Comprendre les infections à trypanosomatides est essentiel pour guider le développement de nouveaux médicaments et les approches thérapeutiques. Cette méthode de cartographie chimique est particulièrement bien placée pour fournir des informations exploitables sur la relation entre le métabolisme et la pathogenèse de la maladie trypanosomatide, répondant ainsi à ce besoin translationnel.
Seuls les solvants de qualité LC-MS sont recommandés lors de l’extraction des métabolites et des analyses MS, afin de réduire la contamination de fond. La contamination polymère35, généralement dérivée d’un film de paraffine et/ou d’autres plastiques36,37,38, doit être évitée dans la mesure du possible. Le parafilm, en particulier, ne doit jamais être utilisé. Ces aspects sont cruciaux car la qualité des données LC-MS dépend des matériaux utilisés lors de la préparation des échantillons et de l’extraction des métabolites. La qualité des données doit être assurée avant de générer des diagrammes. De plus, la génération de ces cartes métabolomiques spatiales complètes nécessite la collecte de tous les échantillons de tissus adjacents et l’extraction de métabolites à partir de tous les échantillons prélevés afin d’éviter les lacunes dans ces cartes. Les procédures de collecte, la logistique de l’extraction des métabolites et l’analyse LC-MS, ainsi que les coûts doivent donc être pris en compte et planifiés en conséquence.
Ce protocole peut être modifié pour répondre aux besoins des utilisateurs de plusieurs façons. Par exemple, la polarité et la solubilité des solvants utilisés lors de l’extraction des métabolites influenceront les métabolites détectés39. Pour maximiser la diversité des caractéristiques des métabolites détectés pour les analyses cartographiques chimiques non ciblées, il est recommandé de combiner plusieurs étapes d’extraction et solvants. Par exemple, cette méthode utilise le dichlorométhane, le méthanol et l’eau comme solvants d’extraction, car ils permettent une détection précise des molécules non polaires et polaires20,40. Cependant, ces solvants ne conviennent pas universellement à toutes les expériences sur la SEP, et les chercheurs devraient sélectionner les solvants d’extraction en fonction des objectifs de leur projet. De même, différentes conditions LC-MS/MS peuvent être utilisées, telles que le remplacement de la chromatographie en phase inversée par la chromatographie en phase normale. Des colonnes alternatives peuvent également être utilisées pour la collecte de données en phase inversée au lieu de la chromatographie en C8, bien que empiriquement, la chromatographie en C8 soit plus robuste pour les lipides tissulaires et ait une fréquence de colmatage plus faible. Conceptuellement, ces protocoles peuvent également être appliqués à d’autres méthodes de spectrométrie de masse telles que la chromatographie en phase gazeuse-spectrométrie de masse, etc.
Une autre approche est l’imagerie par spectrométrie de masse. En effet, contrairement aux approches d’imagerie par spectrométrie de masse, la chromatographie liquide-spectrométrie de masse ne préserve pas intrinsèquement l’information spatiale10. Les approches de cartographie chimique comblent cette lacune en incluant l’emplacement de l’échantillonnage au moment de la conceptualisation du projet, dans les métadonnées de l’échantillon et aux étapes de traitement des données. L’une des forces de cette approche de cartographie chimique, contrairement à l’imagerie par spectrométrie de masse, est la capacité de fournir des annotations fiables (confiance d’annotation de niveau 1 ou de niveau 2 de la Metabolomics Standards Initiative41), contrairement à l’imagerie par spectrométrie de masse où la majeure partie des applications reposent sur une masse précise uniquement pour l’annotation. L’imagerie par spectrométrie de masse permettra une cartographie spatiale à grain fin, parfois jusqu’au niveau d’une seule cellule, par exemple,42,43. En revanche, les approches de cartographie chimique permettent une cartographie inter-organes à grande échelle de la distribution des métabolites sans nécessiter de compétences hautement spécialisées en cryosection d’animaux entiers. La cartographie chimique fournit des preuves complémentaires aux nombreuses approches transcriptomiques spatiales en cours de développement, par exemple,44, avec l’avantage de se concentrer sur la « couche omique la plus proche du phénotype»45. D’autres méthodes de quantification de la charge parasitaire comprennent la mesure de la bioluminescence au moment du prélèvement de l’échantillon6. Des segments fins pourraient également être collectés pour permettre la microscopie confocale ou électronique afin d’évaluer la charge parasitaire localisée et les lésions tissulaires. L’homogénat d’eau, qui est utilisé pour la quantification des cytokines dans ce protocole et dans des publications antérieures13, pourrait également être utilisé pour quantifier les marqueurs à base de protéines des lésions tissulaires.
