JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

تم تطوير طريقة متقدمة لتصوير قياس الطيف الكتلي (MSI) لعضيات الدماغ التي تسمح برسم خرائط لتوزيعات المستقلب داخل هذه النماذج. تقدم هذه التقنية رؤى حول مسارات التمثيل الغذائي للدماغ وتوقيعات الأيض أثناء التطور المبكر وفي المرض ، مما يعد بفهم أعمق لوظيفة الدماغ البشري.

Abstract

تعمل النماذج العضوية للدماغ كأداة قوية لدراسة نمو الدماغ البشري ووظيفته. يسمح لنا التصوير الطيفي الكتلي (MSI) ، وهي تقنية متطورة ، برسم خريطة للتوزيع المكاني للجزيئات المتنوعة مثل الدهون والسكريات والأحماض الأمينية والأدوية ومستقلباتها داخل هذه العضيات ، كل ذلك دون الحاجة إلى مجسات جزيئية محددة. تتوقف بيانات MSI عالية الجودة على إعداد العينة بدقة. تلعب المثبتات دورا محوريا ، لكن الخيارات التقليدية مثل الجلوتارالديهايد ، وبارافورمالدهايد ، والحفظ بالتبريد مثل السكروز قد تؤثر عن غير قصد على مستقلبات الأنسجة. يستلزم التثبيت الأمثل تجميدا سريعا في النيتروجين السائل. ومع ذلك ، بالنسبة للعضيات الصغيرة ، يتضمن النهج الأكثر ملاءمة نقل العضيات مباشرة من الحاضنة إلى محلول تضمين دافئ ، متبوعا بالتجميد في الإيثانول الجاف المبرد بالثلج. خطوة أخرى مهمة هي التضمين قبل التقطيع بالتبريد ، والذي يتطلب أيضا مواد متوافقة مع MSI ، حيث يمكن أن تتداخل الخيارات التقليدية مع ترسب المصفوفة والتأين. هنا ، يتم تقديم بروتوكول محسن ل MALDI-MSI عالي الدقة لعضيات الدماغ البشري ، بما في ذلك إعداد العينة ، والتقسيم ، والتصوير باستخدام قياس الطيف الكتلي. تعرض هذه الطريقة التوزيع الجزيئي للمستقلبات الصغيرة ، مثل الأحماض الأمينية ، بدقة وحساسية عالية للكتلة. على هذا النحو ، إلى جانب الدراسات التكميلية لعضيات الدماغ ، يمكن أن يساعد في إلقاء الضوء على العمليات المعقدة التي تحكم نمو الدماغ المبكر ، ومسارات مصير الخلايا الأيضية ، وتوقيعات المستقلب المميزة. علاوة على ذلك ، فإنه يوفر رؤى حول المواقع الدقيقة للجزيئات داخل العضوية ، مما يثري فهمنا للتنظيم المكاني للنماذج العضوية للدماغ ثلاثية الأبعاد. مع استمرار هذا المجال في التقدم ، من المتوقع وجود عدد متزايد من الدراسات التي تستفيد من MSI للتعمق في عضيات الدماغ والأنظمة البيولوجية المعقدة ، وبالتالي تعميق فهم الجوانب الأيضية لوظيفة الدماغ البشري وتطوره.

Introduction

النماذج العضوية, مشتقة من الخلايا الجذعية للأنسجة الأولية, الخلايا الجذعية الجنينية, أو الخلايا الجذعية المستحثة متعددة القدرات (iPSCs)1,2,3 تقدمت أبحاث علم الأحياء البشري من خلال تقديم نماذج ثلاثية الأبعاد التي تحاكي عن كثب الوظائف الخاصة بالأعضاء, المساعدة في دراسة التنمية البشرية, آليات المرض, واكتشاف الأدوية 4,5. في هذا السياق ، يعد الكشف عن التعقيدات العضوية في الدماغ أمرا محوريا لفهم كل من نمو الدماغ الفسيولوجي والمرضي6،7 ، مما يستلزم تقنيات مثل التصوير الطيفي الكتلي (MSI) 8،9. يتيح MSI ، المميز عن قياس الطيف الكتلي التقليدي ، رسم خرائط مباشر وخالي من الملصقات لمئات إلى آلاف الجزيئات الحيوية داخل قسم نسيج واحد ، مما يوفر رؤى مفصلة حول التوزيع المكاني للدهون الشبيهة بالجزيئات والببتيدات والأحماض الأمينية والأدوية ومستقلباتها - دون الحاجة إلى مجسات جزيئية محددة10،11. علاوة على ذلك ، يمكن تسجيل الصور الجزيئية MSI بشكل مشترك في الأقسام النسيجية والملطخة بالمناعة ، مما يوفر رؤية شاملة لمورفولوجيا الأنسجة وخصوصية الخلية والمحتوى الجزيئي.

