JoVE Journal > Bioengineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Risultati
Discussion
Divulgazioni
Acknowledgements
Materials
Riferimenti
Traduzione automatica
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Bioingegneria

Avbildning av biologiska vävnader genom desorption elektrospray masspektrometri

Published: July 12, 2013
doi:
10.3791/50575
, ,
1School of Chemistry and Biochemistry,Georgia Institute of Technology

Summary

Desorption elektrospray jonisering masspektrometri (DESI-MS) är en omgivande metod som stickprov, inklusive biologiska vävnader, kan avbildas med minimal provberedning. Genom rastrering provet under jonisering sonden, ger denna spray-baserad teknik tillräcklig rumslig upplösning för att urskilja molekylära funktioner av intresse inom vävnadssnitt.

Abstract

Masspektrometri imaging (MSI) ger oriktade molekylär information med högsta specificitet och spatial upplösning för att undersöka biologiska vävnader vid hundratals till tiotals mikrometer skala. När utförs under normala förhållanden, blir prov förbehandling onödig, vilket förenklar protokollet samtidigt som den höga kvaliteten på de uppgifter som erhålls. Desorption elektrosprayjonisering (Desi) är en spray-baserade omgivande MSI teknik som möjliggör direkt provtagning av ytor i det fria, även in vivo. När den används med ett program-kontrollerad prov skede provet rastered under Desi jonisering sonden, och genom tidsplanet är m / z uppgifter korrelerad med den kemiska arten "rumsliga fördelning. Den trohet DESI-MSI utgång beror på källan orientering och positionering i förhållande till provets yta och masspektrometer inlopp. Häri granskar vi hur man förbereder vävnadssnitt för Desi iMAGING och ytterligare experimentella förhållanden som direkt påverkar bildkvaliteten. Specifikt beskriver vi protokoll för avbildning av vävnad från råtta hjärnan sektioner av desi-MSI.

Introduction

Oriktade avbildning av masspektrometri underlättar förvärv av kemisk information för Discovery och hypotes-genererande applikationer. Riktad avbildning av en känd kemisk intresse, å andra sidan, kan underlätta ökad känslighet och selektivitet genom särskild metodutveckling. Masspektrometri imaging (MSI) är oftast utförs på vävnader med hjälp av MALDI, 1 sekundär jonmasspektrometri (SIMS), 2 och omgivande tekniker jonisering, inklusive desorption elektrosprayjonisering (Desi), 3 laser ablation-elektrosprayjonisering (LAESI), 4, 5 och flytande mikro-junction-ytan Provtagningssond (LMJ-SSP). 6 I MALDI och SIMS, prover måste fysiskt avlägsnas från provet, och måste vara platt och tunn, eftersom de analyseras under hög-vakuum. MALDI kräver beläggning av provet med en strålningsabsorberande matris, lägga till ytterligare en och besvärligt steg till provberedning. SIMShar den högsta lateral upplösning, men bombardemang med högenergetiska partiklar orsakar omfattande molekylär fragmentering. Därför, MSI med omgivande metoder fyller en nisch där mjuk analys med minimal provberedning är önskvärd. Men hittills är alla metoder fortfarande begränsade av kravet på plana provytorna.

DESI använder en pneumatiskt assisterad laddade lösningsmedel sprej riktas mot provets yta för att desorbera och jonisera analyter. 7 Den arbetsmodell för desorption och efterföljande jonisering av DESI är känd som "droppen pick-up-modellen". 8-10 De laddade primära dropparna produceras av DESI sonden kolliderar med ytan, vätmedel den och bilda en tunn film i vilken analyten är upplöst av en fast-flytande mikroextraktion mekanism 8 Efterföljande droppe kollisioner resulterar i rörelsemängdöverföring och start av sekundära droppar som innehåller det material som extraherats från ytan . 9,10 Ytterst gasfas joner tros uppstå genom ESI-liknande processer efter jon avdunstning, laddning modeller rester eller andra modeller, 11 men den exakta jonbildning process Desi har ännu inte experimentellt bevisad. 12 Desi känsligheten är starkt beroende av lösligheten av analyten i sprayen lösningsmedel, enligt desorption förlitar sig på det lokaliserade mikroextraktion. 13

