La obtención de imágenes por espectrometría de masas ( MSI ) es una técnica utilizada en espectrometría de masas para visualizar la distribución espacial de moléculas, como biomarcadores , metabolitos , péptidos o proteínas por sus masas moleculares. Después de recoger un espectro de masas en un punto, la muestra se mueve para alcanzar otra región, y así sucesivamente, hasta que se escanea toda la muestra. Al elegir un pico en los espectros resultantes que corresponde al compuesto de interés, los datos de MS se utilizan para mapear su distribución a lo largo de la muestra. Esto da como resultado imágenes de la distribución resuelta espacialmente de un compuesto píxel por píxel. Cada conjunto de datos contiene una verdadera galería de imágenes porque cualquier pico en cada espectro se puede mapear espacialmente. A pesar de que la MSI se ha considerado generalmente un método cualitativo, la señal generada por esta técnica es proporcional a la abundancia relativa del analito. Por lo tanto, la cuantificación es posible, cuando se superan sus desafíos. Aunque las metodologías tradicionales ampliamente utilizadas, como la radioquímica y la inmunohistoquímica , logran el mismo objetivo que la MSI, están limitadas en sus capacidades para analizar múltiples muestras a la vez y pueden resultar deficientes si los investigadores no tienen conocimiento previo de las muestras que se están estudiando. [1] Las tecnologías de ionización más comunes en el campo de la MSI son las imágenes DESI , las imágenes MALDI , las imágenes por espectrometría de masas de iones secundarios ( imágenes SIMS ) y las imágenes SIMS a nanoescala (NanoSIMS). [2] [3] [4]
Hace más de 50 años, Castaing y Slodzian introdujeron la MSI utilizando la espectrometría de masas de iones secundarios (SIMS) para estudiar las superficies de los semiconductores. [5] Sin embargo, fue el trabajo pionero de Richard Caprioli y sus colegas a fines de la década de 1990, que demostró cómo se podía aplicar la desorción/ionización láser asistida por matriz (MALDI) para visualizar biomoléculas grandes (como proteínas y lípidos) en células y tejidos para revelar la función de estas moléculas y cómo la función se modifica por enfermedades como el cáncer, lo que condujo al uso generalizado de MSI. Hoy en día, se han utilizado diferentes técnicas de ionización, incluidas SIMS, MALDI y la ionización por electrospray de desorción (DESI) , así como otras tecnologías. Aún así, MALDI es la tecnología dominante actual con respecto a las aplicaciones clínicas y biológicas de MSI. [6]
El MSI se basa en la distribución espacial de la muestra, por lo que el principio de funcionamiento depende de la técnica que se utilice para obtener la información espacial. Las dos técnicas que se utilizan en el MSI son: microsonda y microscopio. [7]
Esta técnica se realiza utilizando un haz de ionización enfocado para analizar una región específica de la muestra mediante la generación de un espectro de masas. El espectro de masas se almacena junto con la coordinación espacial donde se realizó la medición. Luego, se selecciona una nueva región y se analiza moviendo la muestra o el haz de ionización. Estos pasos se repiten hasta que se haya escaneado toda la muestra. Al acoplar todos los espectros de masas individuales, se puede trazar un mapa de distribución de intensidades en función de las ubicaciones x e y. Como resultado, se obtienen imágenes moleculares reconstruidas de la muestra. [7]
En esta técnica, se utiliza un detector sensible a la posición 2D para medir el origen espacial de los iones generados en la superficie de la muestra por la óptica iónica de los instrumentos. La resolución de la información espacial dependerá del aumento del microscopio, la calidad de la óptica iónica y la sensibilidad del detector. Aún es necesario escanear una nueva región, pero el número de posiciones se reduce drásticamente. La limitación de este modo es la profundidad de visión finita presente en todos los microscopios. [7]
Las técnicas de ionización disponibles para MSI son adecuadas para diferentes aplicaciones. Algunos de los criterios para elegir el método de ionización son el requisito de preparación de la muestra y los parámetros de la medición, como la resolución, el rango de masas y la sensibilidad. En base a eso, los métodos de ionización más comúnmente utilizados son MALDI , SIMS y DESI, que se describen a continuación. Además, otras técnicas menores utilizadas son la ionización por electrospray por ablación láser (LAESI) , el plasma acoplado inductivamente por ablación láser (LA-ICP) y la ionización por electrospray por desorción por nanospray (nano-DESI) .
