Всего тела Масс-спектрометрия обработки изображений с помощью ИК-Matrix-активированная лазерная десорбция ионизацией электрораспылением (ИК-MALDESI)
Summary
A mass spectrometry imaging (MSI) source operated at atmospheric pressure was developed by coupling mid-infrared laser desorption and electrospray post-ionization. Exogenous ice matrix was used as the energy-absorbing matrix to facilitate resonant desorption of tissue-related material. This manuscript provides a step-by-step protocol for performing IR-MALDESI MSI of whole-body neonatal mouse.
Abstract
Окружающие источники ионизации для масс-спектрометрии (МС) были предметом особого интереса в последнее десятилетие. Матрикс-лазерной десорбцией с ионизацией электрораспылением (MALDESI) является примером таких методов, где особенности матричной лазерной десорбцией / ионизацией (MALDI) (например, импульсный характер десорбции) и с ионизацией электрораспылением (ESI) (например, мягкой ионизации ) объединены. Одним из основных преимуществ MALDESI является его неотъемлемым универсальность. В экспериментах MALDESI, ультрафиолет (УФ) или инфракрасного (ИК) лазер может быть использован для резонансно возбудить эндогенной или экзогенной матрицу. Выбор матрицы не зависит аналита, и зависит только от длины волны лазера, используемого для возбуждения. В экспериментах ИК-MALDESI, тонкий слой льда осаждается на поверхности образца, в качестве матрицы, поглощающего энергию. Геометрия источника ИК-MALDESI была оптимизирована с использованием статистического дизайна экспериментов (DOE) для анализа жидких проб, а также BiolОбразцы ogical ткани. Кроме того, надежный источник формирования изображения ИК-MALDESI была разработана, где перестраиваемый среднего ИК лазер синхронизируется с компьютерным управлением XY этапе поступательной и высокой разрешающей мощности масс-спектрометра. Пользовательский графический интерфейс пользователя (GUI) позволяет пользователю выбор частоты повторения лазера, количество выстрелов в вокселе, размер шага сцены образца, а задержка между десорбцией и сканируют события для источника. ИК-MALDESI используется в различных областях применения, таких как судебно-медицинской экспертизы волокон и красителей и MSI секций биологической ткани. Распределение различных аналитов в пределах от эндогенных метаболитов экзогенных ксенобиотиков в пределах срезов ткани могут быть измерены и подсчитаны с помощью этой методики. Протокол, представленные в этой рукописи описываются основные шаги, необходимые для ИК-MALDESI MSI срезов ткани всего тела.
Introduction
Масс-спектрометрия томография (MSI) в режиме микроанализа связано с десорбцией образца с поверхности пучком (лазер или ионов) в отдельных местах по поверхности образца. В каждой точке растра, массовый спектр генерируется и получаемых спектров, наряду с пространственным положением, из которого они были собраны, могут быть использованы для одновременного отображения многочисленных аналитов в образце. Эта метка свободной манере изображения в сочетании с чувствительностью и специфичностью масс – спектрометрии помогли MSI стала одной из самых быстро эволюционирующих полей в масс – спектрометрии 1,2.
Матричный с лазерной десорбцией / ионизацией (MALDI) является наиболее распространенным методом ионизации используется для MSI анализа. Тем не менее, потребность в органической матрице и требования к вакууму MALDI создают значительные ограничения на воспроизводимости, выборки пропускной способности, а также типы образцов, которые могут быть подвергнуты анализу с использованием метода. Ряд атмосферного давления (AP) И.О.Методы иммунизацией были разработаны в последние годы , чтобы обойти эти ограничения 3. Эти методы ионизации окружающего воздуха позволяют для анализа биологических образцов в среде, которая гораздо ближе к их естественном состоянии и упростить этапы подготовки проб перед анализом. Матрикс-лазерной десорбцией с ионизацией электрораспылением (MALDESI) является примером такого способа ионизации 4,5.
