Imagen por espectrometría de masas

Esta técnica se realiza utilizando un haz de ionización focalizado para analizar una región específica de la muestra mediante la generación de un espectro de masas. El espectro de masas se almacena junto con la coordenada espacial donde se realizó la medición. A continuación, se selecciona y analiza una nueva región moviendo la muestra o el haz de ionización. Estos pasos se repiten hasta que se haya escaneado toda la muestra. Al combinar todos los espectros de masas individuales, se puede trazar un mapa de distribución de intensidades en función de las posiciones x e y. Como resultado, se obtienen imágenes moleculares reconstruidas de la muestra. ^{[ 7 ]}

En esta técnica, se utiliza un detector bidimensional sensible a la posición para medir el origen espacial de los iones generados en la superficie de la muestra por la óptica iónica de los instrumentos. La resolución de la información espacial dependerá del aumento del microscopio, la calidad de la óptica iónica y la sensibilidad del detector. Aún es necesario escanear una nueva región, pero el número de posiciones se reduce drásticamente. La limitación de este modo es la profundidad de visión finita presente en todos los microscopios. ^{[ 7 ]}

La espectrometría de masas de iones secundarios (SIMS) se utiliza para analizar superficies sólidas y películas delgadas mediante la pulverización de la superficie con un haz de iones primarios enfocado y la posterior recolección y análisis de los iones secundarios eyectados. Existen diversas fuentes para un haz de iones primarios. Sin embargo, este debe contener iones con energías elevadas. Algunas fuentes comunes son: Cs ⁺ , O2 ₊ ^, O, Ar ⁺ y Ga ⁺ . ^{[ 8 ]} La obtención de imágenes mediante SIMS se realiza de forma similar a la microscopía electrónica ; el haz de iones primarios se emite a través de la muestra mientras se registran los espectros de masas secundarios. ^{[ 9 ]} La SIMS resulta ventajosa al proporcionar la mayor resolución de imagen, pero solo en áreas pequeñas de las muestras. ^{[ 10 ] Además, esta técnica se considera una de las formas más sensibles de espectrometría de masas , ya que puede detectar elementos en concentraciones tan bajas} como ^1012-1016 átomos por centímetro cúbico. ^[ 11 ^{] [ nota 1 ] [ nota 2 ]}

La imagen de haz de iones multiplexado (MIBI) es un método SIMS que utiliza anticuerpos marcados con isótopos metálicos para marcar compuestos en muestras biológicas. ^{[ 12 ]}

Desarrollos en SIMS: Se han realizado algunas modificaciones químicas en SIMS para aumentar la eficiencia del proceso. Actualmente se utilizan dos técnicas distintas para aumentar la eficiencia general mediante el incremento de la sensibilidad de las mediciones de SIMS: SIMS con matriz mejorada (ME-SIMS): Esta técnica tiene la misma preparación de muestra que MALDI, ya que simula las propiedades de ionización química de MALDI. ME-SIMS no muestrea tanto material. Sin embargo, si el analito que se está probando tiene un valor de masa bajo, puede producir un espectro de aspecto similar al de un espectro MALDI. ME-SIMS ha sido tan eficaz que ha podido detectar sustancias químicas de baja masa a niveles subcelulares, lo que no era posible antes del desarrollo de la técnica ME-SIMS. ^{[ 4 ]} La segunda técnica que se utiliza se llama metalización de la muestra (Meta-SIMS): Este es el proceso de adición de oro o plata a la muestra. Esto forma una capa de oro o plata alrededor de la muestra y normalmente no tiene más de 1-3  nm de espesor. El uso de esta técnica ha dado como resultado un aumento de la sensibilidad para muestras de mayor masa. La adición de la capa metálica también permite la conversión de muestras aislantes en muestras conductoras, por lo que ya no se requiere compensación de carga en los experimentos SIMS. ^{[ 13 ]}

 NanoSIMS permite una resolución subcelular (50 nm) ^{[ 2 ]} que posibilita un análisis cuantitativo absoluto a nivel de orgánulo .

La ionización por desorción láser asistida por matriz (MALDI) puede utilizarse como técnica de imagen por espectrometría de masas para moléculas relativamente grandes. ^{[ 4 ]} Recientemente se ha demostrado que el tipo de matriz más eficaz para la obtención de imágenes MALDI de tejido es una matriz iónica. En esta versión de la técnica, la muestra, generalmente una sección delgada de tejido , se mueve en dos dimensiones mientras se registra el espectro de masas . ^{[ 15 ]} Si bien MALDI tiene la ventaja de poder registrar la distribución espacial de moléculas más grandes, esto conlleva una menor resolución que la técnica SIMS. El límite de resolución lateral para la mayoría de los instrumentos modernos que utilizan MALDI es de 20${\displaystyle \mu }$m. Los experimentos MALDI suelen utilizar un láser Nd:YAG (355  nm) o N ₂ (337  nm) para la ionización. ^{[ 4 ]}

La farmacodinámica y la toxicodinámica en los tejidos se han estudiado mediante imágenes MALDI. ^{[ 16 ]}

