Development of Imaging Mass Spectrometry Analysis of Lipids in Biological and Clinically Relevant Applications

La spectrométrie de masse mesure la masse des ions selon leur rapport masse sur charge. Cette technique est employée dans plusieurs domaines et peut analyser des mélanges complexes. L’imagerie par spectrométrie de masse (Imaging Mass Spectrometry en anglais, IMS), une branche de la spectrométrie de masse, permet l’analyse des ions sur une surface, tout en conservant l’organisation spatiale des ions détectés. Jusqu’à présent, les échantillons les plus étudiés en IMS sont des sections tissulaires végétales ou animales. Parmi les molécules couramment analysées par l’IMS, les lipides ont suscité beaucoup d'intérêt. Les lipides sont impliqués dans les maladies et le fonctionnement normal des cellules; ils forment la membrane cellulaire et ont plusieurs rôles, comme celui de réguler des événements cellulaires. Considérant l’implication des lipides dans la biologie et la capacité du MALDI IMS à les analyser, nous avons développé des stratégies analytiques pour la manipulation des échantillons et l’analyse de larges ensembles de données lipidiques. La dégradation des lipides est très importante dans l’industrie alimentaire. De la même façon, les lipides des sections tissulaires risquent de se dégrader. Leurs produits de dégradation peuvent donc introduire des artefacts dans l’analyse IMS ainsi que la perte d’espèces lipidiques pouvant nuire à la précision des mesures d’abondance. Puisque les lipides oxydés sont aussi des médiateurs importants dans le développement de plusieurs maladies, leur réelle préservation devient donc critique. Dans les études multi-institutionnelles où les échantillons sont souvent transportés d’un emplacement à l’autre, des protocoles adaptés et validés, et des mesures de dégradation sont nécessaires. Nos principaux résultats sont les suivants : un accroissement en fonction du temps des phospholipides oxydés et des lysophospholipides dans des conditions ambiantes, une diminution de la présence des lipides ayant des acides gras insaturés et un effet inhibitoire sur ses phénomènes de la conservation des sections au froid sous N2. A température et atmosphère ambiantes, les phospholipides sont oxydés sur une échelle de temps typique d’une préparation IMS normale (~30 minutes). Les phospholipides sont aussi décomposés en lysophospholipides sur une échelle de temps de plusieurs jours. La validation d’une méthode de manipulation d’échantillon est d’autant plus importante lorsqu’il s’agit d’analyser un plus grand nombre d’échantillons. L’athérosclérose est une maladie cardiovasculaire induite par l’accumulation de matériel cellulaire sur la paroi artérielle. Puisque l’athérosclérose est un phénomène en trois dimension (3D), l'IMS 3D en série devient donc utile, d'une part, car elle a la capacité à localiser les molécules sur la longueur totale d’une plaque athéromateuse et, d'autre part, car elle peut identifier des mécanismes moléculaires du développement ou de la rupture des plaques. l'IMS 3D en série fait face à certains défis spécifiques, dont beaucoup se rapportent simplement à la reconstruction en 3D et à l’interprétation de la reconstruction moléculaire en temps réel. En tenant compte de ces objectifs et en utilisant l’IMS des lipides pour l’étude des plaques d’athérosclérose d’une carotide humaine et d’un modèle murin d’athérosclérose, nous avons élaboré des méthodes «open-source» pour la reconstruction des données de l’IMS en 3D. Notre méthodologie fournit un moyen d’obtenir des visualisations de haute qualité et démontre une stratégie pour l’interprétation rapide des données de l’IMS 3D par la segmentation multivariée. L’analyse d’aortes d’un modèle murin a été le point de départ pour le développement des méthodes car ce sont des échantillons mieux contrôlés. En corrélant les données acquises en mode d’ionisation positive et négative, l’IMS en 3D a permis de démontrer une accumulation des phospholipides dans les sinus aortiques. De plus, l’IMS par AgLDI a mis en évidence une localisation différentielle des acides gras libres, du cholestérol, des esters du cholestérol et des triglycérides. La segmentation multivariée des signaux lipidiques suite à l’analyse par IMS d’une carotide humaine démontre une histologie moléculaire corrélée avec le degré de sténose de l’artère. Ces recherches aident à mieux comprendre la complexité biologique de l’athérosclérose et peuvent possiblement prédire le développement de certains cas cliniques. La métastase au foie du cancer colorectal (Colorectal cancer liver metastasis en anglais, CRCLM) est la maladie métastatique du cancer colorectal primaire, un des cancers le plus fréquent au monde. L’évaluation et le pronostic des tumeurs CRCLM sont effectués avec l’histopathologie avec une marge d’erreur. Nous avons utilisé l’IMS des lipides pour identifier les compartiments histologiques du CRCLM et extraire leurs signatures lipidiques. En exploitant ces signatures moléculaires, nous avons pu déterminer un score histopathologique quantitatif et objectif et qui corrèle avec le pronostic. De plus, par la dissection des signatures lipidiques, nous avons identifié des espèces lipidiques individuelles qui sont discriminants des différentes histologies du CRCLM et qui peuvent potentiellement être utilisées comme des biomarqueurs pour la détermination de la réponse à la thérapie. Plus spécifiquement, nous avons trouvé une série de plasmalogènes et sphingolipides qui permettent de distinguer deux différents types de nécrose (infarct-like necrosis et usual necrosis en anglais, ILN et UN, respectivement). L’ILN est associé avec la réponse aux traitements chimiothérapiques, alors que l’UN est associé au fonctionnement normal de la tumeur.

