Whole-body massaspectrometrie Imaging door Infrared Matrix-geassisteerde laser desorptie electrospray ionisatie (IR-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
Ambient ionisatie bronnen voor massaspectrometrie (MS) zijn het onderwerp van veel belangstelling in de afgelopen tien jaar geweest. Matrix-geassisteerde laser desorptie electrospray ionisatie (MALDESI) is een voorbeeld van dergelijke werkwijzen, waarbij gebruik van matrix-geassisteerde laserdesorptie / ionisatie (MALDI) (bijvoorbeeld gepulste aard van desorptie) en electrospray ionisatie (ESI) (bijvoorbeeld soft-ionisatie ) worden gecombineerd. Een van de grote voordelen van MALDESI is de inherente veelzijdigheid. In MALDESI experimenten, kan een ultraviolet (UV) en infrarood (IR) laser gebruikt om resonant exciteren van een endogene of exogene matrix. De keuze van de matrix niet analytafhankelijke en hangt uitsluitend af van de golflengte laser voor excitatie. IR-MALDESI experimenten wordt een dunne laag ijs afgezet op het monsteroppervlak als energieabsorberende matrix. De IR-MALDESI source geometrie is geoptimaliseerd met behulp van statistische opzet van experimenten (DOE) voor de analyse van vloeibare monsters, alsook biological weefselmonsters. Bovendien is een robuuste IR-MALDESI beeldbron ontwikkeld, waarbij een afstembare mid-IR laser wordt gesynchroniseerd met een computergestuurde XY translationele fase en een hoog oplossend vermogen massaspectrometer. Een aangepaste grafische gebruikersinterface (GUI) biedt de gebruiker de keuze van de herhalingsfrequentie van de laser, het aantal opnamen per voxel, stap-omvang van de steekproef podium, en de vertraging tussen de desorptie en scan evenementen voor de bron. IR-MALDESI is gebruikt in diverse toepassingen zoals forensische analyse van vezels en pigmenten en MSI biologische weefselsecties. Verdeling van verschillende analyten variërend van endogene metabolieten exogene xenobiotica in weefselcoupes kunnen worden gemeten en gekwantificeerd met behulp van deze techniek. Het protocol beschreven in dit manuscript beschrijft de belangrijkste stappen die nodig zijn voor de IR-MALDESI MSI van het hele lichaam weefsel secties.
Introduction
Massaspectrometrie imaging (MSI) microprobe modus omvat desorptie van het monster van een oppervlak door een balk (laser of ionen) op discrete plaatsen over het oppervlak van een monster. Op elk rasterpunt wordt een massaspectrum geproduceerd en de verkregen spectra, samen met de ruimtelijke locatie van waaruit ze zijn verzameld, kan worden gebruikt om tegelijkertijd kaart talrijke analyten in het monster. Deze labelvrije wijze van beeldvorming gekoppeld met de gevoeligheid en specificiteit van massaspectrometrie geholpen MSI een van de snelst veranderende velden massaspectrometrie 1,2.
Matrix-geassisteerde laserdesorptie / ionisatie (MALDI) is de meest voorkomende ionisatie methode voor MSI analyse. De noodzaak van een organische matrix en het vacuüm eisen van MALDI vormen belangrijke beperkingen reproduceerbaarheid monsters worden verwerkt en de typen monsters kunnen worden geanalyseerd met de werkwijze. Een aantal van de atmosferische druk (AP) ionisatie methoden zijn ontwikkeld in de afgelopen jaren aan deze beperkingen 3 te omzeilen. Deze ambient ionisatie methoden mogelijk maken voor de analyse van biologische monsters in een omgeving die veel dichter bij hun natuurlijke staat en vereenvoudigen monstervoorbereiding stappen voorafgaand aan de analyse. Matrix-geassisteerde laserdesorptie-ionisatie electrospray (MALDESI) is een voorbeeld van een dergelijke ionisatiemethode 4,5.
IR-MALDESI experimenten wordt een dunne laag ijs afgezet op het weefseloppervlak als energieabsorberende matrix. Een mid-IR laserpuls wordt geabsorbeerd door het ijs matrix en vergemakkelijkt desorptie van neutraal materiaal van het oppervlak door resonant exciteren van het OH stretching wijze van water. De gedesorbeerde neutralen partitie in de geladen druppeltjes van een orthogonaal elektrospray en zijn post-geïoniseerd in een ESI-achtige manier 4-6. De toevoeging van exogene ijs matrix heeft de voorkeur boven uitsluitend op de endogene water in het weefsel, omdat het ac helpttellen variaties in het watergehalte in verschillende compartimenten weefsel en is aangetoond dat desorptie 6 verhogen en ion overvloed van ~ 15-voudig 7,8 in weefsel plaatsbepalingen.
In dit werk, maken we gebruik van IR-MALDESI MSI aan de verdeling van de metabolieten in de verschillende organen te wekken in een neonatale muis hele lichaam. Een overzicht van de instelbare parameters van de IR-MALDESI bron wordt gegeven, en de nodige stappen voor een succesvolle beeldvorming van weefsel secties worden gedemonstreerd.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het protocol hierboven beschrijft de belangrijkste stappen voor het uitvoeren van een IR-MALDESI MSI experiment. De matrix applicatie (Paragraaf 3) duurt ongeveer 20 minuten, die vergelijkbaar is met een typische matrix toepassingsproces voor MSI MALDI experimenten door sublimatie of sproei-bekleding met een robot sproeier. Bovendien is IR-MALDESI niet afhankelijk verdeling van analyten in de matrix kristallen 6, en het ijs matrix is universeel voor alle analyten ongeacht hun massa, grootte of chemische eigen…
Divulgaciones
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 |
Referencias
- 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).