La espectrometría de masas de iones secundarios (SIMS) se utiliza para analizar superficies sólidas y películas delgadas pulverizando la superficie con un haz de iones primarios enfocado y recolectando y analizando los iones secundarios expulsados. Hay muchas fuentes diferentes para un haz de iones primarios. Sin embargo, el haz de iones primarios debe contener iones que se encuentren en el extremo superior de la escala de energía. Algunas fuentes comunes son: Cs + , O 2 + , O, Ar + y Ga + . [8] La obtención de imágenes SIMS se realiza de manera similar a la microscopía electrónica ; el haz de iones primarios se emite a través de la muestra mientras se registran los espectros de masas secundarios. [9] La SIMS demuestra ser ventajosa al proporcionar la resolución de imagen más alta, pero solo en un área pequeña de muestras. [10] Además, esta técnica es ampliamente considerada como una de las formas más sensibles de espectrometría de masas, ya que puede detectar elementos en concentraciones tan pequeñas como 10 12 -10 16 átomos por centímetro cúbico. [11] [nota 1] [nota 2]
La obtención de imágenes por haz de iones multiplexado (MIBI) es un método SIMS que utiliza anticuerpos marcados con isótopos metálicos para marcar compuestos en muestras biológicas. [12]
Desarrollos dentro de SIMS: Se han realizado algunas modificaciones químicas dentro de SIMS para aumentar la eficiencia del proceso. Actualmente se utilizan dos técnicas independientes para ayudar a aumentar la eficiencia general al aumentar la sensibilidad de las mediciones SIMS: SIMS mejorado con matriz (ME-SIMS): tiene la misma preparación de muestra que MALDI, ya que simula las propiedades de ionización química de MALDI. ME-SIMS no muestrea tanto material. Sin embargo, si el analito que se está probando tiene un valor de masa bajo, puede producir un espectro de aspecto similar al de un espectro MALDI. ME-SIMS ha sido tan eficaz que ha podido detectar sustancias químicas de baja masa a niveles subcelulares, lo que no era posible antes del desarrollo de la técnica ME-SIMS. [4] La segunda técnica que se utiliza se llama metalización de la muestra (Meta-SIMS): este es el proceso de adición de oro o plata a la muestra. Esto forma una capa de oro o plata alrededor de la muestra y normalmente no tiene más de 1-3 nm de espesor. El uso de esta técnica ha dado como resultado un aumento de la sensibilidad para muestras de mayor masa. La adición de la capa metálica también permite la conversión de muestras aislantes en muestras conductoras, por lo que ya no es necesaria la compensación de carga dentro de los experimentos SIMS. [13]
La resolución subcelular (50 nm) es posible gracias a NanoSIMS [2], lo que permite un análisis cuantitativo absoluto a nivel de orgánulos.
La desorción-ionización láser asistida por matriz se puede utilizar como una técnica de obtención de imágenes por espectrometría de masas para moléculas relativamente grandes. [4] Recientemente se ha demostrado que el tipo de matriz más eficaz para utilizar es una matriz iónica para la obtención de imágenes MALDI de tejido. En esta versión de la técnica, la muestra, normalmente una sección fina de tejido , se mueve en dos dimensiones mientras se registra el espectro de masas . [15] Aunque MALDI tiene la ventaja de poder registrar la distribución espacial de moléculas más grandes, tiene el coste de una resolución menor que la técnica SIMS. El límite de resolución lateral para la mayoría de los instrumentos modernos que utilizan MALDI es de 20 μm. Los experimentos MALDI suelen utilizar un láser Nd:YAG (355 nm) o N2 ( 337 nm) para la ionización. [4]
La farmacodinámica y la toxicodinámica en el tejido se han estudiado mediante imágenes MALDI. [16]
La ionización por electrospray de desorción es una técnica menos destructiva, que combina simplicidad y análisis rápido de la muestra. La muestra se rocía con una niebla de disolvente cargada eléctricamente en un ángulo que provoca la ionización y desorción de varias especies moleculares. Luego, se generan mapas bidimensionales de la abundancia de los iones seleccionados en la superficie de la muestra en relación con la distribución espacial. [17] [10] Esta técnica es aplicable a muestras sólidas, líquidas, congeladas y gaseosas. Además, DESI permite analizar una amplia gama de compuestos orgánicos y biológicos, como tejidos animales y vegetales y muestras de cultivos celulares, sin una preparación compleja de la muestra [6] [10] Aunque esta técnica tiene la resolución más pobre entre otras, puede crear imágenes de alta calidad a partir de un escaneo de área grande, como un escaneo de sección de cuerpo completo. [10 ]
