Skonstruowanie nowatorskiego systemu do trójwymiarowego obrazowania za pomocą spektrometrii mas jest celem badań dr hab. Joanny Nizioł z Politechniki Rzeszowskiej. Na realizację swojego projektu otrzymała prawie 1,9 mln zł z Narodowego Centrum Nauki.
Obrazowanie przy pomocy spektrometrii mas (MSI) to obecnie podstawowe narzędzie do analizy powierzchni obiektów pochodzenia naturalnego i syntetycznego. Umożliwia wizualizację rozkładu powierzchniowego lub przestrzennego cząsteczek. Tradycyjne metody obrazowania, np. znakowanie lub barwienie immunohistochemiczne w połączeniu z mikroskopią fluorescencyjną, pozwalają wprawdzie na wizualizację struktur tkankowych z wysoką specyficznością i rozdzielczością przestrzenną, ale są ograniczone do stosunkowo małej grupy związków. Inne metody, które pozwalają zidentyfikować związki chemiczne, jak np. chromatografia cieczowa sprzężona ze spektrometrią mas (LC-MS), wymagają ekstrakcji interesujących analitów z homogenatów tkankowych, przez co traci się ważne informacje dotyczące ich przestrzennego położenia w tkance. Na tym tle MSI jawi się jako niemal idealne narzędzie: dostarcza informacji nie tylko na temat stężenia czy ilości związków, ale także umożliwia ich lokalizację na powierzchni zróżnicowanych stałych próbek. Co więcej, technika ta pozwala zlokalizować w jednym eksperymencie wiele związków chemicznych zarówno endogennych (np. lipidy, peptydy, białka), jak i egzogennych (np. leki, zanieczyszczenia środowiska) na powierzchni obiektu.
Metody MSI osiągnęły wysoką czułość i rozdzielczość w identyfikacji pierwiastków w metalach, polimerach i półprzewodnikach. W biochemii i medycynie molekularne MSI stosuje się od wielu lat w badaniach przykładowo: lokalizacji metabolitów w mikroorganizmach, lokalizacji leków, metabolitów w tkankach czy do poszukiwania biomarkerów chorobowych – wyjaśnia dr hab. Joanna Nizioł z Katedry Polimerów i Biopolimerów na Wydziale Chemicznym Politechniki Rzeszowskiej.
I opisuje krok po kroku, jak wygląda typowy eksperyment MSI. Najpierw wybrany obiekt jest zamrażany, a następnie za pomocą kriotomu przygotowuje się skrawki o grubości (przykładowo) 10 um, które są przenoszone na płytkę kompatybilną z instrumentem MS, zazwyczaj o temperaturze pokojowej. Płytka umieszczana jest w spekrometrze mas, gdzie odbywa się seria pomiarów w różnych punktach na badanej powierzchni. Oprogramowanie tworzy obraz z zestawu danych, w którym każdy piksel reprezentowany jest przez widmo masowe.
Badaczka dodaje jednak, że obrazowanie spektrometrią mas wykonuje się obecnie tylko w dwóch wymiarach (badanie powierzchniowe, 2D). To powoduje, że uzyskane w ten sposób informacje nie są reprezentatywne dla całej objętości badanej próbki, zwłaszcza w przypadku próbek heterogenicznych. Z kolei mapowanie składu molekularnego w trzech wymiarach jest niezwykle trudne, głównie z przyczyn technicznych. Dr hab. Joanna Nizioł podjęła jednak wyzwanie i zamierza skonstruować pionierski system do trójwymiarowego obrazowania za pomocą spektrometrii mas, który byłby również odpowiedni do jakościowej i ilościowej analizy próbek biologicznych pod ciśnieniem atmosferycznym.
W ramach projektu powstanie system 3D LARESI, który nadaje się do obrazowania 3D spektrometrią mas, przeprowadzę jego testy oraz analizy 3D MSI próbek biologicznych – zapowiada.
Planowany system będzie miał dwa źródła jonów. Układ optyczny utworzą: laser impulsowy emitujący dalszą podczerwień oraz nowatorski tor optyczny. To pozwoli na precyzyjną kontrolę procesu ablacji (usuwania) wybranych warstw obiektu, co ma kluczowe znaczenie dla analizy 3D. Analiza próbek odbywać się będzie bez konieczności wstępnego ich przygotowania, w stanie natywnym lub zamrożonym oraz pod ciśnieniem atmosferycznym. Dotychczasowy problem związany z degradacją próbki oraz niekontrolowanymi jej zmianami podczas eksperymentu zostanie zminimalizowany poprzez brak konieczności stosowania wysokiej próżni. Zastosowane rozwiązania techniczne umożliwią analizę próbek o dużych, jak na MSI, rozmiarach (nawet 50 × 50 × 20 mm), o niejednorodnej powierzchni. Dzięki sprzężeniu systemu z ultrawysokorozdzielczym spektrometrem mas będzie możliwa szybka analiza składu molekularnego.
Skonstruowany przeze mnie system pozwoli m.in. na istotną w chemii kosmetycznej analizę przenikania substancji chemicznych przez skórę czy na badania biomarkerów chorobowych, np. składu tkanki nowotworowej. Ponadto za jego pomocą będzie można przeprowadzić analizę składu materiałów syntetycznych i naturalnych, np. polimerów czy kompozytów, analizę biofilmów i ich interakcji z materiałami, analizę materiałów mineralnych i szerokiej gamy materiałów w kryminalistyce, jak choćby 3D MSI włosów dla markerów chorób, a także w poszukiwaniu narkotyków – objaśnia dr hab. Joanna Nizioł.
Jej projekt został wyłoniony do finansowania w ostatnim konkursie SONATA BIS. Otrzymała grant z Narodowego Centrum Nauki w wysokości blisko 1,9 mln zł.
Anna Worosz, MK