Summary

Microprobe kapillær elektroforese massespektrometri for encellede Metabolomics i Live Frog (Xenopus laevis) embryoner

Published: December 22, 2017
doi:

Summary

Vi beskrive de skridt, der gør det muligt hurtig in situ prøveudtagning af en lille del af en enkelt celle med høj præcision og minimal invasion ved hjælp af kapillar-baseret mikro-prøvetagning, for at lette kemiske karakterisering af et øjebliksbillede af metaboliske aktivitet i levende embryoner ved hjælp af en specialbygget enkelt celle kapillær elektroforese og massespektrometri platform.

Abstract

Kvantificering af små molekyler i enkelt celler rejser nye potentialer for bedre at forstå de grundlæggende processer, der ligger bag embryonale udvikling. Aktiver encellede undersøgelser direkte i levende embryoner, nye analytiske tilgange er nødvendige, især dem, der er følsomme, selektiv, kvantitative, robust og skalerbar til forskellige cellestørrelser. Vi præsenterer her, en protokol, der muliggør i situ -analysen af stofskiftet i enkelte celler i frit udvikle embryoner af den sydafrikanske jeg frøen (Xenopus laevis), en kraftfuld model i celle og udviklingsmæssige biologi. Denne fremgangsmåde bruger en kapillær microprobe til Aspirér en defineret del fra enkelt identificerede cellerne i embryonet, forlader naboceller intakt til efterfølgende analyse. De indsamlede celleindhold er analyseret af en individuel kapillær elektroforese electrospray Ionisation (CE-ESI) grænseflade koblet til en høj opløsning tandem massespektrometer. Denne tilgang er skalerbar til forskellige cellestørrelser og kompatible med den komplekse tre-dimensionelle struktur af den embryo under udvikling. Som et eksempel vise vi, at microprobe enkelt celle CE-ESI-MS giver mulighed for belysning af metaboliske celle heterogenitet, der udfolder sig som en stamfader celle giver anledning til efterkommere under udviklingen af fosteret. Udover celle og udviklingsmæssige biologi er de enkelt celle analyse protokoller er beskrevet her indstillet til andre cellestørrelser, celletyper eller dyremodeller.

Introduction

En omfattende forståelse af embryonale udvikling kræver karakterisering af alle molekylære ændringer, at udfolde sig i hver eneste celle i udviklingslandene organismen. Mens næste Generation Sequencing med molekylær forstærkning giver vides dyb måling af encellede transcriptomes1 i udviklingslandene systemer2,3, betydeligt mindre om suite af mindre molekyler produceret i enkelt embryonale celler, herunder proteiner og, især, metabolitter (molekylmasse < ~ 1.500 Da). Med en hurtig og dynamisk respons på indre og ydre begivenheder fungerer metabolome som en kraftfuld deskriptor af en celle molekylære tilstand. Encellede metabolome, rejser derfor potentiale til at spore den rumlige og tidsmæssige udvikling af celle heterogenitet i de tidlige embryoner og at identificere nye molekyler til funktionelle studier. Dog uden molekylære forstærkning tilgængelige for disse molekyler kræver påvisning af metabolome særlige følsomhed ved hjælp af massespektrometri (MS), som er teknologien valg for metabolitten analyse.

Encellede MS er en samling af teknologier med tilstrækkelig følsomhed til at måle metabolitter i enkelte celler (Se anmeldelser 4,5,6,7,8,9 ,10,11,12,13,14,15). Reproducerbare udtagning af celler og effektiv udvinding af metabolitter er afgørende for vellykket påvisning af metabolitter i enkelte celler. Hele-celle dissektion af identificerede celler fra Xenopus embryoner har aktiveret karakterisering af små molekyler og peptider16. Andre tilgange ansætte Mikropipetter til prøve individuelle levende celler efterfulgt af påvisning ved hjælp af electrospray Ionisation (ESI) MS. For eksempel, blev metabolitter målt i plante eller pattedyrsceller af encellede video MS17, trykbærende prøvetagningssonden18, enkeltsonde19og fluidic force mikroskopi20, blandt andre teknikker21, 22,23,24. Derudover forenkler indarbejdelse af kemisk adskillelse forud for ionisering til én celle MS arbejdsgang effektivt metabolome, dermed afhjælpe eventuelle interferenser under ion generation før registrering. Vigtigere, giver adskillelse også stof-specifikke oplysninger for at hjælpe i molekylær identifikationer. Kapillar elektroforese (CE) er blevet brugt til at registrere metabolitter i enkelt dissekeret25,26 eller microsampled27neuroner, fanger små-molekyle forskelle mellem neuron fænotyper. Vi for nylig tilpasset CE ESI tandem MS hen til muliggøre spor-niveau påvisning af hundredvis af metabolitter i individuelle celler, der blev dissekeret fra tidlige embryoner fra Xenopus laevis16,28. Disse undersøgelser afslørede overraskende metaboliske forskelle mellem embryonale celler på et tidligt udviklingstrin og førte til opdagelsen af metabolitter med tidligere ukendt udviklingsmæssige virkninger16.