När den används med ett program-kontrollerad prov skede, söks i stickprovet enkelriktat med körfält kliva under Desi jonisering sonden, och genom tidsplanet är m / z uppgifter korrelerad med den kemiska arten "rumslig fördelning (figur 1). Sedan den första proof of principle DESI-MSI experiment rapporterats av Van Berkel och Kertesz 2006, har 14 tekniken mognat avsevärt, 15 med rapporterade tillämpningar inom analys av lipider, 3,16 drog metaboliter, 17,18 diseaSE biomarkörer, 19 hjärnvävnad, 3,18,20 lungvävnad, 18 njure vävnad, 18 testikel vävnad, 18 binjurarna, 17 tunnskiktskromatografiska tallrikar, 21 och ytor alger. 22 Den rutinmässiga upplösning på bilder som erhållits av desi-MSI är 100-200 nm, vilket ytterst bestäms av den effektiva ytan extraheras av sprayen, men så låga upplösningar som 40 pm har rapporterats. gör DESI-MSI lämplig för snabb och enkel analys 23-25 ​​sådant beslut och underlätta analysen av biologiska vävnadsprover med arealer i 0,5-5 cm 2 område, som möjliggör förvärv av värdefulla rumslig information för att bättre förstå biologiska processer 26. Här, som ett exempel på en typisk DESI-MSI ansökan, granskar vi de processuella uppgifter genomföra ett lyckat experiment som involverar avbildning av lipider i hjärnvävnad från råtta. De två mest kritiska stegen i protokollet är denvävnadsberedning 27 och DESI jonkälla optimering, såsom beskrivs nedan.

Protocol

Ett. Vävnad Snittning Affär flash-fryst, hel vävnad i -80 ° C frys tills för sektionering. Låt vävnadsprovet för att nå temperaturen i cryomicrotome före sektionering (30 min). Ställ in bladet och provets temperatur till -30 ° C. När vävnaden har nått rätt temperatur, hantering av provet med pincett, skära framsidan eller baksidan av hjärnan beroende på vilken del av hjärnan som är av intresse för tillräcklig monteringsytan (dvs. om den främre delen av hjä…

Representative Results

Figur 3 visar ett representativt spektrum erhållet från en obehandlad råtthjärna sektion. I den positiva läge är masspektrum domineras av fosfatidylkoliner grund av deras höga joniseringstekniker effektivitet (tillskrivas den positivt laddade kvartära ammoniumgruppen). Den totala jon bilden av vävnadssnittet visas också i figur 3 och visar riklig signal över hela hjärnan sektion. Key upptäckta lipider identifieras i tabell 1 genom litteraturstudier jämför…

Discussion

Optimeringen av Desi källan geometrin är avgörande för framgångsrika MSI experiment. De multipla variabler som bidrar till anpassningen av systemet direkt påverkar känslighet och bildupplösning. Om det under optimeringen har försöksledaren svårigheter att få signal, rekommenderar vi att du använder röd Sharpie fläck dras på bilden som ett riktmärke, färgämnet, rodamin 6G, m / z 443, ger en stark signal i positiv jon-läget och kan användas för initial optimering. Dessutom är lösningsmedlet selekti…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Detta arbete stöds av Arra NSF MRI Instrument Development bevilja # 0923179 till FMF. Vi tackar Aqua Asberry, Lab koordinator för Parker H. Petit Institutet för Bioteknik och biovetenskaper histologi Core, för hjälp med vävnad sektionering.

Materials

Reagents
Tissue-Tek O.C.T. Compound Sakura-Finetek 4583 http://www.sakuraeu.com/products/showitem.asp?cat=11&subcat=48
Acetonitrile EMD AX0156-6 OmniSolv, LC-MS Grade
Acetic Acid Sigma Aldrich 695092-500 ml
Equipment
Cryostat microtome Thermo Scientific CryoStar* NX70 Any available microtome can be used for tissue sectioning http://www.thermoscientific.com/ecomm/servlet/productsdetail?productId=13958375&groupType=PRODUCT&searchType=0&storeId=11152&from=search&ca=cryostar
Omni Spray;DESI Spray Head Prosolia Inc. Can also use the 2-D Omni Spray; Source kit instead of assembling components of imaging experiment http://www.prosolia.com/sources.php
High Voltage Power Supply Stanford Research Systems, Inc. PS350/5000V-25W http://www.thinksrs.com/products/PS300.htm
Rope heater, RTD, controller Omega http://www.omega.com/toc_asp/subsectionSC.asp?subsection=M02&book=Heaters
Labview National Instruments Version 7.1
Translational stage Prior Scientific Optiscan II http://www.prior.com/productinfo_auto_motorized_optiscan.html
AccuTOF Mass Spectrometer JEOL JMS-T100LC Can use any mass spectrometer equipped with an extended capillary atmospheric pressure interface
DOWNLOAD MATERIALS LIST

