マトリックス支援レーザー脱離エレクトロスプレーイオン化

マトリックス支援レーザー脱離エレクトロスプレーイオン化（MALDESI ）は、エレクトロスプレーイオン化（ESI）とマトリックス支援レーザー脱離イオン化（MALDI）の利点を組み合わせた新しいアンビエントイオン化技術として2006年に初めて導入されました。^[1] MALDESIでは、赤外線（IR）レーザーまたは紫外線（UV）レーザーを使用して、内因性または外因性のマトリックスを共鳴励起できます。「マトリックス」という用語は、過剰に存在し、レーザーのエネルギーを吸収して、分析対象分子の脱離を促進する任意の分子を指します。元のMALDESI設計は、MALDIで使用されるものと同様の一般的な有機マトリックスとUVレーザーを使用して実装されました。現在のMALDESIソースは、内因性水または外因的に堆積した氷の薄層をエネルギー吸収マトリックスとして使用し、OH対称および非対称伸縮結合が中赤外レーザーによって共鳴励起されます。^[2]

IR-MALDESI源は質量分析イメージング（MSI）に使用できます。これは、サンプル領域から分析されたMSデータを使用して、数百から数千の生体分子を検出し、その空間分布を視覚化する技術です。IR-MALDESI MSI源は2013年に設計および実装され、^[3]高分解能ハイブリッド四重極-オービトラップ質量分析計に結合されています。コンピューター制御の電動ステージと電荷結合素子（CCD）カメラは、周囲のイオンと相対湿度を調節できる窒素パージエンクロージャ内に配置されます。水冷式ペルチェ熱電プレートを使用して、サンプルステージの温度（-10°C～80°C）を制御します。この源は、調整可能なレーザーフルエンス、繰り返し率、およびレーザートリガーとMSイオン蓄積間の遅延を備えたシングルショットまたはマルチショット機能を備えています。

過去10年間で、レーザー技術^[4]、データ取得、モーター制御ソフトウェア（RastirX ^[5]）、画像処理ソフトウェア（MSiReader ^{[6] [7]}）の革新的な開発により、IR-MALDESIは、多様な生物学的サンプル、法医学的サンプル、医薬品サンプルの直接分析とMSIのための強力なツールとして推進されてきました。

典型的なMALDESI MS実験では、エネルギー吸収媒体として薄い氷の層がサンプル上に堆積されます。水のOH伸縮モードを励起する中赤外レーザー^{[4]を使用して、生物学的サンプルから中性物質を}脱着します。脱着された化合物のプルームは直交エレクトロスプレープルームと相互作用し、そこで荷電エレクトロスプレー液滴に分割され、ESIに似たプロセスを経てイオン化されます。その後、イオンは質量分析計に導入されます。^[2] ESIのようなイオン化メカニズムは実験的に実証され、詳細に研究されており、^{[8] [9] [10]} ESIと同等の柔らかさを示し、完全なタンパク質複合体の検出を可能にしています。

氷マトリックスの形成は、ペルチェステージを -10 °C まで冷却する前に、乾燥窒素ガス源でエンクロージャを 12% 未満の相対湿度までパージすることから始まります。その後、冷却されたサンプルは周囲の相対湿度にさらされ、サンプル上に氷層が急速に形成されます。窒素パージされたエンクロージャを介してエンクロージャの相対湿度を 10%±2% に保つことで、実験全体を通して氷の厚さが維持されます。^[2]以前は、氷は IR-MALDI 実験でマトリックスとして使用されていましたが、^[11]このような実験のイオン収量は非常に低いものでした。IR-MALDESI で採用されているエレクトロスプレーポストイオン化は、低いイオン化収量に関連する問題を軽減するのに役立ちます。外因的に堆積した氷マトリックスは、イオンの存在量を約 15 倍向上させることが示されています。^[12]

MALDESI は複雑なインタラクティブ システムであるため、1 回の実験で最適な形状を生成するのは困難です。ステージの高さ、ESI スポットの距離、レーザー繰り返し率など、サンプリング ステージ、質量分析計、レーザー脱離間の通信に関係する実験設定は、いくつかの実験計画法 (DOE) によって段階的に最適化されています。^{[13] [9] [2]}ソース形状の最適化に加えて、エレクトロスプレー溶媒の組成も MALDESI 信号に影響を及ぼします (つまり、分子の被覆率とイオンの存在量に影響します)。組織固有の脂質の検出を改善するための研究では、エレクトロスプレー パラメータが正と負のイオン化極性に合わせて調整されています。最適なパラメータでは、脂質の存在量は 3 倍に増加し、正極性では被覆率が 15% 増加しましたが、負モードでは脂質の存在量は 1.5 倍に増加し、被覆率は 10% 増加しました。^[14]