Her giver vi en protokol, der aktiverede påvisning af metabolitter i enkelt celler direkte i en levende hvirveldyr embryoner ved hjælp af microprobe encellede CE-ESI-MS29,30. Model organisme valgt er 8-til-32-cellen X. laevis embryo, selv om fremgangsmåde gælder også for senere stadier af udvikling og andre typer af modelorganismer. Denne protokol bruger skærpet kapillærer med multi-akse Translationel kontrol under vejledning af en høj opløsning billedbehandlingssystem til Aspirér en ~ 10 nL del af identificerede celler i situ i det morfologisk komplekse embryo under udvikling. Denne microprobe er skalerbar til mindre celler og opererer inden for sekunder, som er tilstrækkeligt hurtigt til at spore celle lineages i embryo. Efter udpakning polar eller apolar små molekyler, som metabolitter og peptider, fra de indsamlede prøven i ~ 4-5 µL ekstraktionsopløsning, en ~ 10 nL den resulterende ekstrakt er analyseret i en specialbygget CE platform bindestreg til en ESI massespektrometer. Opførelse og drift af CE-ESI-MS platformen bygger på protokoller er beskrevet andetsteds. 31 , 32 den co-axial CE-ESI grænseflade er konstrueret som beskrevet andetsteds. 31 denne platform er fastholdt i kegle-jet sprøjtning regimet til at opnå spor-niveau følsomhed med en kapacitet til kvantificering over en 4-5 log-ordre dynamikområde (relative28,29,30 eller absolutte16). CE-ESI-MS platform tilbyder en 60-Jørgen lavere grænse på opdagelse med 8% Relativ standardafvigelse (RSD) i kvantitering over et afprøvet sortiment af 10 nM til 1 µM for små molekyler16, som er tilstrækkelig til at karakterisere endogene metabolitter i X. Bærmispel celler. Microprobed celler vedbliver med at opdele som embryon skrider frem gennem udvikling30, giver mulighed for tidsmæssigt og rumligt løst analyse af cellulære metabolisme. Faktisk, encellede CE-ESI-MS kan bruges til at finde metaboliske forskelle mellem celler, der besætte dorsal-ventral16,29, dyr-vegetabilsk16, og venstre-højre28 udviklingsmæssige akser samt celler at danne det neurale væv skæbnesvangre dorsal afstamning fra en fælles Stamform celle i X. laevis30. Udover forespørge metaboliske forskelle mellem individuelle embryonale celler på forskellige udviklingsstadier af X. laevis embryo30, forventer vi, at de protokoller, der er beskrevet her kan anvendes til en bred vifte af biomolekyler og enkelt celler microsampled fra forskellige stadier af embryoets udvikling samt andre typer af celler og modelorganismer. Derudover, kunne microprobe anvendes til microsampling, mens en anden platform kompatibel med minimal prøver kan bruges til adskillelse og/eller karakterisering af biomolekyler.

