Développement d’une méthode SPRi-MALDI-IMS pour la quantification et l’identification des protéines dans des empreintes de tissus biologiques

Plusieurs tests médicaux, comme celui du dépistage du cancer du sein, se basent sur l’observation de section tissulaire sous un microscope. Ces tests se basent sur l’interprétation d’un spécialiste et les résultats peuvent varier d’un expert à un autre dû la subjectivité des observations. L’utilisation d’une technique analytique offrant une quantification et une identification de cibles moléculaires dans une section tissulaire permettrait aux experts de produire des diagnostics plus objectifs et diminuerait possiblement le nombre de faux diagnostics. Les travaux présentés dans ce mémoire portent sur le développement d’une technique SPRi-MALDI-IMS permettant l’imagerie en deux dimensions de protéines contenues dans une section tissulaire. La MALDI-IMS est la technique de choix pour l’imagerie de biomolécules dans les sections tissulaires. Par contre, elle ne parvient pas à elle seule à quantifier de façon absolue le matériel adsorbé à la surface. Donc, le couplage de la MALDI-IMS avec la SPRi permet la quantification absolue de protéines en deux dimensions et crée une technique répondant aux besoins des experts médicaux. Pour ce faire, nous avons étudié, l’effet de la chimie de surface sur la nature et la quantité de matériel adsorbé à la surface du capteur. De plus, la cinétique de transfert des protéines du tissu vers le capteur a dû être optimisée afin de produire des empreintes correspondant au tissu d’origine, afin d’atteindre la gamme dynamique des instruments SPRi et MALDI-IMS. La technique résultante de ces optimisations permet d’obtenir les premières images quantitatives et qualitatives de protéines en deux dimensions d’une seule section tissulaire.

Desarrollo de métodos y herramientas de análisis por maldi-ims para lipidómica.

260 p.+ apéndices

Orthogonal organic and aqueous-based washes of tissue sections to enhance protein sensitivity by MALDI imaging mass spectrometry.

Imaging mass spectrometry (IMS) is an emergent and innovative approach for measuring the composition, abundance and regioselectivity of molecules within an investigated area of fixed dimension. Although providing unprecedented molecular information compared with conventional MS techniques, enhancement of protein signature by IMS is still necessary and challenging. This paper demonstrates the combination of conventional organic washes with an optimized aqueous-based buffer for tissue section preparation before matrix-assisted laser desorption/ionization (MALDI) IMS of proteins. Based on a 500 mM ammonium formate in water-acetonitrile (9:1; v/v, 0.1% trifluororacetic acid, 0.1% Triton) solution, this buffer wash has shown to significantly enhance protein signature by profiling and IMS (~fourfold) when used after organic washes (70% EtOH followed by 90% EtOH), improving the quality and number of ion images obtained from mouse kidney and a 14-day mouse fetus whole-body tissue sections, while maintaining a similar reproducibility with conventional tissue rinsing. Even if some protein losses were observed, the data mining has demonstrated that it was primarily low abundant signals and that the number of new peaks found is greater with the described procedure. The proposed buffer has thus demonstrated to be of high efficiency for tissue section preparation providing novel and complementary information for direct on-tissue MALDI analysis compared with solely conventional organic rinsing.

Advances in tissue section preparation for MALDI imaging MS

Enriched by a decade of remarkable developments, matrix-assisted laser desorption ionization imaging mass spectrometry (MALDI IMS) has witnessed a phenomenal expansion. Initially introduced for the mapping of peptides and intact proteins from mammalian tissue sections, MALDI IMS applications now extend to a wide range of molecules including peptides, lipids, metabolites and xenobiotics. Technology and methodology are quickly evolving to push the limits of the technique forward. Within a short period of time, numerous protocols and concepts have been developed and introduced in tissue section preparation, nonexhaustively including in situ tissue chemistries and solvent-free matrix depositions. Considering the past progress and current capabilities, this Review aims to cover the different aspects and challenges of tissue section preparation for MALDI IMS.

Functional differentiation of spider hemocytes by light and transmission electron microscopy, and MALDI-MS-imaging

The most abundant cell types in the hemolymph of Cupiennius salei are plasmatocytes (70–80%) and granulocytes (20–30%). Both cells differ in shape, cytochemical and transmission electron microscopy staining of their cytoplasma and granules. According to MALDI-IMS (matrix-assisted laser desorption ionization mass spectrometry imaging), granulocytes exhibit ctenidin 1 (9510 Da) and ctenidin 3 (9568 Da), SIBD-1 (8675 Da), and unknown peptides with masses of 2207 and 6239 Da. Plasmatocytes exhibit mainly a mass of 6908 Da. Unknown peptides with masses of 1546 and 1960 Da were detected in plasmatocytes and granulocytes. Transmission electron microscopy confirms the presence of two compounds in one granule and cytochemical staining (light microscopy) tends to support this view. Two further hemocyte types (cyanocytes containing hemocyanin and prehemocytes as stem cells) are only rarely detected in the hemolymph. These four hemocyte types constitute the cellular part of the spider immune system and this is discussed in view of arachnid hemocyte evolution.

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.

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.

Monitoring time-dependent degradation of phospholipids in sectioned tissues by MALDI imaging mass spectrometry.

