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Multiparametric assessment of metal exposure at the single-cell level by LA-ICP-TOFMS imaging

Martin Schaier

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Chemie

Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)

Doktoratsstudium Naturwissenschaften: Chemie

Betreuer*in

Gunda Köllensperger

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DOI

10.25365/thesis.76586

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-21704.18477.421018-0

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Die steigende Nachfrage nach personalisierter Medizin verdeutlicht die Relevanz einer verbesserten Patientenbetreuung, welche durch die Erfassung und Analyse von mehr Parametern gewährleistet werden kann. Multiplex-Bildgebungstechniken, welche die simultane Detektion mehrerer Biomarker auf zellulärer Ebene ermöglichen, sind daher von entscheidender Bedeutung für den Fortschritt in der klinischen Forschung. Die bildgebende Massenzytometrie (imaging mass cytometry, IMC) stellt eine vielversprechende Technik dar, welche die simultane Detektion von bis zu 40 metallmarkierten Antikörpern in Geweben mittels Laserablation-induktiv gekoppelter Plasma-Flugzeit-Massenspektrometrie (laser ablation-inductively coupled plasma time-of-flight mass spectrometry, LA-ICP-TOFMS) ermöglicht. Trotz der vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten von IMC bestehen weiterhin Möglichkeiten zur Verbesserung. Die vorliegende Dissertation zielt darauf ab, die quantitative Bildgebung von Metallen in biologischen Proben mit IMC zu integrieren. Dadurch sollen umfassende Studien zur Metallexposition auf zellulärer Ebene ermöglicht werden. Im Rahmen der ersten Studie wurde untersucht, ob ein ICP-TOFMS, welches über einen breiten Massenbereich (m/z 14-256) verfügt, die simultane Darstellung sowohl endogener Elemente als auch metallmarkierter Antikörper ermöglicht. Im Rahmen dieser Studie wurde der Einfluss der Immunfärbung auf die Elementzusammensetzung von Geweben umfassend untersucht. Dazu wurde zunächst eine detaillierte Analyse der Färbechemikalien durchgeführt. Anschließend wurden die Gewebe vor und nach der Färbung miteinander verglichen. Die Ergebnisse dieser Analyse zeigten, welche Elemente erfolgreich abgebildet werden können. Daraufhin wurde die Nützlichkeit dieser Elemente anhand einer Reihe biologischer Anwendungen demonstriert. Die zweite Publikation zielte darauf ab, einen Bildanalyse-Workflow zu entwickeln, der eine umfassende Interpretation der komplexen Datensätze ermöglicht. Das Ziel bestand in der Phänotypisierung von Zellen sowie der Quantifizierung ihrer Metallaufnahme. Ein besonderes Augenmerk wurde auf effiziente Datenverarbeitung, präzise Zellsegmentierung sowie umfangreiche statistische Analysen gelegt. Die Funktionalität wurde anhand eines ex vivo Hautmodells demonstriert, welches mit dem Kontaktallergen Kobaltchlorid (CoCl2) behandelt wurde. Die durchgeführte Untersuchung ermöglichte eine detaillierte Analyse der Hautpenetration von Kobalt sowie dessen zelluläre Aufnahme. In der dritten Publikation wurde die entwickelte Methodik auf komplexere Gewebe angewandt, wobei der Fokus auf der Tumormikroumgebung lag. Im Rahmen einer Vergleichsstudie wurde untersucht, inwiefern sich eine in vitro entwickelte Chemoresistenz auf die Tumorarchitektur sowie zelluläre Wirkstoffaufnahme in vivo auswirkt. Zu diesem Zweck wurden Xenograft-Modelle entwickelt, indem humane kolorektale Krebszelllinien (HCT116), darunter eine Linie resistent gegenüber Oxaliplatin (OxPt), in Mäuse injiziert wurden. Im Anschluss an die Behandlung mit OxPt wurden die Auswirkungen mittels LA-ICP-TOFMS in Kombination mit einem umfassenden Antikörper-Panel analysiert. Dieser Ansatz führte zur Entdeckung signifikanter Veränderungen in den nekrotischen Regionen der resistenten Tumore, die eine bemerkenswerte Platinablagerung außerhalb der lebensfähigen Krebszellen zeigten. Die vorliegende Dissertation leistet somit einen wesentlichen Beitrag zur Weiterentwicklung von IMC und ermöglicht detaillierte Untersuchungen zur Metallexposition und deren Auswirkungen auf zellulärer Ebene.

