Rapidement devenue une technologie complémentaire dans le domaine de la biologie grâce au développement global de la spectrométrie de masse, la désorption/ionisation laser assistée par matrice (Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionisation : MALDI) est une technique d´ionisation douce développée en 1987 par Koichi Tanaka de la Shimadzu Corporation et ses collègues qui a reçu le prix Nobel de chimie 2002. Alors que la première utilisation rapportée du MALDI pour l’imagerie a été faite en 1984, elle a été mise en lumière grâce à l’article du groupe de Caprioli de l´école de médecine de l´université du Texas en 1997. Depuis 2010, cet instrument n´a cessé de susciter l´intérêt des chercheurs dans les domaines (bio-)médicaux mais aussi forensiques et est désormais la technique d´imagerie par spectrométrie de masse la plus utilisée en R&D. Dans cet article, Alcimed présente 3 domaines d´applications innovants de cette technologie en plein essor.
Comme la majorité des techniques d´imagerie par spectrométrie de masse, le MALDI offre la possibilité d´acquérir à la fois une image de l´échantillon analysé et un spectre de masse par pixel de cette même image. Le tout formant un data cube en 3 dimensions; permettant ainsi de visualiser la distribution spatiale de biomolécules.
Un des avantages de cette technique est notamment l’analyse de grosses molécules (i.e., protéines, ARN, ADN, polymères et autres macromolécules) difficiles à analyser via des méthodes plus conventionnelles, avantage auquel s´ajoute la possibilité de visualisation de leur distribution spatiale. Outre la dualité image/spectre de masse, cette technologie offre la possibilité de découvrir et caractériser différentes espèces chimiques dans des tissus intacts, avec une faible altération lors de l´analyse, une bonne précision, une bonne sensibilité ainsi qu´une certaine rapidité d´analyse pouvant aller de quelques minutes à quelques heures selon les paramètres sélectionnés.
Dans le domaine de la médecine, le MALDI-MSI se positionne aujourd’hui comme étant une technique prometteuse, complémentaire aux technologies actuelles, afin d’offrir un diagnostic plus précis et/ou de mieux comprendre les mécanismes d’évolution de certaines pathologies.
Par exemple, dans le cadre des cancers rénaux, la différentiation des sous-catégories des tumeurs reste un challenge de taille de par leurs similarités histologiques au sein des tissus. Leur classification requiert à l’heure actuelle un haut niveau d’expertise et repose principalement sur des déductions visuelles. Dans cette optique, le MALDI-MSI permet d’obtenir des profils histologico-moléculaires détaillés. Associé à un algorithme de classification de données, cette technologie a notamment permis de diagnostiquer correctement 87% des patients lors d’une étude récente [1,2].
Dans un autre contexte, les mécanismes moléculaires de certaines maladies restent relativement flous, rendant leur diagnostic difficile.
Les maladies ou traumatismes cérébraux telles qu’Alzheimer, Parkinson ou encore l’épilepsie font parties des préoccupations majeures en matière de santé publique. En neurologie, le fait de pouvoir visualiser la distribution spatiale des molécules sans avoir besoin de recourir à du marquage grâce à l’imagerie par spectrométrie de masse par MALDI-MSI est un atout. Son utilisation en neurologie offre la possibilité d’identifier rapidement et facilement des zones cibles du cerveau afin d’orienter les chercheurs sur le développement de nouvelles thérapies ainsi que de mieux comprendre les mécanismes de blessures ou pathologies.
Dans un autre champ d’application, le diagnostic de ces maladies est également un élément important dans le monde médico-légal afin de déterminer la cause d’un décès et apporter des réponses aux familles. C’est notamment le cas des ischémies cardiaques, maladie à l’origine de nombreux décès, pour lesquelles le diagnostic post-mortem ne peut être posé que si l’ischémie persiste au moins 6 à 12h, temps à partir duquel, des altérations morphologiques apparaissent au niveau du myocarde. L’emploi de la technologie d’imagerie par spectrométrie de masse par MALDI-MSI a permis de mettre en lumière des changements métaboliques importants durant les premières heures de la maladie, offrant ainsi la possibilité d’identifier des marqueurs métaboliques pour le diagnostic précoce post-mortem de la maladie ainsi que de mieux comprendre les mécanismes interne de cette pathologie.
