Verfahren zur MALDI-MSI Analytik von Objekten, dafür geeignetes Target sowie dessen Herstellung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur MALDI-Untersuchung von Objekten, mit welchem diese Objekte, insbesondere biologische Gewebeproben, hinsichtlich ihrer stofflichen Zusammensetzung analysiert werden können. Die Erfindung beinhaltet auch ein spezielles Target zur Durchführung dieser MALDI-Untersuchungen sowie dessen Herstellung. Die MALDI-MSI Analyse ermöglicht die Untersuchung von Objektoberflächen, insbesondere Gewebeschnitten, hinsichtlich der Zusammensetzung und Lokalisierung von verschiedenen Analyten, wie z.B. Proteinen, Peptiden, Lipiden oder Metaboliten. Dabei wird eine sog. Matrixsubstanz verwendet, welche eine Energiedesorption während des gepulsten Laserbeschusses bei der Messung ermöglicht. Die Laserenergie wird dadurch auf die Analyten des zu messenden Objektes übertragen und regt diese zur Ionisierung an. Die freigesetzten Ionen werden entlang eines Flugrohres beschleunigt und die Flugzeit mittels eines Detektors gemessen. Entsprechend der Molekülgröße und des Ladungszustandes weisen die Ionen eine unterschiedliche Flugzeit auf; dieses Messergebnis wird mittels einer Kalibration durch„Molekülmasse pro Ladung" (m/z) ersetzt. Das Ergebnis für jeden Messpunkt der Objektoberfläche kann in einem Spektrum dargestellt werden, wobei Signalintensität gegen m/z aufgetragen wird.

BESTÄTIGUNGSKOPIE Ebenso können die einzelnen Signale in ihrer flächigen Verteilung auf der gemessenen Oberfläche bildhaft dargestellt und dadurch in Bezug zu ihrer Lokalisation evaluiert werden. Mit dieser Methode können z.B. Charakterisierungs-, Tumormarker- und Interaktionsstudien durchgeführt werden.

Bei der MALDI-MSI ist die Matrixapplikation auf das zu analysierende Objekt ein wichtiger Schritt, von dem die Qualität der Analyse in nicht unerheblichem Maße anhängt (Basak Kükrer Kaletas, Ingrid M. van der Wiel, Jonathan Stauber, Lennard J. Dekker, Coskun Güzel, Johan M. Kros, Theo M. Luider and Ron M. A. Heeren: Sample preparation issues for tissue imaging by imaging MS, Proteomics, 9, 2009, 2622-2633). Eine weitverbreitete Applikationstechnik ist das Aufbringen einer homogenen

Matrixschicht auf den Gewebeschnitt durch ein feines Versprühen bzw. Vernebeln der Matrixlösung (Benjamin Balluff, Cedrik Schöne, Heinz Höfler, Axel Walch: MALDI imaging mass spectrometry for direct tissue analysis: technological advancements and recent applications, Histochem Cell Biol, 136, 2011 , 227-244; Kristina

Schwamborn, Richard M.Caprioli: Molecular imaging by mass spectrometry - looking beyond classical histology, Nature Reviews Cancer 10, 2010, 639-346;

Kamila Chughtai, Ron M. A. Heeren: Mass Spectrometric Imaging for biomedical tissue analysis, Chem Rev. 110, 2010, 3237-3277). Dabei wird der ganze

Gewebeschnitt flächig homogen von einer Matrix bedeckt.

Da die verschiedenen möglichen MALDI-Matrices jeweils analytklassenspezifisch sind bzw. auch innerhalb einer Analytklasse unterschiedliche Matrixaffinitäten möglich sind, können mit einer Matrix nur die entsprechend affinen Analyten untersucht werden, die Informationen über weitere, nichtkompatible Analyten bleiben verborgen. Auch der Zusatz von Additiven zur Matrix kann das Ansprechen der Analyten auf eine Matrix beeinflussen (Rian L. Griffiths, Josephine Bunch: A survey of useful salt additives in matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry and tandem mass spectrometry of lipids: introducing nitrates for improved analysis, Rapid Commun. Mass Spectrom. 26, 2012, 1557-1566).

Eine umfassende Untersuchung einer Analytklasse oder über alle Analytklassen hinweg ist mit dieser Methode an einem Objekt nicht durchführbar.

Um dennoch einer umfassenderen MALDI-MSI Analytik nachzugehen, sind folgende Möglichkeiten beschrieben worden (1-3):

1. Bei der konsekutiven Methode (Rory T. Steven, Josephine Bunch: Repeat

MALDI-MS imaging of a Single tissue section using multiple matrices and tissue washes, Anal. Bioanal. Chem., 405, 2013. 4719-4728) wird ein Gewebeschnitt mehrmals hintereinander analysiert mit wiederholter Matrixapplikation und

Gewebewaschschritten zur Matrixentfernung. Dabei kann durch die intensive Gewebebehandlung der Gewebeschnitt Schaden nehmen, es kann zu

Analytverlust und verminderten Signalintensitäten kommen und die Analyten können durch die Waschschritte delokalisieren

