Matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry (MALDI MS) has been used to generate ion images of samples in one or more mass-to-charge (m/z) values, providing the capability of mapping specific molecules to two-dimensional coordinates of the original sample. The high sensitivity of the technique (low-femtomole to attomole levels for proteins and peptides) allows the study of organized biochemical processes occurring in, for example, mammalian tissue sections. The mass spectrometer is used to determine the molecular weights of the molecular in the surface layers of the tissue. Molecules desorbed from the sample typically are singly protonated, giving an ion at (M + H)+, where M is the molecular mass. The procedure involves coating the tissue section, or a blotted imprint of the section, with a thin layer of energy-absorbing matrix and then analyzing the sample to produce an ordered array of mass spectra, each containing nominal m/z values typically covering a range of over 50,000 Da. Images can be displayed in individual m/z values as a selected ion image, which would localize individual compounds in the tissue, or as summed ion images. MALDI ion images of tissue sections can be obtained directly from tissue slices following preparative steps, and this is demonstrated for the mapping of insulin contained in an islet in a section of rat pancreas, hormone peptides in a small area of a section of rat pituitary, and a small protein bound to the membrane of human mucosa cells. Alternatively, imprints of the tissue can be analyzed by blotting the tissue sections on specially prepared targets containing an adsorbent material, e.g., C-18 coated resin beads. Peptides and small proteins bind to the C-18 and create a positive imprint of the tissue which can then be imaged by the mass spectrometer. This is demonstrated for the MALDI ion image analysis of regions of rat splenic pancreas and for an area of rat pituitary traversing the anterior, intermediate, and posterior regions where localized peptides were mapped. In a single spectrum from the anterior/intermediate lobe of a rat pituitary print, over 50 ions corresponding to the peptides present in this tissue were observed as well as precursors, isoforms, and metabolic fragments.

Bacterial infection often results in the formation of tissue abscesses, which represent the primary site of interaction between invading bacteria and the innate immune system. We identify the host protein calprotectin as a neutrophil-dependent factor expressed inside Staphylococcus aureus abscesses. Neutrophil-derived calprotectin inhibited S. aureus growth through chelation of nutrient Mn2+ and Zn2+: an activity that results in reprogramming of the bacterial transcriptome. The abscesses of mice lacking calprotectin were enriched in metal, and staphylococcal proliferation was enhanced in these metal-rich abscesses. These results demonstrate that calprotectin is a critical factor in the innate immune response to infection and define metal chelation as a strategy for inhibiting microbial growth inside abscessed tissue.

Abstract Practical guidelines for the preparation of tissue sections for direct analysis by matrix‐assisted laser desorption/ionization (MALDI) mass spectrometry are presented. Techniques for proper sample handling including tissue storage, sectioning and mounting are described. Emphasis is placed on optimizing matrix parameters such as the type of matrix molecule used, matrix concentration, and solvent composition. Several different techniques for matrix application are illustrated. Optimal instrument parameters and the necessity for advanced data analysis approaches with regards to direct tissue analysis are also discussed. Copyright © 2003 John Wiley & Sons, Ltd.

Background Proteomics-based approaches complement the genome initiatives and may be the next step in attempts to understand the biology of cancer. We used matrix-assisted laser desorption/ionisation mass spectrometry directly from 1-mm regions of single frozen tissue sections for profiling of protein expression from surgically resected tissues to classify lung tumours. Methods Proteomic spectra were obtained and aligned from 79 lung tumours and 14 normal lung tissues. We built a class-prediction model with the proteomic patterns in a training cohort of 42 lung tumours and eight normal lung samples, and assessed their statistical significance. We then applied this model to a blinded test cohort, including 37 lung tumours and six normal lung samples, to estimate the misclassification rate. Findings We obtained more than 1600 protein peaks from histologically selected 1 mm diameter regions of single frozen sections from each tissue. Class-prediction models based on differentially expressed peaks enabled us to perfectly classify lung cancer histologies, distinguish primary tumours from metastases to the lung from other sites, and classify nodal involvement with 85% accuracy in the training cohort. This model nearly perfectly classified samples in the independent blinded test cohort. We also obtained a proteomic pattern comprised of 15 distinct mass spectrometry peaks that distinguished between patients with resected non-small-cell lung cancer who had poor prognosis (median survival 6 months, n=25) and those who had good prognosis (median survival 33 months, n=41, p<0·0001). Interpretation Proteomic patterns obtained directly from small amounts of fresh frozen lung-tumour tissue could be used to accurately classify and predict histological groups as well as nodal involvement and survival in resected non-small-cell lung cancer.

