الليزر التي يسببها انهيار الطيفي: نهج جديد لرسم الخرائط جسيمات متناهية الصغر والكمي في الجهاز الأنسجة
Summary
الليزر التي يسببها انهيار الطيفي التي أجريت على الجهاز رقيقة وأنسجة الورم بنجاح الكشف عن العناصر الطبيعية وحقن الجادولينيوم مصطنع (ش ج)، صدر من مقرها النانوية ش ج. وصلت الصور من العناصر الكيميائية قرار من 100 ميكرون والكمية حساسية الفرعية ملي. توافق الإعداد مع المجهر الضوئي القياسية ويؤكد قدرته على تقديم صور متعددة من نفس الأنسجة البيولوجية.
Abstract
تم تطبيق التحليل الطيفي الانبعاثات من البلازما التي يسببها الليزر لتحليل العناصر من العينات البيولوجية. الليزر التي يسببها انهيار الطيفي (LIBS) التي أجريت على أقسام رقيقة من الأنسجة القوارض: الكلى والأورام، يسمح للكشف عن عناصر غير عضوية مثل (ط) نا، الكالسيوم، النحاس، والمغنيسيوم والفوسفور، والحديد، موجودة بشكل طبيعي في الجسم و (ب) سي وكلمة المدير العام، الكشف عن بعد حقن جزيئات الجادولينيوم القائم. الموت الرحيم كانت الحيوانات 1-24 ساعة بعد الحقن في الوريد من الجسيمات. تفحص ثنائي الأبعاد من العينة، التي أجريت باستخدام المصغر مرحلة 3D بمحرك، سمحت شعاع ليزر الأشعة تحت الحمراء استكشاف السطح مع قرار الجانبية أقل من 100 μ م. تم الحصول على الصور العنصر الكيميائي والكمي كلمة المدير العام داخل الجهاز مع حساسية الفرعية ملي. يقدم LIBS طريقة بسيطة وقوية لدراسة توزيع المواد غير العضوية دون أي labeli محددةنانوغرام. وعلاوة على ذلك، وتوافق الإعداد مع المجهر الضوئي القياسية ويؤكد قدرته على تقديم صور متعددة من الأنسجة البيولوجية نفسه مع أنواع مختلفة من الاستجابة: عنصري، الجزيئية أو الخلوية.
Introduction
وحث تطوير واسعة من التطبيقات البيولوجية النانوية لتحسين موازية من التقنيات التحليلية لتحديد قيمتها والتصوير في العينات البيولوجية. عادة ما تكون مصنوعة الكشف ورسم الخرائط من الجسيمات النانوية في الأجهزة عن طريق مضان المجهري متحد البؤر أو. للأسف هذه الأساليب تتطلب وضع العلامات من الجسيمات النانوية عن طريق صبغة الأشعة تحت الحمراء القريبة التي يمكن تعديل biodistribution من الجسيمات النانوية، وخاصة بالنسبة للجزيئات صغيرة جدا وذلك بسبب خصائصه مسعور. الكشف عن الجسيمات النانوية المسمى، وخصوصا جزيئات صغيرة جدا (حجم <10 نانومتر)، وبالتالي قد تتداخل مع biodistribution بهم على نطاق الجسم كله ولكن أيضا على الصعيدين الأنسجة والخلايا. تطوير أجهزة جديدة قادرة على الكشف عن الجسيمات النانوية دون أي وسم يقدم إمكانيات جديدة لدراسة سلوكهم وحركية. وعلاوة على ذلك، فإن دور العناصر النزرة مثل الحديد والنحاس في الدماغ والأمراض لوالأمراض العصبية مثل مرض الزهايمر د 1، مينكس 2،3، أو 4 ويلسون توحي الفائدة لدراسة وحصر هذه العناصر في الأنسجة.
وقد استخدمت تقنيات مختلفة لتوفير الخرائط عنصري أو التحليل الدقيق من مواد مختلفة. في ورقة استعراضها نشرت في عام 2006، R. Lobinski وآخرون. تقديم لمحة عامة عن التقنيات القياسية المتوفرة عن التحليل الدقيق عنصري في البيئة البيولوجية، واحدة من أكثر البيئات تحديا للعلوم التحليلية 5. ومسبار مجهري الإلكترون، الذي يتكون من الطاقة التشتت التحليل الدقيق للأشعة السينية في المجهر الإلكتروني النافذ، يمكن تطبيقها على العديد من الدراسات إذا كان تركيز عنصر غير كافية (> 100-1،000 ميكروغرام / غرام). لتصل إلى أقل حدود الكشف، وقد استخدمت الأساليب التالية:
- شعاع ايون مجهري باستخدام الجسيمات الناجمة عن الأشعة السينية الانبعاثات μ-عنصورة (1-10 ميكروغرام / غرام) 6
- SYNchrotron التحليل الدقيق الإشعاع μ-SXRF (0.1-1 ميكروغرام / غرام) 7
- SIMS الثانوية مطياف الكتلة ايون (0.1 ميكروغرام / غرام) 8
- التذرية الليزر بالحث مطياف الكتلة ICP-LA-MS (وصولا الى 0.01 ميكروغرام / غرام) 9،10
توفير التقنيات المذكورة أعلاه القرار المصغر كما هو مبين في الجدول رقم 1 المستخرجة من Lobinski وآخرون.
