ASMS voit le lancement d'un nouveau haut

May 05, 2023

NEW YORK - Lors de la conférence annuelle de l'American Society for Mass Spectrometry cette semaine à Houston, Thermo Fisher Scientific et Bruker ont tous deux présenté des instruments qui pourraient considérablement augmenter la puissance des analyses protéomiques.

Les deux instruments offrent des améliorations à la fois en termes de débit et de profondeur de couverture et devraient relever les défis dans une gamme d'applications protéomiques, y compris des domaines de recherche particulièrement chauds comme les expériences à cellule unique et à base de plasma.

Le nouveau spectromètre de masse timsTOF Ultra de Bruker est la dernière édition de sa gamme d'instruments timsTOF. Ces instruments ont été largement adoptés par les chercheurs en protéomique depuis leur lancement en 2016, offrant un défi de taille à la technologie Orbitrap de Thermo Fisher, qui avait dominé l'espace pendant une grande partie de la décennie précédente.

Karl Mechtler, responsable de la protéomique à l'Institut de recherche de pathologie moléculaire de Vienne, a déclaré que le nouvel instrument réunissait des aspects du timsTOF SCP existant de Bruker, qui est destiné à l'analyse de cellules individuelles et d'autres échantillons de petit volume, et de son timsTOF HT, qui est plus ciblé. aux analyses protéomiques profondes et à haut débit d'échantillons en vrac, y compris le plasma.

L'Ultra améliore les capacités d'analyse de petits échantillons du SCP, tout en permettant une analyse haute performance d'échantillons plus grands, a déclaré Mechtler, bien qu'il ait suggéré que pour des échantillons particulièrement compliqués comme le plasma, le timsTOF HT serait probablement toujours le meilleur instrument.

Lors de la réunion ASMS de cette semaine, Bruker a souligné la capacité de l'Ultra pour la protéomique unicellulaire, en particulier, notant dans des documents de presse que l'instrument peut identifier environ 5 000 protéines au niveau de la cellule unique et quantifier plus de 4 800 protéines à des coefficients de variation de moins 20 pour cent.

Mechtler a présenté des données lors de la réunion des utilisateurs de Bruker cette semaine que son laboratoire avait générées à l'aide de l'instrument Ultra. Sur l'Ultra, lui et ses collègues ont pu mesurer environ 6 000 groupes de protéines avec un coefficient de variation médian de 10 % dans un standard de 250 picogrammes (environ équivalent à la quantité de protéines dans une seule cellule) par rapport à environ 5 000 protéines avec un CV médian de 12 % en utilisant le SCP. En examinant les cellules HeLa et K562 uniques réelles (par opposition aux normes), son laboratoire a identifié, respectivement, 3 803 et 3 221 protéines à l'aide de l'Ultra.

Alors que Bruker's Ultra est une mise à jour d'une plate-forme existante, la nouvelle version de Thermo Fisher, l'Orbitrap Astral MS, marque l'introduction d'une nouvelle technologie, l'analyseur Astral (pour piste asymétrique sans perte) de la société. Tout comme un analyseur de temps de vol (TOF), l'Astral mesure le déplacement des ions le long d'une piste à l'intérieur de l'instrument et leur arrivée à la surface d'un détecteur. Cependant, selon la société, l'Astral réalise une transmission ionique nettement meilleure qu'un instrument TOF typique, avec plus de 80% des ions atteignant le détecteur. Le système utilise des miroirs ioniques asymétriques pour former un piège électrostatique ouvert, créant une piste de 30 mètres de long sur laquelle les ions peuvent circuler.

L'instrument comprend également un quadripôle à l'avant et un analyseur Orbitrap. L'analyseur Astral offre une fréquence de balayage jusqu'à 200 Hz et une résolution de 80 000, tandis que l'Orbitrap offre des fréquences de balayage jusqu'à 40 Hz et une résolution jusqu'à 480 000. L'option Biopharma d'Orbitrap permet l'analyse de molécules jusqu'à m/z 8 000.