Développement de matériaux à base de protéines extraites du byssus de la moule bleue Mytilus edulis

Le byssus est un amas de fibres que les moules produisent afin de s’ancrer aux surfaces immergées sous l’eau. Ces fibres sont pourvues de propriétés mécaniques impressionnantes combinant rigidité, élasticité et ténacité élevées. De plus, elles possèdent un comportement d’auto-guérison de leurs propriétés mécaniques en fonction du temps lorsque la contrainte initialement appliquée est retirée. Les propriétés mécaniques de ces fibres sont le résultat de l’agencement hiérarchique de protéines de type copolymère blocs riches en collagène et de la présence de métaux formant des liens sacrificiels réversibles avec certains acides aminés comme les DOPA et les histidines. Bien que cette fibre soit très intéressante pour la production de matériaux grâce à son contenu élevé en collagène potentiellement biocompatible, cette ressource naturelle est traitée comme un déchet par les mytiliculteurs. L’objectif de cette thèse était de valoriser cette fibre en extrayant les protéines pour générer une nouvelle classe de matériaux biomimétiques. Un hydrolysat de protéines de byssus (BPH) riche en acides aminés chargés, i.e. ~30 % mol, et permettant de former des films a pu être généré. Lorsque solubilisé à pH 10.5, le BPH forme un hydrogel contenant des structures en triple hélice de collagène et des feuillets β anti-parallèles intra- et inter-moléculaires. Suite à l’évaporation de l’eau, le film de BPH résultant est insoluble en milieu aqueux à cause des structures secondaires très stables agissant comme points de réticulation effectifs. Les propriétés mécaniques des films de BPH sont modulables en fonction du pH. Au point isoélectrique (pI = 4.5), les interactions électrostatiques entre les charges opposées agissent comme points de réticulation et augmentent la rigidité des films et leur contrainte à la rupture sans affecter la déformation à la rupture. À pH plus élevé ou plus bas que le pI, les performances mécaniques des films sont plus faibles à cause de la répulsion entre les groupements fonctionnels de même charge qui interagissent plutôt avec les molécules d’eau et causent le gonflement de la matrice protéique des films. Le BPH contenant un nombre élevé d’acides aminés chargés et réactifs, nous avons pu réticuler les films de manière covalente à l’aide d’EDC ou de glutaraldéhyde. Les propriétés mécaniques des films sont modulables en fonction de la concentration d’EDC utilisée lors de la réticulation ou en employant du glutaraldéhyde comme agent réticulant. Les films sont à la fois plus rigides et plus forts avec un degré de réticulation élevé, mais perdent leur extensibilité à mesure que les segments libres de s’étirer lors d’une traction deviennent entravés par les points de réticulation. La réticulation augmente également la résistance à la dégradation enzymatique par la collagénase, les films les plus fortement réticulés lui étant pratiquement insensibles. La spectroscopie infrarouge montre enfin que la réticulation entraîne une transition de feuillets β anti-parallèles inter-moléculaires vers des structures de type hélices de collagène/PPII hydratées. Des liens sacrificiels ont été formés dans les films de BPH par traitement au pI et/ou avec différents métaux, i.e. Na+, Ca2+, Fe3+, afin de moduler les propriétés mécaniques statiques et d’évaluer le rôle de ces traitements sur le comportement d’auto-guérison lors de tests mécaniques cycliques avec différents temps de repos. Plus la valence des ions métalliques ajoutés augmente, plus les propriétés mécaniques statiques affichent un module, une contrainte à la rupture et une ténacité élevés sans toutefois affecter la déformation à la rupture, confirmant la formation de liens sacrificiels. Les tests mécaniques cycliques montrent que les traitements au pI ou avec Ca2+ créent des liens sacrificiels ioniques réversibles qui mènent à un processus d’auto-guérison des performances mécaniques dépendant du pH. L’ajout de Fe3+ à différentes concentrations module les performances mécaniques sur un plus large intervalle et la nature plus covalente de son interaction avec les acides aminés permet d’atteindre des valeurs nettement plus élevées que les autres traitements étudiés. Le Fe3+ permet aussi la formation de liens sacrificiels réversibles menant à l’auto-guérison des propriétés mécaniques. Les spectroscopies Raman et infrarouge confirment que le fer crée des liaisons avec plusieurs acides aminés, dont les histidines et les DOPA. Les résultats dans leur ensemble démontrent que les films de BPH sont des hydrogels biomimétiques du byssus qui peuvent être traités ou réticulés de différentes façons afin de moduler leurs performances mécaniques. Ils pourraient ainsi servir de matrices pour des applications potentielles dans le domaine pharmaceutique ou en ingénierie tissulaire.