В экспериментах ИК-MALDESI, тонкий слой льда осаждается на поверхности ткани, как энергопоглощающего матрицы. Лазерный импульс среднего ИК диапазона поглощается матрицей со льдом, и способствует десорбции нейтральных материалов с поверхности резонансно захватывающего ОН режим воды растяжения. Десорбироваться нейтралы разбиение на заряженные капли ортогональной электроспрея и являются пост-ионизируется в ESI-как мода 4-6. Добавление экзогенных матрицы льда предпочтительнее, чем полагаться только на эндогенной воды в ткани, так как это помогает ACрассчитывать на различия в содержании воды в различных тканях организма , и было показано , что повышение десорбцию 6 и улучшить ионную обилие на ~ 15-кратно 7,8 в экспериментах формирования изображения тканей.
В этой работе мы используем ИК-MALDESI MSI, чтобы выявить распределение метаболитов в различных органах в неонатальный мыши всего тела. Обзор регулируемых параметров источника ИК-MALDESI дается, и необходимые шаги для успешной визуализации срезов тканей продемонстрированы.
Protocol
Representative Results
Discussion
Протокол выше описывает основные этапы выполнения эксперимента ИК-MALDESI MSI. Процесс матрица (раздел 3) занимает приблизительно 20 мин, что похож на типичного процесса нанесения матрицы для экспериментов MALDI MSI сублимацией или напыление с использованием роботизированного распылитель. Кро?…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors thank Professor H. Troy Ghashghaei from NCSU Department of Molecular Biomedical Sciences for providing the whole mouse tissue. The authors also gratefully acknowledge the financial assistance received from National Institutes of Health (R01GM087964), the W.M. Keck foundation, and North Carolina State University.
Materials
| IR-MALDESI Source | Custom-made | N/A | Please refer to references 4 and 12 for an in-depth discussion of IR-MALDESI source development. |
| Q Exactive Plus | Thermo Scientific | Q Exactive Plus Hybrid Quadrupole-Orbitrap Mass Spectrometer | |
| Water, HPLC Grade | Burdick & Jackson | AH365-4 | |
| Methanol, HPLC Grade | Burdick & Jackson | AH230-4 | |
| Formic Acid | Sigma Aldrich | 56302 | |
| Tunable mid-IR Laser | Opotek Inc. | IR Opolette | Tunable 2700-3100 nm IR OPO laser |
| Nitrogen Gas | Arc3 Gases | AG S-NI300-5.0 | Grade 5.0 high purity nitrogen gas cylinder (300) |
| Cryostat | Leica Biosystems | CM 1950 | Cryomicrotome |
| High Profile Microtome Blades | Leica Biosystems | 3802123 | Leica DB80HS |
| Mounting Medium (OCT) | Leica Biosystems | 3801480 | Surgipath FSC 22 mounting medium |
| Cryostat Specimen Disc | Leica Biosystems | 14047740045 | 40 mm diameter |
| Glass Microscope Slides | VWR | 48312-003 | Frosted, selected, pre-cleaned |
Referenzen
- Mcdonnell, L. A., Heeren, R. M. A. Imaging Mass Spectrometry. Mass Spectrom. Rev. 26, 606-643 (2007).
- Chughtai, K., Heeren, R. M. A. Mass spectrometric imaging for biomedical tissue analysis. Chem. Rev. 110 (5), 3237-3277 (2010).
- Robichaud, G., Barry, J. A., Muddiman, D. C. Atmospheric Pressure Mass Spectrometry Imaging. Encycl. Anal. Chem. , (2014).
- Sampson, J. S., Hawkridge, A. M., Muddiman, D. C. Generation and detection of multiply-charged peptides and proteins by matrix-assisted laser desorption electrospray ionization (MALDESI) Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry. J. Am. Soc. Mass Spectrom. 17 (12), 1712-1716 (2006).
- Robichaud, G., Barry, J. A., Garrard, K. P., Muddiman, D. C. Infrared matrix-assisted laser desorption electrospray ionization (IR-MALDESI) imaging source coupled to a FT-ICR mass spectrometer. J. Am. Soc. Mass Spectrom. 24 (1), 92-100 (2013).
- Robichaud, G., Barry, J. A., Muddiman, D. C. IR-MALDESI Mass Spectrometry Imaging of Biological Tissue Sections Using Ice as a Matrix. J. Am. Soc. Mass Spectrom. 25 (3), 319-328 (2014).
- Barry, J. A., et al. Mapping Antiretroviral Drugs in Tissue by IR-MALDESI MSI Coupled to the Q Exactive and Comparison with LC-MS/MS SRM Assay. J. Am. Soc. Mass Spectrom. 25 (12), 2038-2047 (2014).
