JoVE Journal > Bioengineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Bioengineering

التصوير من الأنسجة البيولوجية بواسطة الامتزاز Electrospray التأين الطيف الكتلي

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

Summary

الامتزاز قداس الطيف Electrospray التأين (DESI-MS) هو أسلوب المحيطة التي العينات، بما في ذلك الأنسجة البيولوجية، ولا يمكن تصوير مع إعداد العينات الحد الأدنى. من قبل إن تحريك عينة أدناه لجنة التحقيق التأين، ويوفر هذا الأسلوب القائم على رذاذ القرار المكانية كافية لتبين ملامح الجزيئية المصالح داخل أقسام الأنسجة.

Abstract

قياس الطيف الكتلي التصوير (MSI) يوفر معلومات الجزيئية تشتته مع أعلى خصوصية والتحليل المكاني للتحقيق في الأنسجة البيولوجية في مئات إلى عشرات من نطاق ميكرون. عندما يؤديها في ظل الظروف المحيطة، يصبح عينة العلاج قبل لا لزوم لها، وبالتالي تبسيط البروتوكول مع الحفاظ على الجودة العالية للمعلومات التي تم الحصول عليها. الامتزاز electrospray التأين (ديزي) هو ومقرها رذاذ المحيطة MSI تقنية تسمح لأخذ العينات مباشرة من السطوح في الهواء الطلق، وحتى في الجسم الحي. عند استخدامها مع عينة المرحلة التي تسيطر عليها البرنامج، وrastered العينة تحت التحقيق التأين ديسي، ومن خلال المجال الزمني، يرتبط ارتباطا م / ض المعلومات مع التوزيع المكاني للأنواع الكيميائية ". الاخلاص من الناتج DESI-MSI يعتمد على التوجه مصدر وتحديد المواقع فيما يتعلق سطح العينة وكتلة مدخل مطياف. هنا، نستعرض كيفية تحضير المقاطع النسيجية للديسي أناmaging والظروف التجريبية الإضافية التي تؤثر بشكل مباشر على جودة الصورة. على وجه التحديد، ونحن تصف البروتوكول لتصوير المقاطع أنسجة المخ الفئران بواسطة DESI-MSI.

Introduction

التصوير غير مستهدفة من قبل قياس الطيف الكتلي يسهل الحصول على المعلومات الكيميائية لاكتشاف وتوليد فرضية التطبيقات. يمكن التصوير المستهدفة من مادة كيميائية معروفة من الفائدة، من ناحية أخرى، وتيسير زيادة الحساسية والانتقائية من خلال تطوير أسلوب معين. قياس الطيف الكتلي التصوير (MSI) يتم تنفيذ الأكثر شيوعا في الأنسجة باستخدام MALDI، 1 الثانوية ايون الطيف الكتلي (سيمز)، (2) وتقنيات التأين المحيطة، بما في ذلك المج electrospray التأين (ديزي)، 3 الليزر التذرية-التأين electrospray (LAESI)، 4، 5 وسائل أخذ العينات الصغيرة تقاطع سطح مسبار (LMJ-SSP). 6 في MALDI وSIMS، وعينات لا بد من إزالتها فعليا من العينة، ويجب أن تكون مسطحة ورقيقة، كما يتم تحليل أنهم تحت فراغ عالية. يتطلب MALDI طلاء من العينة مع الإشعاع استيعاب مصفوفة، مضيفا خطوة إضافية ومرهقة لإعداد العينة. SIMSلديها أعلى قرار الوحشي، ولكن القصف مع جزيئات نشطة للغاية يسبب تجزئة الجزيئية واسعة النطاق. ولذلك، MSI بالطرق المحيطة ملء مكانة حيث تحليل لينة مع إعداد العينات الحد الأدنى هو مرغوب فيه. ومع ذلك، حتى الآن، كل الأساليب لا تزال محدودة بسبب اشتراط السطوح عينة مسطحة.

