Ortsaufgelöste MALDI-Massenspektrometrie an biologischen und synthetischen Oberflächen

Abstract

Das zunehmende Interesse an der Untersuchung der Gesamtheit komplexer biomolekularer Stoffgemische, die in einem biologischen Objekt wie einer Zelle, einem Gewebe oder gar einem Organismus, wie z. B. dem Menschen, vorkommen, hat die Massenspektrometrie in den letzten 15 Jahren in den Mittelpunkt der biologischen und biomedizinischen Forschung gerückt. Die molekulare Masse solcher Biomoleküle, die in der Natur eine entscheidende Rolle spielen, stellt eine wichtige Messgröße auf dem Weg zur Strukturaufklärung derselben dar. Die Laser-Mikrosonden-Massenspektrometrie (LMMS) ist eine seit mehr als 25 Jahren eingesetzte Methode, um einer Probe lokalisierte chemische Informationen zu entnehmen und so biologische und synthetische Oberflächen zu analysieren und zu charakterisieren. Allerdings blieb diese Charakterisierung bislang auf die Elementanalytik bzw. auf den Nachweis kleiner Moleküle begrenzt.In dieser Arbeit wurden neuartige Datenanalyse-Verfahren und neue Methoden zur rasternden Mikrosonden-Matrix-assistierten-Laser-Desorptions-Ionisations-Massenspektrometrie (SMALDI-MS) vorgestellt.Die Datenerfassung und Aufarbeitung spielen dabei eine entscheidende Rolle für die Nutzbarmachung dieser Informationen. Die Fülle von Daten, die aufgrund der hohen lateralen Auflösung des Geräts 'Lamma 2000' zu verarbeiten ist, um einen relevanten Bereich von z.B. einer Zelle abzurastern, machte eine Automatisierung der Erstellung von Bildern der lateralen Substanzverteilungen der Probe notwendig. Die automatische Signalanalyse der Massenspektren einer Messung stellt einen wichtigen Schritt dar, ohne den eine Erstellung von Verteilungsbildern der Probe in einem vernünftigen Zeitrahmen nicht möglich wäre. Das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Programm ist in der Lage, automatisch zu jedem relevanten Substanzsignal ein zugehöriges Verteilungsbild der gemessenen Probe zu erstellen und somit auch einen Vergleich zwischen verschiedenen Substanzverteilungen zu ermöglichen. Weiterhin wurde gezeigt, dass aus den gemessenen Flugzeiten einer Masse die Topologie der Probe berechnet und somit, zusätzlich zu der chemischen Zusammensetzung der Probe, auch die dreidimensionale Struktur dieser Probe bestimmt werden kann. Entscheidend für die Einsetzbarkeit der ortsaufgelösten Massenspektrometrie sind allerdings nicht nur die technischen Vorraussetzungen und ein schnelles Verarbeitungssystem, sondern vor allem das Erreichen einer effektiven analytischen Auflösung im Maßstab von 1 2 µm. Dazu wurden die bei kleinem Laserfokus veränderten Bedingungen untersucht und gezeigt, dass MALDI-Massenspektrometrie auch in diesem Auflösungsbereich möglich ist.Untersuchungen zur Segregation von Analyten in MALDI-Standardpräparationen zeigten die Problematik, die auch die Präparation von strukturierten Oberflächen betrifft. Da der zu bestimmende Analyt auf der Oberfläche nicht wandern sollte, steht die notwendige Flüssigphasen-Vermischung von Matrix und Analyt in Konkurrenz zur Migration der Analytmoleküle auf der Oberfläche. Die in dieser Arbeit vorgestellten neuen Präparationsmethoden zeigen den Weg auf, um einen Kompromiss zwischen diesen Gegensätzen zu finden und eine analytische Auflösung im Bereich von 1 µm zu erreichen. Techniken zum Versprühen der Matrix verdeutlichen, dass eine homogene Verteilung der Matrix unter Erhaltung der Empfindlichkeit möglich ist, aber lassen auch die oft schwierige Handhabung dieser Methoden erkennen. Ein vielversprechender Weg zur Präparation der Probe ist die Bedampfung und anschließende Inkorporation des Analyten in die Matrixschicht. Dieser vielversprechende Ansatz zeigt, dass hochauflösende SMALDI-Massenspektrometrie unter Erhalt der Ortsinformation durchführbar ist.Abschließend stellt der letzte Teil Beispiele zu Anwendungsfeldern der SMALDI Massenspektrometrie vor. Da sich die MALDI-Massenspektrometrie zu einer Schlüsselmethode der Protein- und Proteomanalytik entwickelt hat, bietet die naheliegende Verschmelzung dieser Methode mit der Mikrosondentechnik eine Fülle von neuen Einsatzmöglichkeiten. So ist neben der direkten Analytik von Gewebe oder Zellen die Untersuchung von mikrostrukturierten Chipoberflächen eine wichtige Anwendung der SMALDI-MS um beispielsweise eine effiziente und schnelle Identifizierung von krankheitsrelevanten Substanzen durchführen zu können.