Les orbitraps offrent une résolution nettement supérieure à celle des analyseurs TOF. Les TOF offrent cependant des vitesses de balayage beaucoup plus élevées et, ces dernières années, de nombreux chercheurs en protéomique se sont tournés vers ces instruments plus rapides. Comme Ben Orsburn, chercheur en protéomique au département de pharmacologie et de sciences moléculaires de l'Université Johns Hopkins et ancien scientifique principal des applications de terrain en protéomique pour Thermo Fisher, a déclaré à GenomeWeb l'année dernière, la vitesse élevée des instruments TOF comme le timsTOF de Bruker et le ZenoTOF de Sciex a rendu difficile pour lui de revenir aux instruments plus lents basés sur Orbitrap.

Avec sa fréquence de balayage de 200 Hz, l'Astral devrait aider Thermo Fisher à combler cet écart de vitesse. En comparaison, le ZenoTOF offre une vitesse maximale de 133 Hz tandis que le timsTOF HT de Bruker, auparavant l'instrument haut de gamme de la société, a une vitesse maximale de 150 Hz. Le nouvel instrument Ultra de Bruker, quant à lui, culmine à 300 Hz.

Cette vitesse s'avérera utile pour les flux de travail d'acquisition indépendants des données (DIA), ce qui, selon Bradley Hart, directeur principal du marketing des sciences analytiques et du marketing des produits de spectrométrie de masse des sciences de la vie chez Thermo Fisher, est un nouveau point d'intérêt pour l'entreprise.

Alors que Thermo Fisher développe et propose depuis longtemps des flux de travail DIA à utiliser sur ses instruments basés sur Orbitrap, Hart a déclaré qu'il a traditionnellement investi plus de ressources dans les flux de travail en utilisant l'acquisition dépendante des données et l'étiquetage de masse en tandem.

Cela, a-t-il dit, a mis l'entreprise quelque peu en décalage avec certains de ses clients et l'espace protéomique plus largement alors que les flux de travail DIA gagnaient en popularité.

"C'était notre coup manqué", a déclaré Hart à propos de l'échec de Thermo Fisher à prioriser les flux de travail DIA. "Nous pensions en quelque sorte que DIA avait des défis, peut-être que ce n'était pas reproductible, les chiffres étaient partout en ce qui concerne les pièces d'identité, et quantitativement [c'était] discutable. Mais je suppose que nos clients nous ont donné tort dans beaucoup de voies."

Cette prise de conscience a conduit la société à reconstruire ses offres DIA, a déclaré Hart, soulignant une nouvelle configuration DIA qui combine son système Vanquish NEO UHPLC, les colonnes µPAC NEO HPLC, EASY-Spray Nano Source et le logiciel Proteome Discoverer avec l'algorithme de recherche Chimerys. Cette configuration n'est pas spécifique à l'Orbitrap Astral, mais l'instrument affiche de bonnes performances lorsqu'il est utilisé pour les flux de travail DIA. Selon Thermo Fisher, il est capable d'exécuter des expériences DIA en utilisant des gradients LC de 13,4 minutes (100 échantillons par jour) qui mesurent plus de 8 500 protéines dans le lysat de cellules HeLa.

Joshua Coon, professeur de chimie biomoléculaire et de chimie à l'Université du Wisconsin-Madison et utilisateur précoce de l'Orbitrap Astral, a déclaré qu'à l'aide de l'instrument, son laboratoire avait mesuré 8 000 protéines dans des lignées cellulaires et des échantillons de cellules cérébrales avec un délai de huit minutes. Gradient CL. Dans une autre expérience, le laboratoire a divisé ces échantillons en huit fractions, exécutant chacune en utilisant un gradient de huit minutes et mesuré 12 000 protéines en un peu plus d'une heure.

"C'est, je pense, tout à fait remarquable", a déclaré Coon. "Cela signifie que si vous voulez faire des études à grande échelle, cela ouvre vraiment la porte pour avoir le débit dont vous avez besoin. Nous nous sommes améliorés [sur le débit], mais c'est une avancée notable."

