質量分析イメージング

質量分析イメージング( MSI ) は、質量分析において、バイオマーカー、代謝物、ペプチド、タンパク質などの分子の空間分布を分子量別に視覚化する技術です。1 つのスポットで質量スペクトルを収集した後、サンプルを別の領域に移動させ、サンプル全体がスキャンされるまでこれを繰り返します。得られたスペクトルで目的の化合物に対応するピークを選択すると、MS データを使用してサンプル全体にわたる分布がマッピングされます。これにより、化合物の空間的に分解された分布のピクセルごとの画像が得られます。各スペクトルのどのピークも空間的にマッピングできるため、各データ セットには実際の画像ギャラリーが含まれています。MSI は一般に定性的な方法であると考えられていますが、この技術によって生成される信号は、分析対象の相対的な存在量に比例します。したがって、課題を克服すれば定量化が可能です。放射化学や免疫組織化学などの広く使用されている従来の方法論は、MSIと同じ目標を達成しますが、一度に複数のサンプルを分析する能力には限界があり、研究者が研究対象のサンプルについて事前の知識を持っていない場合は不十分であることが判明する可能性があります。^[1] MSIの分野で最も一般的なイオン化技術は、 DESIイメージング、 MALDIイメージング、二次イオン質量分析イメージング（SIMSイメージング）、ナノスケールSIMS（NanoSIMS）です。^{[2] [3] [4]}

50年以上前、CastaingとSlodzianによって半導体表面を研究するために二次イオン質量分析法（SIMS）を用いたMSIが導入されました。 ^[5]しかし、1990年代後半にRichard Caprioliと同僚がマトリックス支援レーザー脱離イオン化（MALDI）を適用して細胞や組織内の大きな生体分子（タンパク質や脂質など）を可視化し、これらの分子の機能と、がんなどの疾患によって機能がどのように変化するかを明らかにする先駆的な研究を行い、MSIの広範な使用につながりました。今日では、SIMS、MALDI、脱離エレクトロスプレーイオン化（DESI）などのさまざまなイオン化技術やその他の技術が使用されています。それでも、MALDIはMSIの臨床および生物学的応用に関する現在の主要な技術です。^[6]

MSIはサンプルの空間分布に基づいています。したがって、動作原理は空間情報を取得するために使用される技術によって異なります。MSIで使用される2つの技術は、マイクロプローブと顕微鏡です。^[7]

この技術は、集束イオン化ビームを使用してサンプルの特定の領域を分析し、質量スペクトルを生成することによって実行されます。質量スペクトルは、測定が行われた空間座標とともに保存されます。次に、サンプルまたはイオン化ビームを移動して新しい領域を選択し、分析します。これらの手順は、サンプル全体がスキャンされるまで繰り返されます。すべての個々の質量スペクトルを結合することにより、x および y 位置の関数として強度の分布マップをプロットできます。その結果、サンプルの再構成された分子画像が得られます。^[7]

この技術では、2D位置感度検出器を使用して、機器のイオン光学系によってサンプル表面で生成されたイオンの空間起源を測定します。空間情報の解像度は、顕微鏡の倍率、イオン光学系の品質、検出器の感度によって異なります。新しい領域をスキャンする必要はありますが、位置の数は大幅に減少します。このモードの制限は、すべての顕微鏡に存在する有限の視野深度です。^[7]

MSI に使用できるイオン化技術は、さまざまなアプリケーションに適しています。イオン化方法を選択するための基準には、サンプルの準備要件と、解像度、質量範囲、感度などの測定パラメータがあります。それに基づいて、最も一般的に使用されるイオン化方法は、以下で説明するMALDI、SIMS、およびDESIです。それでも、使用されるその他のマイナーな技術には、レーザーアブレーションエレクトロスプレーイオン化 (LAESI)、レーザーアブレーション誘導結合プラズマ (LA-ICP) 、およびナノスプレー脱離エレクトロスプレーイオン化 (ナノ DESI) があります。