Riferimenti

  1. Caprioli, R. M., Farmer, T. B., Gile, J. Molecular Imaging of Biological Samples: Localization of Peptides and Proteins Using MALDI-TOF MS. Anal. Chem. 69, 4751-4760 (1997).
  2. Pacholski, M. L., Winograd, N. Imaging with Mass Spectrometry. Chem. Rev. 99, 2977-3006 (1999).
  3. Wiseman, J. M., Ifa, D. R., Song, Q., Cooks, R. G. Tissue Imaging at Atmospheric Pressure Using Desorption Electrospray Ionization (DESI) Mass Spectrometry. Angew. Chem. Int. Ed. 45, 7188-7192 (2006).
  4. Nemes, P., Laser Vertes, A. Laser Ablation Electrospray Ionization for Atmospheric Pressure, in Vivo, and Imaging Mass Spectrometry. Anal. Chem. 79, 8098-8106 (2007).
  5. Nemes, P., Vertes, A. Atmospheric-pressure Molecular Imaging of Biological Tissues and Biofilms by LAESI Mass Spectrometry. J. Vis. Exp. (43), e2097 (2010).
  6. Van Berkel, G. J., Kertesz, V., Koeplinger, K. A., Vavrek, M., Kong, A. -. N. T. Liquid microjunction surface sampling probe electrospray mass spectrometry for detection of drugs and metabolites in thin tissue sections. J. Mass Spectrom. 43, 500-508 (2008).
  7. Takáts, Z., Wiseman, J. M., Gologan, B., Cooks, R. G. Mass Spectrometry Sampling Under Ambient Conditions with Desorption Electrospray Ionization. Science. 306, 471-473 (2004).
  8. Venter, A., Sojka, P. E., Cooks, R. G. Droplet Dynamics and Ionization Mechanisms in Desorption Electrospray Ionization Mass Spectrometry. Anal. Chem. 78, 8549-8555 (2006).
  9. Costa, A. B., Cooks, R. G. Simulation of atmospheric transport and droplet-thin film collisions in desorption electrospray ionization. Chem. Commun. , 3915-3917 (2007).
  10. Costa, A. B., Graham Cooks, R. Simulated splashes: Elucidating the mechanism of desorption electrospray ionization mass spectrometry. Chem. Phys. Lett. 464, 1-8 (2008).
  11. Konermann, L., Ahadi, E., Rodriguez, A. D., Vahidi, S. Unraveling the Mechanism of Electrospray Ionization. Anal. Chem. 85, 2-9 (2012).
  12. Kebarle, P., Verkerk, U. H. Electrospray: From ions in solution to ions in the gas phase, what we know now. Mass Spectrom. Rev. 28, 898-917 (2009).
  13. Green, F. M., Salter, T. L., Gilmore, I. S., Stokes, P., O’Connor, G. The effect of electrospray solvent composition on desorption electrospray ionisation (DESI) efficiency and spatial resolution. Analyst. 135, 731-737 (2010).
  14. Van Berkel, G. J., Kertesz, V. Automated Sampling and Imaging of Analytes Separated on Thin-Layer Chromatography Plates Using Desorption Electrospray Ionization Mass Spectrometry. Anal. Chem. 78, 4938-4944 (2006).
  15. Ifa, D. R., Wu, C., Ouyang, Z., Cooks, R. G. Desorption electrospray ionization and other ambient ionization methods: current progress and preview. Analyst. 135, 669-681 (2010).
  16. Eberlin, L. S., Ferreira, C. R., Dill, A. L., Ifa, D. R., Cooks, R. G. Desorption electrospray ionization mass spectrometry for lipid characterization and biological tissue imaging. Biochim. Biophys. Acta. 1811, 946-960 (2011).
  17. Wu, C., Ifa, D. R., Manicke, N. E., Cooks, R. G. Molecular imaging of adrenal gland by desorption electrospray ionization mass spectrometry. Analyst. 135, 28-32 (2010).
  18. Wiseman, J. M., et al. Desorption electrospray ionization mass spectrometry: Imaging drugs and metabolites in tissues. Proc. Natl. Acad. Sci. 105, 18120-18125 (2008).
  19. Eberlin, L. S., et al. Classifying Human Brain Tumors by Lipid Imaging with Mass Spectrometry. Cancer Res. 72, 645-654 (2012).
  20. Wiseman, J. M., Ifa, D. R., Venter, A., Cooks, R. G. Ambient molecular imaging by desorption electrospray ionization mass spectrometry. Nat. Protocols. 3, 517-524 (2008).
  21. Van Berkel, G. J., Ford, M. J., Deibel, M. A. Thin-Layer Chromatography and Mass Spectrometry Coupled Using Desorption Electrospray Ionization. Anal. Chem. 77, 1207-1215 (2005).