Protocol

Alle protokoller vedrørende vedligeholdelse og håndtering af Xenopus laevis blev godkendt af det institutionelle Animal Care og brug udvalg ved George Washington University (IACUC ikke. A311). 1. forberedelse af prøvetagning instrumenter, medier, opløsningsmidler, og prøvetagning retter Forberede 1 x Steinbergs løsning (SS) ved at opløse de følgende salte i ultrarent vand (~18.2 MΩ.cm ved 25 ° C) i følgende rækkefølge og ved de angivne koncentrationer efter en…

Representative Results

Vi for nylig ansat microprobe encellede CE-ESI-MS til at karakterisere metabolitter i enkelte identificerede celler i frit udvikle Xenopus laevis embryoner29,30. Microprobe giver hurtigt (~ 5 sek/celle), i situ aspiration af ~ 10 nL fra en enkelt celle, flere ambitioner af den samme celle eller flere forskellige celler inden for de samme eller senere faser af udviklingen af den levende Foster (<strong class="xfig…

Discussion

Microprobe CE-ESI-MS giver mulighed for direkte karakterisering af metabolitter i enkelte celler i live, frit udviklingen af embryoner. Kernen i tilgangen er to tekniske delkomponenter, nemlig i situ kapillær microsampling og høj følsomhed CE-ESI-MS. i forhold til hele-celle dissektion, kapillær microsampling har fordelen, at hurtig operation (par sekunder vs 5 min / celle af dissektion), kompatibilitet med den komplekse tredimensionale morfologi af embryoner, og skalerbarhed til mindre celler, der danner i …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette arbejde blev støttet af nationale institutter for sundhed tilskud GM114854 (til PN) og CA211635 (til PN), Arnold og Mabel Beckman Foundation Beckman Young Investigator give (PN), DuPont unge Professor award (til PN), American Society for masse Massespektrometri Research Award (til PN) og COSMOS Club Foundation stipendier (til R.M.O. og E.P.P.). Udtalelser og konklusioner udtrykt i denne publikation er udelukkende forfatternes og repræsenterer ikke nødvendigvis de officielle synspunkter af de finansieringskilder.

Materials

Reagents for Embryo Culture Media
Potasium chloride Fisher Scientific BP 366-1
Magnesium sulfate Fisher Scientific M 65-3
Calcium nitrate Sigma Aldrich C1396
Cysteine MP Biomedicals 101444
Trizma hydrochloride Sigma Aldrich T3253
Trizma base Sigma Aldrich T1503
Sodium chloride Fisher Scientific 5641-212
Name Company Catalog Number Comments
Metabolite Extraction Solvents
Acetonitrile (LC-MS-grade) Fisher Scientific A955
Methanol (LC-MS-grade) Fisher Scientific A456
Water (LC-MS-grade) Fisher Scientific W6
Name Company Catalog Number Comments
Solvents and Standards for CE-ESI-MS
Formic acid (LC-MS-grade) Fisher Scientific A11710X1-AMP
Methanol (LC-MS-grade) Fisher Scientific A456-4
Water (LC-MS-grade) Fisher Scientific W6
Sodium chloride Fisher Scientific 5641-212
Acetylcholine chloride Acros Organics 159170050
Name Company Catalog Number Comments
Microprobe Fabrication Setup
Micropippette puller Sutter Instrument Co. P-1000
Borosilicate capillaries Sutter Instrument Co. B100-50-10
Fine sharp forceps: Dumont #5, Biologie/Dumoxel Fine Science Tools (USA) Inc 11252-30 Corrosion resitant and autoclavable.
Name Company Catalog Number Comments
Microprobe Sampling Setup
Micromanipulator Eppendorf, Hauppauge, NY TransferMan 4r
Stereomicroscope Nikon SMZ18 Should be vibrationally isolated.
Illuminator e.g. Goosenecks Nikon C-FLED2
Microinjector Warner Instrument, Handem, CT PLI-100A
Transfer pipettes (Plastic, disposable) Fisher Scientific 13-711-7M
Petri dish 60 mm and 80 mm Fisher Scientific S08184
Glass Pasteur Pipets ( Borosilicate, disposable) Fisher Scientific 13-678-20A
Centrifuge Thermo Scientific Sorvall Legend X1R
Name Company Catalog Number Comments
CE-ESI-MS Setup
High voltage power supply Spellman CZE1000R The HVPS may be controlled remotely using a low-voltage program generated by a personal computer. Caution: High voltage presents electrical shock hazard; all connective parts must be grounded or carefully shielded to prevent users from accidental exposure.
Syringe pumps (2) Harvard Apparatus 704506
Stereomicroscope Amscope SM-3BZZ Stereomicroscope capable of 4.5× magnification, equipped with an illuminator to monitor the spraying mode of the CE-ESI interface.
XYZ translation stage Thorlabs PT3
XYZ translation stage Custom-built This platform is capable of loading nanoliter-amounts of sample into the separation capillary via hydrodynamic injection and supplying the BGE for CE. Both interfaces described in this work were able to inject 6–10 nL of sample within 1 min into a 1 m separation capillary
Stainless steel sample vials Custom-built
Stainless steel BGE vial Custom-built
Fused silica capillary (40 µm/105 µm ID/OD; 100 cm) Polymicro technologies TSP040105
Fused silica capillary (75 µm/360 µm ID/OD; 100 cm) Polymicro technologies TSP075375
Stainless steel emitter with blunt tips (130/260 µm ID/OD) Hamilton Co. 21031A For better performance, laser-cleave and fine-polish the emitter tip.
Syringes (gas-tight): 500 – 1000 µL Hamilton Co. 1750TTL
Digital multimeter Fluke Fluke 117
High-resolution Mass Spectrometer Bruker Daltonics Maxis Impact HD High-resolution tandem mass spectrometer equipped with an atmospheric-pressure interface configured for ESI
Tunning mixture for mass spectrometer calibration Agilent technologies ESI-L G1969-85000
Data Analysis ver. 4.3 software Bruker Daltonics
Name Company Catalog Number Comments
Ancillary Equipment
Vacuum concentrator capable of operation at 4–10°C Labconco 7310022
Analytical microbalance (XSE105DU) Fisher Scientific 01911005
Freezer (-20 °C) Fisher Scientific 97-926-1
Freezer (-80 °C) Fisher Scientific 88300ASP
Refrigerated Incubator Fisher Scientific 11475126
Vortex-mixer Benchmark BS-VM-1000

