TIMS enabled quantification of small molecules in MALDI Imaging

Význam tématu

Quantifikace malých molekul v MALDI zobrazovací hmotnostní spektrometrii je nezbytná pro farmakologický výzkum, protože umožňuje přesné stanovení lokální koncentrace léčiv i jejich metabolitů v tkáni. Tradiční qMSI čelí omezením způsobeným izobarickými rušivými složkami, matricovým pozadím a tlumením iontů, což snižuje spolehlivost a kvantitativní výkonnost metody.

Cíle a přehled studie

Studie demonstruje využití přístroje timsTOF fleX k provedení kvantitativního MSI (qMSI) malých molekul a porovnává citlivost a specifičnost detekce několika BRAF inhibitorů a kontrastních látek. Cílem bylo prokázat schopnost separace téměř izobarických iontů podle jejich iontové mobility a zlepšit citlivost pomocí paralelního akumulačního PASEF režimu a selektivního kvadrupólového isolation.

Použitá metodika a instrumentace

Vystižení kvantifikace proběhlo na modelu tkáňového mimetika: homogenát mozku myši byl doplněn sérií koncentrací látek v rozmezí 1–100 µM a zapracován do želatinových matric o průměru 1,5 mm. Řezy tloušťky 10 µm byly napuštěny matrix 2,5-dihydroxybenzoovou kyselinou (160 mg/ml v MeOH/TFA) pomocí TM-Sprayeru a rekrystalizovány v kyselině octové.

Použitá instrumentace:

• timsTOF fleX s MALDI zdrojem a iontovou mobilitou TIMS
• ESI zdroj pro optimalizaci iontové trasy (ion transfer funnel, kvadrupól, kolizní celule, focus pre-TOF)
• TM-Sprayer pro nanášení matrix
• SCiLS Lab a TIMS Viewer pro vizualizaci dat

Hlavní výsledky a diskuse

• Čtyři BRAF inhibitory (encorafenib, dabrafenib, trametinib, vemurafenib) byly detekovány s limity v řádu jednotek µM. Nejvyšší citlivost vykázaly encorafenib a trametinib (1,1 µM).
• TIMS oddělila téměř izobarické ionty monomethyl auristatin E od tkáňového pozadí podle rozdílné iontové mobility, čímž významně zvýšila specifičnost kvantifikace.
• PASEF společně s kvadrupólovou selekcí umožnily odbourat chemické rušení a snížit hranici detekce.
• Gadavist byl identifikován jako monomer [M+H]+ a dimer [M2+2H]2+ na základě rozdílné mobility, což odhalilo potenciální zkreslení kalibrační křivky bez separace TIMS.
• Pro experiment ko-dávkování topotekan a gadavist byla metodika optimalizována přímou ESI infuzí a následně aplikována na MALDI Imaging pro vyrovnanou citlivost obou látek.

Přínosy a praktické využití metody

Implementace TIMS a PASEF v MALDI-qMSI přináší vysokou specifičnost detekce cílových látek ve složitém biologickém prostředí a umožňuje robustnější kalibraci i širší lineární dynamický rozsah. Metoda je využitelná v preklinickém výzkumu farmakokinetiky, vyhodnocování distribuce léčiv a vývoji nových farmaceutik.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Rozšíření na multiplexní kvantifikaci více látek najednou v jediné mase.
• Integrace s chromatografickými technikami pro komplexní analýzu biologických molekul.
• Automatizace přípravy vzorků a nano-MALDI pro vyšší prostorové rozlišení.
• Využití v klinických studiích pro personalizovanou medicínu a sledování léčiva v reálném čase.

Závěr

Studie potvrzuje, že platforma timsTOF fleX umožňuje efektivní kvantitativní zobrazování malých molekul pomocí MALDI-Ion Mobility-qTOF přístupu. Oddělení izobarických iontů a eliminece dimerů zlepšují přesnost a citlivost metody, což významně rozšiřuje potenciál qMSI v farmaceutickém výzkumu.

Reference

1. Rzagalinski I, Volmer DA (2016) Quantification of low molecular weight compounds by MALDI imaging mass spectrometry – A tutorial review. Biochim Biophys Acta 1865(7):726–739
2. Schulz S, Becker M, Groseclose MR, Schadt S, Hopf C (2019) Advanced MALDI mass spectrometry imaging in pharmaceutical research and drug development. Curr Opin Biotechnol 55:51–59
3. Jove M, Spencer J, Clench M, Loadman PM, Twelves C (2019) Precision pharmacology: Mass spectrometry imaging and pharmacokinetic drug resistance. Crit Rev Oncol Hematol 141:153–162
4. Nishidate M et al (2019) Applications of MALDI mass spectrometry imaging for pharmacokinetic studies during drug development. Drug Metab Pharmacokinet 34:209–216
5. Stones CJ et al (2013) Comparison of responses of human melanoma cell lines to MEK and BRAF inhibitors. Front Genet 4:66