  22. Lane, A. L., et al. Desorption electrospray ionization mass spectrometry reveals surface-mediated antifungal chemical defense of a tropical seaweed. Proc. Natl. Acad. Sci. 106, 7314-7319 (2009).
  23. Kertesz, V., Van Berkel, G. J. Scanning and Surface Alignment Considerations in Chemical Imaging with Desorption Electrospray Mass Spectrometry. Anal. Chem. 80, 1027-1032 (2008).
  24. Kertesz, V., Van Berkel, G. J. Improved imaging resolution in desorption electrospray ionization mass spectrometry. Rapid Commun. Mass Spectrom. 22, 2639-2644 (2008).
  25. Campbell, D., Ferreira, C., Eberlin, L., Cooks, R. Improved spatial resolution in the imaging of biological tissue using desorption electrospray ionization. Anal. Bioanal. Chem. 404, 389-398 (2012).
  26. Chaurand, P., Cornett, D. S., Angel, P. M., Caprioli, R. M. From Whole-body Sections Down to Cellular Level, Multiscale Imaging of Phospholipids by MALDI Mass Spectrometry. Mol. Cell. Proteomics. 10, (2011).
  27. Dill, A., Eberlin, L., Costa, A., Ifa, D., Cooks, R. Data quality in tissue analysis using desorption electrospray ionization. Anal. Bioanal. Chem. 401, 1949-1961 (2011).
  28. Jackson, S. N., Wang, H. -. Y. J., Woods, A. S. Direct Profiling of Lipid Distribution in Brain Tissue Using MALDI-TOFMS. Anal. Chem. 77, 4523-4527 (2005).
  29. Jackson, S. N., et al. MALDI-ion mobility-TOFMS imaging of lipids in rat brain tissue. J. Mass Spectrom. 42, 1093-1098 (2007).
  30. Wang, H. -. Y. J., Post, S. N. J. J., Woods, A. S. A minimalist approach to MALDI imaging of glycerophospholipids and sphingolipids in rat brain sections. Int. J. Mass Spectrom. 278, 143-149 (2008).
  31. Wu, B., Becker, J. S. Imaging of elements and molecules in biological tissues and cells in the low-micrometer and nanometer range. Int. J. Mass Spectrom. 307, 112-122 (2011).
  32. Eberlin, L. S., Ifa, D. R., Wu, C., Cooks, R. G. Three-Dimensional Vizualization of Mouse Brain by Lipid Analysis Using Ambient Ionization Mass Spectrometry. Angew. Chem. Int. Ed. 49, 873-876 (2010).
  33. Seeley, E. H., Caprioli, R. M. 3D Imaging by Mass Spectrometry: A New Frontier. Anal. Chem. 84, 2105-2110 (2012).
  34. Nemes, P., Barton, A. A., Vertes, A. Three-Dimensional Imaging of Metabolites in Tissues under Ambient Conditions by Laser Ablation Electrospray Ionization Mass Spectrometry. Anal. Chem. 81, 6668-6675 (2009).
  35. Pulfer, M., Murphy, R. C. Electrospray mass spectrometry of phospholipids. Mass Spectrom. Rev. 22, 332-364 (2003).
  36. Han, X., Holtzman, D. M., McKeel, D. W. Plasmalogen deficiency in early Alzheimer’s disease subjects and in animal models: molecular characterization using electrospray ionization mass spectrometry. J. Neurochem. 77, 1168-1180 (2001).
  37. Murphy, E. J., Schapiro, M. B., Rapoport, S. I., Shetty, H. U. Phospholipid composition and levels are altered in down syndrome brain. Brain Res. 867, 9-18 (2000).
  38. Han, X., et al. Alterations in Myocardial Cardiolipin Content and Composition Occur at the Very Earliest Stages of Diabetes: A Shotgun Lipidomics Study. Biochimica. 46, 6417-6428 (2007).

Tags

Mass Spectrometry ImagingDESIDesorption Electrospray IonizationAmbient IonizationRat BrainSample PreparationSpatial ResolutionMolecular Information

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Citazione di questo articolo
Bennett, R. V., Gamage, C. M., Fernández, F. M. Imaging of Biological Tissues by Desorption Electrospray Ionization Mass Spectrometry. J. Vis. Exp. (77), e50575, doi:10.3791/50575 (2013).
Scarica citazione
Ristampe e autorizzazioni

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image