Comprender las infecciones por tripanosomátidos es esencial para guiar el desarrollo de nuevos fármacos y los enfoques de tratamiento. Este método de cartografía química está en una posición única para proporcionar información procesable sobre la relación entre el metabolismo y la patogénesis de la enfermedad tripanosomátida, abordando así esta necesidad traslacional.
Solo se recomiendan disolventes de grado LC-MS durante la extracción de metabolitos y los análisis de EM, para disminuir la contaminación de fondo. La contaminación polimérica35, comúnmente derivada de películas de parafina y/u otros plásticos36,37,38, debe evitarse siempre que sea posible. Parafilm, en particular, nunca debe usarse. Estos aspectos son cruciales ya que la calidad de los datos de LC-MS depende de los materiales utilizados durante la preparación de la muestra y la extracción de metabolitos. La calidad de los datos debe garantizarse antes de generar 'ili plots. Además, la generación de estos mapas metabolómicos espaciales completos requiere la recolección de todas las muestras de tejido adyacentes y la extracción de metabolitos de todas las muestras recolectadas para evitar brechas en estos mapas. Por lo tanto, los procedimientos de recolección, la logística de la extracción de metabolitos y el análisis de LC-MS, y los costos deben considerarse y planificarse en consecuencia.
Este protocolo se puede modificar para satisfacer las necesidades del usuario de múltiples maneras. Por ejemplo, la polaridad y solubilidad de los disolventes utilizados durante la extracción de metabolitos influirá en qué metabolitos se detectan39. Para maximizar la diversidad de características de metabolitos detectados para análisis de cartografía química no dirigidos, se recomienda combinar múltiples pasos de extracción y solventes. Por ejemplo, este método utiliza diclorometano, metanol y agua como disolventes de extracción porque permiten la detección precisa de moléculas no polares y polares20,40. Sin embargo, estos solventes no son universalmente adecuados para todos los experimentos de EM, y los investigadores deben seleccionar los solventes de extracción en función de los objetivos de su proyecto. Del mismo modo, se pueden utilizar diferentes condiciones LC-MS / MS, como reemplazar la cromatografía de fase inversa con cromatografía de fase normal. Las columnas alternativas también se pueden usar para la recopilación de datos de fase inversa en lugar de la cromatografía C8, aunque empíricamente, la cromatografía C8 es más robusta a los lípidos tisulares y tiene una frecuencia de obstrucción más baja. Conceptualmente, estos protocolos también se pueden aplicar a otros métodos de espectrometría de masas como cromatografía de gases-espectrometría de masas, etc.
Un enfoque alternativo es la imagen de espectrometría de masas. De hecho, a diferencia de los enfoques de imágenes de espectrometría de masas, la cromatografía líquida-espectrometría de masas no preserva inherentemente la información espacial10. Los enfoques de cartografía química cierran esta brecha al incluir la ubicación del muestreo en el momento de la conceptualización del proyecto, en los metadatos de la muestra y en los pasos de procesamiento de datos. Una fortaleza de este enfoque de cartografía química, a diferencia de las imágenes de espectrometría de masas, es la capacidad de proporcionar anotaciones seguras (Metabolomics Standards Initiative nivel 1 o confianza de anotación de nivel 241), a diferencia de las imágenes de espectrometría de masas donde la mayor parte de las aplicaciones dependen de la masa precisa solo para la anotación. Las imágenes de espectrometría de masas permitirán un mapeo espacial de grano fino, a veces hasta el nivel de una sola célula, por ejemplo,42,43. Por el contrario, los enfoques de cartografía química permiten el mapeo a gran escala entre órganos de la distribución de metabolitos sin requerir habilidades de criosecciona de animales enteros altamente especializadas. La cartografía química proporciona evidencia complementaria a los numerosos enfoques transcriptómicos espaciales que se están desarrollando, por ejemplo,44, con la ventaja de centrarse en la "capa ómica más cercana al fenotipo"45. Los métodos alternativos para la cuantificación de la carga de parásitos incluyen la medición de la bioluminiscencia en el momento de la recolección de la muestra6. También se podrían recolectar segmentos finos para permitir que la microscopía confocal o electrónica evalúe la carga de parásitos localizados y el daño tisular. El homogeneizado de agua, que se utiliza para la cuantificación de citoquinas en este protocolo y en publicaciones anteriores13, también podría utilizarse para cuantificar marcadores de daño tisular basados en proteínas.
