Hela kroppen masspektrometri Imaging av Infrared Matrix-assisterad laserdesorption elektrosprayjonisering (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
Omgivande jonisering källor för masspektrometri (MS) har varit föremål för stort intresse under det senaste decenniet. Matrix-assisterad laserdesorption elektrosprayjonisering (MALDESI) är ett exempel på sådana metoder, där egenskaperna hos matrisassisterad laserdesorption / jonisering (MALDI) (t.ex. pulsad karaktär desorption) och elektro (ESI) (t.ex. mjuk jonisering ) kombineras. En av de stora fördelarna med MALDESI är dess inneboende flexibilitet. I MALDESI experiment, kan en ultraviolett (UV) eller infraröd (IR) laser användas för att resonans excitera en endogen eller exogen matris. Valet av matrisen är inte analyt beroende och beror enbart på laservåglängden som används för excitering. I IR-MALDESI experiment, är ett tunt skikt av is som avsatts på provytan som en energiabsorberande matris. IR-MALDESI källa geometri har optimerats med hjälp av statistisk utformning av experiment (DOE) för analys av vätskeprover samt Biological vävnadsprover. Dessutom har en robust IR-MALDESI imaging källa utvecklats, där en avstämbar mid-IR-laser är synkroniserad med en datorstyrd XY translationell skede och en hög upplösningsförmåga masspektrometer. En anpassad grafiskt användargränssnitt (GUI) gör att användaren val av repetitionsfrekvensen hos lasern, antalet bilder per voxel, steg storlek av provstadiet, och fördröjningen mellan desorption och skanna händelser för källan. IR-MALDESI har använts i olika applikationer, såsom kriminalteknisk analys av fibrer och färgämnen och MSI av biologiska vävnadssektioner. Fördelningen av olika analyter som sträcker sig från endogena metaboliter exogena xenobiotika inom vävnadssnitt kan mätas och kvantifieras med hjälp av denna teknik. Protokollet presenteras i detta manuskript beskriver viktiga åtgärder som krävs för IR-MALDESI MSI av hela kroppen vävnadssnitt.
Introduction
Masspektrometri imaging (MSI) i mikrosond läge innebär desorption av provet från en yta av en stråle (laser eller joner) vid diskreta platser över ytan av ett prov. Vid varje rasterpunkt är en masspektrum genereras och de förvärvade spektra, tillsammans med den rumsliga plats varifrån de samlades in, kan användas för att samtidigt kartlägga många analyter i provet. Denna etikett fritt sätt för avbildning kopplad till känslighet och specificitet av masspektrometri har hjälpt MSI blivit en av de snabbast utvecklas fält i masspektrometri 1,2.
Matrix-assisterad laserdesorption / jonisering (MALDI) är den vanligaste jonisering metod som används för MSI analyser. Emellertid behovet av en organisk matris och vakuum kraven i MALDI utgöra betydande begränsningar av reproducerbarhet, provkapacitet, och de typer av prov som kan analyseras med användning av metoden. Ett antal atmosfärstryck (AP) iosationen metoder har utvecklats under de senaste åren för att kringgå dessa begränsningar 3. Dessa omgivande jonisering metoder möjliggör analys av biologiska prover i en miljö som är mycket närmare sitt naturliga tillstånd och förenkla provberedningssteg före analys. Matrix-assisterad laserdesorption elektrosprayjonisering (MALDESI) är ett exempel på en sådan jonisering metod 4,5.
I IR-MALDESI experiment, är ett tunt skikt av is som avsatts på vävnadsytan som den energiabsorberande matris. En mid-IR laserpulsen absorberas av isen matris, och underlättar desorption av neutrala material från ytan genom resonans spännande OH stretching sättet vatten. Den desorberade neutrala partition i de laddade droppar av en ortogonal elektro och är efterjoniseras i en ESI-liknande sätt 4-6. Tillsatsen av exogena is matris är att föredra framför att enbart förlita sig på den endogena vattnet i vävnaden, eftersom det hjälper acräknas för variationer i vattenhalten i olika vävnadsavdelningar, och har visat sig förbättra desorption 6 och förbättra ion överflöd av ~ 15-faldigt 7,8 i vävnadsavbildningsexperiment.
I detta arbete använder vi IR-MALDESI MSI att framkalla fördelningen av metaboliter i olika organ i en neonatal mus hela kroppen. En översikt över justerbara parametrar för IR-MALDESI källa anges, och de åtgärder som krävs för framgångsrik avbildning av vävnadssnitt demonstreras.
Protocol
Representative Results
Discussion
Protokollet ovan beskriver de viktigaste stegen för att utföra en IR-MALDESI MSI experiment. Matrisen ansökningsprocessen (avsnitt 3) tar ungefär 20 minuter, som liknar en typisk matris ansökningsprocessen för MALDI MSI experiment genom sublimering eller spraybeläggning med hjälp av en robot spruta. Vidare IR-MALDESI inte förlitar sig på uppdelning av analyter i matriskristaller 6, och isen matrisen kan allmänt användas för alla analyter oberoende av deras vikt, storlek, eller kemiska egenskaper….
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).
