického přístupu, který ztrácí informaci o lokalitě analyzovaných látek. Analýza pomocí MALDI-MSI však často trpí potlačením ionizační citlivosti pro látky s nízkou hmotnostně-nábojovým poměrem, což omezuje detekci aminokyselin, organických kyselin či fosfátových metabolitů.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem prezentované práce je představit novou analytickou strategii pro vysoce citlivé prostorové zobrazování metabolitů v tkáňových řezech myšího oka. Tato metoda kombinuje souběžnou derivatizaci uhlíkatýchylových, karboxylových a fosfátových skupin pomocí 3-trinitrofenylhydrazinu, EDC a pyridinu a následné MALDI-MSI na platformě Shimadzu iMScope QT. Studie demonstruje zlepšení signálu a rozlišení prostorového rozložení vybraných metabolitů.

Použitá metodika a instrumentace

Sample preparation zahrnovala:

• Přípravu 10 µm tenkých řezů myšího oka v gelatinu pomocí kryostatu.
• Sběr a uložení řezů na elektricky vodivou podložku.
• Sběr optických snímků při 5× zvětšení.
• Souběžnou derivatizaci 300 µl směsi 25 mM 3-NPH, 15 mM EDC, 0,5 % pyridinu v metanol-voda (70 : 30) inkubovanou 30 min při 2–8 °C.
• Nános 9-AA matrix metodou sublimace (220 °C, 0,9 µm), sušení pod sníženým tlakem.

Instrumentace:

• MSI přístroj iMScope QT se zabudovaným optickým mikroskopem, MALDI zdrojem a Q-TOF analyzátorem.
• Matriční depozitor iMLayer TM pro řízenou sublimaci matrix.

Analytické podmínky:

• Pozitivní iontový režim, m/z 80–1000
• Rozteč pixelů 10×10 µm, průměr laserového paprsku 5 µm
• Energie laseru 60, 200 střel na pixel při frekvenci 5000 Hz

Hlavní výsledky a diskuse

Derivatizace pomocí 3-NPH výrazně zesílila signál karbonylových, karboxylových a fosfátových metabolitů v MALDI-MSI. Ve srovnání se standardním MALDI-MSI došlo k:

• Výraznému zvýšení citlivosti detekce aminokyselin, organických kyselin a sacharidů.
• Jasnějšímu prostorovému rozlišení metabolických vrstev v oku.
• Odhalení metabolické heterogenity mezi retinou, sklivcem a optickým nervem.

Analýza ukázala vyšší koncentraci klíčových meziproduktů glykolýzy a cyklu TCA v metabolicky aktivních oblastech a nižší v méně aktivních strukturách.

Přínosy a praktické využití metody

Metoda poskytuje rychlou (cca 1 h na řez) a vysoce senzitivní platformu pro klinické prostorové metabolomické studie bez nutnosti separace suborganů. Umožňuje identifikovat rané molekulární změny spojené s očními a dalšími chorobami, podporuje vývoj biomarkerů pro diagnostiku, monitorování léčby a prognózu.

Budoucí trendy a možnosti využití

Očekává se rozšíření multi-derivatizačních protokolů na další třídy metabolitů a vylepšení instrumentálních rozlišení. Integrace s dalšími zobrazovacími modalitami a strojovým učením může proměnit prostorovou metabolomiku v rutině klinických laboratoří. Potenciál nachází také aplikace v farmakometabolomice, toxikologii a výzkumu mikrobiálních ekosystémů.

Závěr

Vyvinutá technika souběžné derivatizace 3-NPH na platformě iMScope QT nabízí jednoduché a citlivé řešení pro prostorové zobrazování malých metabolitů. Umožňuje detailní mapování metabolických procesů v tkáních, přináší nové poznatky o molekulárních aspektech onemocnění a otevírá cestu ke klinickým aplikacím v rané diagnostice.

Reference

1) Meng X, Pang H, Sun F, Jin X, Wang B, Yao K, Yao L, Wang L, Hu Z. Simultaneous 3-Nitrophenylhydrazine Derivatization Strategy for LC-MS/MS-Based Targeted Metabolomics. Anal Chem. 2021;93(29):10075–10083.