Entwicklung von orts-und analytspezifischen Normierungsstrategien zur quantitativen Darstellung von Lipiden in Gewebe mittels imaging-MALDI-MS
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die bildgebende Massenspektrometrie findet seit einigen Jahren vermehrt Einsatz in biomedizinischen Studien und ist zu einem robusten Werkzeug für die Lebenswissenschaften gereift. In diesem Zusammenhang gilt die MALDI-Massenspektrometrie als die wohl weit verbreitetste Methode. Eine häufig mittels MALDI-MSI untersuchte Analytklasse stellen die Membranlipide dar. Diese zeichnen sich durch eine hohe strukturelle Heterogenität aus. Dabei bestimmt die molekulare Struktur der Lipide nicht nur ihre biologische Wirkung und Rolle, sondern hat auch direkten Einfluss auf die Detektierbarkeit und somit auch die Signalantwort in der MALDI-MSI. Zusätzlich beeinflusst die direkte chemische Umgebung die Ionisierbarkeit der einzelnen Lipidspezies und die chemische und strukturelle Zusammensetzung der Gewebsstruktur bedingen Unterschiede in der Extraktion der Analyte in die aufgetragene Matrixschicht. Zusammengenommen führen diese Effekte dazu, dass die mittels MALDI-MSI generierte Signalintensitätsverteilung nicht oder nur bedingt der zu Grunde liegenden Stoffmengenverteilung entspricht. Dies kann im Einzelfall leicht zu Fehlinterpretationen führen. Ziel des Projektes war es deshalb der MALDI-MSI eine quantitative Komponente hinzuzufügen. Hierzu wurden zunächst zu Grunde liegende Prozesse wie die Ionensuppression und die Extraktion aus dem Gewebe systematisch untersucht. Dafür kam zum einen artifiziell erzeugtes Gewebe mit definierter Lipidkomposition und zum anderen eine Kombination von MALDI-MSI und Laser Mikrodissektion mit nachfolgender Extraktion und quantitativer HPLC-ESI-MS zum Einsatz. In beiden Fällen konnte so die Signalantwort in der MALDI-MSI direkt mit der zu Grunde liegenden Stoffmenge vergleichen werden. Die Verwendung von stark vereinfachten binären Lipidsystemen wurde für die Untersuchung von Ionensuppressionseffekten genutzt. Auf Basis der so gewonnenen Daten und bekannter physiko-chemischen Eigenschaften der Lipidklassenkonnten konnten jedoch keine belastbaren quantitativen Vorhersagen zu Suppression aufgestellt werden konnten. Die Kopplung von MALDI-MSI, LMD und HPLC-ESI-MS erlaubte den Vergleich von Signalantwort und Stoffmenge in einer komplexen Probe wie dem Mauskleinhirn. Dabei stellte sich heraus, dass die Gewebsstruktur bedingte Extraktion von Analytmolekülen aus dem Gewebe entscheidenden Einfluss auf die resultierende Signalantwort hat. Auf Grund der hohen Komplexität der beitragenden Prozesse konnten auch hier kein robustes und allgemein gültiges prädiktives Modell für die Normierung von MALDI- MSI-Daten entwickelt werden. Insgesamt musste festgestellt werden, dass der Einsatz von internen Standards zwar einen Ausgleich für Ionensuppressioneffekte schaffen kann, die Analytextraktion aus dem Gewebe jedoch nicht akkurat abbildet. Jede Quantifizierung, die auf analytspezifischen Korrekturfaktoren wie der Normierung auf einen internen Standard beruht, setzt eine vorangestellte Identifikation der Lipidspezies voraus. In der MALDI-MSI wird diese durch das Fehlen von chromatographischen Trennmethoden und die kleinen zur Verfügung stehenden Stoffmengen erheblich erschwert. Im Projekt wurden deshalb der Einsatz von tandem-MS und Ionenmobilität als innovative Methoden für eine bessere Identifikation evaluiert. Die dabei erzielten Ergebnisse konnten dabei direkt mit den Ergebnissen aus der HPLC-ESI-MS verglichen werden und zeigen vielversprechende neue Möglichkeiten auf. Die im Projekt erzielten Ergebnisse wurden auf verschiedenen Fachtagungen vorgestellt und publiziert. Sie konnten dazu beitragen, den kritischen Blick auf die Interpretation von MALDI-MSI Ergebnissen mit Bezug auf die zu Grunde liegende Stoffmenge zu schärfen. Zusätzlich zeigen sie neue Wege für zukünftige Normierungs- und Quantifizierungsstrategien auf.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Charge Distribution between Different Classes of Glycerophospolipids in MALDI-MS Imaging. Analytical Chemistry, 92(7), 5222-5230.
Boskamp, Marcel S. & Soltwisch, Jens
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MALDI-2 on a Trapped Ion Mobility Quadrupole Time-of-Flight Instrument for Rapid Mass Spectrometry Imaging and Ion Mobility Separation of Complex Lipid Profiles. Analytical Chemistry, 92(13), 8697-8703.
Soltwisch, Jens; Heijs, Bram; Koch, Annika; Vens-Cappell, Simeon; Höhndorf, Jens & Dreisewerd, Klaus
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Validation of MALDI-MS imaging data of selected membrane lipids in murine brain with and without laser postionization by quantitative nano-HPLC-MS using laser microdissection. Analytical and Bioanalytical Chemistry, 412(25), 6875-6886.
Eiersbrock, Fabian B.; Orthen, Julian M. & Soltwisch, Jens
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Transmission-Mode MALDI Mass Spectrometry Imaging of Single Cells: Optimizing Sample Preparation Protocols. Analytical Chemistry, 93(10), 4513-4520.
Bien, Tanja; Bessler, Sebastian; Dreisewerd, Klaus & Soltwisch, Jens
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Mass Spectrometry Imaging of Lipids. Mass Spectrometry for Lipidomics, 117-150. Wiley.
Ellis, Shane R. & Soltwisch, Jens