2. Bei der Analyse an Parallelschnitten (Markus Stoeckli, Dieter Staab, Alain

Schweitzer: Compound and metabolite distribution measured by MALDI mass spectrometric imaging in whole-body tissue sections, International Journal of Mass Spectrometry, 260, 2007, 195-202) werden benachbarte Gewebeschnitte für die Analyse mittels verschiedener Matrices verwendet und die Ergebnisse miteinander verglichen. Dabei ist allerdings die unterschiedliche Schnitttiefe der Parallelschnitte zu bedenken. Durch die sich verändernde Gewebemorphologie in tieferen Gewebeschichten können Parallelschnitte nicht vollkommen identisch sein. Ebenso durch ein ungleiches Strecken der durch den Schneideakt gestauchten Schnitte beim manuellen Aufziehen auf das Target können Streckungsunterschiede an Parallelschnitten entstehen. Ein deckungsgleiches Übereinanderlegen für Vergleichszwecke ist dadurch erschwert oder unmöglich und ein exakt deckungsgleicher Matrix-übergreifender Vergleich der

histomorphologischen Signallokalisationen verhindert. Ebenso sind die für diese Analyse verwendeten Parallelschnitte folglich nicht für ein mögliches 3- dimensionales MALDI-Imaging verfügbar (Herbert Thiele, Peter Maass: 2D and 3D MALDI-imaging: Conceptual strategies for visualization and data mining; Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Proteins and Proteomics, 1844, 2014, 117- 137).

3. Mittels Verwendung von Matrixmischungen (Sabrina Laugesen, Peter

Roepstorff: Combination of two matrices results in improved Performance of maldi ms for peptide mass mapping and protein analysis, American Society for Mass Spectrometry 14. 2003, 992-1002) sollen Matrixkonditionen geschaffen werden, die für mehrere Analytklassen zugleich passend sind und in nur einer

Analyse alle affinen Analytklassen der beigemischten Matrices aufzeigen.

Allerdings können bei dieser Methode nicht unterschiedliche Analyten mit zufällig gleichem m/z Wert unterschieden werden, selbst wenn sie eine unterschiedliche Lokalisation im Gewebe aufweisen. Die Qualität der Informationen ist

dementsprechend durch Informationsverlust bei spektraler Signalüberlagerung verringert. Die Differenzierbarkeit ist eingeschränkt.

Ebenso wurden bereits weitere Möglichkeiten der Matrixapplikation gezeigt (4-5): 4. Neben der homogenen Applikation wurde auch ein punktförmiges Auftragen der Matrix im Punktraster durch Aufspotten oder Aufdrucken beschrieben (Kamila Chughtai, Ron M. A. Heeren: Mass Spectrometric Imaging for biomedical tissue analysis, Chem Rev. 110, 2010, 3237-3277; Dodge L. Baluya, Timothy J. Garrett, Richard A. Yost: Automated MALDI Matrix Deposition Method with Inkjet Printing for Imaging Mass Spectrometry, Anal. Chem. 79, 2007, 6862-6867; Joseph T. Delaney, Annett Urbanek, Liane Wehder, Jolke Perelaer, Anna C. Crecelius, Ferdinand von Eggeling, Ulrich S. Schubert: Combinatorial optimization of multiple MALDI matrices on a Single tissue sample using inkjet printing, ACS Combinatorial Science 13, 2011 218-222; Hans-Rudolf Aerni, Dale S. Cornett, Richard M. Caprioli: Automated Acoustic Matrix Deposition for MALDI Sample Preparation, Anal. Chem. 78, 2006, 827-834; Pierre Chaurand, Jeremy L. Norris, D. Shannon Cornett, James A. Mobley, Richard M. Caprioli: New Developments in Profiling and Imaging of Proteins from Tissue Sections by MALDI Mass Spectrometry, J. Proteome Res 5, 2006, 2889-2900). Dabei gilt es, eine ausreichende räumliche Auflösung des Punktrasters zu erreichen, die der angestrebten Messauflösung entspricht. Bei kleineren Printpunkten in einer höheren Rasterauflösung durch entsprechend kleine Tropfen (H. Y. Gan, X. Shan, T. Eriksson, B. K. KLok, Y. C. Lam: Reduction of droplet volume by Controlling actuating waveforms in inkjet printing for micro-pattern formation, J. Micromech. Microeng 19, 2009, 055010-055018) sind allerdings mehrere Auftragungsepisoden übereinander notwendig, um eine für die Analyse ausreichende Matrixmenge aufzubringen. Die entsprechend verlängerte Auftragungszeit wirkt sich negativ auf die Erhaltung der sensiblen Analyten bis zur Analyse aus. Vor allem Proteine sind sehr leicht zersetzend, eine zeitaufwendige Applikation kann zu einer schlechteren Ergebnisqualität durch degradierte Analyten führen. Eine Alternative zum Aufbringen der Matrix auf den Gewebeschnitt wurde durch eine umgekehrte Applikation des Gewebes auf ein bereits mit einer homogenen Matrixschicht versehenes Target beschrieben (Kerri J. Grave, Sara L. Frappier, Richard M. Caprioli: Matrix Pre-Coated MALDI MS Targets for Small Molecule Imaging in Tissues, J. Am. Soc. Mass Spectrom. 22, 2011 , 192-195; Junhai Yang, Richard M. Caprioli: Matrix pre-coated targets for high throughput MALDI imaging of proteins, Journal of Mass Spectrometry 49, 2014, 417-422). Die vorweg beschriebenen Problematiken (1-3) konnten durch diese Methode auch nicht gelöst werden. Zu diesen homogen vorbeschichteten Matrixtargets konnte ferner keine Möglichkeit einer an die Analyse anschließenden H&E-Gewebefärbung des analysierten Gewebes gezeigt werden. Die Färbung muss mit einer vollständigen Matrixentfernung eingeleitet werden, um die Färbbarkeit des Gewebes zu gewährleisten. Dabei darf das Gewebe nicht vom Target abgelöst werden, was bei einer kompakten Matrixschicht unter dem Gewebe unmöglich scheint. Ein H&E- Bild des analysierten Gewebes ist jedoch für eine lokalisationsbezogene Auswertung mit histo-morphologischem Bezug unerlässlich (Julien Franck, Kahm Arafah, Mohamed Elayed, David Bonnel, Daniele Vergara, Amelie Jacquet, Denis Vinatier, Maxence Wisztorski, Robert Day, Isabelle Fournier and Michel Salzet: MALDI Imaging Mass Spectrometry, Molecular & Cellular Proteomics 8, 2009, 2023-2033).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei der MALDI-MSI-Analytik eines Objektes eine oder mehrere Analytklassen möglichst umfangreich, mit geringem Verfahrensaufwand und geringer Applikationsdauer zu untersuchen, ohne die Signalqualität hinsichtlich Intensität, Lokalisation und Differenzierbarkeit zu beeinträchtigen und ohne die Färbemöglichkeit für einem optischen Scan des Gewebeschnittes zu vermindern, wobei eine exakte histo-morphologische Vergleichbarkeit für eine lokalisationsbezogene Auswertung analyseübergreifend ermöglicht werden soll. Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zur MALDI-MSI-Untersuchung von Objekten, insbesondere biologischen Gewebeproben, bei dem das zu untersuchende Objekt auf ein beschichtetes Target aufgebracht und einer gepulsten Laserstrahlung ausgesetzt wird, wobei durch die Beschichtung des Targets bei der Laserbestrahlung eine Energiedesorption bewirkt wird, durch welche die Energie der Laserstrahlung durch das zu untersuchende Objekt aufgenommen sowie dessen zu analysierende Bestandteile zur Ionisierung angeregt werden, und bei dem die durch die Laserbestrahlung freigesetzten Ionen des zu untersuchenden Objektes durch angelegte Spannung beschleunigt, in ihrer Flugbahn, beispielsweise einem Flugrohr, nach Größe und Ladung aufgetrennt, und deren Flugzeiten gemessen sowie hinsichtlich ihrer Moleküleigenschaften zur Charakterisierung und Bestimmung der biologisch-chemischen Zusammensetzung des zu untersuchenden Objektes ausgewertet werden, dadurch gelöst, dass das Target mit mehreren unterschiedlichen Matrixrastern zuerst beschichtet wird, wobei die unterschiedlichen Matrixraster verschiedene Matrixaffinitäten der Analyten abdecken und jeweils im geometrischen Versatz zueinander angeordnet sind, danach das zu analysierende Objekt darauf aufgebracht und direkt anschließend die Analyse durchgeführt wird, bei der für jedes der unterschiedlichen Matrixraster zumindest ein Analyseraster jeweils separat vermessen wird. Diese separat gemessenen analyserasterspezifischen Datensätze werden in ihrer komplementären Gesamtheit sowie mit objektdeckungsgleichem Positionsbezug ausgewertet.