Imaging mass spectrometry (IMS) is useful for visualizing the localization of phospholipids on biological tissue surfaces creating great opportunities for IMS in lipidomic investigations. With advancements in IMS of lipids, there is a demand for large-scale tissue studies necessitating stable, efficient and well-defined sample handling procedures. Our work within this article shows the effects of different storage conditions on the phospholipid composition of sectioned tissues from mouse organs. We have taken serial sections from mouse brain, kidney and liver thaw mounted unto ITO-coated glass slides and stored them under various conditions later analyzing them at fixed time points. A global decrease in phospholipid signal intensity is shown to occur and to be a function of time and temperature. Contrary to the global decrease, oxidized phospholipid and lysophospholipid species are found to increase within 2 h and 24 h, respectively, when mounted sections are kept at ambient room conditions. Imaging experiments reveal that degradation products increase globally across the tissue. Degradation is shown to be inhibited by cold temperatures, with sample integrity maintained up to a week after storage in −80 °C freezer under N2 atmosphere. Overall, the results demonstrate a timeline of the effects of lipid degradation specific to sectioned tissues and provide several lipid species which can serve as markers of degradation. Importantly, the timeline demonstrates oxidative sample degradation begins appearing within the normal timescale of IMS sample preparation of lipids (i.e. 1-2 h) and that long-term degradation is global. Taken together, these results strengthen the notion that standardized procedures are required for phospholipid IMS of large sample sets, or in studies where many serial sections are prepared together but analyzed over time such as in 3-D IMS reconstruction experiments.

Uma solução de ancoragem na rede IMS para Application Servers que têm de gerir domínios GSM

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Eletrotécnica

Automated quantitative analysis of MCC-IMS spectra

Ion Mobility Spectrometry coupled with Multi Capillary Columns (MCC -IMS) is a fast analytical technique working at atmospheric pressure with high sensitivity and selectivity making it suitable for the analysis of complex biological matrices. MCC-IMS analysis generates its information through a 3D spectrum with peaks, corresponding to each of the substances detected, providing quantitative and qualitative information. Sometimes peaks of different substances overlap, making the quantification of substances present in the biological matrices a difficult process. In the present work we use peaks of isoprene and acetone as a model for this problem. These two volatile organic compounds (VOCs) that when detected by MCC-IMS produce two overlapping peaks. In this work it’s proposed an algorithm to identify and quantify these two peaks. This algorithm uses image processing techniques to treat the spectra and to detect the position of the peaks, and then fits the data to a custom model in order to separate the peaks. Once the peaks are separated it calculates the contribution of each peak to the data.

Use of a polyphasic approach including MALDI-TOF MS for identification of Aspergillus section Flavi strains isolated from food commodities in Brazil

Brazil is one the largest producers and exporters of food commodities in the world. The evaluation of fungi capable of spoilage and the production mycotoxins in these commodities is an important issue that can be of help in bioeconomic development. The present work aimed to identify fungi of the genus Aspergillus section Flavi isolated from different food commodities in Brazil. Thirty-five fungal isolates belonging to the section Flavi were identified and characterised. Different classic phenotypic and genotypic methodologies were used, as well as a novel approach based on proteomic profiles produced by matrix-assisted laser desorption/ionisation time-of-flight mass spectrometry (MALDI-TOF MS). Type or reference strains for each taxonomic group were included in this study. Three isolates that presented discordant identification patterns were further analysed using the internal transcribed spacer (ITS) region and calmodulin gene sequences. The data obtained from the phenotypic and spectral analyses divide the isolates into three groups, corresponding to taxa closely related to Aspergillus flavus, Aspergillus parasiticus, and Aspergillus tamarii. Final polyphasic fungal identification was achieved by joining data from molecular analyses, classical morphology, and biochemical and proteomic profiles generated by MALDI-TOF MS.

Polyphasic approach including MALDI-TOF MS/MS analysis for identification and characterisation of Fusarium verticillioides in Brazilian corn kernels

Fusarium verticillioides is considered one of the most important global sources of fumonisin contamination in food and feed. Corn is one of the main commodities produced in the Northeastern Region of Brazil. The present study investigated potential mycotoxigenic fungal strains belonging to the F. verticillioides species isolated from corn kernels in 3 different Regions of the Brazilian State of Pernambuco. A polyphasic approach including classical taxonomy, molecular biology, MALDI-TOF MS and MALDI-TOF MS/MS for the identification and characterisation of the F. verticillioides strains was used. Sixty F. verticillioides strains were isolated and successfully identified by classical morphology, proteomic profiles of MALDI-TOF MS, and by molecular biology using the species-specific primers VERT-1 and VERT-2. FUM1 gene was further detected for all the 60 F. verticillioides by using the primers VERTF-1 and VERTF-2 and through the amplification profiles of the ISSR regions using the primers (GTG)5 and (GACA)4. Results obtained from molecular analysis shown a low genetic variability among these isolates from the different geographical regions. All of the 60 F. verticillioides isolates assessed by MALDI-TOF MS/MS presented ion peaks with the molecular mass of the fumonisin B1 (721.83 g/mol) and B2 (705.83 g/mol)

Sistemes integrats de gestió (Integrated Management Systems - IMS): Anàlisi empíric a les empreses de Catalunya

Projecte de recerca elaborat a partir d’una estada al Auditing and Integration of Management Systems Research Laboratory de la Universitat d’Alberta, Canadà, des de maig fins a setembre del 2007. Aquest centre porta a terme recerca de caire teòrica i bàsica aplicada a l’assegurament de la qualitat, i més concretament a l’estandardització i integració de sistemes de gestió. En primer lloc, s’han analitzat les dades obtingudes en l’estudi empíric descriptiu realitzat a Catalunya durant l’any 2005, focalitzat en els estàndards de gestió més utilitzats per les empreses catalanes, en que s’hi incloïen les normes ISO 9001, ISO 14001, OSHAS 18001 així com els nous estàndards de suport de la sèrie ISO 10000. En segon terme, i a partir d’aquest anàlisis previ, s’ha iniciat el disseny d’una metodologia flexible per a la integració dels sistemes de gestió basats en estàndards internacionals.