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La metabolomica spaziale prevede la mappatura dei metaboliti all'interno del loro contesto tissutale nativo integrando l'imaging con spettrometria di massa (MSI) o altre tecniche spazialmente risolte, con l'analisi metabolica, offrendo informazioni sul metabolismo a risoluzione sub-tissutale, cellulare o subcellulare 1,2,3,4,5,6,7,8 . Tra queste modalità di imaging, la microscopia nel medio infrarosso (MIR) sta guadagnando sempre più attenzione per la sua capacità di mappare chimicamente le biomolecole sulla base del contrasto vibrazionale molecolare 4,7,9,10,11,12. La natura non distruttiva, priva di etichette, ad alta velocità ed economica 4,7,9,10,11,12 rende l'imaging MIR particolarmente adatto per l'integrazione con MSI, formando un promettente approccio multimodale per un'analisi spaziale completa.
La MSI (MALDI-MSI) è una delle tecniche più utilizzate nella metabolomica spaziale (Figura 1A)13. Consente il rilevamento di un'ampia gamma di metaboliti, tra cui lipidi, amminoacidi, zuccheri, nucleotidi e metaboliti secondari, con un'elevata sensibilità1. I progressi nella selezione delle matrici (ad esempio, acido 2,5-diidrossibenzoico [DHB], 9-aminoacridina [9AA] o N- (1-naftil) etilendiammina dicloridrato [NEDC]) e nelle tecniche di ionizzazione (ad esempio, metodi di post-ionizzazione) hanno ulteriormente ampliato la copertura di rilevamento, in particolare per le specie a bassa abbondanza e scarsamente ionizzabili14. I moderni sistemi MALDI-MSI supportano velocità di imaging che vanno tipicamente da 5 a 50 pixel al secondo, a seconda della risoluzione spaziale e del tipo di analizzatore di massa utilizzato (ad esempio, tempo di volo [TOF], Orbitrap o risonanza ciclotronica ionica in trasformata di Fourier [FT-IRC]). In particolare, gli strumenti MALDI-TOF ad alta velocità hanno raggiunto velocità superiori a 100 pixel al secondo, consentendo l'imaging di grandi aree in poche ore15. La risoluzione spaziale di MALDI-MSI è generalmente compresa tra 5 e 50 μm, sufficiente a risolvere strutture cellulari e persino subcellulari16,17. Tuttavia, una risoluzione spaziale più elevata in genere comporta tempi di acquisizione più lunghi, un rapporto segnale/rumore ridotto e maggiori esigenze computazionali durante l'elaborazione dei dati.
A differenza di MSI, l'imaging MIR è un approccio ottico ad ampio campo4, che lo rende intrinsecamente non distruttivo e ad alto rendimento. I recenti progressi nei laser a cascata quantica ad alta potenza (QCL) consentono un nuovo framework noto come imaging a infrarossi a frequenza discreta (DFIR), che aumenta significativamente la velocità di imaging fino alla velocità video (Figura 1B)12,18. Inoltre, le sorgenti QCL hanno reso i rivelatori microbolometrici non raffreddati utilizzabili per l'imaging MIR, consentendo l'uso di rivelatori FPA (Focal Plane Array) più grandi12. Di conseguenza, è possibile acquisire un'immagine MIR a frequenza singola su un'area di 1 cm2 con risoluzione cellulare (~5 μm) in pochi secondi. L'imaging MIR può funzionare sia in modalità label-free che etichettata. In studi precedenti 4,19,20, sono state introdotte piccole sonde vibrazionali IR-attive per monitorare la cinetica di varie attività metaboliche in situ. Queste sonde consentono il monitoraggio in tempo reale delle vie metaboliche riportando le trasformazioni chimiche globali attraverso bande spettrali MIR uniche4. Pertanto, l'imaging MIR fornisce sia la profilazione biochimica statica che il monitoraggio metabolico dinamico con un'elevata risoluzione spaziale e una rapida velocità di acquisizione.
In questo manoscritto, introduciamo un flusso di lavoro completo per eseguire la metabolomica spaziale MALDI-MSI guidata da MIR, dimostrando la fattibilità di acquisire entrambe le modalità dallo stesso campione (Figura 2, Figura 3). Integrando l'imaging MIR con MSI, stabiliamo un approccio multimodale che sfrutta i punti di forza complementari di ciascuna tecnica. L'imaging MIR offre una mappatura biochimica rapida e senza marcatura dell'intero vetrino alla risoluzione cellulare, fungendo da guida preziosa per la selezione della regione di interesse (ROI) nella successiva acquisizione di MSI. Questa strategia consente un flusso di lavoro MSI più mirato ed efficiente, riducendo i tempi e i costi di acquisizione e migliorando al contempo l'interpretabilità e la rilevanza biologica dei dati di metabolomica spaziale. A sua volta, MSI fornisce annotazioni molecolari altamente dettagliate delle immagini iperspettrali MIR, consentendo una comprensione più profonda della biochimica dei tessuti. Nel complesso, questo approccio integrato ha un grande potenziale per far progredire la scoperta di biomarcatori, la diagnostica delle malattie e lo sviluppo terapeutico.