Ein Target zur MALDI-MSI-Untersuchung von Objekten, insbesondere biologischen Gewebeproben, besteht zu diesem Zweck aus einem Träger (1 ), beispielsweise aus einem Glasobjektträger, mit elektrisch leitender Oberfläche, auf welcher mehrere unterschiedliche Matrixraster (2, 3) jeweils im Versatz zueinander als Beschichtung aufgebracht sind.

In den Unteransprüchen sind sowohl zu dem Verfahren als auch zu dem Target vorteilhafte Ausführungen genannt.

Ein Matrixrasterpunkt im Sinne dieser Beschreibung enthält im wesentlichen mindestens eine dem Fachmann geläufigen MALDI-Matrixsubstanz. Beispeile für MALDI-Matrixsubstanzen sind 3-Hydroxypicolinsäure, alpha-Cyano-4-hydroxy- zimtsäure, 2,5-Dihydroxybenzoesäure, Sinapinsäure, 2,4,6-Trihydroxyacetophenon, Nitrobenzylalkohol, Nikotinsäure, Ferulasäure, Kaffeesäure, 2-Aminobenzoesäure, Picolinsäure, 3-Aminobenzoesäure, 2,3,4-Trihydroxyacetophenon, 6-Aza-2-thio- thymidin, Harnstoff, Bernsteinsäure, Adipinsäure, Malonsäure oder Mischungen von zwei oder mehreren dieser Verbindungen. Unter dem Begriff „unterschiedliche Matrixraster" werden im Rahmen dieser Beschreibung Matrixraster verstanden, die jeweils aus einer Vielzahl in Form eines Rasters angeordneten Rasterpunkten bestehen, wobei die einzelnen Rasterpunkte der unterschiedlichen Matrices jeweils aus Substanzen oder Substanzgemischen aufgebaut sind, die verschiedene Matrixaffinitäten der Analyten abdecken.

