Метод MALDI-TOF MS: революция в молекулярной визуализации и масс-спектрометрии
Метод MALDI-TOF MS (Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization Time-of-Flight Mass Spectrometry) или времяпролетная масс-спектрометрия с матрично-активированной лазерной десорбцией – ионизацией представляет собой высокоточный аналитический инструмент, революционизировавший молекулярный анализ в современной науке. История метода MALDI началась в 1980-х годах, когда японский инженер Коити Танака из корпорации Shimadzu разработал новый подход к масс-спектрометрическому анализу биологических макромолекул. За это открытие в 2002 году он был удостоен Нобелевской премии по химии.
Метод MALDI-TOF отличается уникальной способностью анализировать высокомолекулярные соединения без их фрагментации, что имеет критическое значение при изучении белков, нуклеиновых кислот и других биомолекул. В современной фармакологии времяпролетной масс-спектрометрии MALDI-TOF MS отводится особая роль благодаря возможности быстрой идентификации микроорганизмов, анализа биомаркеров заболеваний и изучения лекарственной фармакокинетики с беспрецедентной точностью и скоростью.
Принцип работы MALDI-TOF MS
Во времяпролетном масс-спектрометре MALDI-TOF MS с матрично-активированной лазерной десорбцией и ионизацией мишень, на которую нанесен образец, сокристаллизованный с матрицей, облучается лазером. Молекулы матрицы поглощают энергию лазера, вызывая испарение молекул образца, например, белков, пептидов, нуклеиновых кислот и т.д. В газовой фазе заряженные элементы, такие как протоны, переносятся на биологические молекулы, вызывая их ионизацию. Затем ионы ускоряются с помощью электрического поля, после чего регистрируется время их прибытия на детектор ионов. Отношение массы к заряду можно определить по времени пролета молекулы, поскольку оно обратно пропорционально массе молекулы.
Технические характеристики:
- Скорость. Эффективность до 300 пикселей/сек, самая высокая скорость обнаружения в данной области, время получения изображения составляет 30-65 минут.
- Пространственное разрешение. Латеральное до 10 мкм, постоянное совершенствование и оптимизация аппаратного и программного обеспечения прибора открывает перспективы улучшения аналитических характеристик.
- Высокая чувствительность. Минимально необходимая доза бомбардировки одного пикселя лазером может достигать ≥ 1 выстрела/ пиксель. Чувствительность более чем в 10 раз выше, чем у аналогичных приборов.
- Инновационные технические решения. Поддержание высокой стабильности вакуума при сохранении частоты и энергии лазерной бомбардировки в высокостабильном состоянии. Непрерывное пространственное разрешение сбора данных 10 мкм. Полное изображение содержит в общей сложности ~30 миллионов лазерных выстрелов (Всего лазерных выстрелов = 33613500).
- Простота использования. Процесс получения изображения полностью автоматический. Быстрое получение данных с миллионами пикселей. Объем данных изображения мозга крысы составляет ~120 ГБ. Охватывает ~3 миллиона спектрограмм (3361350 спектров), приблизительно 3,4 миллиона пикселей (10 мкм × 10 мкм).
Точность измерений:
- По внешнему стандарту: до ± 250 ppm
- По внутреннему стандарту: до ± 50 ppm
- m/z 888.64, Белое вещество, ST C24:1
- m/z 885.56, серое вещество, PI 38:4
Преимущества метода
Метод MALDI-TOF обладает рядом существенных преимуществ перед другими аналитическими методами:
- Прямое обнаружение (нет специфического мечения мишени).
- Нет ограничений на обнаружение веществ (эндогенных, экзогенных).
- Нет ограничений по молекулярному весу (малые и большие молекулы).
- Обеспечение специфического молекулярного пространственного распределения и информации об относительном содержании.
MALDI-имиджинг: новый уровень молекулярной визуализации
MALDI-имиджинг представляет собой передовую технологию молекулярной визуализации, позволяющую проводить пространственный анализ распределения различных соединений непосредственно в тканях. Методика дает возможность одновременно анализировать характеристики пространственного распределения и относительную количественную оценку сотен молекул на одном и том же срезе ткани без необходимости специфического мечения.
Технология позволяет визуализировать пространственное распределение различных классов соединений:
- Визуализация распределения белков в тканях с идентификацией специфических биомаркеров
- Картирование липидного профиля тканей с возможностью анализа гомологии и суперпозиции нескольких молекул
- Метаболиты: обнаружение и визуализация малых молекул в биологических образцах
- Картирование распределения минералов и неорганических веществ в тканях
Применение в доклинических исследованиях
Метод MALDI-TOF масс-спектрометрии находит широкое применение в доклинических исследованиях:
Особую ценность представляет возможность точного определения пространственного распределения лекарственных средств в тканях с дифференциацией исходного препарата от его метаболитов. Это критически важно при разработке узконаправленных лекарств, таких как противоопухолевые препараты.
- Типирование клеток: возможность визуализации пространственного распределения различных типов клеток в тканях.
- Визуализация онкомаркеров: обнаружение патологической молекулярной специфической экспрессии, исследование и скрининг биомаркеров рака.
- Исследования физиологических и патологических процессов: анализ молекулярных изменений при различных заболеваниях и в норме.
- Локализация участков воздействия лекарственных препаратов на опухоль: оценка фармакокинетики, распределения глубины инфильтрации лекарств в опухолевую ткань.
Особую ценность представляет возможность точного определения пространственного распределения лекарственных средств в тканях с дифференциацией исходного препарата от его метаболитов. Это критически важно при разработке узконаправленных лекарств, таких как противоопухолевые препараты.
Заключение
MALDI-TOF MS и MALDI-имиджинг представляют собой ключевые технологии в современной бионауке, обеспечивающие беспрецедентные возможности для молекулярного анализа и визуализации. Постоянное совершенствование и оптимизация аппаратного и программного обеспечения приборов открывают новые перспективы улучшения аналитических характеристик и расширения областей применения. Благодаря уникальным характеристикам, времяпролетная масс-спектрометрия MALDI-TOF MS остается одним из наиболее востребованных и перспективных методов молекулярного анализа, продолжая совершенствоваться и находить новые области применения в науке и медицине.
В нашем каталоге — 300+ высокотехнологичных решений для различных областей науки, образования, инновационной индустрии и здравоохранения.
Этот текст — часть журнала «В фокусе», который рассказывает о новостях, продуктах и решениях для бизнеса, науки и образования.