Wat zou het toch ideaal zijn voor diagnostiek als je gewoon een biopt in een apparaat kon schuiven waarna er vrijwel meteen een gedetailleerd beeld van het weefsel verschijnt waarop je precies kunt zien welke celtypen, eiwitten, metabolieten et cetera aanwezig zijn. Dan weet je niet alleen wat er aan de hand is bij een patiënt, maar ook dat je meteen de meest kansrijke behandeling kunt kiezen. Of, als het allemaal snel genoeg gaat, dat je tijdens een operatie de behandelstrategie kunt afstemmen op deze specifieke situatie.

Dat apparaat bestaat nog niet, maar bij het Maastricht MultiModal Molecular Imaging (M4i) instituut wordt hard gewerkt aan deze zogeheten fast mass microscope (FMM). ‘Wat we hier nu hebben is nog echt een prototype’, vertelt Ian Anthony, assistant professor bij M4i. Het gebruik van aluminiumfolie en duct-tape verraadt dat overigens ook meteen. ‘Een commerciële massamicroscoop is nu nog niet beschikbaar. Ik denk dat we nog vijf tot acht jaar nodig hebben voordat het apparaat klaar is voor de markt.’  

Groter oppervlak 

De term massamicroscoop impliceert een combinatie van massaspectrometrie (MS) en microscopie, maar wat krijg je dan uiteindelijk te zien? De combinatie van MS en beeldvorming, mass spectrometry imaging (MSI), om de moleculaire compositie in beeld te brengen bestaat al veel langer, zegt Sebastiaan Van Nuffel, eveneens assistant professor bij M4i. Secondary ion mass spectromety (SIMS) is hiervan een voorbeeld. Van Nuffel: ‘Het instrument scant het sample pixel voor pixel en voor iedere pixel wordt een MS-spectrum gemaakt. Al die pixels samen leveren je dan een beeld van de chemische samenstelling van je sample. Dat werkt goed, maar het kost heel veel tijd en je kunt maar een klein stukje bekijken.’

Zeker voor biomedisch onderzoek zijn dat belangrijke obstakels; die obstakels weet de FMM te omzeilen, doordat hier niet pixel voor pixel wordt gewekt, legt Anthony uit. ‘Alle ionen aan het gehele oppervlak van je sample worden in één keer door een laserstraal of door een ion gun eraf geschoten. Ze krijgen allemaal dezelfde kinetische energie mee, maar omdat ze verschillende massa’s hebben, verschilt hun snelheid en komen ze op verschillende tijdstippen aan bij de camera.’ Het resultaat is een MS-gebaseerd beeld dat overeenkomt met de plek van de ionen in het oorspronkelijke sample.

Van Nuffel: ‘Omdat je weet welke piek bij welk geïoniseerd molecuul of fragment hoort, kun je alles identificeren. Zo kun je in een plakje weefsel precies zien waar bijvoorbeeld cholesterol is gelokaliseerd. Het grote voordeel van de massamicroscoop ten opzichte van conventionele MSI in microprobe modus is echter dat je een groter oppervlak in één keer kunt bekijken en dat het veel sneller gaat.’ Dat is waar het in de kern op neerkomt, zeggen Anthony en Van Nuffel in koor: ‘Met FMM zie je veel meer in veel minder tijd.’ De techniek is nu al ruim duizend keer sneller dan de microprobe-gebaseerde aanpak en er is nog wel meer winst te behalen, aldus Anthony.  

‘De innovatie zit in de camera’

Ian Anthony

Deeltjesdetector 

Die sprong voorwaarts in termen van tijd en blikveld is een combinatie van twee volkomen gescheiden ontwikkelingen. Voor een daarvan moeten we juist een flinke sprong terug in de tijd maken, naar 1962. In dat jaar publiceren twee Franse onderzoekers, Raimond Castaing en Georges Slodzian, hun methode voor een ionenmicroscoop in het Journal de Microscopie. Een baanbrekende publicatie, maar omdat die alleen in het Frans verschijnt, wordt het werk niet heel breed opgepikt. Pas in 2021 verschijnt een Engelse vertaling in het Journal of Mass Spectrometry en krijgt hun idee een veel groter publiek. Het concept bleef wel rondzingen, maar dat het nu in de praktijk wordt gebracht is te danken aan een compleet ander vakgebied, namelijk de hoge-energiefysica. ‘De innovatie van onze FMM zit in de TPX3CAM, een camera gebaseerd op de Timepix3-technologie die is ontwikkeld bij CERN voor het detecteren van deeltjes’, zegt Anthony. ‘Dat is ook een reden dat het oude concept nog niet eerder was uitgevoerd; er was nog geen detector beschikbaar.’  

De basis ligt er, nu is het zaak om het prototype verder te ontwikkelen. Met de onlangs binnengehaalde subsidie van $350.000 van het Chan-Zuckerberg Initiative (ja, de Zuckerberg van Facebook/Meta) worden twee postdoctorale onderzoekers aangesteld die het project naar de volgende fase gaan tillen. Een van hen gaat zich concentreren op het stabiliseren en robuuster maken van het instrument. De ander gaat zich buigen over de methodologie van het eiwitlabelen, want ook daar is nog veel te doen, aldus Van Nuffel. ‘Nu zijn methoden gebaseerd op fluorescentie gebruikelijk, maar je kunt slechts vijf van die labels tegelijk toepassen en dus heb je altijd meerdere experimenten nodig voor een compleet beeld. Wij willen MS-immunohistochemie met lanthanide-labels ontwikkelen en combineren met FMM. Zo kun je heel veel eiwitten tegelijk labelen en krijg je een goed beeld van de eiwitdistributie in je sample. Bovendien heb je met onze methode maar een enkel experiment nodig met hopelijk ook nog eens meer gevoeligheid.’  

‘Met onze methode heb je maar een enkel experiment nodig’

Sebastiaan Van Nuffel  

Eenvoudiger  

Een ander aspect dat op het wensenlijstje staat is dat de FMM niet alleen werkt voor SIMS, maar ook voor MALDI (matrix assisted laser desorption/ionisation), een andere veelgebruikte MS-techniek. Het doel is een eenvoudig te bedienen apparaat dat geschikt is voor klinische toepassingen. Van Nuffel: ‘Veel ziekenhuizen zijn al bekend met MALDI-MS en het is ook makkelijker in het gebruik.’ Maar hoe zit het met de kosten? Toch niet onbelangrijk als je mikt op een breed gebruik in ziekenhuizen. Nieuwe geavanceerde apparaten zijn vaak erg duur. ‘Ik denk niet dat dit apparaat heel duur gaat worden’, zegt Anthony. ‘De methode is namelijk eenvoudiger in opzet. Je hebt geen complexe optica nodig, want je gebruikt een ongefocusseerde laser. En je belicht je sample maar een keer.’ Ook dat is een reden om een MALDI-versie te ontwikkelen, zegt Van Nuffel. ‘Lasers zijn goedkoper dan de ion guns die je nodig hebt voor SIMS.’ Hij denkt zelf al na over een nog bredere toepassing van de FMM. ‘Mijn uiteindelijke doel is om deze methode aan alle andere imaging-modaliteiten en -technologieën, denk aan genomics en transcriptomics, te koppelen, zodat je van hetzelfde stukje weefsel alles kunt zien op verschillende niveaus. Van atoom naar anatomie, dat is mijn streven.’