Unter dem Begriff„jeweils im Versatz zueinander angeordnete Matrixraster" werden im Rahmen dieser Beschreibung Matrixraster verstanden, die jeweils aus einer Vielzahl in Form eines Rasters angeordneten Rasterpunkten bestehen, wobei die Rasterpunkte der unterschiedlichen Matrices, als einzelne Paare von benachbarten Rasterpunkten betrachtet, jeweils in fester geometrischen Beziehung zueinander stehen. Die einzelnen Punktpaare benachbarter Rasterpunkte der unterschiedlichen Matrices können nicht überlappend, teilweise überlappend oder gänzlich überlappend zueinander angeordnet sein. Bei gänzlicher Überlappung weisen die einzelnen Punkte der Punktpaare vorzugsweise verschiedene Durchmesser auf und die Mittelpunkte dieser einzelnen Punkte sind vorzugsweise gegeneinander versetzt, können aber auch an gleicher Stelle liegen. Bei teilweiser Überlappung oder bei keiner Überlappung der Punktpaare können die einzelnen Punkte der Punktpaare gleiche oder verschiedene Durchmesser aufweisen und die Mittelpunkte dieser einzelnen Punkte sind gegeneinander versetzt.

Unter dem Begriff „Analyseraster" wird im Rahmen dieser Beschreibung die Gesamtheit derjenigen Matrixpunkte eines Matrixrasters verstanden, die für die Analyse verwendet werden. Unter dem Begriff „Auswertung der analyserasterspezifischen Datensätze in ihrer Gesamtheit sowie mit objektdeckungsgleichem Positionsbezug" wird im Rahmen dieser Beschreibung verstanden, dass aus den einzelnen Spektren der verschiedenen Analyseraster jeweils ein oder mehrere Banden ausgewählt werden und dass deren An- oder Abwesenheit am Ort des betreffenden Rasterpunktes bildhaft dargestellt wird und dass diese Auswertung für alle Analyseraster durchgeführt wird. Damit kann bei objektdeckungsgleicher Überlagerung der einzelnen für jedes Analyseraster erhaltenen räumlichen Verteilung dieser Banden auf die räumliche Verteilung der diesen Banden zugrundeliegenden Spezies im Objekt geschlossen werden.

Targets for MALDI-Untersuchungen mit Matrixrastern sind bereits bekannt.

In der DE 102 58 674 A1 wird ein Verfahren zur Herstellung eines Probenträgers für die MALDI-Massenspektrometrie beschrieben. Dazu wird auf einen Probenträger eine Vielzahl von MALDI-Matrix-Punkten durch Niederschlag einer MALDI Matrix- Substanz aus der Gasphase aufgetragen. In der Beschreibung wird auch ausgeführt, dass die MALDI-Matrixsubstanzen zur Herstellung unterschiedlicher MALDI-Matrix- Punkte eingesetzt werden können oder dass ein MALDI-Matrix-Punkt eine Substruktur, beispielsweise separat voneinander vorliegende Teilpunkte aufweisen kann, die jeweils aus einer unterschiedlichen MALDI-Matrix-Substanz aufgebaut sind. Kombinationen von Trägern mit elektrisch leitender Oberfläche und mehreren unterschiedlichen Matrixrastern sowie die Durchführung und Auswertung von MALDI-Messungen werden nicht offenbart.

Die WO 03/070364 A1 beschreibt ultraphobe Probenträger mit funktionalen hydrophilen und/oder oleophilen Bereichen, bei denen der hydrophile und/oder oleophile Bereich neben der Hydrophilie und/oder Oleophilie mindesten eine weitere Funktionalität aufweist. Beschrieben werden auch Probenträger mit mehreren MALDI-Matrices, die in Form eines bestimmten Rasters angeordnet sind und die jeweils auf einer ultraphoben Oberfläche immobilisiert sind. Kombinationen von Trägern mit elektrisch leitender Oberfläche und mehreren unterschiedlichen Matrixrastern werden nicht offenbart. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt unterschiedliche komplementäre Analysen an demselben Objekt und ermöglicht somit eine umfangreichere und hochwertigere Gesamtanalyse mit qualitativ und quantitativ gehaltvollerer Beurteilungs- und Auswertungsmöglichkeit der Ergebnisse, als es durch bekannte Methoden möglich ist.

Es werden durch die Verwendung mehrerer Matrices verschiedene Matrixaffinitäten der im zu untersuchenden Objekt enthaltenen Analyten abgedeckt und somit die Quantität der durch die Gesamtanalyse erfassten Analytklassen und die Quantität und Signalqualität der erfassten Analyten innerhalb einer Analytklasse erhöht.

Auf den bisher gebräuchlichen aber zeitintensiven Arbeitsschritt der Matrixapplikation auf das zu untersuchende Objekt kann durch die Verwendung von mit Matrixrastern vorbeschichteten Targets verzichtet werden, wodurch sich die Applikationsdauer bis zur Analyse erheblich verkürzt und sensible Analyten besser für die Analyse erhalten bleiben. Die beschichteten Targets können auf Vorrat bereitgehalten werden und ermöglichen damit bei Bedarf einen schnellen und hohen Durchsatz von Objektanalysen. Die Herstellung von mit Matrixrastern beschichteten Targets kann gesammelt und auf Vorrat erfolgen. Die beschichteten Targets können dann bei Bedarf an die Verwender verteilt werden. Entsprechend kann auf Instrumente zur Matrixapplikation am Analyseort verzichtet werden.