Les progrès de l’instrumentation et des méthodes analytiques ont conduit à une acceptation et à une utilisation de plus en plus répandue du MALDI-MSI dans le monde de la recherche pharmaceutique. Avec des recherches de plus en plus nombreuses dans le domaine, cette technologie est aujourd’hui en train de devenir une solution clé dans le cadre de l’amélioration et/ou du développement de nouveaux traitements.
Lors de la conception de nouveaux médicaments, la compréhension de leur bio distribution, leur métabolisme ainsi que leur accumulation dans l’organisme sont des facteurs clés. Dans cette optique, le MALDI-MSI est aujourd’hui un outil permettant de visualiser la pénétration dans les tissus comme la peau de certains composés provenant de médicaments ainsi que leurs métabolites.
Au-delà de la visualisation de la distribution des médicaments dans les tissus, le MALDI-MSI peut aujourd’hui également fournir des preuves de l’action d’un composé sur un tissu avec par exemple la mise en lumière de marqueurs pharmacodynamiques ou encore la détection de changements métaboliques.
Cette technologie peut également fournir des informations utiles sur les effets indésirables des médicaments tels que leur activité hors cible et leur toxicologie. Elle a d’ores et déjà été appliquée avec succès sur plusieurs composés issus de médicaments utilisés en dermatologie (i.e., mycoses) ou dans le traitement des tumeurs du foie et des reins.
La technologie MALDI-MSI peut s’appliquer à tout type d’échantillons biologiques, comme les traces digitales, indice très largement exploité par la police scientifique. Composées de sueur et de dépôts provenant du reste des glandes se trouvant sur le corps humain, ces traces sont une source d’informations qui ne sont pas encore exploitées à leur plein potentiel. Au-delà du dessin présent sur le bout de notre doigt que l’on peut voir dans les Experts ou encore l’ADN qu’il contient, la composition chimique des traces digitales est une mine d’informations permettant d’en apprendre plus sur les habitudes d’une personne, ce avec quoi elle a été en contact ou encore son état de santé grâce à leur analyse par MALDI-MSI.
L’ensemble des molécules qui composent ces traces est de plus une combinaison particulière permettant, dans certaines conditions, de différencier les individus entre eux. Toujours dans un esprit de minimisation du risque d’altération de l’indice, l’application de l’imagerie par spectrométrie de masse MALDI-MSI à ce type d’échantillon biologique permet d’obtenir à la fois une image de la trace digitale ainsi que sa composition chimique, tout en conservant la trace quasi intacte.
Son application récente à un cas réel a d’ailleurs permis de restreindre le cercle des suspects grâce à la détection d’un certain métabolite du cannabis caractéristique d’un certain type de consommation.
La détection de nombreux types de composés grâce à la technologie MALDI-MSI en lien avec nos habitudes ou encore la consommation de médicaments ou de drogues dans les traces digitales ouvre également de nombreuses portes au domaine biomédical pour la mise en place de méthodes d’analyse moins invasives dans le cadre de la détection de certaines pathologies.
Technologie prometteuse et peu destructive, l’imagerie par spectrométrie de masse par MALDI s’impose petit à petit dans les domaines pharmaceutiques et biomédicaux avec l’amélioration des diagnostics ainsi que le développement de nouveaux traitements; mais aussi dans le domaine particulier de la police scientifique avec une nouvelle façon d’exploiter certains indices.
Facile d’utilisation, la principale limite à l’heure actuelle reste le coût de l´instrument en lui-même. Cependant, avec de plus en plus de recherches publiées chaque année, on peut espérer que celui-ci diminue via la mise en place de collaborations par exemple. Aujourd’hui réservée à de grandes universités ou des centres de recherches spécialisés, il est très probable que l’imagerie par spectrométrie de masse par MALDI se diffuse très largement au sein de l’industrie de la santé au cours des prochaines années.
Si vous vous intéressez à l’imagerie par spectrométrie de masse, explorez des innovations dans le domaine l’imagerie par spectrométrie de masse par MALDI ou travaillez à améliorer les diagnostics de maladies, n’hésitez pas à nous contacter, notre équipe Santé peut vous accompagner !
Sources :
[1] Advances in MALDI Mass Spectrometry Imaging Single Cell and Tissues, Zhu et al., 2022
[2] Histo-molecular differentiation of renal cancer subtypes by mass spectrometry imaging and rapid proteome profiling of formalinfixed paraffin-embedded tumor tissue sections, Moginger et al., 2020
A propos des auteurs,
Marie, Consultante et Quentin, Responsable de Mission, au sein de l’équipe Sciences de la Vie d’Alcimed en Suisse
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