Avancées dans les techniques d'imagerie par spectrométrie de masse

Étudier comment les biomolécules sont agencées à un petit niveau est super important pour comprendre comment fonctionnent les systèmes biologiques. Pour ça, on a besoin d'outils d'imagerie de haute qualité qui nous permettent de voir les composants cellulaires à leurs vrais endroits. Un des meilleurs outils qu'on a, c'est la microscopie optique, surtout les méthodes avancées qui nous laissent voir des structures plus petites que ce qu'on peut généralement voir avec la lumière. Ces outils nous permettent d'observer en détail des endroits dans les cellules comme les organites.

Mais ces méthodes optiques se concentrent principalement sur les protéines, et elles utilisent des anticorps qui sont très spécifiques à ces protéines. Bien que les anticorps soient excellents pour trouver des protéines, ils limitent notre capacité à regarder d'autres petites molécules comme les métabolites parce qu'on a besoin de sondes spécifiques pour les voir clairement. De plus, l'utilisation de colorants fluorescents peut créer des soucis avec des signaux qui se chevauchent, rendant difficile l'obtention d'images claires de différentes molécules dans une même expérience.

Une méthode alternative appelée Imagerie par spectrométrie de masse (MSI), spécifiquement la désorption laser assistée par matrice–ionisation (MALDI-MSI), nous permet de voir de nombreux types de biomolécules comme les Lipides, les métabolites et les protéines sans avoir besoin d'étiquettes spéciales. Contrairement aux méthodes optiques, la MALDI-MSI peut détecter de petites molécules sans avoir à se soucier de labels ou de colorants spécifiques. Cependant, les instruments commerciaux standards pour cette technique ne peuvent généralement pas voir des détails très fins, avec une Résolution d'environ 5 à 20 micromètres. Ce niveau de détail n'est pas suffisant pour observer des structures très petites dans les cellules.

Pour améliorer cette résolution, les scientifiques ont élaboré diverses techniques. Une façon est d'ajuster comment le laser frappe l'échantillon depuis l'arrière de la diapositive et de le focaliser sur la surface, ce qui a amélioré la résolution à environ 1,2 micromètre. Une autre technique consiste à utiliser des lentilles spéciales pour réduire l'espace entre la lentille et l'échantillon. Cet ajustement peut réduire le focus du laser à environ 1,4 micromètre. Cependant, ces méthodes exigent souvent des outils compliqués et un soin particulier dans la manipulation des échantillons, ce qui peut rendre leur utilisation difficile à grande échelle.

Un autre souci avec certaines de ces techniques avancées est que la façon dont on prépare les échantillons peut réduire leur sensibilité, conduisant à des données moins claires. Certaines techniques peuvent offrir des détails élevés mais peuvent détruire les molécules, rendant difficile la collecte d'informations utiles sur les échantillons.

En revanche, une méthode plus récente appelée Microscopie d'expansion (ExM) peut améliorer notre capacité à voir des petits détails sans avoir besoin de configurations optiques avancées. L'ExM fonctionne en agrandissant les Échantillons biologiques avec un gel spécial, permettant une imagerie plus détaillée avec des microscopes ordinaires. Depuis son introduction, l'ExM a été adaptée pour divers types d'échantillons biologiques et techniques d'imagerie. Les chercheurs ont même développé un nouveau type d'imagerie par spectrométrie de masse en utilisant les principes de l'ExM, atteignant une meilleure résolution d'environ 1 micromètre. Cependant, les méthodes MALDI-MSI traditionnelles restent en retard en termes de résolution.

Cet article présente une nouvelle méthode : la MALDI-MSI à dix fois d'expansion (10X ExMSI), qui aide à atteindre une résolution beaucoup plus élevée d'environ 500 nanomètres. Cette nouvelle méthode permet aux scientifiques d'examiner les échantillons biologiques en détail, facilitant l'étude de leur composition chimique et de leurs différences.

#Développement du flux de travail 10X ExMSI

Pour créer la méthode 10X ExMSI, les chercheurs ont dû développer un nouveau flux de travail pour l'imagerie à haute résolution à l'échelle des cellules. Le processus commence par la prise de tissus fixés et leur découpage en tranches fines. Ces tranches sont ensuite mises dans une chambre spéciale pour aider à ancrer les protéines dans une matrice de gel. Après avoir traité le tissu avec une enzyme pour dégrader les protéines, le gel est autorisé à se dilater librement.

La méthode nécessite une attention particulière à chaque étape. Par exemple, il est crucial que le gel soit retourné pendant l'expansion, de sorte que l'échantillon soit orienté vers le haut. Cette orientation assure que le laser puisse pénétrer le gel et atteindre correctement le tissu. Une fois que le gel a gonflé, il est séché et préparé pour l'imagerie par spectrométrie de masse.

Les chercheurs mesurent également la taille de l'échantillon avant et après expansion pour déterminer combien il a grossi. Dans les tests, ils ont trouvé qu'un facteur d'expansion dix fois est réalisable avec cette méthode, permettant un niveau de résolution très fin.

Avec l'amélioration de la résolution spatiale, les scientifiques peuvent distinguer différentes parties de l'échantillon qu'ils ne pouvaient pas voir auparavant. Par exemple, ils peuvent clairement voir le noyau dans les échantillons de tissu cérébral, ce que les méthodes d'imagerie standard ne pouvaient pas résoudre efficacement.

