Nous avons tous entendu, et vu, comment une image vaut mille mots. Maintenant, dans une tournure scientifique de ce dicton, des chercheurs du Laboratoire national de champ magnétique élevé (National MagLab), basé à la Florida State University, créent des images qui peignent des milliers de molécules.

À l'aide d'un instrument d'une puissance unique, les scientifiques ont affiné une technique appelée imagerie par spectrométrie de masse (MSI) qui traduit des rames de données en visuels détaillés de la composition moléculaire des échantillons biologiques. Leur travail, publié cette semaine dans Chimie analytique , présente des images avec une résolution de masse si élevée que chaque couleur de l'image représente un type distinct de molécule.

MSI n'est pas nouveau. Pendant des années, les scientifiques ont utilisé cette technique pour convertir les analyses de spectrométrie de masse de la composition chimique d'un échantillon en représentations spatiales montrant quelles molécules se trouvent où.

Ce qui est différent maintenant, a expliqué Don Smith, chimiste du National MagLab, auteur correspondant de l'étude, est l'étendue et la profondeur des données générées avec le spectromètre de masse à résonance cyclotron ionique (ICR) de 21 teslas, un record du monde, appelé le "21-T" pour faire court. Tesla est une unité d'intensité de champ magnétique; un aimant de réfrigérateur a un champ d'environ 0,01 teslas et un aimant d'IRM hospitalier typique a un champ de 2 ou 3 teslas.

Le 21-T permet aux images de spectrométrie de masse de devenir ultra-haute définition, avec beaucoup plus de pixels composant l'image.

"J'aime penser à cela comme le plus d'informations par pixel - combien d'informations chimiques nous pouvons obtenir de chaque pixel dans un laps de temps donné, " Smith a déclaré. "Nous observons de nouvelles molécules qui n'ont jamais été observées, n'a jamais été résolu en masse dans les tissus auparavant."

L'année dernière, Smith s'est associé à Ron Heeren du Maastricht MultiModal Molecular Imaging Institute de l'Université de Maastricht aux Pays-Bas. Avec leur équipe, les scientifiques ont mené un mois d'expériences dans le 21-T, examen du tissu cérébral de rats sains. Dans chaque expérience de 24 heures, ils se sont concentrés sur des biomolécules spécifiques. Dans les deux ensembles de données examinés pour le Chimie analytique article, l'équipe a recherché certains lipides, une classe de biomolécules qui exécutent des fonctions critiques dans le corps, y compris dans les membranes cellulaires.

Les spectromètres de masse sont des échelles moléculaires sophistiquées qui utilisent un aimant puissant pour identifier chaque molécule d'une substance par sa masse unique. Les molécules doivent d'abord recevoir une charge positive ou négative (ionisée) afin que l'aimant puisse les détecter. L'équipe a utilisé une technique appelée ionisation par désorption laser assistée par matrice (ou MALDI), utilisé pour la première fois sur le 21-T pour ce projet avec un instrument spécial expédié de Maastricht à Tallahassee. Avec cette configuration, ils ont pu vaporiser méthodiquement, ioniser et mesurer un cheveu de tissu à la fois, contenant chacun des milliers de molécules. De cette façon, petit à petit, ils ont amassé des mesures qu'un logiciel spécial a converties en une carte de type IRM de la distribution spatiale des molécules.

"Ça a marché tout de suite, " a déclaré Smith à propos des expériences. " C'était une très agréable surprise. "

Le 21-T, acquis par le National MagLab en 2014 avec un financement de la Division de la chimie de la National Science Foundation, prouvé une échelle étonnamment sensible. Smith a noté que les scientifiques étaient capables de séparer deux molécules avec une différence de poids moléculaire d'environ trois électrons - environ 0,00179 daltons (l'unité de masse moléculaire) ou juste une infime fraction du poids d'une molécule d'eau.

"C'est la raison pour laquelle nous venons au MagLab, " Heeren a dit, "pour repousser les limites de l'imagerie et voir des détails moléculaires qui resteraient autrement cachés."

Le 21-T s'est avéré être un instrument remarquablement polyvalent, a déclaré Chris Hendrickson, directeur de l'installation ICR du laboratoire et co-auteur de l'article.

« Les expériences qu'il a permises couvrent toute la gamme de la biologie médicale aux contaminants environnementaux émergents, " il a dit.

Smith a déclaré que cette technique pourrait devenir un outil puissant pour la recherche en santé. Actuellement, le 21-T est couramment utilisé pour examiner la composition moléculaire de, entre autres types d'échantillons, protéines complexes. Les futures expériences MALDI pourraient révéler non seulement quelles molécules sont présentes, mais précisément où dans un échantillon de tissu chacun se trouve.

Les chercheurs sur le cancer pourraient utiliser la technique pour examiner, au niveau moléculaire, exactement où et comment un médicament se déplace à travers les tissus malades ; un autre scientifique pourrait étudier comment un organisme réagit à l'exposition à un polluant. Les chercheurs peuvent même être en mesure de comparer des exemples du même type de cellule entre eux pour détecter des différences moléculaires subtiles.

Quant à Smith, lui et son équipe ont du pain sur la planche, avec beaucoup de données en attente d'analyse.

"En gros, on a essayé un peu de tout, " a déclaré Smith à propos des expériences de l'année dernière.

C'est deux ensembles de données vers le bas, 26 aller.

En plus de Smith, Heeren et Hendrickson, les contributeurs à l'article comprenaient Andrew Bowman (premier auteur) et Shane Ellis de l'Université de Maastricht et le scientifique du National MagLab Greg Blakney. L'instrumentation MALDI utilisée pour les expériences a été mise à disposition avec le soutien de la province néerlandaise du Limbourg.