The influence of photon excitation and proton irradiation on the luminescence properties of yttria stabilized zirconia doped with praseodymium ions

Lanthanide doped zirconia based materials are promising phosphors for lighting applications. Transparent yttria stabilized zirconia fibres, in situ doped with Pr3+ ions, were grown by the laser floating zone method. The single crystalline doped fibres were found to be homogeneous in composition and provide an intense red luminescence at room temperature. The stability of this luminescence due to transitions between the 1D2 → 3H4 multiplets of the Pr3+ ions (intra-4f2 configuration) was studied by photo- and iono-luminescence. The evolution of the red integrated photoluminescence intensity with temperature indicates that the overall luminescence decreases to ca. 40% of the initial intensity at 14 K when heated to room temperature (RT). RT analysis of the iono-luminescence dependence on irradiation fluence reveals a decrease of the intensity (to slightly more than ∼60% of the initial intensity after 25 min of proton irradiation exposure). Nevertheless the luminescence intensity saturates at non-zero values for higher irradiation fluences revealing good potential for the use of this material in radiation environments.

Impacts moléculaires d’un excès d’acides gras sur l’androgenèse des cellules surrénaliennes

Le syndrome des ovaires polykystiques (SOPK) touche entre 5 à 10 % des femmes en âge de procréer et est associé à de nombreuses complications. Ce désordre endocrinien est caractérisé par des niveaux circulants élevés d’androgènes, dont la production est principalement modulée par la P450c17 et son cofacteur, soit la P450oxydoréductase (POR). Plusieurs études démontrent que l’hyperandrogénie présente chez les femmes SOPK pourrait être causée par la formation de phénomènes toxiques survenant à la suite de l’exposition des tissus non adipeux à un excès d’acides gras non estérifiés (AGNE), appelé lipotoxicité. Ainsi, l’objectif de cette étude est de déterminer les mécanismes cellulaires sous-jacents à l’hyperandrogénie induite par la surexposition des cellules productrices d’androgènes aux AGNE. Pour y arriver, les cellules surrénaliennes bovines (CSB) ont été exposées en présence de forskoline (Fsk; 1X/2 jours; 10 µM; activateur des adénylates cyclases) et d’oléate (acide gras monoinsaturé, 2X/jour; 200 µM) durant 48 heures. Par la suite, le milieu de culture a été prélevé afin de doser le DHEA (principal androgène surrénalien) par ELISA. De plus, les protéines ont été récoltées afin de déterminer l’expression protéique de la P450c17 et de POR par Western blot. Finalement, pour déterminer les activités 17αhydroxylase et 17,20-lyase de la P450c17, la concentration de plusieurs stéroïdes a été déterminé par LC-MS/MS et le ratio produit/substrat a été effectué. Les résultats sont présentés en moyenne ± SEM. Ainsi, sous stimulation à la Fsk, la présence de 200 µM d’oléate (vs absence d’oléate) augmente la production de DHEA de 114% par les CSB (n=17; 214 ± 20% vs 100 ± 0%; p<0,0001). De plus, l’ajout d’oléate n’affecte pas l’expression de la P450c17 (n=8; 98 ± 6% vs 100 ± 0%; p=0,74) et de POR (n=7; 119 ± 13% vs 100 ± 0%; p= 0,22). Finalement, la présence d’oléate augmente l’activité 17αhydroxylase de la P450c17 de 124% (n=7; 224 ± 19% vs 100 ± 0%; p= 0,02) et tends à augmenter l’activité 17,20-lyase de la P450c17 de 81% (n=7; 181 ± 28% vs 100 ± 0%; p= 0,08). Ainsi, l’augmentation de la production des androgènes induite par les AGNE pourrait être due principalement à leurs effets sur l’augmentation des deux activités enzymatiques de la P450c17, sans effet significatifs sur l’expression de la P450c17 ni de son cofacteur POR. Les mécanismes sous-jacents à l’augmentation des activités de la P450c17 demeurent à élucider.

