Die massenspektrometrische Bildgebung (mass spectrometry imaging, MSI) von großen Metaboliten und bioaktiven Verbindungen ist wesentlich für das Verbessern der Diagnose und Therapieüberwachung verschiedener Erkrankungen. Die MSI-Technologie ermöglicht eine räumliche Abbildung direkt von einem Gewebeschnitt mit zellulärer Auflösung. Trotzdem stellt die räumliche Abbildung von Metaboliten eine Herausforderung dar: Die Identifizierung von Metaboliten ist aufgrund der chemischen Vielfalt des Metaboloms das größte Hindernis in der herkömmlichen und räumlichen Metabolomik. Dies erschwert eine verlässliche klinische Translation. Obwohl für metabolomische Analysen auf der Grundlage von Flüssigchromatografie und Gaschromatografie verschiedene Ressourcen zur Verfügung stehen, eignen sich gängige Metabolomikbibliotheken nicht für MSI. Der Grund dafür sind die Unterschiede bei Datenformat und MS-Datenerfassung oder Ionisierungsverfahren. Daher ist es das Ziel des Projekts »Entwicklung einer 'Leibniz Mass Spectral Imaging Library' zur Identifizierung von primären & sekundären Metaboliten« (Creating ‘Leibniz Mass Spectral Imaging Library’ for Identification of Primary & Secondary Metabolites), die erste frei zugängliche MSI-Bibliothek mit mehr als 1000 bioaktiven Verbindungsstandards auf verschiedenen Matrix-unterstützte Laser-Desorption/Ionisation (MALDI)-MSI-Plattformen zu erzeugen.
Die Leibniz Mass Spectral Imaging (LMSI) Library wird das Identifizieren und Kategorisieren von primären Metaboliten, die für das Wachstum und die Reproduktion von Zellen essenziell sind, und von sekundären Metaboliten, die im Körper eine strukturelle oder funktionelle Rolle spielen, unterstützen. Die Systematisierung von Wissen zu räumlicher Metabolomik, zum Beispiel in Tumorgewebe und Modellen von aus Patient:innen entnommenen Organoiden, wird zu einem besseren Verständnis der metabolischen Heterogenität bei subzellulärer Auflösung (< 20 μm) beitragen.
Kooperative Datenerfassung und Open-Source-Zugang
Zum Erzeugen der Bibliothek führen Forschende am ISAS derzeit eine großangelegte Datenerfassung durch. Bei verschiedenen Unterarten der Metabolitenanalyse kooperieren sie mit dem Leibniz-Institut für Arbeitsforschung an der TU Dortmund (IfADo). Das MS-Instrument Orbitrap-MALDI am ISAS und das MALDI-Quadrupol-Flugzeit-Massenspektrometer (Q-TOF-MS) am IfaDo verfügen in Bezug auf Massengenauigkeit, Auflösung, Erfassungsgeschwindigkeit, Sensitivität, abgedeckte Verbindungen und Quantifizierungsgrenzen über ergänzende Funktionen.
Die Leibniz Mass Spectral Imaging Library sowie die Ergebnisse werden als Open-Source-Webanwendung veröffentlicht, um in der Metabolomikgemeinschaft und darüber hinaus eine breitere Wirkung zu entfalten. Die Forschenden am ISAS werden die Datenanalysefähigkeiten des vom Leibniz Research Network Bioactive Compounds bereitgestellten Cloud-Dienstes zum Teilen der Bibliothekdatenbanken nutzen. Diese Bibliothek ebnet den Weg für die Entwicklung einer neuartigen Metaboliten-Identifizierungssoftware sowie für Chemoinformatik-Algorithmen für die Bildgebung von bioaktiven Verbindungen aus klinischem Gewebe und 3D-Organoidproben.