كامل الجسم الطيف الكتلي التصوير من قبل بمساعدة مصفوفة الأشعة تحت الحمراء ليزر الامتزاز Electrospray التأين (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
وكانت مصادر التأين المحيطة لمطياف الكتلة (MS) موضوع الكثير من الاهتمام في العقد الماضي. مصفوفة بمساعدة الليزر الامتزاز التأين electrospray (MALDESI) هو مثال على مثل هذه الأساليب، حيث الميزات من مصفوفة بمساعدة الليزر الامتزاز / التأين (MALDI) (على سبيل المثال، والطبيعة نابض من الامتزاز) وتأين بالإرذاذ الإلكتروني (ESI) (على سبيل المثال، لينة التأين ) يتم الجمع. واحدة من أهم مزايا MALDESI هو تنوعها الأصيل. في التجارب MALDESI، والأشعة فوق البنفسجية (UV) أو الأشعة تحت الحمراء (IR) ليزر يمكن استخدامها لresonantly تثير مصفوفة الذاتية أو الخارجية. اختيار مصفوفة ليست تحليلها تعتمد، ويعتمد فقط على الطول الموجي الليزر المستخدمة لإثارة. في التجارب IR-MALDESI، وتودع طبقة رقيقة من الجليد على سطح العينة كما مصفوفة امتصاص الطاقة. وقد تم تحسين المصدر الهندسة IR-MALDESI باستخدام التصميم الإحصائي من التجارب (وزارة الطاقة) لتحليل العينات السائلة وكذلك بيولعينات الأنسجة ogical. وعلاوة على ذلك، تم تطوير مصدر التصوير IR-MALDESI قوي، حيث تتم مزامنة والانضباطي الليزر منتصف الأشعة تحت الحمراء مع الكمبيوتر التي تسيطر عليها مرحلة XY متعدية وارتفاع حل مطياف الكتلة السلطة. واجهة المستخدم الرسومية (GUI) تتيح اختيار المستخدم من معدل تكرار الليزر، وعدد من الطلقات في فوكسل، خطوة حجم المرحلة العينة، والتأخير بين الامتزاز ومسح الأحداث لمصدر. وقد استخدمت الأشعة تحت الحمراء MALDESI في مجموعة متنوعة من التطبيقات مثل تحليل الطب الشرعي من الألياف والأصباغ وMSI من أقسام الأنسجة البيولوجية. توزيع التحاليل مختلفة تتراوح من نواتج الأيض الذاتية لالاكسيوبيوتك الخارجية داخل أقسام الأنسجة يمكن قياسها كميا وباستخدام هذه التقنية. يصف بروتوكول المعروضة في هذه المخطوطة الخطوات الرئيسية اللازمة لIR-MALDESI MSI من أقسام الأنسجة في الجسم بأكمله.
Introduction
الكتلة الطيفي التصوير (MSI) في وضع مجهري ينطوي الامتزاز من العينة من السطح بواسطة شعاع (ليزر أو الأيونات) في مواقع منفصلة على سطح العينة. في كل نقطة النقطية، يتم إنشاء الطيف الكتلي وأطياف المكتسبة، جنبا إلى جنب مع الموقع المكاني الذي تم جمعها، يمكن أن تستخدم لتعيين وقت واحد العديد من التحاليل ضمن العينة. وقد ساعدت هذه الطريقة التسمية خالية من التصوير بالإضافة إلى حساسية وخصوصية قياس الطيف الكتلي MSI تصبح واحدة من المجالات المتطورة بسرعة أكبر في قياس الطيف الكتلي 1،2.
مصفوفة بمساعدة الليزر الامتزاز / التأين (MALDI) هو الأسلوب التأين الأكثر شيوعا المستخدمة لتحليل MSI. ومع ذلك، فإن الحاجة إلى مصفوفة العضوية ومتطلبات فراغ MALDI تشكل قيودا كبيرة على التكاثر، وعينة الإنتاجية، وأنواع العينات التي يمكن تحليلها باستخدام هذه الطريقة. وهناك عدد من الضغط الجوي (ا ف ب) الإعلام والتوعيةوقد تم تطوير أساليب nization في السنوات الأخيرة إلى الالتفاف على هذه القيود 3. هذه الأساليب التأين المحيطة تسمح لتحليل العينات البيولوجية في بيئة هي أقرب بكثير إلى حالتها الطبيعية وتبسيط خطوات تحضير العينة قبل التحليل. مصفوفة بمساعدة الليزر الامتزاز التأين electrospray (MALDESI) هو مثال على مثل هذا 4،5 طريقة التأين.
في التجارب IR-MALDESI، وتودع طبقة رقيقة من الجليد على سطح الأنسجة مثل المصفوفة التي تمتص الطاقة. يمتص نبضة الليزر منتصف الأشعة تحت الحمراء من قبل مصفوفة الجليد، ويسهل الامتصاص للمواد محايدة من السطح عن طريق إثارة resonantly أوهايو وضع المياه تمتد. قسم المحايدين المستوعبة في قطرات اتهم من electrospray متعامد ووبعد المتأينة بطريقة ESI تشبه 4-6. ويفضل إضافة مصفوفة الجليد الخارجية خلال الاعتماد فقط على الماء الذاتية في الأنسجة لأنه يساعد على ميلانعد عن الاختلافات في محتوى الماء في مقصورات الأنسجة المختلفة، ولقد ثبت لتعزيز الامتزاز 6 وتحسين وفرة أيون التي كتبها ~ 15 أضعاف 7،8 في تجارب التصوير الأنسجة.
في هذا العمل، ونحن استخدام الأشعة تحت الحمراء MALDESI MSI للحصول على توزيع نواتج عبر الأجهزة المختلفة في الجسم كله الماوس حديثي الولادة. يتم إعطاء لمحة عامة عن المعلمات قابل للتعديل من مصدر الأشعة تحت الحمراء MALDESI، وأظهرت الخطوات اللازمة للتصوير الناجح للأقسام الأنسجة.
Protocol
Representative Results
Discussion
بروتوكول يصف فوق الخطوات الرئيسية لأداء تجربة IR-MALDESI MSI. عملية تطبيق مصفوفة (القسم 3) يأخذ ما يقرب من 20 دقيقة، والذي يشبه إلى عملية تطبيق مصفوفة نموذجية للتجارب MALDI MSI عن طريق التسامي أو رذاذ الطلاء باستخدام البخاخ الروبوتية. وعلاوة على ذلك، IR-MALDESI لا تعتمد على تقسيم التح…
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).