Il existe également plusieurs façons d’obtenir des modèles 3D adaptés pour tracer les données LC-MS résultantes. En plus de la méthode suggérée ici, les modèles peuvent être achetés pré-fabriqués auprès de divers fournisseurs en ligne. S’assurer que les conditions d’utilisation correspondent à l’utilisation prévue, en particulier en ce qui concerne la publication. Les modèles pour les grands organes peuvent être générés de novo à l’aide de scanners 3D selon les instructions du scanner. Des alternatives telles que MATLAB existent pour générer et visualiser des modèles 3D pour la cartographie chimique46, mais elles ont été principalement mises en œuvre avant le développement de 'ili16. MATLAB est une suite d’outils d’analyse et de programmation de données offrant une grande variété d’applications dans de nombreux domaines. Cependant, MATLAB n’est ni gratuit ni open-source, et il nécessite une familiarité avec les interfaces MATLAB, d’autant plus que MATLAB n’a pas été développé pour le traitement des données de spectrométrie de masse. Les alternatives de cette méthode proposée, à savoir SketchUp, Meshlab et 'ili, sont librement accessibles, conviviales et offrent des fonctions similaires à celles de MATLAB à des fins de cartographie chimique.
Cette méthode est robuste en ce qui concerne la préparation des échantillons et l’extraction des métabolites. Le dépannage est le plus souvent nécessaire à l’étape d’acquisition de données LC-MS. Cela dépasse le cadre de cet article. Les lecteurs sont dirigés vers d’excellentes publications sur le dépannage de l’acquisition de données LC-MS, y compris20,47. De même, les complexités de l’annotation des métabolites dépassent le cadre de l’accent mis par cette méthode sur la génération de modèles 3D. Les références utiles sur ce sujet incluent24,25,48,49.
Bien que cette méthode explore efficacement la pathogenèse de la maladie, il existe des limites à cette approche, dont certaines sont communes à toute expérience métabolomique. L’une de ces limitations est le faible taux d’annotation des fonctionnalités LC-MS50, qui dépend de la disponibilité et de la qualité des bibliothèques spectrales de référence. Une autre limitation est que ce protocole ne préserve pas l’ARNm en raison de l’incompatibilité des réactifs de préservation de l’ARN tels que l’ARNilatter avec l’analyse LC-MS/MS. Cependant, la qualité des protéines est adéquate pour les analyses en aval et peut donc remplacer les analyses à base d’ARNm.
Une approche cartographique chimique de la pathogenèse des infections reflète directement comment les infections bactériennes, virales ou parasitaires se développent dans les systèmes organiques et provoquent des maladies localisées. L’analyse de ces sous-échantillons régionaux et la génération de modèles 3D permettent en fin de compte de comprendre comment les métabolites fonctionnent dans l’espace tridimensionnel, mettant en lumière ces dimensions spatiales de la biologie moléculaire jusqu’alors méconnues. En utilisant ce protocole, par exemple, la localisation des métabolites a été comparée à la charge parasitaire de Trypanosoma cruzi. Les résultats ont clarifié la relation entre l’agent pathogène et le tissu hôte et ont également démontré la dynamique métabolique de la progression des symptômes de la maladie de Chagas6. Les méthodes de cartographie chimique ont également été appliquées à divers sujets, tels que l’interaction homme-environnement construit51,52,53, la composition chimique des systèmes organiques comme la peau humaine46 et les poumons54, et le métabolisme des plantes et les interactions environnementales55. Les applications futures peuvent impliquer l’évaluation de la tolérance et de la résilience localisées aux maladies, ou la relation entre les niveaux locaux de métabolites, le tropisme pathogène et le tropisme de la maladie dans des modèles au-delà de l’infection trypanosomatidée. Cette approche devrait également avoir une large applicabilité pour élargir les protocoles pharmacocinétiques actuels, pour évaluer la relation entre les niveaux locaux de médicaments tissulaires et le métabolisme des médicaments par rapport au contexte métabolique global, aux lésions tissulaires et à la clairance des agents pathogènes. Dans l’ensemble, la cartographie chimique permet d’explorer de manière unique les distributions de métabolites dans divers types d’échantillons, avec des applications telles que la pathogenèse des maladies, la santé humaine, les interactions homme-environnement et la dynamique microbienne.