Un grand défi pour l'imagerie par spectrométrie de masse – DEFIMAGE

Une première utilisation de la méthode nouvellement développée consiste à analyser, avant et après les tirs laser, la composition en profondeur des coupes de tissus revêtues par une matrice pour l'imagerie par spectrométrie de masse MALDI (Matrix-Assisted Laser Desorption-Ionisation) afin d’obtenir une meilleure compréhension des phénomènes de désorption-ionisation impliqués dans le MALDI.
Ensuite, des études seront consacrées à des domaines de la science très différents, dans lesquels une amélioration de la capacité de l'imagerie TOF-SIMS est attendue avec des analyses 3-D, ou une amélioration de la sensibilité, voire le nettoyage possible de la surface de l'échantillon sans l'endommager, lorsqu'un échantillon est rare ou unique.
Dans le domaine de la recherche biomédicale, une première étude se concentrera sur l'acquisition d'images ioniques à partir d'échantillons d'artères remodelées sélectionnées dans des échantillons complexes de poumons humains explantés de patients souffrant d'hypertension artérielle pulmonaire, par rapport aux témoins, ainsi que des rats modèles, pour aider à la compréhension de la pathophysiologie de cette maladie incurable.
Enfin, dans le domaine du patrimoine culturel et de l'archéologie, la dernière étude se consacrera à des pigments provenant d'échantillons de peintures anciennes, tirés de peintures d'artistes datant de la Renaissance jusqu'au vingtième siècle. Les données aideront à caractériser l'utilisation et le mode de préparation de différents pigments et liants : par exemple, l'origine des minéraux, la nature des liants, la synthèse chimique des composés, le mélange de différentes molécules organiques.

La première étape du projet a consisté à installer une source d’agrégats massifs d’argon sur le spectromètre de masse TOF-SIMS existant. L’installation a été effectuée en mars 2016.
L’étude des dépôts de matrice MALDI et de la migration des lipides a été menée de façon systématique. Une analyse par composantes principales a montré que la diffusion est le processus par lequel les lipides migrent du tissu à la couche de matrice. Les triacylglycérols et les phospholipides ont une tendance migratoire retardée par rapport aux diacylglycérols et aux monoacylglycérols. La capacité d’un lipide pur à migrer dans la matrice dépend de sa fluidité à température ambiante. Le cholestérol ne peut migrer qu’en présence d’un lipide (fluide) et semble lui-même fluidifier les lipides, ce qui pourrait expliquer sa co-localisation dans la matrice avec les diacylglycérols et les monoacylglycérols.
Les surfaces de feuilles et de fruits de Macaranga vedeliana, une espèce endémique de Nouvelle-Calédonie, ont été analysées par un profilage de profondeur à l’aide de la nouvelle source d’ions AMCIS. La védélianine, un métabolite actif de la famille des stilbènes prénylés appelés schweinfurthines, est seulement localisée dans ces trichomes glandulaires.
Le processus de désorption/ionisation sous bombardement des agrégats massifs d'argon a été étudié en mesurant les distributions d'énergie interne d’une série d’ions benzylpyridinium. La distribution d’énergie interne des ions secondaires croît avec la vitesse du faisceau d’agrégats, jusqu’à atteindre un plateau. Les résultats ont été comparés à ceux générés par les impacts d’agrégats de bismuth et les énergies internes moyennes correspondent aux valeurs de plateau pour les agrégats d’argon. Cependant, la section efficace d’endommagement est environ 20 fois plus faible avec les agrégats d’argon qu’avec ceux de bismuth, montrant ainsi quantitativement le faible effet de dommage des agrégats massifs d’argon.

L'installation d'une nouvelle source d’agrégats d'argon renforcera le laboratoire dans sa position de leader international en imagerie par spectrométrie de masse d'échantillons biologiques. De nombreuses collaborations, dont certaines sont déjà bien installées, seront générées par cette nouvelle capacité analytique. L'amélioration récente des capacités de MALDI-TOF MSI, qui est beaucoup plus populaire que TOF-SIMS, en particulier la résolution spatiale qui atteint maintenant 5-10 µm, montre la complémentarité nécessaire de ces deux méthodes d'imagerie moléculaire. La force est la détermination de nouveaux biomarqueurs diagnostiques / pronostiques, dans plusieurs domaines chimiques, y compris des pathologies de morphologie identique qui ne peuvent être distinguées en utilisant des méthodes histopathologiques établies. Le présent développement vise à rendre l'imagerie TOF-SIMS la meilleure méthode d'analyse chimique à une échelle de 400 nm à 1 µm. On espère vraiment que cette méthode devient enfin la méthode de choix pour les communautés scientifiques qui l'oublient trop souvent.
Les coûts du diagnostic, du suivi et du traitement des patients atteints d’hypertension artérielle pulmonaire en Europe est actuellement de 80 à 100 000 euros / patient / année. Comme l'espérance de vie est d'environ 3-5 ans, avec une transplantation pulmonaire possible, cela signifie que le coût de la gestion complète de la vie atteindrait 400 000 euros par patient. Les coûts indirects pour la société sont également considérables car ces personnes sont souvent incapables de travailler.
Enfin, les nouveaux développements fourniront de nouvelles données sur les matériaux artistiques, sur les conditions et les processus de création artistique, mais aussi pour préserver notre patrimoine culturel. Le rôle de la science des matériaux et de la recherche interdisciplinaire est maintenant très important dans ce domaine et reconnu au niveau international par plusieurs programmes internationaux.