A "micro-electrospray" ionization source has been developed that markedly increases the sensitivity of the conventional electrospray source. This was achieved by optimization of the source to accommodate nanoliter flow rates from 300 to 800-nL/min spraying directly from a capillary needle that, for the analysis of peptides, contained C18 liquid chromatography packing as an integrated concentration-desalting device. Thus, a total of 1 fmol of methionine enkephalin was desorbed from the capillary column spray needle, loaded as a 10-μL injection of 100-amol/μL solution. The mass spectrum showed the [M + H](+) ion at m/z 574.2 with a signal-to-noise ratio of better than 5:1 from a chromatographic peak with a width of about 12 s. A narrow range (15-u) tandem mass spectrum was obtained for methionine enkephalin from the injection of 500 amol, and a full-scan tandem-mass spectrum was obtained from 50 fmol. For proteins, the average mass measurement accuracy was approximately 100-200 ppm for the injection of 2.5 fmol of apomyoglobin and 20-40 ppm for 200 fmol. Carbonic anhydrase B and bovine serum albumin showed similar mass measurement accuracies.

Imaging mass spectrometry (IMS) that utilizes matrix-assisted laser desorption/ionization (MALDI) technology can provide a molecular ex vivo view of resected organs or whole-body sections from an animal, making possible the label-free tracking of both endogenous and exogenous compounds with spatial resolution and molecular specificity. Drug distribution and, for the first time, individual metabolite distributions within whole-body tissue sections can be detected simultaneously at various time points following drug administration. IMS analysis of tissues from 8 mg/kg olanzapine dosed rats revealed temporal distribution of the drug and metabolites that correlate to previous quantitative whole-body autoradiography studies. Whole-body MALDI IMS is further extended to detecting proteins from organs present in a whole-body sagittal tissue section. This technology will significantly help advance the analysis of novel therapeutics and may provide deeper insight into therapeutic and toxicological processes, revealing at the molecular level the cause of efficacy or side effects often associated with drug administration.

Caenorhabditis elegans oocytes, like those of most animals, arrest during meiotic prophase. Sperm promote the resumption of meiosis (maturation) and contraction of smooth muscle–like gonadal sheath cells, which are required for ovulation. We show that the major sperm cytoskeletal protein (MSP) is a bipartite signal for oocyte maturation and sheath contraction. MSP also functions in sperm locomotion, playing a role analogous to actin. Thus, during evolution, MSP has acquired extracellular signaling and intracellular cytoskeletal functions for reproduction. Proteins with MSP-like domains are found in plants, fungi, and other animals, suggesting that related signaling functions may exist in other phyla.

Abstract A novel method for on‐tissue identification of proteins in spatially discrete regions is described using tryptic digestion followed by matrix‐assisted laser desorption/ionization (MALDI) imaging mass spectrometry (IMS) with MS/MS analysis. IMS is first used to reveal the protein and peptide spatial distribution in a tissue section and then a serial section is robotically spotted with small volumes of trypsin solution to carry out in situ protease digestion. After hydrolysis, 2,5‐Dihydroxybenzoic acid (DHB) matrix solution is applied to the digested spots, with subsequent analysis by IMS to reveal the spatial distribution of the various tryptic fragments. Sequence determination of the tryptic fragments is performed using on‐tissue MALDI MS/MS analysis directly from the individual digest spots. This protocol enables protein identification directly from tissue while preserving the spatial integrity of the tissue sample. The procedure is demonstrated with the identification of several proteins in the coronal sections of a rat brain. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd.

Abstract Two‐dimensional difference gel electrophoresis (2‐D DIGE) coupled with mass spectrometry (MS) was used to investigate tumor‐specific changes in the proteome of human colorectal cancers and adjacent normal mucosa. For each of six patients with different stages of colon cancer, Cy5‐labeled proteins isolated from tumor tissue were combined with Cy3‐labeled proteins isolated from neighboring normal mucosa and separated on the same 2‐D gel along with a Cy2‐labeled mixture of all 12 normal/tumor samples as an internal standard. Over 1500 protein spot‐features were analyzed in each paired normal/tumor comparison, and using DIGE technology with the mixed‐sample internal standard, statistically significant quantitative comparisons of each protein abundance change could be made across multiple samples simultaneously without interference due to gel‐to‐gel variation. Matrix‐assisted laser desorption/ionization‐time of flight (MALDI‐TOF) and tandem (TOF/TOF) MS provided sensitive and accurate mass spectral data for database interrogation, resulting in the identification of 52 unique proteins (including redundancies due to proteolysis and post‐translationally modified isoforms) that were changing in abundance across the cohort. Without the benefit of the Cy2‐labeled 12 sample mixture internal standard, 42 of these proteins would have been overlooked due to the large degree of variation inherent between normal and tumor samples.