Method development kit for the Orbitrap Astral MS family

Význam tématu

Rozvoj metod pro reálnou interakci s vysoce paralelizovanými hmotnostními spektrometry, jako je Orbitrap Astral MS, otevírá nové možnosti „chytrých“ akvizic. Takové přístupy zvyšují selektivitu a efektivitu analýz (rychlejší rozhodování o cílových skanech, dynamické řízení tabulek targetů/inclusion/exclusion), což je klíčové v proteomice, farmaceutickém vývoji a vysoce throughput laboratorních aplikacích.

Cíle a přehled studie / článku

Práce popisuje Method Development Kit (MDK) pro platformu Thermo Scientific Orbitrap Astral MS. Hlavním cílem je umožnit nízkolatenční, obousměrnou a jazykově nezávislou komunikaci mezi uživatelskou aplikací a přístrojem během běhu metody tak, aby bylo možné v reálném čase upravovat akviziční strategie (přidávání tSIM/tMS2 cílů, řízení DIA/DDA chování, retriggering kolizního energie aj.).

Použitá metodika a instrumentace

• Instrumentace: Thermo Scientific Orbitrap Astral MS platforma; instrumentální softwarová architektura optimalizovaná pro vysokou paralelizaci iontových balíků a vysoké opakovací frekvence.
• Protokoly a technologie: Datový tok používá formát Apache Arrow pro přenos spektrálních „record batches“, komunikace přes socket (ukázkové implementace v Pythonu používají ZeroMQ), šifrování handshake podle elliptic curve modelu.
• MDK funkčnost: Volba scan nodů, které budou odesílat spektra; přenos spekter ihned po dokončení signálového zpracování (možné i před zápisem do raw souboru); povolení příkazů typu append/replace/clear pro aktualizaci tabulek targetů v metodě.
• Měření latence: Testy round-trip (zaslání cíle tSIM a přijetí spektra) ukázaly typickou dobu ~15.0 ± 2.5 ms, včetně plánování skanu, záznamu, zpracování a odeslání spektra. Pozn.: latence závisí na nastavení injekčního času, spektrální hustotě a typu analyzátoru (Orbitrap eFT zpracování je pomalejší než Astral).

Hlavní výsledky a diskuse

• MDK umožňuje obousměrnou, zabezpečenou a nízkolatenční komunikaci mezi nástrojem a uživatelskou aplikací, přičemž je možné selektivně posílat pouze vybrané scany (např. jen Orbitrap full scan), čímž lze redukovat datový tok o více než 99 %.
• Architektura zpracování spekter je paralelizovaná, data mohou být přijata i v nepravidelném pořadí; MDK poskytuje schéma sloupců a datových typů pro tabulky, které lze aktualizovat, což usnadňuje mapování dat mezi instrumentem a aplikací.
• Dynamické aktualizace tabulek jsou zpracovány na začátku každého cyklu metody, takže maximální zpoždění zpracování příkazů je omezeno dobou cyklu metody.
• Předvedeny příklady aplikací: DDA-like Top150 (výběr nejintenzivnějších iontů z master scanu a posílání kandidátů do tMS2 fronty), Hybrid DIA (běžné DIA skeny porovnávány s fragmentními seznamy a při shodě automatické přidání tMS2 targetů), a CE retriggering (analýza fragmentace v okolí izolačního okna a opětovné spuštění s upravenou NCE pro lepší identifikaci).

Přínosy a praktické využití metody

• Umožňuje implementaci pokročilých akvizičních strategií, které zvyšují identifikaci a kvantifikaci (např. cílené doplnění DDA/DIA, adaptivní retriggering NCE).
• Snížení zbytečných MS2 skanů díky selektivnímu generování targetů vede k lepšímu využití instrumentálního času a zvýšení hloubky proteomu na jednotku času.
• Jazyková nezávislost a reference implementace slibují snadné nasazení v různých prostředích (Python a další jazyky) a možnost využití výkonnějšího externího výpočetního hardware přes síť.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Rozšíření referenčních implementací v dalších programovacích jazycích a platformách, aby se snížila bariéra vstupu pro pokročilé uživatele.
• Integrace strojového učení pro predikci relevantních fragmentů či optimalizaci kolizní energie v reálném čase na základě průběžně přijímaných spekter.
• Propojení s cloudovými nebo lokálními výpočetními clustery pro náročné výpočty během běhu měření (např. on-line de novo interpretace, rychlé vyhledávání v databázích).
• Využití v klinických a regulovaných prostředích s důrazem na auditovatelnost, bezpečnost a validaci MDK aplikací.

Závěr

MDK pro Orbitrap Astral MS představuje praktický nástroj pro implementaci adaptivních, nízkolatenčních akvizičních strategií. Díky použití jazykově nezávislých standardů (Apache Arrow, socketová komunikace) a zabezpečenému handshake (elliptic curve) mohou výzkumné týmy a laboratoře nasadit vlastní aplikace pro dynamické řízení tabulek targetů a zlepšení fragmentační strategie. Testy ukazují reálnou schopnost systému reagovat v řádu desítek milisekund, avšak výsledná výkonnost závisí na konkrétním nastavení metody a hardwaru. MDK tak otevírá cestu k širšímu využití „smart acquisition“ přístupů v proteomice a dalších oblastech hmotnostní spektrometrie.

Reference

1. Instrument application programming interface (iAPI) https://github.com/thermofisherlsms/iapi.