ويمكن أيضا أن تقترح إعادة الإعمار 3D التحقيقات 2D المسلسل لإعادة بناء الأنسجة العميقة 11. ومع ذلك، وجميع الأجهزة والأنظمة تتطلب كل من المهنيين المؤهلين، معتدلة الى معدات باهظة الثمن للغاية وتجارب طويلة الأمد (عادة أكثر من 4 ساعات للحصول على 100 ميكرون × 100 ميكرون لμ-SXRF و 10 ملم × 10 ملم لLA-ICP-MS ) 12. تماما، هذه المتطلبات تجعل التحليل المجهري عنصري تقييد جدا ومتوافق مع أنظمة التصوير الضوئي التقليدية،المجهر مضان أو غير الخطية المجهري. نقطة أخرى أننا يمكن أن نذكر هنا هو أن القدرة على القياس الكمي لا يزال محدودا للغاية، ويعتمد على توفر معايير المختبر مطابقة مصفوفة. فإن التعميم مزيد من استخدام التحليل المجهري عنصري في عمليات الصناعة والجيولوجيا والبيولوجيا وغيرها من المجالات من تطبيقات توليد اختراقات المفاهيمية وتكنولوجية كبيرة.
الغرض من هذا المخطوط هو اقتراح حلول لرسم الخرائط عنصري الكمي (أو التحليل الدقيق عنصري) في الأنسجة البيولوجية مع الأجهزة المكتبية متوافقة تماما مع المجهر الضوئي التقليدية. ويستند نهجنا على انهيار الطيفي المستحث بالليزر (LIBS التكنولوجيا). في LIBS، وتركز نبضة ليزر على عينة من الفائدة لخلق انهيار والشرارة للمادة. يتم تحليل الإشعاع الذري المنبعث في البلازما في وقت لاحق من قبل مطياف وelemenويمكن استرجاع تركيزات التل مع معايرة أداء مسبقا 13،14. وتشمل مزايا LIBS حساسية (ميكروغرام / غرام تقريبا لجميع العناصر)، الاكتناز، وإعداد العينات الأساسية جدا، وعدم وجود اتصال مع العينة، استجابة فورية وموضعية على وجه التحديد (الصغرى) تحليل السطح. ومع ذلك، فإن تطبيق التصوير كيميائية في أنسجة يبقى تحديا منذ التذرية الليزر من الأنسجة يجب أن يسيطر على أداء ناعما خرائط لقرار مكانية عالية جنبا إلى جنب مع حساسية في ميكروغرام / g نطاق 15،16.
مع مثل هذا الحل، ليست هناك حاجة لتجاور من استشفاف أو وكلاء وضع العلامات، والذي يسمح الكشف عن العناصر غير العضوية مباشرة في بيئتها الأصلية في الأنسجة البيولوجية. الصك LIBS ضعت في مختبرنا يقدم القرار الحالي أقل من 100 ميكرون مع حساسية المقدرة لكلمة المدير العام أقل من 35 ميكروغرام / غرام، أي ما يعادل 0.1 ملي 16، والذي يسمحرسم خرائط لعينات كبيرة (> 1 سم 2) في غضون 30 دقيقة. بالإضافة إلى ذلك، برامج محلية الصنع يسهل اقتناء واستغلال البيانات. يتم استخدام هذه الأداة للكشف عن، الخريطة، وتحديد توزيع الأنسجة من الجادولينيوم النانوية (ش ج) المستندة إلى 17-18 في الكلى وعينات الورم من الحيوانات الصغيرة، من 1 إلى 24 ساعة بعد الحقن في الوريد من الجسيمات (حجم <5 نانومتر) . العناصر غير العضوية، والتي ترد في جوهرها في الأنسجة البيولوجية، مثل الحديد، الكالسيوم، الصوديوم، و ف، كما تم الكشف عن وتصويرها.
Protocol
Representative Results
Discussion
تطبيقها على عينة بيولوجية، وهذا الأسلوب يسمح التصوير الكيميائية، أي التعيين والتحديد الكمي، من كلمة المدير العام وسي من حقن جزيئات مقرها كلمة المدير العام في الأجهزة المختلفة. من إعدادات الحرجة الرئيسية، والسيطرة على خصائص الليزر (الطول الموجي والطاقة النبض، …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
المؤلفين الامتنان الدعم المالي من قبل Labex-Imust.