Da geeignete Forschungsobjekte, z.B. spezielle Tumore, oft nur in geringer Menge zur Verfügung stehen und demzufolge höchst sparsam verwendet werden müssen, sollten Präparationsfehler zwingend vermieden werden. Beim vorgeschlagenen Verfahren kann ein Verlust des Objektes durch eine fehlgeschlagene Matrixapplikation ausgeschlossen werden, da eine Prüfung der Matrixapplikation auf Qualität des vorbeschichteten Trägers noch vor Aufbringung des Objektes möglich ist; eine gelungene Matrixapplikation wird damit bereits vor der Applikation des wertvollen Objektes sichergestellt.

Im Vergleich zu bisher beschriebenen Methoden von komplementären Analysen können beim erfindungsgemäßen Verfahren ein Signalintensitätsverlust und eine diffuse Signalverstreuung durch den Verzicht auf Waschschritte vermieden werden. Für alle komplementären Analysen bleiben die Analyten in ursprünglicher Quantität und Lokalisation erhalten.

Bei der bekannten Methode mit Verwendung von verschiedenen Matrices in einer Matrixmischung zur Erhöhung des Affinitätsumfanges in einer einzelnen Analyse, sind Analyten mit gleicher Flugzeit und entsprechend spektraler Signalüberlagerung nur als ein singuläres Signal darstellbar. Es kann dabei nicht ohne weiteres aufgezeigt werden, ob es sich möglicherweise um verschiedene Analyten handelt, die eine unterschiedliche Signalverteilung im Objekt aufweisen, was in vielen Fällen keine sofortige eindeutige Analyse zulässt. Durch die Verwendung von verschiedenen Matrices in separaten Analysen können mit der hier beschriebenen Methode Signale mit gleicher Flugzeit, die aber unterschiedliche Matrixaffinität aufweisen, durch die Erfassung in separaten matrixspezifischen Datensätzen mit möglicherweise unterschiedlicher bildhafter Signalverteilung unterschieden werden. Die Differenzierbarkeit der Signale ist somit, gegenüber der Verwendung von Matrixmischungen in nur einer Analyse, wesentlich erhöht.

In einigen bekannten Methoden wird für die Auswertung mittels Overlay ein optischer Scan eines parallel gewonnenen Gewebeschnittes herangezogen, der von einer angrenzenden Schicht im Gewebe gewonnen wird. Eine unterschiedliche Schnittebene im Gewebe bringt allerdings eine veränderte Morphologie mit sich, das jeweils individuelle Aufbringen der Gewebeschnitte auf einen Träger kann Unterschiede durch das Aufschmelzen und Strecken zur Folge haben. Ein exaktes bildhaftes Überlagern im Overlay ist somit erschwert oder nicht möglich und ein eindeutiger Rückschluss von Signallokalisationen auf morphologische Strukturen wäre möglicherweise fehlerhaft. Die Verwendung eines optischen Scans des vermessenen Objektes ist somit sehr wichtig, um Fehler in der Auswertung zu vermeiden.

Bei der bekannten Methode mit homogen vorbeschichteten Matrixtargets konnte bisher keine an die Analyse anschließende Färbung am vermessenen Objekt gezeigt werden, da vor einer Gewebefärbung die Matrixschicht unter dem Objekt vollständig entfernt werden muss und dies bei der homogenen Beschichtung ein Ablösen des Objektes durch entsprechende Waschschritte mit sich ziehen würde. Beim erfindungsgemäßen Verfahren mit einem punktuell matrixbeschichteten Target lässt sich die Matrix unter dem Objekt durch Waschschritte entfernen, da das Objekt durch Laserbeschuss der Rasterpunkte an genau diesen Stellen leicht porös wird. Dementsprechend können die Matrixpunkte durch diese porösen Stellen herausgelöst werden; durch matrixfreie Stellen zwischen den Rasterpunkten bleibt das Objekt am Target haften. Somit kann das Präparat danach einer Färbung unterzogen werden, beispielsweise einer histologischen Übersichtsfärbung von organischem Gewebe mit Hämatoxylen-Eosin. Damit kann anschließend ein optischer Scan des vermessenen Objektes zur Erstellung eines Overlays mit den bildhaften Signalverteilungen erzeugt werden, welcher für eine Beurteilung und Auswertung eines damit erzeugbaren Overlays mit exaktem histo-morphologischem Bezug für alle komplementären Analysen eines Objektes in ihrer Gesamtheit notwendig ist. Die Beurteilung der Lokalisation der Signale, die den unterschiedlichen komplementären Analysen im Objekt entstammen, in Verbindung zu den histo-morphologischen Strukturen der entsprechenden Region im Objekt, erlaubt Rückschlüsse bezüglich Charakterisierungsstudien, Biomarkersuche, Tumorforschung, Interaktionsstudien etc. in weit besserer Qualität und Quantität als es durch bekannte Methoden möglich ist. Eine mögliche Qualitätssicherung der beschichteten Targets, die hohe Informationsausbeute und die schnelle und einfache Anwendung machen diese Methode des MALDI Imaging für einen Einsatz in der klinisch-histo-pathologischen 5 Routinediagnostik attraktiv.

Darüber hinaus bleiben die Parallelschnitte für weitere Anwendungen verfügbar, beispielsweise für ein mögliches 3D-lmaging auf Basis der hier beschriebenen Methode, welches diesen bereits enormen Informationsgehalt zusätzlich um die 10 Signalverteilungen in der 3. Dimension des Objektes erweitert. Der mögliche hohe Durchsatz bei der Verwendung von beschichteten Targets vereinfacht und beschleunigt die Durchführung eines 3D MALDI-Imaging bei gleichzeitig gestiegenem Informationsgehalt, was einem raschen Voranschreiten in Forschungsfragen entgegenkommt.