#Affinage du dépôt de matrice pour une imagerie de haute qualité

Appliquer une matrice uniformément sur l'échantillon est essentiel pour obtenir les meilleurs résultats d'imagerie par spectrométrie de masse. Certaines matrices se sont révélées efficaces pour l'imagerie à haute résolution, et celles-ci ont été choisies pour être utilisées dans la méthode 10X ExMSI. Si les particules de matrice sont trop grosses, elles peuvent provoquer une diffusion des molécules, ce qui affecte la résolution. Par conséquent, les chercheurs ont soigneusement contrôlé la taille de la matrice pour garantir un échantillonnage efficace.

Un appareil spécial a été conçu pour aider à appliquer cette matrice de manière précise. Les paramètres ont été personnalisés pour assurer que la méthode d'application de la matrice fournisse la plus grande sensibilité pour le processus d'imagerie.

Une des forces clés de l'approche ExMSI est qu'elle ne nécessite pas de conditions strictes pour l'application de la matrice, contrairement à certaines méthodes traditionnelles qui ont des options très limitées. La méthode 10X ExMSI montre un grand potentiel pour améliorer encore la résolution.

#Haute couverture des voies lipidiques

Pour tester l'efficacité de la 10X ExMSI, les chercheurs ont utilisé des échantillons de cerveau de souris. Ils ont préparé deux types d'échantillons, un avec la nouvelle méthode d'expansion et un autre sans, pour voir comment les deux se comparent. Les échantillons agrandis ont montré de nombreux signaux forts lors de l'analyse, indiquant que le processus n'a pas causé de perte significative de lipides.

Les scientifiques ont pu identifier de nombreux types de lipides dans les échantillons agrandis et standards. Ils ont trouvé que le processus d'expansion modifiait la forme dans laquelle certains lipides étaient détectés, menant à de nouvelles données intéressantes sur les schémas de distribution des lipides.

Les résultats ont montré une augmentation significative de la détection de certaines espèces lipidiques après expansion, en particulier dans le mode ion positif, soulignant les avantages de la nouvelle méthode. Dans l'ensemble, le processus d'expansion a permis une bien meilleure rétention des échantillons de lipides et a augmenté le nombre d'espèces détectées.

#Imagerie du cerveau et du cervelet de souris

Un domaine de recherche important est l'hippocampe dans le cerveau de la souris, qui joue un rôle clé dans la mémoire et l'apprentissage. En utilisant la méthode 10X ExMSI, les scientifiques ont pu voir la fine structure de l'hippocampe plus clairement par rapport aux méthodes traditionnelles. La nouvelle imagerie a montré plus de détails dans différentes régions des tissus, permettant aux chercheurs de visualiser des zones importantes qui étaient auparavant indistinctes.

Des améliorations similaires ont été observées lors de l'imagerie du cervelet. La méthode 10X ExMSI a fourni une visualisation plus claire des différentes couches et structures au sein du cervelet, montrant des différences distinctes dans la distribution des lipides. Ces découvertes soulignent la capacité de la nouvelle méthode à révéler des détails importants dans l'architecture cérébrale qui sont vitaux pour comprendre sa fonction.

#Haute résolution spatiale dans d'autres expériences

Alors que les chercheurs continuaient à peaufiner la méthode 10X ExMSI, ils ont effectué d'autres tests d'imagerie pour clarifier les structures à des échelles très petites. En utilisant une taille de spot laser plus petite, ils ont pu obtenir des images encore plus claires des structures cérébrales. Ils ont découvert que la méthode fournissait efficacement une résolution sub-micrométrique, permettant aux scientifiques d'identifier des neurones individuels et leurs connexions.

La résolution améliorée a révélé de nouvelles informations sur la façon dont différents types de cellules cérébrales, comme les cellules de Purkinje, sont organisées. Les réseaux dendritiques de ces cellules pouvaient être visualisés clairement, ce qui est une réalisation significative dans le domaine de l'imagerie.

#ExMSI à cellule unique

Les chercheurs voulaient aussi voir si la méthode 10X ExMSI pouvait être utilisée pour analyser des cellules individuelles, pas seulement des sections de tissu. Pour tester cela, ils ont examiné les cellules A549, une lignée de cellules cancéreuses du poumon humain. Le spectre de masse a montré diverses espèces lipidiques réparties à l'intérieur des cellules.

La nouvelle méthode d'imagerie a fourni des vues détaillées des cellules, permettant aux scientifiques d'observer comment différents lipides sont répartis dans la cellule. Ils ont pu comparer les distributions lipidiques dans des échantillons agrandis et standards et ont constaté que la technique d'expansion améliorait considérablement la clarté des images.

Cette capacité à détecter des détails à l'échelle de la cellule unique ouvre de nouvelles possibilités pour comprendre les rôles que les lipides jouent dans différents états cellulaires et les variations entre les cellules.

#Conclusion

Le développement de la méthode 10X ExMSI marque un nouveau chapitre dans l'imagerie biologique. En combinant des techniques d'ionisation douce avec l'expansion des échantillons, cette méthode améliore la résolution et permet l'examen détaillé des échantillons biologiques. Grâce à des techniques d'imagerie plus raffinées, les chercheurs peuvent mieux comprendre les rôles complexes des lipides et d'autres biomolécules à un niveau subcellulaire.

Alors que la communauté scientifique explore cet outil puissant, il devrait contribuer à des avancées dans des domaines comme la neurobiologie, la recherche sur le cancer et la lipidomique. La capacité à visualiser des structures avec autant de détails pourrait conduire à une compréhension plus profonde de comment les processus biologiques fonctionnent et comment ils peuvent être influencés.