JoVE Journal > Bioengineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Resultados
Discussion
Declarações
Acknowledgements
Materials
Referências
Tadução automática
Bioengenharia

Imaging af biologisk væv ved Desorption elektrosprayionisering massespektrometri

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

Summary

Desorption elektrospray massespektrometri (DESI-MS) er en omgivende metode, som prøver, herunder biologiske væv, kan afbildes med minimal prøveforberedelse. Ved rastering prøven under ionisering sonden, giver denne spray-baseret teknik tilstrækkelig rumlig opløsning til at skelne molekylære egenskaber af interesse inden vævssnit.

Abstract

Massespektrometri imaging (MSI) indeholder ikke-målrettet molekylær information med den højeste specificitet og rumlig opløsning til at undersøge biologisk væv ved hundredvis til snesevis af mikron skalaen. Når de udføres under omgivelsesbetingelser, prøve forbehandling bliver unødvendige, hvilket forenkler protokollen, samtidig med at den høje kvalitet af de indhentede oplysninger. Desorption elektrosprayionisering (DESI) er en spray-baseret omgivende MSI teknik, der giver mulighed for direkte prøvetagning af overflader i den åbne luft, selv in vivo. Når det bruges med en software-kontrolleret prøve fase prøven bitmapobjekt under DESI ionisering sonde, og gennem tidsdomænet er m / z information korreleret med kemiske arter 'rumlige fordeling. Nøjagtigheden af ​​DESI-MSI udgang afhænger af kilden orientering og positionering i forhold til prøvens overflade og massespektrometer indløb. Heri gennemgår vi, hvordan man forbereder vævssnit for DESI imaging og yderligere eksperimentelle betingelser, der direkte påvirker billedkvaliteten. Konkret beskriver vi protokollen for billedbehandling af rotte hjernevæv sektioner ved DESI-MSI.

Introduction

Målrettede imaging ved massespektrometri letter erhvervelsen af ​​kemiske oplysninger for opdagelse og hypotese-genererende applikationer. Målrettet billeddannelse af en kendt kemisk interesse, på den anden side, kan fremme øget følsomhed og selektivitet gennem specifik metode udvikling. Massespektrometri imaging (MSI) er mest almindeligt udføres på væv ved hjælp af MALDI, 1 sekundær ion massespektrometri (SIMS), 2 og omgivende ionisering teknikker, herunder desorption elektrosprayionisering (DESI), 3 laserablation-elektrosprayionisering (LAESI), 4, 5 og flydende mikro-junction-overfladen prøvetagningssonde (LMJ-SSP). 6. MALDI og SIMS, prøverne skal fjernes fysisk fra prøven, og skal være flad og tynd, da de analyseres under højvakuum. MALDI kræver coating af prøven med en stråling-absorberende matrix, tilføje en ekstra og besværligt skridt til prøven forberedelse. SIMShar den højeste lateral opløsning, men bombardement med meget energirige partikler forårsager omfattende molekylære fragmentering. Derfor MSI ved omgivende metoder udfylde en niche, hvor blødt analyse med minimal prøveforberedelse er ønskelig. Men til dato er alle metoder stadig begrænset af kravet om flade prøve overflader.

DESI anvender en pneumatisk assisteret opkrævet opløsningsmiddel spray rettet mod prøveoverfladen at desorbere og ionisere analytter. 7 arbejdsmodel til desorption og efterfølgende ionisering ved DESI er kendt som "dråben pick-up-model". 8-10 De ladede primære dråber produceret af DESI sonde kolliderer med overfladen, fugtning det og danner en tynd film, i hvilken analysanden opløses ved en faststof-væske mikroekstraktion mekanismen 8 Efterfølgende dråbe kollisioner resulterer i momentum overførsel og start af sekundære dråber indeholdende det ekstraherede materiale fra overfladen . 9,10 sidste ende, gasfase ioner menes at blive produceret gennem ESI-lignende processer efter ion fordampning, charge restkoncentrationer modeller eller andre modeller, 11 dog den præcise iondannelse proces i DESI er endnu ikke eksperimentelt bevist. 12. DESI følsomhed er stærkt afhængig af opløseligheden af analytten i spray opløsningsmiddel som desorption afhængig af lokaliserede mikroekstraktion. 13.