Jennifer Van Eyk, directrice des laboratoires de biomarqueurs de précision du centre médical Cedars-Sinai, utilise l'Orbitrap Astral pour les analyses protéomiques du plasma, où il semble également fournir une augmentation substantielle de la puissance par rapport à l'instrumentation préexistante. Van Eyk a déclaré que dans des expériences exécutant 60 échantillons par jour dans du plasma non appauvri, le nouvel instrument est capable de mesurer entre 2 et 2,5 fois plus de protéines que celles mesurées en utilisant le même flux de travail sur l'instrument 480 Exploris de Thermo Fisher.

"Nous extrayons non seulement plus de protéines, mais plus de protéines quantifiables et de protéines reproductibles, ce qui signifie que si nous analysons [un échantillon] cinq fois, le voyons-nous tous les cinq fois", a-t-elle déclaré. "C'est un grand saut."

Le plus impressionnant est peut-être le débit que l'instrument permet, a déclaré Van Eyk, notant qu'elle et ses collègues ont obtenu de bonnes données et une couverture approfondie jusqu'à 180 échantillons de plasma non épuisés par jour.

"A 180 échantillons [par jour], tout d'un coup, vous pouvez commencer à parler de l'analyse de 10 000 échantillons, puis cela devient une étude de population", a-t-elle déclaré.

"Nous pensons que cet instrument a le potentiel de commencer à [permettre] de véritables études de cohorte à haut débit et à grande échelle pour la protéomique, pour enfin vraiment accéder à la médecine de précision et à la médecine personnalisée", a déclaré Hart. Il a déclaré que dans son travail interne, la société avait montré que l'instrument pouvait mesurer environ 600 protéines dans des échantillons de plasma non appauvris et non fractionnés lorsqu'ils les exécutaient à un rythme de 180 échantillons par jour.

Le fractionnement et l'enrichissement des échantillons de plasma permettent à l'instrument d'aller beaucoup plus loin. Hart a déclaré qu'avec la plate-forme Proteograph de Seer, qui utilise des nanoparticules pour enrichir les échantillons de plasma pour les analyses protéomiques, l'Orbitrap Astral est capable de mesurer environ 6 000 protéines dans le plasma avec un débit de quatre échantillons par jour. Ce débit devrait augmenter avec la sortie récente de la nouvelle version de Seer de son kit de test Proteograph, le Proteograph XT. Alors que le kit d'origine exigeait que les utilisateurs divisent leurs échantillons en cinq fractions, ce qui signifie que chaque échantillon nécessitait cinq analyses LC-MS distinctes, le XT ne nécessite que deux fractions, ce qui signifie que chaque échantillon ne nécessite que deux analyses LC-MS distinctes. Dans les données présentées par Thermo Fisher cette semaine à l'ASMS, l'Orbitrap Astral a pu mesurer environ 6 000 protéines dans environ 30 échantillons de plasma par jour à l'aide du nouveau kit XT.

Coon, qui utilise la plate-forme Proteograph de Seer mais ne l'a pas encore utilisée avec l'Orbitrap Astral, a également cité les bonnes performances de l'instrument dans le plasma, notant que son laboratoire a pu mesurer environ 1 500 protéines dans du plasma non appauvri et non enrichi à l'aide d'un 50- gradient LC minute et avait développé une méthode d'infusion directe d'une minute sur l'instrument capable de mesurer environ 200 protéines par échantillon.

Coon a déclaré que si "les lancements de spécifications de masse ont souvent tendance à être des boosts réels mais modestes", il considérait l'Orbitrap Astral comme une avancée plus spectaculaire. "Je pense que c'est un gros problème."

Les données protéomiques plasmatiques générées sur l'Orbitrap Astral "sont vraiment spectaculaires", a déclaré Mechtler, bien qu'il ait noté qu'il reste à voir dans quelle mesure elles résisteront une fois que l'instrument sera plus largement utilisé. Il a également déclaré que les données qu'il a vues pour des expériences sur une seule cellule indiquent que l'Ultra est le système le plus performant à cet égard, offrant une quantification reproductible pour un plus grand nombre de protéines.

"Les deux machines sont vraiment spectaculaires", a déclaré Mechtler. "Je ne dirais pas 'acheter cette machine, ou acheter cette machine.' Les deux sont vraiment super."