MALDI mass spectrometric imaging - aspects of sample preparation

Abstract

Der Schwerpunkt der vorgelegten Dissertation liegt in der optimierten Probenpräparation von Rohgewebeproben für die bildgebende matrix-unterstützte Laser Desorptions/Ionisations Massenspektrometrie (MALDI MSI). Um qualitativ hochwertige MSI-Analysen zu gewährleisten, muss die Gewebeintegrität erhalten bleiben. Mit anderen Worten, die Analyten müssen in den Gewebeproben exakt lokalisiert bleiben, während die Empfindlichkeit der Messung durch optimierte Einbettung von Molekülen in die MALDIMatrixkristalle erhöht wird. Eine der Haupteinschränkungen und -herausforderungen in MALDI MSI ist die räumliche Auflösung. Matrixkristalle, die kleiner als der emittierte Laserstrahl sind, stellen einen Schlüsselparameter für eine Mikrometerauflösung in MALDI MSI dar. In der vorgelegten Dissertation wird eine selbstgebaute Sublimationsapparatur vorgestellt, die eine optimierte Matrixapplikation mit kleinen Kristallgrößen für verschiedene gängige Matrices ermöglicht. Sublimationsbedingungen für hochvakuumstabile MALDI-Matrices wurden für eine quantitative Sublimation etabliert und in Kombination mit einem verbesserten Matrix-Rekristallisationsverfahren konnte eine Standardisierung des Matrixauftrages sowie eine einfache Handhabung erreicht werden. Eine umfassende, theoriegeleitete Studie zur Reproduzierbarkeit und Homogenität des Auftrages sowie zur Matrixkristallisation, die von unterschiedlichen Oberflächen, Kühltemperaturen und Rekristallisation beeinflusst wird, wird vorgestellt. Die Implementierung des neu entwickelten Matrix-Sublimations- / Rekristallisationsprozesses in MSI führte zu einer schnellen und robusten Probenvorbereitungsstrategie, geeignet für verschiedene Probentypen. Folgenden Projekte profitierten wesentlich von der entwickelten Methodik: (a) Sekundärmetaboliten, freigesetzt von Rhizoctonia solani und Trichoderma atroviride während Mykoparasit-Wirt-Wechselwirkungen, wurden direkt auf Kultivierungsmedien untersucht, (b) Immunzellansammlungen wurden in humanem Kolongewebe visualisiert und mehrere proteinartige Marker spezifischen Kolonstrukturen zugeordnet, (c) humane, bösartige Pleuramesotheliom (MPM) -proben von einem mit Cisplatin als Zytostatikum behandelten Patienten wurden analysiert. Letzteres Projekt diente dazu, die Methodik an ihre Grenzen zu bringen. In einem multimodalen Bildgebungsverfahren (MMI), das zwei komplementäre MSI-Modalitäten kombiniert, nämlich Laserablation mit einem induktiv gekoppelten Plasma als Ionenquelle für die Massenspektrometrie (LA-ICP-MS) und MALDI MS, konnte ein Maximum an Information von einem einzelnen Gewebeschnitt erfasst werden. Die entwickelte Strategie zur Probenvorbereitung ermöglichte die Erzeugung von Bildern durch MALDI MSI, die die Verteilung von Lipidspezies zeigen, die vorzugsweise im positiven oder negativen Ionenmodus gemessen werden können. Ein Arbeitsablauf wurde entwickelt, der MALDI MSI und LAICP- MSI Daten mit fortgeschrittener statistischer Analyse kombiniert, um vollständige Informationen über Lipidverteilungen und Quantifizierung von Elementen mit Fokus auf Phosphor und Platin zu liefern.

The focus of the present thesis lies on optimized sample preparation of raw tissue samples for matrixassisted laser desorption/ionization mass spectrometric imaging (MALDI MSI). For high quality MSI analyses tissue integrity has to be preserved. In other words, analytes have to be kept correctly localized within the tissue samples while increasing the sensitivity of the measurement by optimized embedding of molecules in the MALDI matrix crystals. One of the major limitations and main challenges in MALDI MSI is spatial resolution. Matrix crystals being smaller than the emitted laser beam are one key parameter for micrometer-resolution in MALDI MSI. In the present thesis an in-house built sublimation apparatus is introduced allowing for optimized matrix application exhibiting small crystal sizes for various commonly used matrices. Sublimation conditions for highvacuum stable MALDI matrices were established for quantitative sublimation and in combination with an enhanced matrix recrystallization process, standardization of matrix application and ease of handling was achieved. A comprehensive, theory-driven study on deposition reproducibility and homogeneity as well as matrix crystallization affected by differing surfaces, cooling temperatures and recrystallization is presented. Implementation of the newly developed matrix sublimation/recrystallization process in MSI led to a quick and robust sample preparation strategy suitable for various sample types. The following projects essentially benefited from the developed methodology: (a) secondary metabolites released during mycoparasitehost interactions of Rhizoctonia solani and Trichoderma atroviride were studied directly from cultivation media, (b) immune cell accumulations in human colon tissue were visualized and several proteinaceous markers for specific colon structures could be identified, (c) human malignant pleural mesothelioma (MPM) samples from a patient treated with cisplatin as cytostatic agent were analyzed. The latter project was key to test the methodology for its limits. In a multi-modal imaging (MMI) approach that combined two complementary MSI modalities, namely laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICPMS) and MALDI MS, maximum information was gathered from a single tissue section. The developed sample preparation strategy allowed to generate images by MALDI MSI showing lipid distribution of species preferentially measured in positive or negative ion mode. A workflow combining MALDI MSI and LAICP- MSI data in combination with advanced statistical analysis was also developed to provide full information on lipid distributions and quantification of elements, with a focus on phosphorus and platinum.