Når det bruges med en software-kontrolleret prøve fase prøven scannes ensrettet med lane stepping under DESI ionisering sonde, og gennem tidsdomænet er m / z information korreleret med kemiske arter af geografisk fordeling (figur 1). Siden den første proof of principle DESI-MSI eksperiment rapporteret af Van Berkel og Kertesz i 2006, er 14 den teknik modnet betragteligt, 15 med rapporterede programmer i lipidanalyser, 3,16 narkotika metabolitter, 17,18 diseaSE biomarkører, 19 hjernevæv, 3,18,20 lungevæv, 18 nyrevæv, 18 testis væv, 18 binyrerne, 17 tyndtlagschromatografi plader, 21 og alger overflader. 22. Den rutinemæssige opløsning af billeder, opnået ved DESI-MSI er 100-200 um, hvilket i sidste ende bestemmes af det effektive overfladeareal ekstraheret med spray, men beslutninger så lavt som 40 um er blevet rapporteret. 23-25 ​​sådan opløsning og nem analyse gør DESI-MSI passende til hurtig og simpel analyse af biologiske vævsprøver med arealer i 0,5-5 cm 2 rækkevidde, der muliggør erhvervelse af værdifulde geografisk information til bedre at forstå biologiske processer 26.. Her, som et eksempel på en typisk DESI-MSI program gennemgår vi de proceduremæssige detaljer at gennemføre et vellykket eksperiment involverer billeddannelse af lipider i rottehjernevæv. De to mest kritiske trin i protokollen ervævspræparatet 27 og DESI ionkilde optimering, som beskrevet nedenfor.

Protocol

1.. Vævssektionering Store flash-frosne, hele væv i -80 ° C fryser indtil den er klar til skæring. Tillad vævsprøve at nå den temperatur i cryomicrotome før sektionering (30 min). Indstil klingen og prøvens temperatur til -30 ° C. Når væv har nået den temperatur, håndtering af prøven med en pincet, skære forsiden eller bagsiden af hjernen afhængigt af hvilken del af hjernen er af interesse for tilstrækkelig monteringsflade (dvs. hvis den forreste del af hjernen e…

Representative Results

Figur 3 viser et repræsentativt spektrum opnået fra en ubehandlet rottehjerne sektion. I positiv modus massespektret domineret af phosphatidylcholiner grundet deres høje ionisering effektivitet (tilskrevet det positivt ladede kvaternære ammonium-gruppe). Den samlede ion billede af vævssnittet er også vist i figur 3, der viser rigelige signal over hele hjernen sektion. Vigtige detekterede lipider er identificeret i tabel 1, ved litteratur sammenligninger. <p cl…

Discussion

Optimering af DESI kilde geometri er afgørende for en vellykket MSI eksperimenter. De mange variabler der bidrager til tilpasningen af ​​systemet direkte påvirker følsomheden og billedopløsning. Hvis der under optimering, forsøgslederen har vanskeligheder ved at få signal, anbefaler vi at bruge rød Sharpie spot trukket på diaset som et benchmark, farvestoffet, rhodamin 6G, m / z 443, producerer et stærkt signal i den positive ion-mode og kan bruges til indledende optimering. Derudover valg af opløsningsmid…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette arbejde understøttes af ARRA NSF MRI Instrument Development tilskud # 0923179 til FMF. Vi takker Aqua Asberry, Lab koordinator for Parker H. Petit Institut for bioteknologi og Biosciences Histology Core, for at få hjælp med vævssektionering.

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

Referências

  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. Bioquímica. 46, 6417-6428 (2007).

Tags

Mass Spectrometry ImagingDESIDesorption Electrospray IonizationAmbient IonizationRat BrainSample PreparationSpatial ResolutionMolecular Information
check_url/pt/50575?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Citar este artigo
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).
Baixar citação
Reimpressões e Permissões

View Video

✖

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

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image