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

Изображений биологических тканей десорбцией Электроспрей ионизации масс-спектрометрии

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

Summary

Десорбции с ионизацией электрораспылением масс-спектрометрии (DESI-МС) является внешним метод, по которому образцы, в том числе биологических тканей, могут быть отображены с минимальной подготовки образца. По растеризации примере ниже ионизационного электрода, этот спрей на основе техники обеспечивает достаточное пространственное разрешение различить молекулярных особенностей интересов в срезах тканей.

Abstract

Масс-спектрометрия томография (MSI) предоставляет нецелевые молекулярную информацию с наибольшей специфичностью и пространственное разрешение для исследования биологических тканей в нескольких сотен до десятков микрон масштабе. Когда выполнено в условиях окружающей среды, пробоподготовки становится ненужным, тем самым упрощая протокол, сохраняя при этом высокое качество полученной информации. Десорбции с ионизацией электрораспылением (DESI) представляет собой спрей на основе окружающей техника MSI, который позволяет для прямой выборки поверхностей на открытом воздухе, даже в естественных условиях. При использовании с программным управлением предметный столик, образец развернут под ионизационным DESI, так и через временную область, м / е информации коррелирует с пространственным распределением химических веществ. Точности DESI-MSI выход зависит от ориентации источника и позиционирование по отношению к поверхности образца и впускной масс-спектрометра. Здесь мы рассмотрим, как подготовить срезов тканей для DESI яmaging и дополнительные экспериментальные условия, которые непосредственно влияют на качество изображения. В частности, мы опишем протокол для визуализации срезы головного мозга крыс ткани DESI-MSI.

Introduction

Нецелевые изображений методом масс-спектрометрии облегчает получение информации о химических веществах для открытия и гипотезы генерирующих приложений. Целевые изображений известных химических интерес, с другой стороны, может способствовать увеличению чувствительности и селективности с помощью конкретных разработка метода. Масс-спектрометрия томография (MSI) является наиболее часто выполняемой на тканей с использованием MALDI, 1 вторичной ионной масс-спектрометрии (ВИМС), 2 и окружающих методы ионизации, в том числе десорбции электрораспыления ионизации (DESI), 3-лазерной абляции электрораспыления ионизации (LAESI), 4, 5 и жидких микро-стык поверхности пробоотборника (LMJ-SSP). 6 В MALDI и SIMS, образцы должны быть физически удалена из образца, должны быть плоскими и тонкими, поскольку они анализируются под высоким вакуумом. MALDI требуется покрытие образца с поглощающей излучение матрицы, добавление дополнительного и громоздким шаг подготовки образца. SIMSимеет самую высокую боковую разрешение, но бомбардировки высокоэнергетическими частицами вызывает обширные молекулярной фрагментации. Таким образом, MSI окружающим методы заполнить нишу, где мягкие анализа с минимальной подготовкой образца является желательным. Тем не менее, на сегодняшний день все методы по-прежнему ограничена требованием плоских поверхностей образца.

DESI использует помощь пневматическим распылением растворителя взимается направлены на поверхности образца для десорбции и ионизации анализируемых веществ. 7 рабочей моделью для последующей десорбции и ионизации DESI известен как "капли пикап модели». 8-10 заряженных первичных капель производится DESI зонд сталкиваются с поверхностью, смачивающие его и образуя тонкую пленку, в которой анализируемое вещество растворяется твердой и жидкой микроэкстракция механизм 8 Последующие капли столкновения приводят к передаче импульса и взлет вторичных капель, содержащий материал, извлеченный из поверхности . 9,10 В конечном счете, газфаза ионов, как полагают, производится через ESI-подобных процессов после ионного испарения, модели заряд остаток или других моделях, 11 однако точный процесс формирования иона в DESI до сих пор не экспериментально проверенные. 12 DESI чувствительность сильно зависит от растворимости анализируемого вещества в распылительной растворителе, как десорбции зависит от локализованного микроэкстракция 13.

При использовании с программным управлением предметный столик, образец сканируется однонаправленно с полосы активизации под ионизационным DESI, так и через временную область, м / е информации коррелирует с пространственным распределением видов химических веществ "(Рис. 1). С первых доказательство принципа DESI-эксперимент MSI сообщила Ван Беркель и Kertesz в 2006 году, 14 техники заметно повзрослела, 15 с приложениями сообщили в анализе липидов, 3,16 метаболитов наркотиков, 17,18 Diseaсебе биомаркеров, 19 ткани головного мозга, 3,18,20 легочной ткани, ткани почек 18, 18 ткани яичка, 18 надпочечники, 17 тонких пластин хроматографии, 21 и водорослей поверхностей. 22 рутина разрешение изображений, полученных DESI-MSI представляет 100-200 мкм, что в конечном счете определяется эффективная площадь поверхности извлекается посредством распыления, но резолюции по цене от 40 мкм не поступало. 23-25 ​​такое разрешение, и удобства анализа делает DESI-MSI подходит для быстрого и простого анализа биологических образцов ткани с площадью поверхности в 0,5-5 см 2 диапазона, что позволяет получение ценных пространственную информацию для лучшего понимания биологических процессов 26. Здесь, в качестве примера типичного DESI MSI-приложение, мы рассмотрим процедурные детали успешного проведения эксперимента с участием визуализации липидов в тканях мозга крыс. Двумя наиболее важными шагами в Протоколеподготовки ткани 27 и DESI источник ионов оптимизации, как описано ниже.

Protocol

1. Ткань Секционирование Магазин флэш цельной тушки ткани в -80 ° C морозильнике до готовности для секционирования. Разрешить образца ткани, чтобы достичь температуры в криомикротомии до срезов (30 мин). Установите лезвие и температуры образца до -30 ° С. Как только ткань дос…

Representative Results

3 показан спектр, полученный представитель из необработанной секции мозга крысы. В положительном режиме, масс-спектр преобладают фосфатидилхолины из-за их высокой эффективности ионизации (отнести к положительно заряженным группу четвертичного аммония). Общее изображение ио?…

Discussion

Оптимизации геометрии источника DESI имеет решающее значение для успешных экспериментов MSI. Несколько переменных способствует выравнивание системы непосредственно влияют на чувствительность и разрешение изображения. Если в процессе оптимизации, экспериментатор имеет трудности с пол…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Эта работа поддержана NSF ARRA МРТ Инструмента развития грант № 0923179 на ССЛ. Мы благодарим Аква Asberry, координатор Лаборатории H. Parker Petit Института биоинженерии и биологических наук Основные гистология, за помощь в срезов ткани.

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