La ionización por electrospray de desorción (DESI) es una técnica menos destructiva que combina simplicidad y rapidez en el análisis de la muestra. La muestra se rocía con una niebla de disolvente cargada eléctricamente en un ángulo que provoca la ionización y desorción de diversas especies moleculares. A continuación, se generan mapas bidimensionales de la abundancia de los iones seleccionados en la superficie de la muestra en relación con su distribución espacial. ^{[ 17 ] [ 10 ]} Esta técnica es aplicable a muestras sólidas, líquidas, congeladas y gaseosas. Además, DESI permite analizar una amplia gama de compuestos orgánicos y biológicos, como tejidos animales y vegetales y muestras de cultivos celulares, sin una preparación compleja de la muestra. ^{[ 6 ] [ 10 ]} Aunque esta técnica tiene la resolución más baja entre otras, puede crear imágenes de alta calidad a partir de un escaneo de área grande, como un escaneo de sección corporal completa. ^{[ 10 ]}

Imágenes Nano-DESI

La ionización por electrospray con nanospray es una técnica de ionización suave mínimamente destructiva basada en la extracción líquida. ^{[ 18 ]} La configuración básica consiste en dos capilares de sílice fundida (primario y secundario). Un disolvente de extracción se suministra a través de un capilar primario, formando un puente líquido en la interfaz de los dos capilares y extrayendo moléculas de la superficie del tejido. Posteriormente, los analitos extraídos se transfieren y nebulizan a través del capilar secundario dentro de la entrada de un espectrómetro de masas . Nano-DESI ofrece una gran versatilidad de disolventes ^{[ 19 ] [ 20 ]} y la posibilidad de cuantificar analitos mediante la introducción de estándares internos directamente en el disolvente. ^{[ 21 ]}

La fuente de ionización suave por reacción química en transferencia (SICRIT) puede acoplarse con técnicas de imagen como MALDI a presión atmosférica (AP- MALDI) o ablación láser . En configuraciones AP-MALDI + SICRIT, SICRIT actúa como una unidad de postionización a presión ambiente, aumentando el rendimiento iónico y ampliando la cobertura molecular, especialmente para metabolitos pequeños y lípidos. Combinada con la ablación láser, SICRIT permite la ionización suave de neutros ablacionados sin la aplicación de matriz, manteniendo una alta resolución espacial de hasta ~1  μm. Estudios recientes ^{[ 22 ]} demuestran que el acoplamiento de la desorción láser con la ionización SICRIT basada en plasma mejora la eficiencia de ionización y la estabilidad de la señal en condiciones atmosféricas. La técnica ofrece compatibilidad con diversos espectrómetros de masas y una preparación mínima de la muestra. Las limitaciones incluyen la dependencia de los parámetros de ablación y la cobertura limitada de biomoléculas grandes. La imagen SICRIT es un enfoque emergente que promete una mayor cobertura molecular y flujos de trabajo MSI ambientales flexibles.

Se propuso imzML para intercambiar datos en un archivo XML estandarizado basado en el formato mzML . ^{[ 24 ]} Varias herramientas de software de espectrometría de masas de imágenes lo admiten. La ventaja de este formato es la flexibilidad para intercambiar datos entre diferentes instrumentos y software de análisis de datos. ^{[ 25 ]}

Existen numerosos paquetes de software gratuitos para la visualización y el análisis de datos de espectrometría de masas por imágenes. El proyecto Computis desarrolló convertidores de los formatos Thermo Fisher, Analyze, GRD y Bruker al formato imzML. También se encuentran disponibles algunos módulos de software para visualizar imágenes de espectrometría de masas en formato imzML: Biomap (Novartis, gratuito), Datacube Explorer (AMOLF, gratuito), ^{[ 26 ]} EasyMSI (CEA), Mirion (JLU), MSiReader (NCSU, gratuito) ^{[ 27 ]} y SpectralAnalysis. ^{[ 28 ]}

Para procesar archivos .imzML con el lenguaje de programación y gráficos gratuito R, se encuentra disponible una colección de scripts de R que permite el procesamiento paralelo de archivos grandes en una computadora local, un clúster remoto o en la nube de Amazon. ^{[ 29 ]}

Existe otro paquete estadístico gratuito para procesar datos de imzML y Analyze 7.5 en R, Cardinal. ^{[ 30 ]}

SPUTNIK ^{[ 31 ]} es un paquete de R que contiene varios filtros para eliminar picos caracterizados por una distribución espacial no correlacionada con la ubicación de la muestra o aleatoriedad espacial .

El ecosistema de Python proporciona una gama de bibliotecas especializadas para el procesamiento de datos de espectrometría de masas, que satisfacen distintas necesidades analíticas. Para flujos de trabajo completos de extremo a extremo, pyOpenMS ofrece enlaces de Python extensos para la biblioteca OpenMS de C++, facilitando operaciones complejas como el procesamiento de señales, la búsqueda de características y la cuantificación. Por otro lado, pymzML es un analizador sintáctico ligero y altamente eficiente, optimizado específicamente para la extracción rápida de datos y la interacción con mzMLarchivos, lo que lo hace ideal para la creación de prototipos y el acceso dirigido a datos. Pyteomics también funciona como un conjunto de herramientas versátil y ligero, pero admite una gama más amplia de formatos de proteómicamgf comunes (incluidos y pepxml) y se utiliza a menudo por su facilidad de uso en el manejo y los cálculos generales de datos. Para aplicaciones más específicas, matchms es una biblioteca especializada dedicada al procesamiento, la limpieza y la comparación de datos, en particular para la implementación de varios algoritmos de puntuación de similitud espectral esenciales en metabolómica . ^{[ 32 ] [ 33 ] [ 34 ] [ 35 ]}