Hele kroppen massespektrometri Imaging av Infrared Matrix-assistert Laser desorpsjon electrospray ionisering (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
Ambient ionisering kilder for massespektrometri (MS) har vært gjenstand for stor interesse i det siste tiåret. Matriks-assistert laserdesorpsjon elektrospray ionisering (MALDESI) er et eksempel på slike fremgangsmåter, hvor funksjonene i matrise-assistert laserdesorpsjon / ionisering (MALDI) (for eksempel pulset arten av desorpsjon) og elektrospray ionisering (ESI) (for eksempel soft-ionisering ) kombineres. En av de store fordelene med MALDESI er dens iboende fleksibilitet. I MALDESI eksperimenter, kan en ultrafiolett (UV) eller en infrarød (IR) laser brukes til å resonantly eksitere en endogen eller eksogen matrise. Valget av matriksen er ikke analytten avhengig, og avhenger utelukkende på laserbølgelengden som brukes for eksitasjon. IR-MALDESI eksperimenter, er et tynt lag av is avsatt på prøveoverflaten som en energi-absorberende matriks. IR-MALDESI kilde geometri er optimalisert ved hjelp av statistisk forsøksplanlegging (DOE) for analyse av væskeprøver samt Biological vevsprøver. Videre har en robust IR-MALDESI bildekilde blitt utviklet, hvor en avstembar mid-IR-laseren er synkronisert med en datastyrt XY translatoriske trinn og en høy oppløsningsevne massespektrometer. En tilpasset grafisk brukergrensesnitt (GUI) lar brukeren utvalg av repetisjonstakten av laser, antall bilder per voxel, step-størrelse av prøven scenen, og forsinkelsen mellom desorpsjon og skanne arrangementer for kilden. IR-MALDESI har vært brukt i forskjellige anvendelser slik som rettsmedisinsk analyse av fibre og fargestoffer og MSI av biologiske vev seksjoner. Fordeling av forskjellige analytter som strekker seg fra endogene metabolitter til eksogene xenobiotika innenfor vevssnitt kan måles og kvantifiseres ved hjelp av denne teknikken. Protokollen presentert i dette manuskriptet beskriver store skritt som er nødvendige for IR-MALDESI MSI over hele kroppen vevssnitt.
Introduction
Massespektrometri imaging (MSI) i mikrosonde modus involverer desorpsjon av prøven fra en overflate av en bjelke (laser eller ioner) ved adskilte steder over hele overflaten av en prøve. Ved hvert rasterpunkt, blir et massespektrum som genereres og de ervervede spektra, sammen med den romlige beliggenhet, hvorfra de ble samlet, kan benyttes for samtidig å kartlegge en rekke analytter i prøven. Denne etiketten fritt slags bildebehandling koblet til sensitivitet og spesifisitet av massespektrometri har hjulpet MSI blitt en av de raskest utviklende felt i massespektrometri 1,2.
Matriks-assistert laserdesorpsjon / ionisering (MALDI) er den mest vanlige ioniseringen metode som brukes for MSI analyser. Imidlertid er behovet for en organisk matriks og vakuum kravene MALDI utgjøre betydelige begrensninger på reproduserbarhet, prøvekapasitet, og hvilke typer av prøver som kan analyseres ved hjelp av fremgangsmåten. En rekke atmosfærisk trykk (AP) ionization metoder har blitt utviklet de siste årene for å omgå disse restriksjonene 3. Disse omgivelses ionisering metodene kan for analyse av biologiske prøver i et miljø som er mye nærmere til deres naturlige tilstand og forenkle prøvefremstillingstrinn før analyse. Matriks-assistert laserdesorpsjon elektrospray ionisering (MALDESI) er et eksempel på en slik metode ionisering 4,5.
IR-MALDESI eksperimenter, er et tynt lag av is avsatt på vevsoverflaten som energi-absorberende matriks. En midt-IR-laserpuls blir absorbert av is matrisen, og muliggjør desorpsjon av nøytrale materiale fra overflaten ved hjelp av resonantly eksitere OH strekking modusen for vann. Den desorberte nøytrale skillevegg inn i de ladede dråper av en ortogonal elektrospray og er post-ionisert i en ESI-lignende måte 4-6. Tilsetningen av eksogent is matrise er foretrukket fremfor å stole utelukkende på den endogene vannet i vev, siden det hjelper acteller for variasjoner i vanninnhold i forskjellige vevsområder, og har vist seg å forbedre desorpsjon 6 og forbedre ion overflod ved ~ 15 ganger 7,8 i vev bildebehandling eksperimenter.
I dette arbeidet benytter vi IR-MALDESI MSI å lokke fram fordelingen av metabolitter på tvers av ulike organer i en neonatal mus hele kroppen. En oversikt over justerbare parametere av IR-MALDESI kilde er gitt, og de nødvendige skritt for vellykket avbildning av vevssnitt blir demonstrert.
Protocol
Representative Results
Discussion
Protokollen ovenfor beskriver de viktigste trinnene for å utføre en IR-MALDESI MSI eksperiment. Matrisen søknad fremgangsmåte (avsnitt 3) tar omtrent 20 minutter, noe som ligner på en typisk matrise søknad fremgangsmåte for MALDI MSI eksperimenter ved sublimering eller spray-belegning ved bruk av en robot sprøyter. Videre gjør IR-MALDESI ikke stole på oppdeling av analytter i matrise krystallene 6, og isen matrisen kan være universelt brukes for alle analytter uavhengig av deres masse, størrelse e…
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).
