MALDI and DESI: Complementary Lipid Imaging on a Single Mass Spectrometry System

Význam tématu

Studium složení lipidů v aterosklerotických plakách je klíčové pro porozumění stabilitě plaků a riziku jejich odlomení, které může vést k infarktu či cévní mozkové příhodě. Prostorová distribuce lipidů v řezech tkáně poskytuje informace, které nelze získat z homogenizovaných extraktů použitých v LC-MS. Kombinace dvou ortogonálních MSI ionizačních režimů — MALDI a DESI — umožňuje rozšířit pokrytí lipidového spektra a zároveň nabídnout flexibilitu v přípravě vzorku a v režimu analýzy.

Cíle a přehled studie

Cílem práce bylo porovnat a zhodnotit komplementární schopnosti MALDI a DESI pro vizualizaci a putativní identifikaci lipidů v řezech karotidálních aterosklerotických plaků. Analýza se zaměřila na maximalizaci počtu detekovaných lipidů a na srovnání spektrálních profilů, citlivosti a kvality obrazů získaných na jednom přístroji (SYNAPT XS) při pozitivním ionizačním módu v rozsahu m/z 100–1200.

Použitá metodika a instrumentace

Vzorky a příprava:

• 14 karotidálních plakov od pacientů po endarterektomii, snap-frozen, uloženo při -80 °C.
• Řezy 10 µm, vzorky embedovány v 10 % vepřovém želatinu, krájené na 3 mm průřezech.
• Pro MALDI: nanesení matrice 2,5-dihydroxybenzoové kyseliny (DHB) 10 mg/mL v 70 % acetonitrilu pomocí sprayeru (25 vrstev, SunCollect).
• Pro DESI: analýza bez další úpravy povrchu.

Použitá instrumentace:

• Hmotnostní spektrometr: SYNAPT™ XS Mass Spectrometer (Waters).
• DESI zdroj: DESI XS Source s výkonným sprayerem a vyhřívanou tranzitní linkou.
• Software: MassLynx pro manuální kontrolu, HDI (v1.9.1) pro vizualizaci, Analyte Browser MicroApp (v2.2.2) pro vyhledávání v LIPID MAPS (±5 ppm).

Vybraná provozní nastavení (pouze shrnutí):

• Oba režimy: pozitivní ionizace, rozsah m/z 100–1200, režim analyzátoru pro citlivost.
• DESI: rozpouštědlo 98 % metanol/2 % voda, průtok 2 µL/min, kapilární napětí 0,6–0,8 kV, pixel 100 µm, ekvivalent 2 scanů/s.
• MALDI: DHB jako matrice, laser 1 kHz, 500 laserových zásahů na pixel, pixel 100 µm, ekvivalent 2 scanů/s.

Zpracování dat:

• Sestavení cílového seznamu 2000 intenzivních signálů z akvizic, zpracování vzorku v HDI, import do Analyte Browser a putativní identifikace proti LIPID MAPS při toleranci ±5 ppm. Identifikace jsou putativní (MS1 pouze), PC a PE nelze rozlišit ve většině případů v pozitivním módu.

Hlavní výsledky a diskuse

• Oba ionizační režimy detekovaly rozsáhlé spektrum lipidů. Po deduplikaci byly nalezeny 465 unikátních lipidů v sadě MALDI a 428 v sadě DESI. Společně detekovaných bylo 34 lipidů; 431 lipidů bylo unikátních pro MALDI a 394 unikátních pro DESI. To potvrzuje vysokou komplementaritu metod.
• V obrazech byl často výrazný signál m/z 725.556 (putativně SM 34:3) distribuovaný konzistentně mezi metodami; u DESI byl lokálně pozorován mírně vyšší signál a ostřejší kontrast ohraničení struktur, což může souviset s absencí matrixového pokrytí a „měkčím“ desorpčně-ionizačním mechanismem DESI.
• MALDI spektra vykazovala silný signál při m/z 184.074, typický pro fragment hlavičky fosfocholinů, což může naznačovat částečnou fragmentaci při laserové desorpci. DESI vykazoval vyšší celkovou intenzitu v některých případech, avšak také signál kontaminantu m/z ~301.14 (rozpouštědlový/background).
• Klasifikace detekovaných lipidů pokryla 26 podtříd (např. ceramidy, glycerofosfolipidy, triacylglyceroly, oxidační produkty glycerofosfolipidů, steroidy apod.). Aplikací cut-offu ≥80 % pro danou třídu bylo identifikováno 8 tříd s významnou preferencí ionizace jednou z metod: eikosanoidy, tukové estery, glycerofosfoinozitolglykany, glycerofosfoinozitoly, oxidované glycerofosfolipidy, „ostatní“ fosfolipidy, steroidní konjugáty a triacylglyceroly.
• MALDI preferovalo zejména: eikosanoidy, glycerofosfoinozitolglykany, glycerofosfoinozitoly, oxidované glycerofosfolipidy, některé fosfolipidy a steroidní konjugáty. DESI preferovalo: tukové estery a triacylglyceroly.

Přínosy a praktické využití metody

• Analytická strategie s použitím obou ionizačních režimů zvýší celkové pokrytí lipidů v tkáňových řezech, což je cenné pro biomarker discovery a studií stability aterosklerotických plaků.
• DESI jako neinvazivní (nepoškozující) metoda umožňuje prvoanalýzu a následné použití stejné sekce pro MALDI nebo histologii — to optimalizuje vzorkové využití a umožňuje orthogonální potvrzení lokalizace.
• SYNAPT XS s HDI a Analyte Browser poskytuje efektivní workflow pro rychlou putativní identifikaci lipidů; vhodné pro laboratoře, kde je potřeba rychlé mapování lipidového profilu s možností následného cíleného MS/MS potvrzení.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Potvrzení putativních identifikací pomocí MS/MS (zaměřit se na rozlišení izomerů, např. PC vs PE) a integrace ion mobility pro lepší separaci izobarických druhů.
• Snížení velikosti pixelu a optimalizace rastrování pro vyšší prostorové rozlišení a lepší korelaci s histologií.
• Vývoj kvantitativních MSI protokolů a standardizace přípravy vzorku pro klinické aplikace (biomarkery stability plaků).
• Větší využití multi‑modálních přístupů (DESI → MALDI → histologie) a automatizace zpracování dat s bohatšími databázemi lipidů a strojovým učením pro robustnější anotace.

Závěr

Studie ukazuje, že MALDI a DESI na jediném systému (SYNAPT XS) poskytují komplementární a vzájemně doplňující datové sady při mapování lipidů v aterosklerotických plakách. Každá metoda má své silné stránky: MALDI může lépe ionizovat určité polarizované lipidy a poskytuje možnost cíleného výběru matrice, zatímco DESI nabízí jednodušší přípravu a jemnější prostorové kontury. Kombinované použití zvyšuje celkové pokrytí lipidů a přináší praktický workflow pro výzkum i potenciálně klinicky orientované aplikace.

Reference

1. Slijkhuis N, Towers M, Claude E, van Soest G. MALDI versus DESI Mass Spectrometry Imaging of lipids in atherosclerotic plaque. Rapid Commun Mass Spectrom. 2025 Jan 15;39(1):e9927. doi: 10.1002/rcm.9927. PMID: 39435741.