State-Selective Attachment of Helium to Molecular Ions in a New Cryogenic Ion Trap

Light is the main information about the interstellar medium accessible on Earth. Based on this information one can conclude on the composition of the region where the light originates from, as well as on its history. The requirement for this is that it is possible to identify the different absorption and emission features in the spectrum and assign them to certain molecules, atoms or ions. To enable the identification of the different species, precise spectroscopic investigations of the species in the laboratory are necessary. In this work a new spectroscopic method is presented, which can be used to record pure rotational spectra of mass selected, cold, stored molecular ions. It is based on the idea of state specific attachment of helium atoms to the stored molecular ions. The new technique has been made possible through the development and recent completion of two new 22-pole ion trap instruments in the work group of Laboratory Astrophysics at the University of Cologne. These new instruments have the advantage to reach temperatures as low as 4K compared to the 10K of the predecessor instrument. These low temperatures enable the ternary attachment of helium atoms to the stored molecular ions and by this make it possible to develop this new method for pure rotational spectroscopy. According to this, this work is divided into two parts. The first part deals with the new FELion experiment that was build and characterized in the first part of the thesis. FELion is a cryogenic 22-pole ion trap apparatus, allowing to generate, mass select, store and cool down, and analyze molecular ions. The different components of the instrument, e.g. the Storage Ion Source for generating the ions or the first quadrupole mass filter, are described and characterized in this part. Besides this also the newly developed control and data acquisitions system is introduced. With this instrument the measurements presented in the second part of the work were performed. The second part deals with the new action spectroscopic method of state-selective helium attachment to the stored molecular ions. For a deeper analysis of the new technique the systems of CD+ and helium and HCO+ and helium are investigated in detail. Analytical and numerical models of the process are presented and compared to experimental results. The results of these investigations point to a seemingly very general applicability of the new method to a wide class of molecular ions. In the final part of the thesis measurements of the rotational spectrum of l-C3H+ are presented. These measurements have to be high-lighted, since it was possible for the first time in the laboratory to unambiguously measure four low-lying rotational transitions of l-C3H+. These measurements (Brünken et al. ApJL 783, L4 (2014)) enabled the reliable identification of so far unidentified emision lines observed in several regions of the interstellar medium (Pety et al. Astron. Astrophys. 548, A68 (2012), McGuire et al. The Astrophysical Journal 774, 56 (2013) and McGuire et al. The Astrophysical Journal 783, 36 (2014)).

The role of glass modifiers in the solubility of Tm3+ ions in As2S3 glasses

Au cours des années une variété des compositions de verre chalcogénure a été étudiée en tant qu’une matrice hôte pour les ions Terres Rares (TR). Pourtant, l’obtention d’une matrice de verre avec une haute solubilité des ions TR et la fabrication d’une fibre chalcogénure dopée au TR avec une bonne qualité optique reste toujours un grand défi. La présente thèse de doctorat se concentre sur l’étude de nouveaux systèmes vitreux comme des matrices hôtes pour le dopage des ions TR, ce qui a permis d’obtenir des fibres optiques dopées au TR qui sont transparents dans l’IR proche et moyenne. Les systèmes vitreux étudiés ont été basés sur le verre de sulfure d’arsenic (As2S3) co-dopé aux ions de Tm3+ et aux différents modificateurs du verre. Premièrement, l’addition de Gallium (Ga), comme un co-dopant, a été examinée et son influence sur les propriétés d’émission des ions de Tm a été explorée. Avec l’incorporation de Ga, la matrice d’As2S3 dopée au Tm a montré trois bandes d’émission à 1.2 μm (1H5→3H6), 1.4 μm (3H4→3F4) et 1.8 μm (3F4→3H6), sous l’excitation des longueurs d’onde de 698 nm et 800 nm. Les concentrations de Tm et de Ga ont été optimisées afin d’obtenir le meilleur rendement possible de photoluminescence. À partir de la composition optimale, la fibre Ga-As-S dopée au Tm3+ a été étirée et ses propriétés de luminescence ont été étudiées. Un mécanisme de formation structurale a été proposé pour ce système vitreux par la caractérisation structurale des verres Ga-As-S dopés au Tm3+, en utilisant la spectroscopie Raman et l’analyse de spectrométrie d’absorption des rayons X (EXAFS) à seuil K d’As, seuil K de Ga et seuil L3 de Tm et il a été corrélé avec les caractéristiques de luminescence de Tm. Dans la deuxième partie, la modification des verres As2S3 dopés au Tm3+, avec l’incorporation d’halogénures (Iode (I2)), a été étudiée en tant qu’une méthode pour l’adaptation des paramètres du procédé de purification afin d’obtenir une matrice de verre de haute pureté par distillation chimique. Les trois bandes d’émission susmentionnées ont été aussi bien observées pour ce système sous l’excitation à 800 nm. Les propriétés optiques, thermiques et structurelles de ces systèmes vitreux ont été caractérisées expérimentalement en fonction de la concentration d’I2 et de Tm dans le verre, où l’attention a été concentrée sur deux aspects principaux: l’influence de la concentration d’I2 sur l’intensité d’émission de Tm et les mécanismes responsables pour l’augmentation de la solubilité des ions de Tm dans la matrice d’As2S3 avec l’addition I2.