第一世代のMALDESIシステムはフーリエ変換（FT）イオンサイクロトロン共鳴質量分析計に結合されていましたが、 ^{[3]現在のソースは、} Orbitrap質量分析計を備えたThermo Exploris 240またはQ Exactive Plus質量分析計とインターフェイスされています。これらの質量分析計は、同等の精度の質量測定を提供しますが、通常、データ取得時間が短縮されます。MALDESIソースは、高スループットスクリーニングのためにドリフトチューブイオンモビリティスペクトロメータ-質量分析計（IMS-MS）に結合することもできます。^[15]これらの統合により、MSIのより信頼性の高い生データと、さまざまな生物学的標本の直接分析が得られます。これは、分析時間が長くなると、調査中のサンプルに生理学的変化が生じる可能性があるためです。

MSiReaderはMatlabアプリケーションであり、MALDESIを介して収集された高解像度の正確な質量データの視覚化と分析を提供します。 MSiReaderはノースカロライナ州立大学で開発され、2013年に初めてリリースされました。^[6]現在では、MSIデータ用の最も重要な無料のオープンソースソフトウェアの1つとなっており、^[7]ほとんどの一般的なMSIデータ形式（mzXML、imzML、img、ASCIIなど）と互換性があります。 MSiReaderには、高い質量測定精度でのヒートマップ生成、^[7]ピークの正規化、^[16]絶対および相対定量、^{[7] [17]}極性切り替え^{[18]など、多くの重要な機能があります。}主成分分析（MSiPCA）、MSiCorrelation、^[19] 3D視覚化^{[20] [21]}などの高度な機能もMSiReaderに追加されています。現在までに、MSiReader は 1,250 人以上の研究者によって使用され、2013 年以降 325 以上の出版物で引用されています。BSD 3 オープンソース ライセンスの下でリリースされており、公開 MSiReader Web サイト www.msireader.com から無料でダウンロードできます。Matlab ライセンスを必要としないスタンドアロン バージョンも利用できます。

また、Matlab プラットフォーム上に構築された Rastir ソフトウェアは、MALDESI 実験のために組織切片を囲む長方形の関心領域(ROI) をユーザーが視覚的に定義できるようにするために開発されました。Rastir は、モーション コントロール コマンドとレーザーおよび機器の同期パラメーターを自動的に生成し、サンプル ステージをレーザー ビームの下で移動させて、ボクセルごとに MS データを取得します。最新のソフトウェア バージョンである RastirX では、コンピューターのマウスを使用して、サンプルのライブ ビデオ画像に任意の ROI を描くことができます。ROI はスキャンごとにさらに変更できるため、長方形の ROI を使用する場合よりも取得時間が大幅に短縮され、組織外の化合物による汚染が少なくなります。この任意の ROI ツールは、いくつかのプロジェクトに適用されています。^{[5] [22]}

2006 年の登場以来、MALDESI はレーザー技術 (UV レーザーからさまざまな中赤外波長レーザーまで)、^{[1] [4] [23]、} ESI 設定^{[9] [13] [14]}、および関連ソフトウェア^{[5] [6] [7] [8] [9]}において大きな進歩を遂げてきました。これらの進歩により、IR-MALDESI はさまざまな生物学的サンプルを調査するための競争力のあるイメージングおよび直接分析ツールになりました。m/z を取得した位置と関連付けることで、分析対象物の固有のイオンマップを生成できます。これにより、哺乳類サンプル^{[1] [12] [21] [23] [14] [24]}から植物組織^{[25] [26] [27]までの}脂質、ペプチド、メタボロミクス、およびその他の小さな生体分子の空間分布に関する貴重な情報が得られます。

ESIに似たプロセスにより、MALDESIは多重電荷ペプチドやタンパク質の検出が可能になりました。これは、MALDIでは主に一価および二価イオンを生成するため実現できませんでした。^[1]