Ί 5

Die Erfindung soll nachstehend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.

Es zeigen:

0

Fig. 1 : Aufbringen verschiedener Matrixraster als gemeinsames Raster mit

Versatz auf ein Target

Fig. 2: Applikation eines zu analysierenden Gewebeschnitts auf das mit

Matrixraster versehene Target

5 Fig. 3: Separate MSI Analyse der verschiedenen Matrixraster

Fig. 4: Objektdeckungsgleiche Übereinanderlegung von Objektscan und bildhaften Darstellungen diverser Signalverteilungen

Fig. 5: Schema eines Matrixrasters mit 4 verschiedenen Matrices im Versatz Fig. 6: von links nach rechts: zeitverzögerte Screenshots der Tropfenejektion 0 durch einen 3-fach-Puls an einer Tintenstrahl-Druckdüse Fig. 7: Schema einer möglichen Architektur eines Mehrfachpulses

Fig. 8: optischer Scan (Ausschnitt) eines durch Tintenstrahl-Druck mit zwei

Matrixrastern als Punktraster im Versatz bedruckten Targets

Fig. 9: Durchschnittsspektrum einer Kaninchenniere, analysiert an einem DHB

(2,5-Dihydroxybenzoic acid)-Matrixraster im reflective positiv Ionen

Modus

Fig. 10: Durchschnittsspektrum einer Kaninchenniere, analysiert an einem 9-AA

(9-Aminoacridine)-Matrixraster im reflective negativ Ionen Modus Für die Herstellung eines beschichteten Targets für die Multiplex MALDI-MSI Analyse wird ein Target (1 ) mit leitender Oberfläche, beispielsweise ein mit Indium- Zinn-Oxid beschichteter Glass-Slide, mit verschiedenen Matrixrastern (2, 3) im geometrisch versetzten Raster per Tintenstrahl-Printing bedruckt (vgl. Fig. 1 und 8). Es entsteht das bedrucktes Target (1 ) mit einer gemeinsamen Matrix- beschichtung (4) aus beiden ursprünglichen Matrixrastern (2, 3) (siehe Fig. 1 ).

Auf diese Matrixbeschichtung (4) des bedruckten Targets (1 ) wird ein Gewebeschnitt (5) als durch MALDI-MSI zu untersuchendes Objekt appliziert, symbolisiert durch einen Pfeil (6) in Fig. 2, woraus das Target (1 ) mit der Matrixbeschichtung (4) und dem darauf aufgebrachten Untersuchungsobjekt (Gewebeabschnitt (5)) resultiert.

Um die Anhaftung der Matrixraster (2, 3) auf dem Target (1 ) zu verbessern, kann auch vorab eine haftungsfördernde Schicht auf das Target (1 ) aufgebracht werden, beispielsweise durch eine Bedampfung mit Goldpartikeln (aus Übersichtsgründen nicht in der Zeichnung dargestellt).

Zur Herstellung des Targets (1 ) mit der Matrixbeschichtung (4) können die Matrixraster (2, 3) mittels Inkjet-Druck in Form von Printpunkten (22, 23) als Punktraster (Fig. 8) aufgebracht werden. Die notwendige kleine Tropfengröße wird unter Verwendung der bereits bekannten Mehrfachpuls-Technologie zur Reduzierung der Tropfengröße in Kombination mit der Verwendung von gekühlten Printköpfen zur Tropfenstabilisierung niederviskoser Flüssigkeiten (aus Übersichtsgründen nicht in der Zeichnung dargestellt) ermöglicht. Bei der Mehrfachpulstechnologie wird jede Tropfenejektion durch zwei oder mehr aufeinanderfolgende Spannungspulse pro Frequenzintervall (vgl. Fig. 7) in einer Inkjet-Printdüse (18) eines Printkopfes ausgelöst. Eine entsprechende Architektur des Mehrfachpulses (vgl. Fig. 7) erzeugt eine Abfolge von Über- bzw. Unterdruck- Zuständen innerhalb eines Frequenzintervalls in einem Innenraum (19) der Inkjet- Printdüse (18), welche die bei der Tropfenejektion aus der Inkjet-Printdüse (18) ausgetretene Flüssigkeit in zwei Teile trennt und unter Zurücksaugung eines zurückgehaltenen Tropfenteiles (20) folglich einen größenreduzierten Tropfen (Printtropfen (21 )) aus der Inkjet-Printdüse (18) entlässt. Das Resultat der Verwendung eines Mehrfachpulses (vgl. Fig. 6) ist die Ejektion eines kleineren Printtropfens (21 ) gegenüber einer Ejektion durch einen Einzelpuls.

Für eine erfolgreiche Tropfenreduzierung ist eine sensible Anpassung der Mehrfachpulsarchitektur bezüglich Pulsanzahl, Pulspolarität, Stärke der Pulsspannung V, Pulslänge P, Verzögerung D und Frequenz der Tropfenejektion notwendig (vgl. Fig. 7). Diese Architektur des Mehrfachpulses hängt unter anderem von der zu druckenden Lösung, dem verwendeten Printkopf und den Umgebungskonditionen, wie beispielsweise der Temperatur, ab.

