Imaging Capabilities of a Low-Cost Benchtop MALDI-TOF Mass Spectrometer

Význam tématu

Mass spectrometry imaging (MSI) pomocí MALDI-TOF umožňuje prostorové zobrazení biomolekul v tkáních bez nutnosti extrakce. Tato technika nachází uplatnění v biomedicínském výzkumu, farmaceutických studiích a diagnostice, protože poskytuje informace o distribuci lipidů, peptidů a proteinů přímo v sekcích tkáně.

Cíle a přehled studie

Cílem studie bylo ověřit, zda cenově dostupná stolní lineární MALDI-TOF hmotnostně spektrometrická soustava MALDI-8020 dokáže kvalitně zobrazit intactní proteiny a produkty on-tissue tryptického štěpení v tkáních potkaního mozku. Metody byly nejprve optimalizovány na přístroji MALDI-7090 a následně přeneseny do kompaktnějšího MALDI-8020.

Použitá metodika a instrumentace

Využité postupy zahrnují:

• Příprava tkání: Sagitální řezy potkaního mozku na ITO skle, 6-krokové odmaštění pro odstranění lipidů a solí.
• On-tissue digesce: Nanesení trypsinu (67 ng/µl) a CHCA matrix (10 mg/ml) pomocí SunCollect Sprayer.
• Intactní proteiny: Nanesení SA matrix (10 mg/ml) pomocí IMLayer AERO sprayeru.
• Měření: Prostorové rozlišení 50 µm v lineárním módu na MALDI-8020 (Shimadzu, Japonsko).
• Software: Analýza dat v IonView (Shimadzu).

Hlavní výsledky a diskuse

Výsledky ukázaly, že benchtop MALDI-8020:

• Detekuje peptidy odpovídající myelin basic protein (MBP) s m/z 726,4 a 1336,4 lokalizované ve white matter a grey matter.
• Zobrazuje intactní proteiny až do molekulové hmotnosti ~22 kDa včetně neurograninu (m/z 7537), ubiquitinu (m/z 8565), MBP (m/z 14124) a Brain Acid Soluble Protein I (m/z 22104).
• I v absenci MS/MS lze na základě přesné hmotnosti přiřadit peptidy k charakteristickým proteinům v mozkové struktuře.
• Vliv embedovacího media omezil detekci vysokomolekulárních proteinních druhů nad 20 kDa.

Přínosy a praktické využití metody

Stolní MALDI-TOF nabízí atraktivní poměr cena/výkon pro:

• Výuku a výzkum na univerzitách a menších laboratořích.
• Rychlou lokalizaci biomolekul v histologických řezech bez nutnosti rozsáhlých příprav.
• Rozšíření aplikací MSI do QA/QC v biotechnologiích a farmaceutickém průmyslu.

Budoucí trendy a možnosti využití

Perspektivní směry dalšího rozvoje:

• Integrace MS/MS sekvencování pro vyšší jistotu identifikace proteinů.
• Zvýšení hmotnostní rozlišovací schopnosti a citlivosti pro proteiny nad 30 kDa.
• Optimalizace matric a nano-sprayerů pro lepší homogenitu nanášení.
• Automatizace datové analýzy pomocí strojového učení pro rychlé přiřazení signálů.

Závěr

Studie prokázala, že nízkonákladový stolní MALDI-8020 umožňuje kvalitní zobrazování intactních proteinů a digesčních peptidů v mozkové tkáni potkana. Tato kompaktní a robustní platforma je vhodná pro všechny, kteří se chtějí seznámit s MALDI imagingem, a může významně rozšířit dostupnost MSI metodiky v akademické i průmyslové praxi.

Použitá instrumentace

• MALDI-8020 lineární MALDI-TOF MS (Shimadzu, Japonsko)
• MALDI-7090 TOF/TOF MS (Shimadzu, Japonsko)
• SunCollect Sprayer (SunChrom, Německo)
• IMLayer AERO Sprayer (Shimadzu, Japonsko)
• IonView software (Shimadzu, Japonsko)

Reference

1. Proceedings of the 68th ASMS Conference, Poster ThP225 (2020)
2. Yang et al. Matrix sublimation/recrystallization for imaging proteins by mass spectrometry at high resolution. Anal. Chem. 83, 5728–5734 (2011).
3. Heijs et al. Brain region-specific dynamics of on-tissue protein digestion using MALDI Mass Spectrometry Imaging. J. Proteome Res. 14, 5348–5354 (2015).
4. Franck et al. MALDI mass spectrometry imaging of proteins exceeding 30000 Da. Med Sci Monit. 16(9): BR293–299 (2010).
5. Schmitt & Rawlins et al. Genetically Encoded Fluorescent Proteins Enable High-Throughput Assignment of Cell Cohorts Directly from MALDI-MS Images. Anal. Chem. 91(6):3810–3817 (2019).
6. Groseclose et al. Identification of proteins directly from tissue: in situ tryptic digestions coupled with imaging mass spectrometry. J. Mass Spectrom. 42, 254–262 (2007).