^{IR-MALDESIは、新生児マウス[24]}やゼブラフィッシュ^[28]など、全身レベルの脂質分布の可視化に成功している。ステージ移動距離がレーザービーム径よりも小さいオーバーサンプリング法^[29]を採用することで、スポット間距離約10マイクロメートルで細胞レベルでのIR-MALDESI MSIが達成された。^{[30]さらに、単離された}HeLa細胞を用いて、単一細胞レベルでのIR-MALDESIの脂質分布検出能が実証されている。^[31]

^{IR-MALDESIは、軟部組織（鶏卵巣[32]}やラットの肝臓組織^[10]など）に加えて、石膏に埋め込まれた未改変の健康なマウスの骨と脳卒中の影響を受けたマウスの骨からの代謝物を検出することができ、その結果、推定826と669の組織特異的な種が注釈付けされました。^[22]

IR-MALDESIは、植物や野菜のサンプルの代謝を研究するための貴重なツールです。これらのサンプルは自然に水分を豊富に含んでいるからです。IR-MALDESIによるミニトマトの広範な代謝分析が最近報告されました。^[25]アラビドプシスの実生の分析では、安定同位体標識（SIL）インドール-3-酢酸（IAA）を使用して、オーキシン関連化合物の量を相対的に定量しました。さらに、この研究では、アガロースがIR-MALDESIで初めて適切な基質として使用されました。^[27]

IR-MALDESIは、化学的誘導体化を行わずに、難燃剤テトラブロモビスフェノールAに曝露したラットの脳内の特定の神経伝達物質を測定できることを示しました。 ^[33]ラット胎盤切片中の神経伝達物質とその経路関連代謝物に焦点を当てた追跡研究では、49の推定神経伝達物質と代謝物が同定されたと報告されました。^[34]

グリカンは構造的に複雑な分子であり、分析には多くの課題があります。IR -MALDESIによるウシフェチュインのN結合型グリカンの直接分析が正イオン化モードと負イオン化モードの両方で実施さ​​れ、IR-MALDESIがN結合型グリカンのプロファイリングの代替技術になり得ることが示されました。^[35]

従来の 3D MSI のほとんどは、連続切片から分析物の 2D 画像を再構成する手法に基づいていますが、連続切片に基づく 3D イメージングは​​時間がかかり、重要な生物学的情報が失われる可能性があります。IR-MALDESI はアブレーション ベースの手法であり、連続したアブレーション イベントでサンプルを順次イメージングすることで、医薬品錠剤^[20]やヌード マウス皮膚^[21]から生体分子の 3D ヒート マップを測定して生成することができます。

概念実証研究では、培養された子宮頸部組織中のHIV 抗レトロウイルス薬をIR-MALDESIを使用して画像化し、定量化し、その結果を検証済みのLC-MS/MS法で評価しました。 ^{[12]これまでのところ、IR-MALDESIの医薬品への応用は、組織切片[12] [24] [36]}から単一の毛髪にまで広がっています。 ^[17]

繊維は犯罪捜査における重要な痕跡証拠である。被害者と容疑者を区別するために使用できる繊維の特徴の1つは、繊維染料とそれに関連する不純物によって生成された色である。 ^{[37] IR-MALDESIを使用して、}クロマトグラフィーによる事前分離なしに布地からの染料の直接分析に成功した。^{[38] [39]}

共鳴または非共鳴レーザー脱離とポストエレクトロスプレーイオン化を組み合わせたハイブリッドイオン化法も存在します。1つの例はエレクトロスプレーレーザー脱離イオン化（ELDI）で、紫外線レーザーを使用してサンプルに直接照射し、マトリックスを使用せずにエレクトロスプレープルームと相互作用することでイオンを形成します。^{[40] ELDIの赤外線バージョンは}、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）と呼ばれています。IR-MALDESIは、外因性の氷マトリックスを使用してサンプルの脱離とソースの幾何学的パラメータを強化する点で、これら2つの方法とは異なります。別の技術である脱離大気圧光イオン化（DAPPI）は、加熱された溶媒蒸気のジェットを使用して、ネブライザーマイクロチップを介してサンプル表面から分析対象物を脱離します。脱離した分子は、UVランプから放出された光子によってイオン化され、質量分析計に導入されます。^[41]