Häufig verwendete Matrices für MALDI-MSI sind löslich in niederviskosen Flüssigkeiten (wie Acetonitril, Ethanol, Methanol oder Mischungen von diesen mit Wasser) und werden in solchen gelöst für MALDI-MSI verwendet. Die Niederviskosität der Lösungen kann beim Inkjet-Druck allerdings eine Gasblasenbildung in der Printdüse verursachen, welche die Tropfenbildung verhindert und/oder ein unkoordiniertes Versprühen der Matrixlösung verursacht. Diese Gasblasenbildung bei niederviskösen Flüssigkeiten kann durch die Verwendung eines gekühlten Printkopfes vermindert oder verhindert werden. Dafür kann ein mit einem Peltier-Element ummantelter Printkopf verwendet werden (nicht in der Zeichnung dargestellt). Dieser bewirkt ein gezieltes Herabkühlen der Printlösung beim Durchlaufen der Zuführungsleitung vor Eintritt in die Printdüse und setzt dadurch die Neigung der Lösung zur Verdampfung und Kavitation herab.

Für das Aufdrucken eines Matrixrasters in hoher Auflösung werden kleinstmögliche einzelne Printtropfen in einem Punktraster auf das Target aufgesetzt und eingetrocknet. Um eine ausreichende Matrixmenge auf jeden Rasterpunkt zu applizieren, ohne die Rasterpunkte in ihrer Fläche stark zu vergrößern, wird dieses Auftragen und Eintrocknen einzelner Tropfen pro Punkt in mehreren Episoden nacheinander wiederholt. Mehrere Matrixraster werden im geometrischen Versatz zueinander auf das Target (1 ) aufgedruckt. Der jeweilige Versatz der Matrixraster untereinander wird unter anderem entsprechend der Anzahl der im Versatz zu applizierenden Matrixraster, der gewünschten Lagebeziehung der verschiedenen Rasterpunkte (nicht überlappend, teilweise überlappend oder gänzlich überlappend), der Rasterpunktgrößen und der nach Bedarf zu belassenden matrixfreien Flächen zwischen den Matrixrastern festgelegt (Fig. 1 und 5). Als oder anstelle der besagten Matrixraster (2, 3) können je nach den durchzuführenden komplementären Analysen auch Matrixraster mit Additiven und/oder Matrixgemischen und/oder mit Substanzen für andere Analysen, beispielsweise Trypsin für Protein-Verdauexperimente, verwendet werden. Ebenso kann ein Freiflächenraster zwischen den Matrixrastern (2, 3) auf dem Target (1 ) belassen werden, welches für matrixfreie Analysen herangezogen werden kann.

Es besteht grundsätzlich die Möglichkeit, beliebig viele Matrixraster in geometrischem Versatz auf ein Target aufzubringen, beispielsweise vier Matrixraster ohne Überlappung mit matrixfreiem Zwischenareal, wie schematisch abgebildet in Fig. 5 (vgl. auch Fig. 1 mit den beiden Matrixrastern (2, 3)). Das mit einer Matrixbeschichtung (4) versehene Target (1 ) kann vor der Aufbringung des Objektes (Gewebeschnitt (5)) mit einer möglichen Schutzschicht (aus Übersichtsgründen nicht in der Zeichnung dargestellt) überzogen werden, welche die Matrixbeschichtung (4) bis zur Applikation des Gewebeschnittes (5) vor mechanischen Einflüssen, wie Kratzern oder Abrieb, bewahrt. Diese Schutzschicht kann entweder eine Charakteristik aufweisen, die für die folgende Applikation und Analyse keinen oder einen positiven Einfluss hat und somit nicht entfernt werden muss, oder sie besitzt eine negativ beeinflussende Charakteristik, die allerdings vor der fortführenden Applikation eine schonende Entfernung der Schutzschicht erlaubt und somit keinen negativen Einfluss mehr besitzt. Eine zu entfernende Schutzschicht kann einen zusätzlichen Schutz vor Verschmutzung oder Licht darstellen.

Nach dem Aufbringen der Matrixraster (2, 3) auf das Target (1 ) (vgl. Fig. 1 ) wird entsprechend Fig. 2 das zu untersuchende Objekt (Gewebeschnitt (5)) darüber aufgebracht. Das kann beispielsweise ein Gefrierschnitt eines biologischorganischen Gewebes sein. Dafür wird von einem tiefgefrorenen organischen Gewebestück im Cryomikrotom ein dünner, gefrorener Gewebeschnitt hergestellt und im Anschluss auf das beschichtete Target durch Erwärmung aufgeschmolzen.