يستخدم DESI على هوائيا بمساعدة اتهم رذاذ المذيبات التي تستهدف سطح العينة لتمج وتأيين التحاليل. 7 ومن المعروف أن نموذج العمل لالامتزاز التأين واللاحقة من قبل ديسي باسم "نموذج البيك اب الحبرية". 8-10 قطرات الأولية المشحونة التي تنتجها التحقيق DESI تتصادم مع السطح، وترطيب ذلك، وتشكيل طبقة رقيقة الذي يتم حل الحليلة من خلال آلية microextraction الصلبة والسائلة 8 اللاحقة قطيرة التصادمات نتيجة في نقل الزخم واقلاعها من قطرات الثانوية التي تحتوي على مواد المستخرجة من السطح . 9،10 في نهاية المطاف، الغازويعتقد أن الأيونات المرحلة إلى أن يتم إنتاجها من خلال عمليات مثل ESI بعد تبخر أيون، ونماذج بقايا تهمة أو نماذج أخرى، 11 إلا أن عملية تشكيل أيون دقيقة في DESI لديه بعد أن ثبت بالتجربة. 12 حساسية DESI تعتمد بقوة على ذوبان الحليلة في رذاذ المذيب، والامتزاز تعتمد على microextraction المترجمة. 13

عند استخدامها مع عينة المرحلة التي تسيطر عليها البرنامج، يتم فحص عينة unidirectionally مع لين يخطو تحت التحقيق التأين ديسي، ومن خلال المجال الزمني، يرتبط ارتباطا م / ض المعلومات مع توزيع الأنواع الكيميائية 'المكانية (الشكل 1). منذ أول دليل من مبدأ DESI-MSI التجربة ذكرت من قبل فان بركل وكيرتز في عام 2006، وقد نضجت 14 تقنية إلى حد كبير، مع 15 التطبيقات ذكرت في تحليل الدهون، 3،16 الأيض المخدرات، 17،18 diseaالمؤشرات الحيوية SE، 19 أنسجة المخ، 3،18،20 أنسجة الرئة، 18 نسيج الكلى، 18 الأنسجة الخصية، 18 الغدد الكظرية، 17 لوحات رقيقة اللوني طبقة و 21 و السطوح الطحالب. 22 القرار الروتيني لصور حصلت عليها DESI-MSI هو 100-200 ميكرون، والتي يتم تحديدها في نهاية المطاف من قبل مساحة السطح الفعالة المستخرجة بواسطة رذاذ، ولكن تم الإبلاغ عن قرارات منخفضة تصل إلى 40 ميكرون. 23-25 ​​هذا القرار وسهولة تحليل يجعل DESI-MSI المناسبة لتحليل سريع وبسيط من عينات الأنسجة البيولوجية مع المساحات السطحية في نطاق 0،5-5 سم 2، وتمكن من الحصول على المعلومات المكانية قيمة لفهم أفضل للعمليات البيولوجية 26. هنا، كمثال على تطبيق DESI-MSI نموذجي، نستعرض التفاصيل الإجرائية لإجراء تجربة ناجحة تشمل التصوير الدهون في أنسجة الدماغ الفئران. الخطوات الأكثر أهمية اثنين في البروتوكول هيالأنسجة إعداد 27 وDESI مصدر الأمثل أيون، كما هو موضح أدناه.

Protocol

1. الأنسجة باجتزاء متجر فلاش مجمدة، النسيج كله في الفريزر -80 درجة مئوية لتصبح جاهزة للباجتزاء. السماح للعينة الأنسجة للوصول إلى درجة الحرارة في cryomicrotome قبل باجتزاء (30 دقيقة). تعيين شفرة ودرجة …

Representative Results

ويبين الشكل 3 ممثل طائفة الحصول عليها من قسم دماغ الفئران غير المعالجة. في وضع إيجابي، ويهيمن على الطيف الشامل phosphatidylcholines نظرا لكفاءتها العالية التأين (نسبت إلى جماعة الأمونيوم الرباعية موجبة الشحنة). يظهر إجمالي صورة أيون من قسم الأنسجة أيضا في الشكل (3)…

Discussion

الاستفادة المثلى من مصدر هندسة DESI أمر بالغ الأهمية للتجارب ناجحة MSI. متغيرات متعددة تسهم في المواءمة بين النظام تؤثر بشكل مباشر على حساسية ودقة وضوح الصورة. إذا خلال التحسين، والمجرب لديه صعوبات في الحصول على إشارة، فإننا نوصي باستخدام بقعة شربي الحمراء المرسومة على…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

وأيد هذا العمل من قبل جبهة الخلاص الوطني الأذربيجانية MRI صك المنحة التنموية # 0923179 إلى FMF. نشكر أكوا Asberry، منسق مختبر لH. معهد بيتي باركر لهندسة البيولوجيا وعلم الأنسجة العلوم البيولوجية الأساسية، للحصول على المساعدة مع باجتزاء الأنسجة.

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

References

  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. Biochemistry. 46, 6417-6428 (2007).

Tags

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

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
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).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

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

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image