Abstract

(Englisch)

The growing demand for personalized medicine has highlighted the necessity of gaining a more comprehensive understanding of patients through the acquisition and analysis of an expanded set of parameters. Multiplexed imaging techniques that allow the simultaneous detection of multiple biomarkers at the cellular level are crucial for advancing clinical research. Imaging mass cytometry (IMC), which employs laser ablation-inductively coupled plasma time-of-flight mass spectrometry (LA-ICP-TOFMS) to map up to 40 metal-labeled antibodies in tissue, has become a highly effective method for this purpose. Despite the considerable benefits of IMC, there is still potential for further enhancement. The goal of this dissertation was to add quantitative bioimaging of metals to the IMC toolbox, thereby facilitating comprehensive studies of metal exposure at the single-cell level. The first study looked at whether it was possible to use an ICP-TOFMS instrument with a wide mass range (m/z 14-256) to image both endogenous elements and metal-conjugated antibodies at the same time. This entailed a thorough investigation of the impact of immunostaining on the elemental composition of tissues, including a detailed analysis of staining chemicals and a comparative assessment of tissues before and after staining. The results determined which elements could be successfully imaged, and their utility was showcased in a multitude of biological applications. In order to facilitate the interpretation of the complex datasets obtained, the second publication focused on developing an image analysis pipeline designed for phenotyping and quantitative metal assessment on a cellular basis. Key aspects included efficient data processing, accurate cell segmentation, and detailed statistical analysis. The pipeline's functionality was demonstrated using an ex vivo skin model treated with the contact allergen cobalt chloride (CoCl2), providing detailed insights into cobalt skin penetration and cellular uptake. Building upon the established foundation for comprehensive studies of metal exposure, the third publication expanded the methodology to encompass more complex tissues, with a distinct emphasis on the tumor microenvironment. This comparative study examined the impact of in vitro developed chemoresistance on in vivo tumor architecture and cellular drug uptake. Xenograft models were created by injecting mice with human colon cancer cell lines (HCT116), including both parental and oxaliplatin (OxPt)-resistant cell lines. The mice were then treated with OxPt, and the resulting effects were analyzed using LA-ICP-TOFMS in conjunction with an extensive antibody panel. This approach led to the discovery of significant changes in the necrotic regions of the resistant tumors, which revealed substantial platinum deposits outside viable cancer cells. This dissertation, therefore, represents a significant contribution to the advancement of IMC, facilitating detailed investigations into metal exposure and its effects at the cellular level.

Autor*innen

Martin Schaier

Haupttitel (Englisch)

Multiparametric assessment of metal exposure at the single-cell level by LA-ICP-TOFMS imaging

Paralleltitel (Deutsch)

Multiparametrische Untersuchung von Metallexpositionen auf Einzelzellebene mittels LA-ICP-TOFMS-Bildgebung

Publikationsjahr

2024

Umfangsangabe

XIII, 161 Seiten : Illustrationen

Sprache

Englisch

Beurteiler*innen

Jörg Feldmann ,

Andreas Limbeck

Klassifikationen

35 Chemie > 35.23 Analytische Chemie. Allgemeines ,

35 Chemie > 35.26 Massenspektrometrie

AC Nummer

AC17311783

Utheses ID

72414

Studienkennzahl

UA | 796 | 605 | 419 |

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Schlagwörter