También hay múltiples formas de obtener modelos 3D adecuados para trazar los datos LC-MS resultantes. Además del método sugerido aquí, los modelos se pueden comprar prefabricados de varios proveedores en línea. Asegúrese de que los términos de uso coincidan con el uso previsto, especialmente en lo que respecta a la publicación. Los modelos para órganos grandes se pueden generar de novo utilizando escáneres 3D de acuerdo con las instrucciones del escáner. Existen alternativas como MATLAB para generar y visualizar modelos 3D para cartografía química46, pero se implementaron principalmente antes del desarrollo de 'ili16. MATLAB es un conjunto de herramientas de análisis y programación de datos que ofrece una amplia variedad de aplicaciones en muchos campos. Sin embargo, MATLAB no es ni gratuito ni de código abierto, y requiere familiaridad con las interfaces de MATLAB, especialmente teniendo en cuenta que MATLAB no se desarrolló para procesar datos de espectrometría de masas. Las alternativas de este método propuesto, a saber, SketchUp, Meshlab e 'ili, son de libre acceso, fáciles de usar y ofrecen funciones similares a MATLAB para fines de cartografía química.
Este método es robusto en lo que respecta a la preparación de muestras y la extracción de metabolitos. La solución de problemas suele ser necesaria en el paso de adquisición de datos de LC-MS. Esto está más allá del alcance de este artículo. Los lectores son dirigidos a excelentes publicaciones sobre la solución de problemas de adquisición de datos LC-MS, incluyendo20,47. Del mismo modo, las complejidades de la anotación de metabolitos están más allá del alcance del enfoque de este método en la generación de modelos 3D. Las referencias útiles sobre este tema incluyen24,25,48,49.
Si bien este método explora eficazmente la patogénesis de la enfermedad, existen limitaciones para este enfoque, algunas de las cuales son comunes en cualquier experimento de metabolómica. Una de esas limitaciones es la baja tasa de anotación de las características LC-MS50, que depende de la disponibilidad y calidad de las bibliotecas espectrales de referencia. Otra limitación es que este protocolo no conserva el ARNm debido a la incompatibilidad de los reactivos de preservación de ARN como RNAlater con el análisis LC-MS/MS. Sin embargo, la calidad de la proteína es adecuada para los análisis posteriores y, por lo tanto, puede reemplazar los análisis basados en ARNm.
Un enfoque de cartografía química para la patogénesis de la infección refleja directamente cómo se desarrollan las infecciones bacterianas, virales o parasitarias en los sistemas de órganos y causan enfermedades localizadas. El análisis de estas submuestras regionales y la generación de modelos 3D en última instancia transmite cómo funcionan los metabolitos en todo el espacio tridimensional, arrojando luz sobre estas dimensiones espaciales previamente no reconocidas de la biología molecular. Usando este protocolo, por ejemplo, la localización de metabolitos se comparó con la carga del parásito Trypanosoma cruzi. Los resultados aclararon la relación entre el patógeno y el tejido huésped y también demostraron la dinámica metabólica de la progresión de los síntomas de la enfermedad de Chagas6. Los métodos de cartografía química también se han aplicado a diversos temas, como la interacción del entorno construido por el hombre51,52,53, la composición química de sistemas de órganos como la piel humana46 y los pulmones54, y el metabolismo de las plantas y las interacciones ambientales55. Las aplicaciones futuras pueden implicar la evaluación de la tolerancia y la resiliencia a la enfermedad localizada, o la relación entre los niveles locales de metabolitos, el tropismo del patógeno y el tropismo de la enfermedad en modelos más allá de la infección por tripanosomátidos. Este enfoque también debe tener una amplia aplicabilidad para ampliar los protocolos farmacocinéticos actuales, para evaluar la relación entre los niveles locales de fármacos tisulares y el metabolismo del fármaco frente al contexto metabólico general, el daño tisular y la eliminación de patógenos. En general, la cartografía química permite exploraciones únicas de distribuciones de metabolitos en varios tipos de muestras, con aplicaciones que incluyen patogénesis de enfermedades, salud humana, interacciones entre humanos y medio ambiente y dinámica microbiana.