Materials
| Laser nanosecond Nd:YAG | Quantel | Brillant | 5ns pulse witdh, wavelength 1064 nm |
| Spectrometer | Andor Technology | Shamrock 303 | with 1200 l/mm blazed at 300 nm grating |
| Detector ICCD | Andor Technology | Istar | 2 ns temporal resolution |
| LIBS Unit | ILM | Homemade Instrumentation | |
| Gd-based nanoparticles | Nano-H | particles | |
| HEPES | Sigma-Aldrich | H4034 | for particle's dilution |
| CaCl2 | Sigma-Aldrich | 21108 | for particle's dilution |
| NaCl | Sigma-Aldrich | S5886 | for particle's dilution |
| mice | Charles River | depending of animal breeding | |
| isoflurane | Coveto / Virbac | for anaesthesia – Isofluranum | |
| isopentane | Sigma-Aldrich | 59060 | to froze the sample slowly |
| liquide nitrogen | Air Liquide | to cool down the isopentane | |
| cryostat | Leica | CM-3050S | to slide the samples |
| petri dishes | Dutscher | 353004 | to stick the sample |
Riferimenti
- Smith, M. A., Harris, P. L., Sayre, L. M., Perry, G. Iron accumulation in Alzheimer disease is a source of redox-generated free radicals. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 94, 9866-9868 (1997).
- Wang, Y., Zhu, S., Weisman, G. A., Gitlin, J. D., Petris, M. J. Conditional knockout of the Menkes disease copper transporter demonstrates its critical role in embryogenesis. PloS one. 7, (2012).
- Reske-Nielson, E., Lou, H. O., Andersen, P., Vagn-Hansen, P. Brain-copper concentration in Menkes’ disease. Lancet. 1, 613 (1973).
- Hayashi, H., et al. Various copper and iron overload patterns in the livers of patients with Wilson disease and idiopathic copper toxicosis. Medical molecular morphology. 46, (2013).
- Lobinski, R., Moulin, C., Ortega, R. Imaging and speciation of trace elements in biological environment. Biochimie. 88, 1591-1604 (2006).
- Devès, G., Bouhacina, T., Ortega, R. STIM mass measurements for quantitative trace element analysis within biological samples and validation using AFM thickness measurements. Spectrochimica Acta B. 59, 1733-1738 (2004).
- Twining, B. S., et al. Quantifying trace elements in individual aquatic protist cells with a synchrotron X-ray fluorescence microprobe. Analytical chemistry. 75, 3806-3816 (2003).
- Guerquin-Kern, J. L., Wu, T. D., Quintana, C., Croisy, A. Progress in analytical imaging of the cell by dynamic secondary ion mass spectrometry (SIMS microscopy). Biochimica et biophysica acta. 1724, 228-238 (2005).
- Binet, M. R., Ma, R., McLeod, C. W., Poole, R. K. Detection and characterization of zinc- and cadmium-binding proteins in Escherichia coli by gel electrophoresis and laser ablation-inductively coupled plasma-mass spectrometry. Analytical biochemistry. 318, 30-38 (2003).
- Becker, J., Gorbunoff, A., Zoriy, M., Izmer, A., Kayser, M. Evidence of near-field laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (NF-LA-ICP-MS) at nanometre scale for elemental and isotopic analysis on gels and biological samples. J. Anal. Atom. Spectrom. 21, 19-25 (2006).
- Seeley, E. H., Caprioli, R. M. 3D imaging by mass spectrometry: a new frontier. Analytical chemistry. 84, 2105-2110 (2012).
- Pornwilard, M. -. M., Weiskirchen, R., Gassler, N., Bosserhoff, A. K., Becker, J. S. Novel bioimaging techniques of metals by laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry for diagnosis of fibrotic and cirrhotic liver disorders. PloS one. 8, (2013).
- Cremers, D. A., Radziemski, L. J. . Handbook of laser-induced breakdown spectroscopy. , (2006).
- Miziolek, A. W., Palleschi, V. . Laser-Induced Breakdown Spectroscopy: Fundamentals and Applications. , (2006).
- Motto-Ros, V., et al. Mapping nanoparticles injected into a biological tissue using laser-induced breakdown spectroscopy. Spectrochimica Acta Part B. , (2013).
- Motto-Ros, V., et al. Mapping of native inorganic elements and injected nanoparticles in a biological organ with laser-induced plasma. Applied Physics Letters. 101, (2012).
- Mignot, A., et al. A top-down synthesis route to ultrasmall multifunctional Gd-based silica nanoparticles for theranostic applications. Chimica. 19, 6122-6136 (2013).
- Lux, F., et al. Ultrasmall rigid particles as multimodal probes for medical applications. Angew Chem Int Ed Engl. 50, 12299-12303 (2011).
