Development of a complete advanced computational workflow for high-resolution LDI-MS metabolomics imaging data processing and visualization

Abstract

La imatge per espectrometria de masses (MSI) mapeja la distribució espacial de les molècules en una mostra. Això permet extreure informació Metabolòmica espacialment corralada d'una secció de teixit. MSI no s'usa àmpliament en la metabolòmica espacial a causa de diverses limitacions relacionades amb les matrius MALDI, incloent la generació d'ions que interfereixen en el rang de masses més baix i la difusió lateral dels compostos. Hem desenvolupat un flux de treball que millora l'adquisició de metabòlits en un instrument MALDI utilitzant un "sputtering" per dipositar una nano-capa d'Au directament sobre el teixit. Això minimitza la interferència dels senyals del "background" alhora que permet resolucions espacials molt altes. S'ha desenvolupat un paquet R per a la visualització d'imatges i processament de les dades MSI, tot això mitjançant una implementació optimitzada per a la gestió de la memòria i la programació concurrent. A més, el programari desenvolupat inclou també un algoritme per a l'alineament de masses que millora la precisió de massa.

La imagen por espectrometría de masas (MSI) mapea la distribución espacial de las moléculas en una muestra. Esto permite extraer información metabolòmica espacialmente corralada de una sección de tejido. MSI no se usa ampliamente en la metabolòmica espacial debido a varias limitaciones relacionadas con las matrices MALDI, incluyendo la generación de iones que interfieren en el rango de masas más bajo y la difusión lateral de los compuestos. Hemos desarrollado un flujo de trabajo que mejora la adquisición de metabolitos en un instrumento MALDI utilizando un “sputtering” para depositar una nano-capa de Au directamente sobre el tejido. Esto minimiza la interferencia de las señales del “background” a la vez que permite resoluciones espaciales muy altas. Se ha desarrollado un paquete R para la visualización de imágenes y procesado de los datos MSI, todo ello mediante una implementación optimizada para la gestión de la memoria y la programación concurrente. Además, el software desarrollado incluye también un algoritmo para el alineamiento de masas que mejora la precisión de masa.

Mass spectrometry imaging (MSI) maps the spatial distributions of molecules in a sample. This allows extracting spatially-correlated metabolomics information from tissue sections. MSI is not widely used in spatial metabolomics due to several limitations related with MALDI matrices, including the generation of interfering ions and in the low mass range and the lateral compound delocalization. We developed a workflow to improve the acquisition of metabolites using a MALDI instrument. We sputter an Au nano-layer directly onto the tissue section enabling the acquisition of metabolites with minimal interference of background signals and ultra-high spatial resolution. We developed an R package for image visualization and MSI data processing, which is optimized to manage datasets larger than computer’s memory using a mutli-threaded implementation. Moreover, our software includes a label-free mass alignment algorithm for mass accuracy enhancement.