Applications of mass spectrometry in biomedical research

Mgr. Lenka Kolářová, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Doktorská disertace se zabývá několika aplikacemi hmotnostní spektrometrie (MS) v biomedicíně se zaměřením na použití nanomateriálů jako matrice a pro přípravu vzorků pro extrakci pevnou fází různých biomolekul a také pro kalibraci analyzátoru doby letu (TOF) nebo TOF spojeného s kvadrupólovou iontovou pastí (QIT). Výsledky jsou prezentovány jako soubor tří prací. První práce podává přehled o klasických histologických barvicích metodách a speciálních vizualizačních technikách pro účely tkáňového zobrazování, použití různých nanočástic (NPs) jako vizualizačních činidel, použití ionizace laserem za přítomnosti matrice (MALDI) TOF MS v analýze tkání a možnostech využití NPs v zobrazovací hmotnostní spektrometrii (IMS). Druhá studie popisuje vliv zlatých nanočástic (AuNPs) ve tvaru květin na ionizaci různých peptidů pomocí MALDI TOF MS. Bylo provedeno srovnání konvenční metody MALDI s metodami využívajícími jak samotné AuNPs ve tvaru květin, tak kombinované s kyselinou α-kyano-4-hydroxyskořicovou (CHCA) nebo kyselinou sinapovou (SA). Signál peptidových píků (m/z 500 – 3500) byl až 7,5 × a/nebo 7 × vyšší použitím samotných AuNPs ve tvaru květin a/nebo AuNPs ve tvaru květin kombinovaných s CHCA ve srovnání s klasickou CHCA matricí. Použití AuNPs ve tvaru květin mělo pozitivní vliv také na rozlišení, limit detekce a reprodukovatelnost. Použití AuNPs ve tvaru květin v kombinaci s SA matricí zvýšilo reprodukovatelnost a citlivost měření peptidových/proteinových píků při profilování myších embryonálních fibroblastů. Třetí práce studuje možnost použití klastrů monoizotopických elementů, zlata (Aun+ a Aun-) nebo fosforu (Pn+ a Pn-), pro externí/interní kalibraci hmotnostních spektrometrů s analyzátorem TOF a QIT-TOF. Byly vyvinuty nové kalibrační postupy. Byla vyvinuta jednoduchá a rychlá metoda pro tvorbu Aun+/- klastrů použitím LDI (s dostatečným poměrem signálu k šumu), která umožňuje kalibraci až po vysoké hodnoty hmotností – až do m/z 15 000 v pozitivním a do m/z 6 000 v negativním iontovém módu.

Abstract:

This Thesis deals with several applications of mass spectrometry (MS) in biomedicine focusing on the use of nanomaterials as a matrix and for sample preparation as a solid phase extraction of various biomolecules and also for calibration of Time-Of-Flight (TOF) or Quadrupole Ion Trap (QIT)-TOF mass analyzers. The results are presented as a collection of three works. The first work gives an overview of the classical histological staining methods and special visualization techniques for the purposes of tissue imaging, the use of various NanoParticles (NPs) as visualization agents, application of Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization (MALDI) TOF MS in tissue analysis, and the possibilities of using NPs in Imaging Mass Spectrometry (IMS). The second study describes the effect of flower-like shaped, gold nanoparticles (AuNPs) on ionization of various peptides by using MALDI TOF MS. Comparison of the conventional MALDI method and methods with flower-like AuNPs and flower-like AuNPs combined with α-Cyano-4-HydroxyCinnamic Acid (CHCA) or Sinapinic Acid (SA) as combined matrices was carried out. The intensities of peptide peaks (m/z 500 – 3500) were up to 7.5 × and up to 7 × higher using flower-like AuNPs and flower-like AuNPs-enriched CHCA matrix respectively than the classic CHCA matrix. The use of flower-like AuNPs also has a positive effect on the resolution, reproducibility and limits of detection. The use of flower-like AuNPs in combination with the SA matrix increased the reproducibility and sensitivity of the peptide/protein peak measurement in the process of profiling mouse embryonic fibroblasts. In the third work, the possibility of using clusters of monoisotopic elements like gold (Aun+ and Aun-) or phosphorus (Pn+ and Pn-) for external/internal calibration of mass spectrometers with TOF and QIT-TOF analyzer was studied. New procedures for calibration were developed. Simple and fast methods for LDI generation of Aun+/- clusters (with sufficient signal to noise ratio) enabled precise calibration up to high mass values - up to m/z 15,000 for positive and to m/z 6000 in negative ion modes.

Keywords

MALDI, SALDI, NALDI, (QIT) TOF MS, Biomedicine, Tissue imaging and profiling, Calibration, Monoisotopic elements, Gold nanoparticles, Gold and phosphorus clusters

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 21. 8. 2017

Thesis defence

• Date of defence: 27. 9. 2017
• Supervisor: prof. RNDr. Josef Havel, DrSc.
• Reader: doc. RNDr. Miroslav Šulc, Ph.D., prof. Victoria Salvadó, prof. Mgr. Marek Šebela, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Chemistry (4-years) / Analytical Chemistry