References

  1. Tang, F. C., Lao, K. Q., Surani, M. A. Development and applications of single-cell transcriptome analysis. Nat. Methods. 8 (4), S6-S11 (2011).
  2. Veselovska, L., et al. Deep sequencing and de novo assembly of the mouse oocyte transcriptome define the contribution of transcription to the DNA methylation landscape. Genome Biol. 16 (209), (2015).
  3. Tran, D. A., Bai, A. Y., Singh, P., Wu, X. W., Szabo, P. E. Characterization of the imprinting signature of mouse embryo fibroblasts by RNA deep sequencing. Nucleic Acids Res. 42 (3), 1772-1783 (2014).
  4. Wang, D. J., Bodovitz, S. Single cell analysis: the new frontier in ‘omics’. Trends Biotechnol. 28 (6), 281-290 (2010).
  5. Svatos, A. Single-cell metabolomics comes of age: new developments in mass spectrometry profiling and imaging. Anal. Chem. 83 (13), 5037-5044 (2011).
  6. Rubakhin, S. S., Romanova, E. V., Nemes, P., Sweedler, J. V. Profiling metabolites and peptides in single cells. Nat. Methods. 8 (4), S20-S29 (2011).
  7. Bodenmiller, B., et al. Multiplexed mass cytometry profiling of cellular states perturbed by small-molecule regulators. Nat. Biotechnol. 30 (9), 858-889 (2012).
  8. Rubakhin, S. S., Lanni, E. J., Sweedler, J. V. Progress toward single cell metabolomics. Curr. Opin. Biotechnol. 24 (1), 95-104 (2013).
  9. Kleparnik, K., Foret, F. Recent advances in the development of single cell analysis: A review. Anal. Chim. Acta. 800, 12-21 (2013).
  10. Zenobi, R. Single-cell metabolomics: Analytical and biological perspectives. Science. 342 (6163), 1243259 (2013).
  11. Gholipour, Y., Erra-Balsells, R., Nonami, H. In situ pressure probe sampling and UV-MALDI MS for profiling metabolites in living single cells. Mass Spectrom (Tokyo). 1 (1), A0003 (2012).
  12. Comi, T. J., Do, T. D., Rubakhin, S. S., Sweedler, J. V. Categorizing cells on the basis of their chemical profiles: progress in single-cell mass spectrometry. J. Am. Chem. Soc. 139 (11), 3920-3929 (2017).
  13. Lombard-Banek, C., Portero, E. P., Onjiko, R. M., Nemes, P. New-generation mass spectrometry expands the toolbox of cell and developmental biology. Genesis. 55, e23012 (2017).
  14. Yang, Y. Y., et al. Single-cell analysis by ambient mass spectrometry. Trac-Trends Anal. Chem. 90, 14-26 (2017).
  15. Lanni, E. J., Rubakhin, S. S., Sweedler, J. V. Mass spectrometry imaging and profiling of single cells. J. Proteomics. 75 (16), 5036-5051 (2012).
  16. Onjiko, R. M., Moody, S. A., Nemes, P. Single-cell mass spectrometry reveals small molecules that affect cell fates in the 16-cell embryo. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 112 (21), 6545-6550 (2015).
  17. Mizuno, H., Tsuyama, N., Harada, T., Masujima, T. Live single-cell video-mass spectrometry for cellular and subcellular molecular detection and cell classification. J. Mass Spectrom. 43 (12), 1692-1700 (2008).
  18. Nakashima, T., et al. Single-cell metabolite profiling of stalk and glandular cells of intact trichomes with internal electrode capillary pressure probe electrospray ionization mass spectrometry. Anal. Chem. 88 (6), 3049-3057 (2016).