Direkt danach kann das beschichtete Target (1 ) mit dem aufgebrachten Objekt (Gewebeschnitt (5)) der Analyse unterzogen werden, sofern nicht im Folgenden genannte mögliche zusätzliche (optionale) Verfahrensschritte angewendet werden. Vor dem Aufbringen des besagten Objektes auf den Träger (1 ) mit der Matrixbeschichtung (4) kann diese Matrixbeschichtung einem Aktivierungsschritt unterzogen werden, beispielsweise einer Umwandlung der Matrix zu einer ionischen Flüssigkeit durch Bedampfung mit organischem Diisopropylethylamin (DIEA). Damit kann die Co-Kristallisierung zwischen der Matrixbeschichtung (4) und den zu analysierenden Substanzen des Objektes (Gewebeschnitt (5)) gefördert werden. Ebenso kann vor der Analyse, nach Aufbringung des zu untersuchenden Objektes auf das Target (1 ) ein co-kristallisierungsfördernder Arbeitsschritt, wie ein Benebeln mit Lösungsmittel, durchgeführt werden. In Abhängigkeit des Analyten ist eine gute Co-Kristallisierung Voraussetzung für eine gute Ionisierung während der Analyse. Bei der MALDI-MSI Analyse werden in an sich bekannter Weise mit gepulstem Laserbeschuss Punktmessungen auf der zu analysierenden Fläche in Form von Analyserastern durchgeführt und zunächst als Durchschnittsspektren dargestellt (Durchschnittsspektrum (9, 10) der Matrixbeschichtung (4) aus den Matrixrastern (2, 3); vgl. auch Durchschnittsspektren Fig. 9 und Fig. 10). Die einzelnen Signale dieser Spektren, beispielsweise die mit einem Stern zur Ursprungserkennung markierten Durchschnittsspektren (9, 10) (vgl. Fig. 3), können dann als bildhafte Verteilung (11 , 12) (vgl. Fig. 4) dargestellt werden. Dabei wird für jeden Messpunkt die Intensität des Signals als Farbpunkt entsprechend einer Farbverlaufsskala in einer bildhaften Darstellung des vermessenen Objektes abgebildet, und veranschaulicht somit die flächige Signalverteilung und Signalstärke.

Der Laserfocus kann dabei auf den erforderlichen Durchmesser entsprechend den Rasterpunkten des jeweiligen Matrixrasters (2) bzw. (3) angepasst werden. Ein Analyseraster kann genau mittig auf die Rasterpunkte des betreffenden Matrixrasters (2) bzw. (3) festgelegt werden. Aber auch ein dezentraler Beschuss der Rasterpunkte ist möglich, um beispielsweise den überlappenden Bereich verschiedenartiger Rasterpunkte unterschiedlicher Matrixraster (2, 3) für eine Analyse heranzuziehen. Ebenso könnten mehrere Analyseraster auf einem Matrixraster (2) bzw. (3) jeweils dezentral, mit kleinerem Laserfocus und nicht- überlappender Position festgelegt werden, um ein Matrixraster (2) bzw. (3) für verschiedene Analysemessungen zu nutzen. Auch möglicherweise matrixfrei belassene Areale zwischen den Matrixrastern (2, 3) können für ein Analyseraster genutzt werden. Jedes gewünschte Analyseraster kann mit individuellen Messkonditionen, wie Laserenergie, Polarisation, Messmodus (linear/Reflektion), zu erfassender Massenbereich, Detektorsensitivität und spektraler Auflösung, analysiert werden. Jedes Analyseraster wird bei der Analysemessung als separater Datensatz erfasst (vgl. Fig. 3). Aus den somit jeweils aus den Matrixrastern (2, 3) separat erfassten Datensätzen, jeweils dargestellt durch die Durchschnittsspektren (9) bzw. (10) (siehe auch Fig. 9 und Fig. 10), können die einzelnen Signale dieser Spektren, beispielsweise die mit einem Stern markierten Signale in Durchschnittsspektrum (9, 10) (vgl. Fig. 3), dann als bildhafte Verteilung (11 , 12) (vgl. wiederum Fig. 4) dargestellt werden.

Dabei wird für jeden Messpunkt die Intensität des einzelnen Signals als Farbpunkt entsprechend einer Farbverlaufsskala in einer bildhaften Darstellung des vermessenen Objektes abgebildet, und veranschaulicht somit die flächige Signalverteilung mit Signalstärke. Anschließend werden die Signalverteilungen dieser einzelnen Datensätze objektdeckungsgleich übereinandergelegt dargestellt, um alle Signalinformationen aus den unterschiedlichen Analysen an dem auszuwertenden Objekt (Gewebeschnitt (5)) komplementär in ihrer Gesamtheit für die Auswertung heranziehen zu können. Ein optischer Scan (13) des Objektes (Gewebeschnitt (5)), beispielsweise der Scan eines im Anschluss an die Analyse hämatoxylen-eosin-gefärbten Gewebeschnittes, kann mit den Darstellungen der als interessant ermittelten bildhaften Signalverteilungen (11 , 12) der einzelnen aus den Matrixrastern (2, 3) der Matrixbeschichtung (4) gewonnenen Datensätze ebenso objektdeckungsgleich zu einem Overlay (17) übereinandergelegt werden, symbolisiert durch Pfeile (14, 15 und 16), (vgl. Fig. 4).

Das ermöglicht eine umfassende Beurteilung mit exaktem Positionsbezug zu den histo-morphologischen Strukturen im optischen Scan (13) des Objektes (Gewebeschnitt (5)) für alle komplementären Analysen eines Objektes in ihrer Gesamtheit (vgl. Fig. 4). Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

1 - Target

2, 3 - Matrixraster

4 - Matrixbeschichtung

5 - Gewebeschnitt

6, 7, 8 - Pfeil

9, 10 - Durchschnittsspektrum

11 , 12 - bildhafte Signalverteilung

13 - optischer Scan des Objektes

14, 15, 16 - Pfeil

17 - Overlay

18 - Inkjet-Printdüse eines Printkopfes 19 - Innenraum der Printdüse

20 - zurückgehaltener Tropfenteil

21 - Printtropfen

22 - Printpunkt eines 9-AA Matrixrasters

23 - Printpunkt eines DHB Matrixrasters V1 , V2, V3 - Pulsspannung

P1 , P2, P3 - Pulslänge

D1. D2, D3 - Verzögerung