- Rosen, E. P., Bokhart, M. T., Ghashghaei, H. T., Muddiman, D. C. Influence of Desorption Conditions on Analyte Sensitivity and Internal Energy in Discrete Tissue or Whole Body Imaging by IR-MALDESI. J. Am. Soc. Mass Spectrom. 26, 899-910 (2015).
- Nelson, K. A., Daniels, G. J., Fournie, J. W., Hemmer, M. J. Optimization of whole-body zebrafish sectioning methods for mass spectrometry imaging. J. Biomol. Tech. 24 (3), 119-127 (2013).
- Park, J. J., Cunningham, M. G. Thin sectioning of slice preparations for immunohistochemistry. J. Vis. Exp. (3), e194 (2007).
- Bokhart, M. T., Rosen, E., Thompson, C., Sykes, C., Kashuba, A. D. M., Muddiman, D. C. Quantitative mass spectrometry imaging of emtricitabine in cervical tissue model using infrared matrix-assisted laser desorption electrospray ionization. Anal. Bioanal. Chem. 407 (8), 2073-2084 (2015).
- Nazari, M., Muddiman, D. C. Polarity Switching Mass Spectrometry Imaging of Healthy and Cancerous Hen Ovarian Tissue Sections by Infrared Matrix-Assisted Laser Desorption Electrospray Ionization (IR-MALDESI). Analyst. 141, 595-605 (2016).
- Hsu, C. C., et al. Design and Application of a Low-Temperature Peltier-Cooling Microscope. J. Pharm. Sci. 85 (1), 70-74 (1996).
- Jurchen, J. C., Rubakhin, S. S., Sweedler, J. V. MALDI-MS imaging of features smaller than the size of the laser beam. J. Am. Soc.Mass Spectrom. 16 (10), 1654-1659 (2005).
- Nazari, M., Muddiman, D. C. Cellular-level mass spectrometry imaging using infrared matrix-assisted laser desorption electrospray ionization (IR-MALDESI) by oversampling. Anal. Bioanal. Chem. 407 (8), 2265-2271 (2015).
- Rosen, E. P., Bokhart, M. T., Nazari, M., Muddiman, D. C. Influence of C-Trap Ion Accumulation Time on the Detectability of Analytes in IR-MALDESI MSI. Anal. Chem. 87, 10483-10490 (2015).
- Kessner, D., Chambers, M., Burke, R., Agus, D., Mallick, P. ProteoWizard: open source software for rapid proteomics tools development. Bioinformatics. 24 (21), 2534-2536 (2008).
- Schramm, T., et al. ImzML – A common data format for the flexible exchange and processing of mass spectrometry imaging data. J. Proteomics. 75 (16), 5106-5110 (2012).
- Race, A. M., Styles, I. B., Bunch, J. Inclusive sharing of mass spectrometry imaging data requires a converter for all. J. Proteomics. 75 (16), 5111-5112 (2012).
- Robichaud, G., Garrard, K. P., Barry, J. A., Muddiman, D. C. MSiReader: an open-source interface to view and analyze high resolving power MS imaging files on Matlab platform. J. Am. Soc. Mass Spectrom. 24 (5), 718-721 (2013).
- Smith, C. A., O’Maille, G., et al. METLIN: a metabolite mass spectral database. Ther. Drug. Monit. 27 (6), 747-751 (2005).
- Sud, M., et al. LMSD: LIPID MAPS structure database. Nucleic Acids Res. 35, D527-D532 (2007).
- Schwartz, S. A., Reyzer, M. L., Caprioli, R. M. Direct tissue analysis using matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry: practical aspects of sample preparation. J. Mass Spectrom. 38 (7), 699-708 (2003).
- Takai, N., Tanaka, Y., Inazawa, K., Saji, H. Quantitative analysis of pharmaceutical drug distribution in multiple organs by imaging mass spectrometry. Rapid Commun. Mass Spectrom. 26 (13), 1549-1556 (2012).
- Liu, J., Gingras, J., Ganley, K. P., Vismeh, R., Teffera, Y., Zhao, Z. Whole-body tissue distribution study of drugs in neonate mice using desorption electrospray ionization mass spectrometry imaging. Rapid Commun. Mass Spectrom. 28 (2), 185-190 (2014).