  19. Pan, N., et al. The single-probe: A miniaturized multifunctional device for single cell mass spectrometry analysis. Anal. Chem. 86 (19), 9376-9380 (2014).
  20. Guillaume-Gentil, O., et al. Single-cell mass spectrometry of metabolites extracted from live cells by fluidic force microscopy. Anal. Chem. 89 (9), 5017-5023 (2017).
  21. Saha-Shah, A., Green, C. M., Abraham, D. H., Baker, L. A. Segmented flow sampling with push-pull theta pipettes. Analyst. 141 (6), 1958-1965 (2016).
  22. Hu, J., et al. Synchronized polarization induced electrospray: Comprehensively profiling biomolecules in single cells by combining both positive-ion and negative-ion mass spectra. Anal. Chem. 88 (14), 7245-7251 (2016).
  23. Zhang, L. W., Vertes, A. Energy charge, redox state, and metabolite turnover in single human hepatocytes revealed by capillary microsampling mass spectrometry. Anal. Chem. 87 (20), 10397-10405 (2015).
  24. Zhang, L. W., et al. In Situ metabolic analysis of single plant cells by capillary microsampling and electrospray ionization mass spectrometry with ion mobility separation. Analyst. 139 (20), 5079-5085 (2014).
  25. Lapainis, T., Rubakhin, S. S., Sweedler, J. V. Capillary electrophoresis with electrospray ionization mass spectrometric detection for single-cell metabolomics. Anal. Chem. 81 (14), 5858-5864 (2009).
  26. Nemes, P., Knolhoff, A. M., Rubakhin, S. S., Sweedler, J. V. Metabolic differentiation of neuronal phenotypes by single-cell capillary electrophoresis electrospray ionization mass spectrometry. Anal. Chem. 83 (17), 6810-6817 (2011).
  27. Aerts, J. T., et al. Patch clamp electrophysiology and capillary electrophoresis mass spectrometry metabolomics for single cell characterization. Anal. Chem. 86 (6), 3203-3208 (2014).
  28. Onjiko, R. M., Morris, S. E., Moody, S. A., Nemes, P. Single-cell mass spectrometry with multi-solvent extraction identifies metabolic differences between left and right blastomeres in the 8-cell frog (Xenopus) embryo. Analyst. 141 (12), 3648-3656 (2016).
  29. Onjiko, R. M., Plotnick, D. O., Moody, S. A., Nemes, P. Metabolic comparison of dorsal versus ventral cells directly in the live 8-cell frog embryo by microprobe single-cell CE-ESI-MS. Anal. Methods. , (2017).
  30. Onjiko, R. M., Portero, E. P., Moody, S. A., Nemes, P. In situ microprobe single-cell capillary electrophoresis mass spectrometry: Metabolic reorganization in single differentiating cells in the live vertebrate (Xenopus laevis) embryo. Anal. Chem. 89, 7069-7076 (2017).
  31. Nemes, P., Rubakhin, S. S., Aerts, J. T., Sweedler, J. V. Qualitative and quantitative metabolomic investigation of single neurons by capillary electrophoresis electrospray ionization mass spectrometry. Nat. Protoc. 8 (4), 783-799 (2013).
  32. Knolhoff, A. M., Nemes, P., Rubakhin, S. S., Sweedler, J. V., Wevers, R., Lutz, N., Sweedler, J. V. . Methodologies for Metabolomics. , 119-139 (2013).
  33. Sive, H. L., Grainger, R. M., Harland, R. M. . Early development of Xenopus laevis: a laboratory manual. , (2000).
  34. Moody, S. A. Cell lineage analysis in Xenopus embryos. Methods Mol Biol. 135, 331-347 (2000).
