Novel approaches for molecular tissue imaging of drugs and metabolites using high-resolution mass spectrometry

Abstract

The main goal of this work was to develop novel analytical methods for molecular imaging of lowmolecular weight compounds from animal tissue sections using matrix-assisted laser desorption/ionization and high-resolution Fourier-transform ion cyclotron resonance mass spectrometry. In general, three novel approaches were proposed, in which mass spectrometry imaging was employed for spatial and molecular analysis of both endogenous metabolites and pharmaceutical drugs from mouse tissue sections. Firstly, MALDI-FTICR mass spectrometry was successfully employed for high-spatial resolution molecular imaging of bile acids observed as deprotonated molecules and proton-bound dimers from mouse liver sections. Secondly, the nonpolar matrix, DCTB (2-[(2E)-3-(4-tert-butylphenyl)-2-methylprop-2-enylidene]malononitrile), was applied for the first time for highly sensitive, quantitative MALDI imaging of central nervous system drugs from mouse brain sections. In addition, the evidence for brain tissue regions- as well as MALDI matrix-dependent ion suppression was presented. Finally, high-resolution/high-accuracy MALDI-MS imaging was applied for studying molecular and spatial changes in mouse brain metabolism in response to immunomodulatory treatment with teriflunomide, revealing evident alterations observed in particular for the certain metabolite classes.

Das Hauptziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung neuartiger, analytischer Methoden zur molekularen Bildgebung niedermolekularer Verbindungen aus tierischen Gewebeabschnitten unter Verwendung der Matrix-unterstützten Laser-Desorption/Ionisation und der hochauflösenden Fourier-Transformations Ionenzyklotronresonanz Massenspektrometrie. Insgesamt wurden drei neue Ansätze entwickelt, bei denen die massenspektrometrische Bildgebung für die räumliche und molekulare Analyse von endogenen Metaboliten und Arzneimitteln aus Gewebeschnitten von Mäusen verwendet wurde. Zunächst wurde MALDI-FTICR-MSI erfolgreich für die molekulare Bildgebung von Gallensäuren mit hoher räumlicher Auflösung als der deprotonierten Spezies und Protonen-gebundenen Dimeren aus Mausleberabschnitten angewendet. Zweitens wurde die unpolare Matrix DCTB (2-[(2E)-3-(4-tert-Butylphenyl)-2-methylprop-2-enyliden]malononitril) erstmals für die hochempfindliche, quantitative MALDI-Bildgebung von im Zentralnervensystem wirkenden Medikamenten bei Hirnschnitten der Maus angewendet. Weiterhin konnten Beweise für Hirngewebsregion abhängige, sowie für die MALDI Matrix abhängige Ionensuppression vorgelegt werden. Schließlich wurde eine hochauflösende MALDI-FTICR-Bildgebung angewendet, um molekulare und räumliche Veränderungen im Gehirnstoffwechsel von Mäusen als Reaktion auf eine immunmodulatorische Behandlung mit Teriflunomid zu untersuchen, und zeigten sie offensichtliche Veränderungen.