La combinación de varias técnicas de MSI puede resultar beneficiosa, ya que cada técnica en particular tiene sus propias ventajas. Por ejemplo, cuando se necesita información sobre proteínas y lípidos en la misma sección de tejido, se realiza DESI para analizar el lípido, seguido de MALDI para obtener información sobre el péptido y, por último, se aplica una tinción (hematoxilina y eosina) para el diagnóstico médico de las características estructurales del tejido. [10] En el otro lado de la MSI con otras técnicas de imagen, se pueden destacar la tinción de fluorescencia con MSI y la resonancia magnética (MRI) con MRI. La tinción de fluorescencia puede brindar información sobre la apariencia de algunas proteínas presentes en cualquier proceso dentro de un tejido, mientras que la MSI puede brindar información sobre los cambios moleculares presentados en ese proceso. Combinando ambas técnicas, se pueden generar imágenes multimodales o incluso imágenes 3D de la distribución de diferentes moléculas. [10] Por el contrario, la MRI con MSI combina la representación 3D continua de la imagen de MRI con una representación estructural detallada utilizando información molecular de MSI. Aunque la MSI puede generar imágenes en 3D, la imagen es solo una parte de la realidad debido a la limitación de profundidad en el análisis, mientras que la MRI proporciona, por ejemplo, la forma detallada del órgano con información anatómica adicional. Esta técnica combinada puede ser beneficiosa para el diagnóstico preciso del cáncer y la neurocirugía. [10]
El formato imzML se propuso para intercambiar datos en un archivo XML estandarizado basado en el formato mzML . [18] Varias herramientas de software de imágenes MS lo admiten. La ventaja de este formato es la flexibilidad para intercambiar datos entre diferentes instrumentos y software de análisis de datos. [19]
Existen numerosos paquetes de software gratuitos para la visualización y extracción de datos de espectrometría de masas mediante imágenes. El proyecto Computis desarrolló convertidores de los formatos Thermo Fisher, Analyze, GRD y Bruker al formato imzML. También hay disponibles algunos módulos de software para visualizar imágenes de espectrometría de masas en formato imzML: Biomap (Novartis, gratuito), Datacube Explorer (AMOLF, gratuito), [20] EasyMSI (CEA), Mirion (JLU), MSiReader (NCSU, gratuito) [21] y SpectralAnalysis. [22]
Para procesar archivos .imzML con el lenguaje estadístico y gráfico gratuito R, está disponible una colección de scripts R que permiten el procesamiento paralelo de archivos grandes en una computadora local, un clúster remoto o en la nube de Amazon. [23]
Existe otro paquete estadístico gratuito para procesar datos de imzML y Analyze 7.5 en R, Cardinal. [24]
SPUTNIK [25] es un paquete R que contiene varios filtros para eliminar picos caracterizados por una distribución espacial no correlacionada con la ubicación de la muestra o la aleatoriedad espacial .
Una capacidad destacable de la MSI es la de descubrir la localización de biomoléculas en los tejidos, incluso cuando no se dispone de información previa sobre ellas. Esta característica ha convertido a la MSI en una herramienta única para la investigación clínica y farmacológica. Proporciona información sobre los cambios biomoleculares relacionados con las enfermedades mediante el seguimiento de proteínas, lípidos y metabolismo celular. Por ejemplo, la identificación de biomarcadores mediante MSI puede mostrar un diagnóstico detallado del cáncer. Además, se pueden adquirir imágenes de bajo coste para estudios farmacéuticos, como imágenes de firmas moleculares que serían indicativas de la respuesta al tratamiento de un fármaco específico o de la eficacia de un método de administración de fármacos en particular. [26] [27] [28]
La colocalización de iones se ha estudiado como una forma de inferir interacciones locales entre biomoléculas. De manera similar a la colocalización en imágenes de microscopía , se ha utilizado la correlación para cuantificar la similitud entre imágenes de iones y generar modelos de red. [29]
La principal ventaja de la MSI para estudiar la ubicación y distribución de las moléculas dentro del tejido es que este análisis puede proporcionar mayor selectividad, más información o más precisión que otros. Además, esta herramienta requiere una menor inversión de tiempo y recursos para obtener resultados similares. [17] La siguiente tabla muestra una comparación de las ventajas y desventajas de algunas técnicas disponibles, incluida la MSI, correlacionadas con el análisis de la distribución de fármacos. [5]
"Imágenes de metales traza en sistemas biológicos", págs. 81-134 en "Metales, microbios y minerales: el lado biogeoquímico de la vida" (2021), págs. xiv + 341. Autores: Yu, Jyao; Harankhedkar, Shefali; Nabatilan, Arielle; Fahrni, Christopher; Walter de Gruyter, Berlín. Editores: Kroneck, Peter MH y Sosa Torres, Martha. DOI 10.1515/9783110589771-004
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