  35. Bowes, J. B., et al. Xenbase: a Xenopus biology and genomics resource. Nucleic Acids Res. 36, D761-D767 (2008).
  36. Karpinka, J. B., et al. Xenbase, the Xenopus model organism database; new virtualized system, data types and genomes. Nucleic Acids Res. 43 (D1), D756-D763 (2015).
  37. James-Zorn, C., et al. Xenbase: expansion and updates of the Xenopus model organism database. Nucleic Acids Res. 41 (D1), D865-D870 (2013).
  38. Moody, S. A. Fates of the blastomeres of the 16-cell stage Xenopus embryo. Dev. Biol. 119 (2), 560-578 (1987).
  39. Moody, S. A. Fates of the blastomeres of the 32-cell-stage Xenopus embryo. Dev. Biol. 122 (2), 300-319 (1987).
  40. Dale, L., Slack, J. M. W. Fate map for the 32-cell stage of Xenopus laevis. Development. 99 (4), 527-551 (1987).
  41. Klein, S. L. The first cleavage furrow demarcates the dorsal-ventral axis in Xenopus embryos. Dev. Biol. 120 (1), 299-304 (1987).
  42. Rollman, C. M., Moini, M. Ultrafast capillary electrophoresis/mass spectrometry of controlled substances with optical isomer separation in about a minute. Rapid Commun. Mass Spectrom. 30 (18), 2070-2076 (2016).
  43. Moini, M., Martinez, B. Ultrafast capillary electrophoresis/mass spectrometry with adjustable porous tip for a rapid analysis of protein digest in about a minute. Rapid Commun. Mass Spectrom. 28 (3), 305-310 (2014).
  44. Huhn, C., Ramautar, R., Wuhrer, M., Somsen, G. W. Relevance and use of capillary coatings in capillary electrophoresis-mass spectrometry. Anal. Bioanal. Chem. 396 (1), 297-314 (2010).
  45. Nemes, P., Marginean, I., Vertes, A. Spraying mode effect on droplet formation and ion chemistry in electrosprays. Anal. Chem. 79 (8), 3105-3116 (2007).
  46. Zhu, Z. J., et al. Liquid chromatography quadrupole time-of-flight mass spectrometry characterization of metabolites guided by the METLIN database. Nat. Protoc. 8 (3), 451-460 (2013).
  47. Wishart, D. S., et al. HMDB 3.0 The Human Metabolome Database in 2013. Nucleic Acids Res. 41 (D1), D801-D807 (2013).
  48. Liu, J. X., Aerts, J. T., Rubakhin, S. S., Zhang, X. X., Sweedler, J. V. Analysis of endogenous nucleotides by single cell capillary electrophoresis-mass spectrometry. Analyst. 139 (22), 5835-5842 (2014).
  49. Hubrecht, L., Nieuwkoop, P. D., Faber, J. . Normal table of Xenopus laevis (Daudin). A systematical and chronological survey of the development from the fertilized egg till the end of metamorphosis. , (1967).
  50. Grant, P. A., Herold, M. B., Moody, S. A. Blastomere explants to test for cell fate commitment during embryonic development. J. Vis. Exp. (71), (2013).
  51. Sellick, C. A., Hansen, R., Stephens, G. M., Goodacre, R., Dickson, A. J. Metabolite extraction from suspension-cultured mammalian cells for global metabolite profiling. Nat. Protoc. 6 (8), 1241-1249 (2011).
check_url/56956?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Onjiko, R. M., Portero, E. P., Moody, S. A., Nemes, P. Microprobe Capillary Electrophoresis Mass Spectrometry for Single-cell Metabolomics in Live Frog (Xenopus laevis) Embryos. J. Vis. Exp. (130), e56956, doi:10.3791/56956 (2017).

View Video