ATOMÁRNÍ A MOLEKULÁRNÍ ZOBRAZOVACÍ HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETRIE

Význam tématu

Zobrazovací hmotnostní spektrometrie (MSI) je klíčová technika pro prostorovou lokalizaci biomolekul na ploše tkání a materiálů bez nutnosti značení. Díky schopnosti detekovat proteiny, peptidy, lipidy i malé metabolity přináší nové možnosti v diagnostice onemocnění, studiu farmakokinetiky léčiv a základním i aplikovaném výzkumu.

Cíle a přehled článku

Článek shrnuje historický vývoj IMS a MSI od SIMS z roku 1962 po moderní konfigurace MALDI-MSI, SIMS-MSI a LA-ICP-MSI. Diskutuje přípravu vzorků, různé ionizační modality a analyzátory i vybrané aplikace v biologii a materiálových vědách.

Použitá metodika a instrumentace

MSI pracuje zpravidla rastrovacím principem, kde jednotlivé pixely odpovídají spektrům získaným desorpcí a ionizací. Klíčové modality zahrnují

• MALDI-MSI – laserová desorpce/ionizace za přítomnosti matrice, kompatibilní s TOF a FTICR analyzátory
• SIMS-MSI – sekundární iontová spektrometrie pro submikrometrické rozlišení
• LA-ICP-MSI – laserová ablace s ICP-TOF pro sledování kovů v materiálech
• Alternativní techniky – DESI, LAESI, ESI, NALDI bez potřeby klasické matrice

K přípravě vzorků patří kryostatické řezání tenkých řezů (12–20 µm), nanášení vodivých vrstev a definované pokrytí MALDI matricí. Pro infekční materiály se aplikují dezinfekční kroky.

Hlavní výsledky a diskuse

Porovnání analyzátorů ukazuje:

• MALDI-TOF – hmotnostní rozsah nad 100 kTh, laterální rozlišení 3–20 µm
• MALDI-FTICR – hmotnostní rozlišení až 106
• SIMS-TOF – rozlišení pod 1 µm, vzorkovací hloubka 0,01 µm
• LA-ICP-TOF – sledování kovů s hloubkou odběru kolem 10 µm

Diskuse zdůrazňuje výzvy dynamického rozsahu, ionizační výtěžnosti a exponenciálně rostoucí velikosti datových souborů. Moderní diodové lasery s frekvencí až 10 kHz, post-ionizace MALDI-2 i koaxiální optika primárního svazku zvyšují citlivost a prostorové rozlišení. Třírozměrné voxelové zobrazování i fúze s MRI, PET, SEM či AFM rozšiřují možnosti multimodální analýzy.

Přínosy a praktické využití metody

MSI přináší

• Label-free mapování biomarkerů
• Analýzu distribuce léčiv a jejich metabolitů
• Subcelulární rozlišení u materiálových i biologických vzorků
• Možnost retrospektivní studie archivních tkání
• Integraci s histologickým a mikroskopickým hodnocením

Budoucí trendy a možnosti využití

Rozvoj submikrometrických technik (AFM-MSI), rychlejších laserů, pokročilé post-ionizace, automatické datové fúze a strojového učení pro interpretaci rozsáhlých datasetů otevře cestu k průmyslovým a klinickým aplikacím v personalizované medicíně.

Závěr

Zobrazovací hmotnostní spektrometrie se rychle vyvíjí a prosazuje jako nezastupitelná metoda pro chemickou vizualizaci v biologii i materiálových vědách. Díky pokračujícím technologickým inovacím a multimodálnímu přístupu lze očekávat rozšířené využití v diagnostice, farmacii a pokročilém výzkumu.

Reference

1 Castaing R, Slodzian G: C R Acad Sci 255, 1893 (1962).
2 Caprioli RM: US Patent US5808300A (1998).
3 Spengler B, Hubert M, Kaufmann R: Proc 42nd Am Soc Mass Spectr, p 1041 (1994).
4 Vidová V, Volný M, Lemr K, Havlíček V: Collect Czech Chem Commun 74, 1101 (2009).
5 Pól J, Strohalm M, Havlíček V, Volný M: Histochem Cell Biol 134, 423 (2010).
6 Ellis SR, Soltwisch J, Paine MRL, Dreisewerd K, Heeren RMA: Chem Commun 53, 7246 (2017).
7 Deutskens F, Yang JH, Caprioli RM: J Mass Spectrom 46, 568 (2011).
8 Dreisewerd K, Yew JY: Nat Methods 14, 1139 (2017).
9 Schober Y, Guenther S, Spengler B, Rompp A: Anal Chem 84, 6293 (2012).
10 Casadonte R, Caprioli RM: Nat Protoc 6, 1695 (2011).
11 Balluff B, Schone C, Hofler H, Walch A: Histochem Cell Biol 136, 227 (2011).
12 Greer T, Sturm R, Li LJ: J Proteomics 74, 2617 (2011).
13 Cassat JE et al: Sci Transl Med 10, eaan6361 (2018).
14 Pól J et al: Anal Chem 81, 8479 (2009).
15 Vidová V et al: Anal Chem 82, 4994 (2010).
16 Vidová V et al: J Lipid Res 51, 2295 (2010).
17 Pól J et al: PLoS One 6, e19441 (2011).
18 Strohalm M et al: Anal Chem 83, 5458 (2011).
19 Niehaus M et al: Nat Methods 16, 925 (2019).
20 Luptáková D et al: Sci Rep 8, 6952 (2018).
21 Luptáková D et al: Sci Rep 7, 16523 (2017).
22 Novák J et al: Biochim Biophys Acta Proteins Proteomics 1865, 768 (2017).
23 Škríba A et al: Front Microbiol 9, 2356 (2018).
24 Novák J et al: J Mass Spectrom 53, 1097 (2018).
25 Postawa Z et al: J Phys Chem B 108, 7831 (2004).
26 Kompauer M, Heiles S, Spengler B: Nat Methods 14, 90 (2017).
27 Kompauer M, Heiles S, Spengler B: Nat Methods 14, 1156 (2017).
28 Ievlev AV et al: Anal Chem 90, 3475 (2018).
29 Somnath S et al: Nanoscale 9, 5708 (2017).