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La métabolomique spatiale consiste à cartographier les métabolites dans leur contexte tissulaire natif en intégrant l’imagerie par spectrométrie de masse (MSI), ou d’autres techniques spatialement résolues, avec l’analyse métabolique, offrant des informations sur le métabolisme à une résolution sous-tissulaire, cellulaire ou subcellulaire 1,2,3,4,5,6,7,8 . Parmi ces modalités d’imagerie, la microscopie dans l’infrarouge moyen (MIR) attire de plus en plus l’attention pour sa capacité à cartographier chimiquement les biomolécules sur la base du contraste vibratoire moléculaire 4,7,9,10,11,12. La nature non destructive, sans marquage, à grande vitesse et rentable 4,7,9,10,11,12 rend l’imagerie MIR particulièrement bien adaptée à l’intégration avec MSI, formant une approche multimodale prometteuse pour une analyse spatiale complète.
La désorption par ionisation laser assistée par matrice MSI (MALDI-MSI) est l’une des techniques les plus utilisées en métabolomique spatiale (Figure 1A)13. Il permet la détection d’un large éventail de métabolites, y compris les lipides, les acides aminés, les sucres, les nucléotides et les métabolites secondaires, avec une sensibilité élevée1. Les progrès réalisés dans la sélection matricielle (p. ex., l’acide 2,5-dihydroxybenzoïque [DHB], la 9-aminoacridine [9AA] ou le dichlorhydrate de N-(1-naphtyl)éthylènediamine [NEDC]) et les techniques d’ionisation (p. ex., les méthodes de post-ionisation) ont encore élargi la couverture de détection, en particulier pour les espèces peu abondantes et faiblement ionisables14. Les systèmes MALDI-MSI modernes prennent en charge des vitesses d’imagerie allant généralement de 5 à 50 pixels par seconde, en fonction de la résolution spatiale et du type d’analyseur de masse utilisé (par exemple, temps de vol [TOF], Orbitrap ou résonance cyclotronique ionique à transformée de Fourier [FT-IRC]). Notamment, les instruments MALDI-TOF à grande vitesse ont atteint des taux supérieurs à 100 pixels par seconde, permettant une imagerie de grande surface en quelques heures15. La résolution spatiale de MALDI-MSI se situe généralement entre 5 et 50 μm, suffisante pour résoudre les structures cellulaires et même subcellulaires16,17. Cependant, une résolution spatiale plus élevée se fait généralement au prix de temps d’acquisition plus longs, d’un rapport signal/bruit réduit et de demandes de calcul plus importantes lors du traitement des données.
Contrairement à MSI, l’imagerie MIR est une approche optique à large champ4, ce qui la rend intrinsèquement non destructive et à haut débit. Les progrès récents dans les lasers à cascade quantique (QCL) de haute puissance permettent un nouveau cadre connu sous le nom d’imagerie infrarouge à fréquence discrète (DFIR), qui augmente considérablement la vitesse d’imagerie jusqu’à la fréquence vidéo (Figure 1B)12,18. De plus, les sources QCL ont rendu les détecteurs microbolométriques non refroidis viables pour l’imagerie MIR, permettant l’utilisation de détecteurs à réseau de plans focaux (FPA) plus grands12. En conséquence, une image MIR monofréquence sur une zone de 1 cm2 peut être acquise avec une résolution cellulaire (~5 μm) en quelques secondes seulement. L’imagerie MIR peut fonctionner à la fois en mode sans marquage et en mode étiqueté. Dans des études précédentes 4,19,20, de petites sondes vibrationnelles actives IR ont été introduites pour surveiller la cinétique de diverses activités métaboliques in situ. Ces sondes permettent de suivre en temps réel les voies métaboliques en signalant les transformations chimiques mondiales via des bandes spectrales MIR uniques4. Ainsi, l’imagerie MIR fournit à la fois un profilage biochimique statique et une surveillance métabolique dynamique avec une résolution spatiale élevée et une vitesse d’acquisition rapide.
Dans ce manuscrit, nous présentons un flux de travail complet pour effectuer des métabolomiques spatiales MALDI-MSI guidées par MIR, démontrant ainsi la faisabilité d’acquérir les deux modalités à partir du même spécimen (Figure 2, Figure 3). En intégrant l’imagerie MIR à la MSI, nous établissons une approche multimodale qui tire parti des forces complémentaires de chaque technique. L’imagerie MIR offre une cartographie biochimique rapide et sans marquage de l’ensemble de la lame à la résolution cellulaire, servant de guide précieux pour la sélection de la région d’intérêt (ROI) lors de l’acquisition ultérieure de MSI. Cette stratégie permet un flux de travail MSI plus ciblé et plus efficace, réduisant le temps et le coût d’acquisition tout en améliorant l’interprétabilité et la pertinence biologique des données métabolomiques spatiales. À son tour, MSI fournit des annotations moléculaires très détaillées des images hyperspectrales MIR, permettant une compréhension plus approfondie de la biochimie tissulaire. Dans l’ensemble, cette approche intégrée présente un grand potentiel pour faire progresser la découverte de biomarqueurs, le diagnostic des maladies et le développement thérapeutique.