二次イオン質量分析法（SIMS）は、集束した一次イオンビームで表面をスパッタリングし、放出された二次イオンを収集して分析することで、固体表面や薄膜を分析するために使用されます。一次イオンビームにはさまざまなソースがあります。ただし、一次イオンビームには、エネルギースケールの上限にあるイオンが含まれている必要があります。一般的なソースには、Cs ⁺、O ₂ ⁺、O、Ar ⁺、Ga ⁺などがあります。^{[8] SIMSイメージングは​​、}電子顕微鏡法に似た方法で実行されます。一次イオンビームがサンプル全体に照射され、二次質量スペクトルが記録されます。^[9] SIMSは、最高の画像解像度を提供するという利点がありますが、サンプルの小さな領域にのみ適用されます。^{[10]さらに、この技術は、1立方センチメートルあたり10 12} -10 ¹⁶原子という低濃度の元素を検出できるため、最も感度の高い質量分析法の1つとして広く認識されています。^{[11] [注1] [注2]}

多重イオンビームイメージング（MIBI）は、金属同位体標識抗体を使用して生物学的サンプル中の化合物を標識するSIMS法である。^[12]

SIMS 内の開発: プロセスの効率を高めるために、SIMS 内でいくつかの化学的変更が行われてきました。現在、SIMS 測定の感度を高めることで全体的な効率を高めるために、2 つの別々の技術が使用されています。マトリックス強化 SIMS (ME-SIMS) - これは MALDI の化学イオン化特性をシミュレートするため、MALDI と同じサンプル準備を行います。ME-SIMS では、MALDI ほど多くの材料をサンプルしません。ただし、テスト対象の分析物の質量値が低ければ、MALDI スペクトルと似たスペクトルを生成できます。ME-SIMS は非常に効果的であるため、ME-SIMS 技術が開発される前には不可能だった、細胞レベル以下の低質量化学物質を検出できるようになりました。^[4]使用されている 2 つ目の技術は、サンプルのメタライゼーション (Meta-SIMS) と呼ばれています。これは、サンプルに金または銀を追加するプロセスです。これにより、サンプルの周囲に金または銀の層が形成され、その厚さは通常 1 ～ 3 nm 以下です。この技術の使用により、より大きな質量のサンプルに対する感度が向上しました。金属層の追加により、絶縁サンプルを導電性サンプルに変換することも可能になり、SIMS実験における電荷補償は不要になりました。^[13]

^{NanoSIMS [2]}により細胞内（50nm）分解能が可能になり、細胞小器官レベルでの絶対定量分析が可能になります。

マトリックス支援レーザー脱離イオン化は、比較的大きな分子の質量分析イメージング技術として使用できます。^[4]最近、組織の MALDI イメージングに使用する最も効果的なマトリックスの種類はイオンマトリックスであることが示されました。このバージョンの技術では、サンプル (通常は薄い組織切片) を 2 次元で移動させ、質量スペクトルを記録します。^[15] MALDI には、より大きな分子の空間分布を記録できるという利点がありますが、SIMS 技術よりも解像度が低くなります。MALDI を使用する最新の機器のほとんどの横方向解像度の限界は 20 m です。MALDI 実験では、イオン化に Nd:YAG (355 nm) または N ₂ (337 nm) レーザーが一般的に使用されます。^[4]${\displaystyle \mu}$

組織中の薬力学と毒性力学はMALDIイメージングによって研究されてきた。^[16]

脱着エレクトロスプレーイオン化は、サンプルのシンプルさと迅速な分析を組み合わせた、破壊性の低い技術です。サンプルは、さまざまな分子種のイオン化と脱着を引き起こす角度で、帯電した溶媒ミストでスプレーされます。次に、空間分布と関連して、サンプルの表面における選択されたイオンの存在量の2次元マップが生成されます。^{[17] [10]}この技術は、固体、液体、凍結、気体のサンプルに適用できます。さらに、DESIを使用すると、動物や植物の組織や細胞培養サンプルなど、さまざまな有機化合物や生物学的化合物を、複雑なサンプル準備なしで分析できます^{[6] [10]}この技術は、他の技術の中で最も解像度が低いですが、全身のセクションスキャンなど、広い領域スキャンから高品質の画像を作成できます。^[10] Fn