Mannich-Type reactions in the Gas-Phase: the addition of Enol Silanes to cyclic N-Acyliminium Ions

The intrinsic gas-phase reactivity of cyclic N-acyliminium ions in Mannich-type reactions with the parent enol silane, vinyloxytrimethylsilane, has been investigated by double- and triple-stage pentaquadrupole mass spectrometric experiments. Remarkably distinct reactivities are observed for cyclic N-acyliminium ions bearing either endocyclic or exocyclic carbonyl groups. NH-Acyliminium ions with endocyclic carbonyl groups locked in s-trans forms participate in a novel tandem N-acyliminium ion reaction:  the nascent adduct formed by simple addition is unstable and rearranges by intramolecular trimethylsilyl cation shift to the ring nitrogen, and an acetaldehyde enol molecule is eliminated. An NSi(CH3)3-acyliminium ion is formed, and this intermediate ion reacts with a second molecule of vinyloxytrimethylsilane by simple addition to form a stable acyclic adduct. N-Acyl and N,N-diacyliminium ions with endocyclic carbonyl groups, for which the s-cis conformation is favored, react distinctively by mono polar [4+ + 2] cycloaddition yielding stable, ressonance-stabilized cycloadducts. Product ions were isolated via mass-selection and structurally characterized by triple-stage mass spectrometric experiments. B3LYP/6-311G(d,p) calculations corroborate the proposed reaction mechanisms.

Intrinsic gas-phase electrophilic reactivity of Ccclic N-alkyl- and N-acyliminium ions

he intrinsic gas-phase reactivity of cyclic N-alkyl- and N-acyliminium ions toward addition of allyltrimethylsilane (ATMS) has been compared using MS2 and MS3 pentaquadrupole mass spectrometric experiments. An order of electrophilic reactivity has been derived and found to agree with orders of overall reactivity in solution. The prototype five-membered ring N-alkyliminium ion 1a and its N-CH3 analogue 1b, as well as their six-membered ring analogues 1c and 1d, lack N-acyl activation and they are, accordingly, inert toward ATMS addition. The five- and six-membered ring N-acyliminium ions with N-COCH3 exocycclic groups, 3a and 3b, respectively, are also not very reactive. The N-acyliminium ions 2a and 2c, with s-trans locked endocyclic N-carbonyl groups, are the most reactive followed closely by 3c and 3d with exocyclic (and unlocked) N-CO2CH3 groups. The five-membered ring N-acyliminium ions are more reactive than their six-membered ring analogues, that is:  2a > 2c and 3c > 3d. In contrast with the high reactivity of 2a, its N-CH3 analogue 2b is inert toward ATMS addition. For the first time, the transient intermediates of a Mannich-type condensation reaction were isolatedthe β-silyl cations formed by ATMS addition to N-acyliminium ionsand their intrinsic gas-phase behavior toward dissociation and reaction with a nucleophile investigated. When collisionally activated, the β-silyl cations dissociate preferentially by Grob fragmentation, that is, by retro-addition. With pyridine, they react competitively and to variable extents by proton transfer and by trimethylsilylium ion abstractionthe final and key step postulated for α-amidoalkylation. Becke3LYP/6-311G(d,p) reaction energetics, charge densities on the electrophilic C-2 site, and AM1 LUMO energies have been used to rationalize the order of intrinsic gas-phase electrophilic reactivity of cyclic iminium and N-acyliminium ions.