MALDIトラップドイオンモビリティイメージング質量分析法を用いたヒト腎臓の空間メタボロミクス

Spatial Metabolomics of the Human Kidney using MALDI Trapped Ion Mobility Imaging Mass Spectrometry.

• Elizabeth Kathleen Neumann
• Lukasz G Migas
• Jamie L Allen
• Richard M Caprioli
• Raf Van de Plas
• Jeffrey M Spraggins

抄録

低分子量代謝物は、細胞の分子表現型を定義するために不可欠です。しかし、空間メタボローム解析ツールでは、組織内の低分子代謝物の包括的な記述を提供するための感度、特定、空間分解能が不足していることがよくあります。低分子量イオンの MALDI イメージング質量分析 (IMS) は、MALDI ma-trix クラスターが多くの場合、この問題を回避するために高分解能パワーの装置または誘導体化を必要とする複数の代謝物イオンと公称的に等塩基性であるため、特に困難です。これに代わる方法として、イオン検出の前にイオン モビリティ分離を実行することで、マトリックス イオンの干渉を受けることなく代謝物の可視化が可能になります。低重量代謝物の可視化を取り巻くその他の問題には、組織化学的補完の広範で代表的な分析のために十分なイオン数を維持しながら、高解像度のイメージングが含まれます。ここでは、MALDI timsTOF IMS を使用して、ヒト腎臓内の広範な共分散を維持しながら、ほとんどの代謝物 MALDI IMS 実験（20 µm）よりも高い空間分解能で低分子量代謝物を画像化します。我々は、トラップ イオン モビリティー スペクトロメトリー (TIMS) が代謝物シグナルからマトリックスのピークを分離し、腎臓内で異なる分布を持つ同重体代謝物と異性体代謝物の両方を分離できることを実証しています。イオンモビリティ データの次元が追加されたことで、空間メタボロミクス実験のピーク容量が劇的に増加しました。この感度の向上により、アルギニン酸、アセチルカルニチン、コリンなど、それぞれ大脳皮質、髄質、腎骨盤に局在する 40 種類以上の低分子代謝物をヒト腎臓組織で発見しました。今後は、年齢、性別、民族性の関数としてのヒト腎臓のメタボロームプロファイルをさらに調査する予定です。

Low molecular weight metabolites are essential for defining the molecular phenotypes of cells. However, spatial metabolom-ics tools often lack the sensitivity, specify, and spatial resolution to provide comprehensive descriptions of these species in tissue. MALDI imaging mass spectrometry (IMS) of low molecular weight ions is particularly challenging as MALDI ma-trix clusters are often nominally isobaric with multiple metabolite ions, requiring high resolving power instrumentation or derivatization to circumvent this issue. An alternative to this is to perform ion mobility separation before ion detection, ena-bling the visualization of metabolites without the interference of matrix ions. Additional difficulties surrounding low weight metabolite visualization include high resolution imaging, while maintaining sufficient ion numbers for broad and representa-tive analysis of the tissue chemical complement. Here, we use MALDI timsTOF IMS to image low molecular weight me-tabolites at higher spatial resolution than most metabolite MALDI IMS experiments (20 µm) while maintaining broad cov-erage within the human kidney. We demonstrate that trapped ion mobility spectrometry (TIMS) can resolve matrix peaks from metabolite signal and separate both isobaric and isomeric metabolites with different distributions within the kidney. The added ion mobility data dimension dramatically increased the peak capacity for spatial metabolomics experiments. Through this improved sensitivity, we have found >40 low molecular weight metabolites in human kidney tissue such as arginic acid, acetylcarnitine, and choline that localize to the cortex, medulla, and renal pelvis, respectively. Future work will involve further exploring metabolomic profiles of human kidneys as a function of age, gender, and ethnicity.