1. High mass and spatial resolution mass spectrometry imaging of Nicolas Poussin painting cross-section by cluster-TOF-SIMS, M. Noun, E. Van Elslande, D. Touboul, H. Glanville, S. Bucklow, P. Walter, A. Brunelle, J. Mass Spectrom. 51 (2016) 1196-1210, dx.doi.org/10.1002/jms.3885
2. Dual Beam Depth Profiling and Imaging with Argon and Bismuth Clusters of Prenylated Stilbenes on Glandular Trichomes of Macaranga vedeliana, T. Péresse, N. Elie, D. Touboul, V.C. Pham, V. Dumontet, F. Roussi, M. Litaudon, A. Brunelle, Anal. Chem. 89 (2017) 9247-9252, dx.doi.org/10.1021/acs.analchem.7b02020
3. Insights into the MALDI Process after Matrix Deposition by Sublimation using 3D ToF-SIMS Imaging, S. Van Nuffel, N. Elie, E. Yang, J. Nouet, D. Touboul, P. Chaurand, A. Brunelle, Anal. Chem. 90 (2018) 1907-1914, dx.doi.org/10.1021/acs.analchem.7b03993
4. Radial distribution of wood extractives in European larch Larix decidua by TOF-SIMS imaging, T. Fu, N. Elie, A. Brunelle, Phytochemistry 150 (2018) 31-39, dx.doi.org/10.1016/j.phytochem.2018.02.017

L’imagerie par spectrométrie de masse TOF-SIMS (Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry) peut être grandement améliorée en utilisant des agrégats massifs d’argon, permettant de pulvériser des échantillons biologiques, qui sont ensuite analysés par un faisceau d’agrégats de bismuth. Des résultats préliminaires récents ont montré que cette méthode d’analyse en profondeur, utilisant deux faisceaux, permet d’acquérir pour des molécules organiques telles que des lipides, des images d’ions en 3-D, une augmentation significative de la sensibilité, ainsi qu’un nettoyage sans endommagement de la surface d’échantillons précieux.
Le projet DEFIMAGE est multi- et interdisciplinaire. Il vise à faire une grande avancée en imagerie TOF-SIMS, ouvrant ainsi la porte à des études fondamentales en spectrométrie de masse d’une part, à de la recherche médicale d’autre part, et enfin à l’analyse chimique d’objets du patrimoine culturel.
Après l’installation d’une nouvelle source d’agrégats massifs d’argon sur le spectromètre de masse TOF-SIMS existant, qui délivrera des faisceaux d’agrégats constitués de plusieurs centaines à plusieurs milliers d’atomes d’argon, différentes conditions expérimentales seront évaluées pour tester et optimiser le profilage en profondeur sur des échantillons de coupes de cerveau de rat utilisé comme modèle d’étude de référence : la taille et l’énergie des agrégats d’argon utilisés pour la pulvérisation, ainsi que la taille et l’énergie des agrégats de bismuth utilisés pour l’analyse, et les doses relatives de chacun des faisceaux. Cela sera évalué selon trois directions : analyse en profondeur des sections minces de tissus, amélioration de la sensibilité, en sommant le signal ionique sur toute la profondeur de l’échantillon au cours de la pulvérisation (une augmentation d’un facteur au moins 100 est attendue), et nettoyage de la surface des échantillons par une pulvérisation douce des pollutions de surface avec les agrégats d’argon. Une attention particulière sera accordée à la migration possible des lipides pendant la décongélation sous vide des échantillons, ainsi qu’aux possibles effets de matrice induits par certains composés très spécifiques comme le cholestérol.
La première utilisation de cette nouvelle méthode consistera à analyser, avant et après les tirs laser, la composition en profondeur de coupes de tissus recouverts par la matrice pour l’imagerie MALDI (Matrix-Assisted Laser Desorption-Ionisation), afin d’améliorer la compréhension des phénomènes de désorption-ionisation impliqués en MALDI, en particulier en imagerie.
Puis deux applications sont consacrées à des domaines très différents. Pour chacun de ces cas, des collaborations informelles ont déjà commencé depuis plusieurs années, et des résultats préliminaires ou des preuves de concept ont d’ores et déjà été obtenus.
Une première application en recherche médicale se concentrera sur l’acquisition d’images ioniques d’artères remodelées, sélectionnées à partir d’échantillons complexes de poumons humains explantés de patients souffrant d’hypertension artérielle pulmonaire, comparés à des témoins, ainsi que de rats modèles, afin d’aider à la compréhension de la physiopathologie de cette maladie incurable.
Enfin, dans le domaine du patrimoine culturel et de l’archéologie, la seconde application étudiera les pigments provenant d’échantillons de tableaux datant de la Renaissance au XXème siècle. Les données acquises aideront à caractériser l’utilisation et le mode de préparation des pigments et liants différents, l’origine des minéraux, la nature des liants, la synthèse chimique des composés, ou le mélange de différentes molécules organiques.
Chacune de ces applications a été choisie parce que l’instrumentation actuelle en imagerie TOF-SIMS y a déjà montré des limitations qu’il convient de dépasser.
L’objectif final sera de faire de l’imagerie par spectrométrie de masse TOF-SIMS une méthode de choix pour l’analyse chimique localisée à l’échelle du micron.