さまざまな MSI 技術を組み合わせると、それぞれの技術に利点があるため有益です。たとえば、同じ組織切片でタンパク質と脂質の両方に関する情報が必要な場合は、脂質の分析に DESI を実行し、続いてペプチドの情報を取得するために MALDI を実行し、最後に染色 (ヘマトキシリンおよびエオシン) を適用して組織の構造特性の医学的診断を行います。^[10] MSI と他の画像化技術のもう 1 つの側面としては、MSI による蛍光染色とMRI による磁気共鳴画像 (MRI) が挙げられます。蛍光染色は、組織内の任意のプロセスに存在する一部のタンパク質の外観に関する情報を提供できますが、MSI はそのプロセスで提示される分子変化に関する情報を提供できます。両方の技術を組み合わせることで、さまざまな分子の分布のマルチモーダル画像、さらには 3D 画像を生成することができます。^[10]対照的に、MSI を使用した MRI は、MRI 画像の連続的な 3D 表現と、MSI からの分子情報を使用した詳細な構造表現を組み合わせます。 MSI自体は3D画像を生成できますが、分析の深さの制限により画像は現実の一部にすぎません。一方、MRIは、例えば臓器の詳細な形状と追加の解剖学的情報を提供します。この結合技術は、癌の正確な診断と脳神経外科手術に有益です。^[10]

imzMLは、 mzML形式に基づいた標準化されたXMLファイルでデータを交換するために提案されました。^[18]いくつかのイメージングMSソフトウェアツールがこれをサポートしています。この形式の利点は、異なる機器やデータ分析ソフトウェア間でデータを交換できる柔軟性です。^[19]

イメージング質量分析データの視覚化とマイニングには、多くの無料ソフトウェアパッケージが利用可能です。Thermo Fisher形式、Analyze形式、GRD形式、Bruker形式からimzML形式へのコンバーターは、Computisプロジェクトによって開発されました。imzML形式で質量分析画像を表示するためのソフトウェアモジュールもいくつかあります：Biomap（Novartis、無料）、Datacube Explorer（AMOLF、無料）^[20] EasyMSI（CEA）、Mirion（JLU）、MSiReader（NCSU、無料）^[21]、SpectralAnalysis。^[22]

無料の統計・グラフィック言語Rで.imzMLファイルを処理するために、ローカルコンピュータ、リモートクラスタ、またはAmazonクラウド上で大きなファイルの並列処理を可能にするRスクリプトのコレクションが利用可能です。^[23]

RでimzMLとAnalyze 7.5データを処理するための別の無料の統計パッケージ、Cardinalが存在します。^[24]

SPUTNIK ^{[25]は、サンプルの位置や}空間的なランダム性とは相関のない空間分布を特徴とするピークを除去するためのさまざまなフィルターを含むRパッケージです。

MSI の注目すべき能力は、生体分子に関する事前情報がない場合でも、組織内の生体分子の局在を見つけ出すことができることです。この機能により、MSI は臨床研究や薬理学研究のためのユニークなツールとなっています。タンパク質、脂質、細胞代謝を追跡することで、疾患に関連する生体分子の変化に関する情報を提供します。たとえば、MSI でバイオマーカーを特定することで、詳細な癌診断を行うことができます。さらに、特定の薬物に対する治療反応や特定の薬物送達方法の有効性を示す分子シグネチャの画像など、医薬品研究のための低コストの画像を取得できます。^{[26] [27] [28]}

イオン共局在は、生体分子間の局所的な相互作用を推測する方法として研究されてきた。顕微鏡画像における共局在と同様に、相関はイオン画像間の類似性を定量化し、ネットワークモデルを生成するために使用されてきた。^[29]

組織内の分子の位置と分布を研究するためのMSIの主な利点は、この分析が他の分析よりも高い選択性、より多くの情報、またはより高い精度を提供できることです。さらに、このツールでは、同様の結果を得るために必要な時間とリソースの投資が少なくて済みます。^[17]以下の表は、薬物分布分析に関連するMSIを含むいくつかの利用可能な技術の利点と欠点の比較を示しています。^[5]

「生物システムにおける微量金属の画像化」pp 81–134、「金属、微生物、鉱物：生命の生物地球化学的側面」（2021）pp xiv + 341。著者：Yu, Jyao、Harankhedkar, Shefali、Nabatilan, Arielle、Fahrni, Christopher、Walter de Gruyter、ベルリン。編集者：Kroneck, Peter MH、Sosa Torres, Martha。DOI 10.1515/9783110589771-004