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La métabolomique cherche à caractériser de manière exhaustive les métabolites de petites molécules qui reflètent l’état fonctionnel des systèmesbiologiques 1,2,3,4,5. Parce que les métabolites sont des produits directs de l’activité enzymatique, ils fournissent une lecture dynamique du phénotype cellulaire et de la régulation biochimique. Cependant, les flux de travail métabolomiques conventionnels reposent généralement sur des méthodes d’extraction en masse qui moyennent les signaux entre des milliers et des millions de cellules, obscurcissant ainsi l’hétérogénéitécellulaire 6,7,8.
La métabolomique unicellulaire répond à cette limitation en permettant le profilage moléculaire au niveau des cellules individuelles, révélant la diversité métabolique au sein de populations complexes et améliorant la compréhension mécaniste de la progression de la maladie, de la réponse aux médicaments et de la différenciation cellulaire. La spectrométrie de masse (SEP) est un outil indispensable pour l’analyse moléculaire d’échantillons biologiques. Les avancées récentes dans les techniques de la SEP, incluant la préparation des échantillons, l’instrumentation et l’analyse des données, permettent de réaliser des études métabolomiques sur la EM au niveauunicellulaire 9,10,11,12.
L’imagerie MS (MSI), qui permet l’analyse moléculaire spatialement résolue d’échantillons biologiques, intègre un mouvement précis de l’échantillon, un échantillonnage minimisé, une ionisation efficace et la visualisation des données en acquérant un spectre massif complet à chaque coordonnée spatiale définie sur une surfaced’échantillon 12, 13, 14. Les images MS sont reconstituées en traçant l’intensité des valeurs sélectionnées du rapport masse/charge (m/z) sur les coordonnées x–y, préservant ainsi l’information spatiale chimique au sein des systèmes biologiquescomplexes 12,13,15,16,17,18. Atteindre une métabolomique unicellulaire spatialement résolue nécessite des plateformes analytiques capables de préserver la localisation moléculaire tout en maintenant une sensibilité et une résolution de masse suffisantes pour détecter les espèces à faibleabondance 9,12,19,20.
L’MSI monocellulaire présente des défis supplémentaires car les cellules individuelles mesurent généralement entre 5 et 20 μm dediamètre 8,21. À cette échelle spatiale, l’abondance des analytes par événement d’échantillonnage est extrêmement limitée. Par conséquent, plusieurs facteurs, dont un contrôle précis du mouvement de l’échantillon, un échantillonnage minimisé, une grande efficacité d’ionisation et une transmission d’ions efficace, sont tout aussi essentiels pour obtenir des informations moléculaires interprétables à partir de cellulesindividuelles 14,22. La désorption/ionisation laser assistée par matrice (MALDI)–MSI, une technique basée sur le vide couramment utilisée pour les études MSI à haute résolution spatiale, nécessite un dépôt matriciel et un fonctionnement sous vide ; cependant, la cristallisation matricielle dans MALDI peut introduire la délocalisation et la variabilité des analytes à l’échellede cellule unique 23,24,25,26,27. En revanche, les approches MSI ambiantes fonctionnent dans des conditions ambiantes, et les échantillons maintiennent des états chimiques proches de la nativité car peu ou pas de préparation de l’échantillon est requise. Parmi les méthodes de MSI ambiante, DESI28, nano-DESI21, nano-DESI29 assisté pneumatiquement et Single-probe 8,30,31,32,33,34,35, ont déjà été utilisés pour des études MSI unicellulaires. Bien que les techniques basées sur l’extraction micro-liquide, incluant le nano-DESI, le nano-DESI assisté pneumatiquement et la sonde unique, offrent une grande efficacité d’échantillonnage et d’ionisation, elles reposent sur le maintien d’un pont liquide stable à la pointe de la sonde, tandis que la perturbation du pont liquide, telle que des changements de morphologie de surface ou un bouchon de la sonde, peut affecter la qualité des expériencesMSI 5,8, 21, 30, 35.
DESI est une technique d’ionisation ambiante dans laquelle des gouttelettes de solvant chargé impactent une surface, extraient des analytes et génèrent des gouttelettes secondaires contenant l’espèceionisée 36. DESI offre un échantillonnage sans contact et sans obstruction, compatible avec les flux de travail d’imagerie raster, ce qui le rend parfaitement adapté à la cartographie moléculaire multi-ions haute résolution de cellules uniques identifiées optiquement lorsqu’elles sont couplées à des plateformes Orbitrap à haute résolution 20,37,38,39,40. Le DESI est largement utilisé pour l’imagerie tissulaire mais a rarement été appliqué aux MSI unicellulaires, principalement en raison de défis techniques20,28. Des études récentes réalisées avec un dispositif commercial composé d’un Waters DESI XS couplé à un spectromètre de masse IMS cyclique SELECT SERIES ont démontré que la résolution d’une seule cellule peut être atteinte pour plusieurs lignées cellulaires. Atteindre une haute résolution spatiale en DESI–MSI nécessite un contrôle coordonné de l’efficacité d’ionisation, de la transmission ionique, du taux d’acquisition et de l’alignement des pulvérisateurs12, 20, 28. En particulier, les avancées dans la conception de nouvelles générations de pulvérisateurs DESI, notamment DESI XS et l’ionisation par focalisation électro-flux par désorption (DEFFI), ont considérablement réduit la zone d’échantillonnage41,42. De plus, réduire les débits de solvant, tels que les débits de nanolitres par minute délivrés par les pompes de nanochromatographie liquide (LC), peut considérablement améliorer le confinement spatial pour obtenir une délimitation moléculaireunicellulaire 28. Bien que cette approche ait atteint la résolution MSI à une seule cellule, elle repose sur l’instrumentation d’un fournisseur spécifique (Waters). Une mise en œuvre plus large du DESI–MSI à cellule unique nécessite donc des stratégies pouvant être intégrées à des spectromètres de masse haute résolution largement disponibles, tels que les systèmes Orbitrap, afin d’offrir une grande sensibilité, une précision de masse et une puissance de résolution élevée. La combinaison de DESI avec les spectromètres de masse Orbitrap offre de nouvelles opportunités dans les études MSI unicellulaires, y compris la différenciation d’espèces rapprochées et isobare dans des extraits cellulairescomplexes 20,43,44.
Ce protocole décrit une stratégie modulaire pour intégrer un pulvérisateur Waters DESI XS avec des spectromètres de masse Orbitrap pour des études MSI monocellulaires. Le workflow intègre des couvertures grillées pour l’attache des cellules et la corrélation optique, un étage XYZ motorisé pour le balayage raster contrôlé, une délivrance de solvant à l’échelle nanométrique pour une formation stable de pulvérisation, et une détection Orbitrap haute résolution. Bien qu’un spectromètre de masse Thermo Orbitrap Tribrid Lumos ait été choisi comme plateforme, de nombreux autres modèles de spectromètre de masse Orbitrap équipés de géométries source-interface compatibles pourraient potentiellement être couplés à des configurations DESI XS personnalisées similaires après une adaptation mécanique appropriée et une optimisation.