הדמיה של כל הגוף ספקטרומטריית מסה על ידי אינפרא אדום מטריקס בסיוע לייזר Desorption electrospray יינון (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
מקורות יינון אמביינט עבור ספקטרומטריית מסה (MS) כבר נכתבו תלי תלים של עניין רב בעשור האחרון. יינון electrospray desorption לייזר בסיוע מטריקס (MALDESI) היא דוגמה של שיטות כאלה, שבו תכונות של יינון / desorption לייזר בסיוע מטריקס (MALDI) (למשל, טבע פעמו של desorption) ו יינון electrospray (ESI) (למשל,-יינון רך ) משולבים. אחד היתרונות הגדולים של MALDESI הוא צדדי הטבוע בו. בניסויים MALDESI, גידול אולטרה סגול (UV) או אינפרא אדום (IR) לייזר יכול לשמש כדי לרגש עמוק ומהדהד מטריצה אנדוגני או אקסוגני. הבחירה של מטריקס אינו אנליטי תלויה, ותלוי אך ורק על אורך גל לייזר המשמשים עירור. בניסויים IR-MALDESI, שכבה דקה של קרח מופקד על פני השטח מדגם כקובץ מטריקס ספיגת אנרגיה. הגיאומטריה מקור IR-MALDESI בצורה מיטבית באמצעות תכנון ניסויים (DOE) עבור ניתוח של דגימות נוזלי, כמו גם Biolדגימות רקמה ogical. יתר על כן, מקור הדמיה חזק IR-MALDESI פותח, שבו מתכונן ליזר אמצע IR מסונכרן עם במת translational XY מבוקרת מחשב ו ספקטרומטר מסת מתח גבוה לפתרון. ממשק המשתמש הגרפי מותאם אישית (GUI) מאפשר בחירת המשתמש של שיעור החזרה של הלייזר, מספר יריות לכל voxel, צעד בגודל של הבמה מדגם, והעיכוב בין desorption ולסרוק אירועים המקור. IR-MALDESI נעשה שימוש במגוון רחב של יישומים כגון ניתוח משפטי של סיבים וצבעים ו MSI סעיפי רקמה ביולוגיים. הפצה של analytes שונים הנעים בין מטבוליטים אנדוגני xenobiotics אקסוגניים בתוך קטעי רקמה ניתן למדוד לכמת באמצעות טכניקה זו. הפרוטוקול המובא בכתב היד הזה מתאר שלבים עיקריים הדרושים IR-MALDESI MSI סעיפים רקמות הגוף כולו.
Introduction
הדמיה ספקטרומטריית מסה (MSI) במצב microprobe כרוך desorption של המדגם מתוך שטח על ידי קרן (ליזר או יונים) במקומות דיסקרטיים על פני השטח של מדגם. בכל נקודת סריקה, ספקטרום המוני מופק ואת ספקטרום רכשה, יחד עם המיקום המרחבי שממנו הם נאספו, ניתן להשתמש בו כדי למפות analytes רבים בו זמנית בתוך המדגם. ללא תווית זו אופן הדמיה מצמידים את הרגישות והסגוליות של ספקטרומטריית מסה סייעו MSI להיות אחד התחומים המתפתחים בקצב מהיר ביותר ב ספקטרומטריית מסה 1,2.
desorption הליזר בסיוע מטריקס / יינון (MALDI) הוא שיטת היינון הנפוצה ביותר בשימוש עבור מנתח MSI. עם זאת, הצורך מטריקס אורגני ואת דרישות ואקום של MALDI לדגמן מגבלות משמעותיות על שחזור, התפוקה מדגם, ועל סוגי דגימות כי ניתן לנתח באמצעות השיטה. מספר בלחץ אטמוספרי (AP) ioשיטות nization פותחו בשנים האחרונות לעקוף הגבלות אלו 3. שיטות יינון סביבה אלו מאפשרות ניתוח של דגימות ביולוגיות בסביבה היא הרבה יותר קרוב למצב הטבעי שלהם ולפשט צעדי הכנת מדגם לפני הניתוח. יינון electrospray desorption לייזר בסיוע מטריקס (MALDESI) הוא דוגמה 4,5 שיטת יינון כזה.
בניסויי IR-MALDESI, שכבה דקה של קרח מופקדת על פני שטח הרקמות כמו מטריקס ספיגת אנרגיה. דופק ליזר אמצע IR נספג על ידי מטריקס הקרח, ומקל desorption של חומרים ניטראליים מפני השטח על ידי עמוק ומהדהד שרגשה את OH מתיחת מצב של מים. המחיצה הניטראלית desorbed לתוך הטיפין הטעונות של electrospray מאונך והם שלאחר המיונן באופן ESI-כמו 4-6. התוספת של מטריקס קרח אקסוגניים עדיפה על פני הסתמכות על המים אנדוגני ברקמות מאז זה עוזר acלספור עבור וריאציות תכולות מים בתאי רקמות שונים, הוכח כדי לשפר desorption 6 ולשפר שפע יון ידי ~ 15-לקפל 7,8 בניסויי הדמית רקמות.
בעבודה זו, אנו מנצלים IR-MALDESI MSI לעורר חלוקת מטבוליטים על פני איברים שונים בגוף בילוד העכבר כולו. סקירה של פרמטרים מתכווננים של מקור IR-MALDESI ניתן, ואת הצעדים הנדרשים עבור הדמיה מוצלחת של קטעי רקמה הם הפגינו.
Protocol
Representative Results
Discussion
בפרוטוקול לעיל מתאר את השלבים העיקריים לביצוע ניסוי MSI IR-MALDESI. תהליך יישום מטריקס (סעיף 3) לוקח כ 20 דקות, אשר דומה תהליך יישום מטריקס טיפוסי לניסויים MALDI MSI ידי סובלימציה או תרסיס ציפוי באמצעות מרסס רובוטית. יתר על כן, IR-MALDESI אינו מסתמך על חלוקה של analytes לתוך קריסטלים מטריק?…
Disclosures
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 |
References
- 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).