يحمل MSI وعدا كبيرا للأبحاث العضوية ، حيث يقدم رؤى حول الأساس الجزيئي للأمراض ، والعلاقات بين النمط الجيني والظاهري ، والاستجابات للمنبهات البيئية12،13،14،15. في صناعة الأدوية ، يسهل MSI تحليلات امتصاص الأدوية وتوزيعها واستقلابها والتخلص منها في النماذج قبل السريرية11،16. علاوة على ذلك ، فإنه يساعد في حل المستقلبات المحولة بيولوجيا ، والتي قد تكون نشطة دوائيا17.

من بين طرق MSI ، يسود امتصاص / تأين الليزر بمساعدة المصفوفة (MALDI) ، وتأين الرش الكهربائي للامتصاص (DESI) ، ومطياف كتلة الأيونات الثانوية (SIMS)9،18،19،20،21. من بين هؤلاء ، تتميز MALDI-MSI بتعدد استخداماتها ، ونطاق الكتلة الواسع ، وقدرات التحليل المباشر ، والتوافق مع المركبات الكيميائية المختلفة الخاصة بالأنسجة22. ومع ذلك ، على الرغم من إمكاناتها ، لا يزال تطبيق MALDI-MSI في أبحاث العضوية في الدماغ غير مستكشف. ولمعالجة هذه الفجوة، تم إدخال بروتوكول مخصص لتحليل MALDI-MSI (HR-MALDI-MSI) عالي الدقة لعضيات الدماغ لتحسين الحفاظ على الأنسجة، واختيار المصفوفة، وظروف التصوير، مما يضمن الحصول على بيانات عالية الجودةبشكل موثوق 15. يعرض هذا البروتوكول التفصيلي قدرات HR-MALDI-MSI لتزويد الباحثين بترسانة إضافية لتسخير قوة هذه التكنولوجيا لاستكشاف المشهد الأيضي للعضيات بتفاصيل غير مسبوقة.

Protocol

يتم تصوير الفائض العام للبروتوكول في الشكل 1. تفاصيل الكواشف والمعدات المستخدمة في الدراسة مدرجة في جدول المواد.

1. تحضير قسم العضوية في الدماغ

  1. تحضير عضيات الدماغ (2-3 مم في الحجم عندما تصل إلى 30-60 يوما في المزرعة) من الخلايا الجذعية المستحثة متعددة القدرات (iPSC) بعد التقارير المنشورة سابقا23،24 وجمعها في الوقت المطلوب باستخدام أطراف التجويف الواسعة.
    1. اغسل العضيات المحضرة ثلاث مرات باستخدام 1x محلول ملحي مخزن بالفوسفات من Dulbecco بدون CaCl2 و MgCl2 في درجة حرارة الغرفة لشطف الوسائط ثم بسرعة كبيرة بالماء المقطر في درجة حرارة الغرفة لشطف أي أملاح من DPBS.
  2. تحضير 10٪ من محلول الجيلاتين من جلد السمك البارد عن طريق تقليب وتسخين الجيلاتين (10 مجم في 100 مل من DPBS) عند 70-80 درجة مئوية لمدة ساعتين ، ثم انقل المحلول إلى حاضنة 37 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة لإزالة الفقاعات والتوازن مع درجة حرارة الحاضنة حيث نمت العضيات.
    ملاحظة: يوصى بتحضير الجيلاتين طازجا لكل تجربة ، ولكن يمكن استخدامه لمدة تصل إلى أسبوع واحد (تخزينه في 4 درجات مئوية) إذا لزم الأمر. سوف يتجمد الجيلاتين في درجة حرارة الغرفة ويحتاج إلى تسخينه قبل استخدامه كمحلول تضمين حتى يصبح سائلا.
  3. قم بتثبيت القطعة العضوية في وسط قالب بلاستيكي (25 مم × 20 مم × 5 مم) بطرف الماصة الصغير واسكب محلول تضمين الجيلاتين بنسبة 10٪ برفق في القالب حتى يتم غمر العضوي بالكامل (يجب أن يكون القالب نصف ممتلئ تقريبا).
    1. ضع القالب في طبق بتري على ثلج جاف يحتوي على الإيثانول البارد بنسبة 100٪ لتجميده بسرعة (1-2 دقيقة). عند التجميد تماما ، كما يتضح من تغيير اللون إلى الأبيض الصلب ، أخرج كتلة الجيلاتين العضوي من طبق بتري ، ولفها بورق الألمنيوم أو ضعها في كوب من الصفيح ، مغلق لمنع تركيز الماء ، وخزنها في درجة حرارة -80 درجة مئوية حتى تصبح جاهزة للتشريح بالتبريد.
  4. للتقطيع بالتبريد، ضع الكتل البلاستيكية التي تحتوي على عضويات داخل غرفة التبريد عند -20 درجة مئوية إلى -25 درجة مئوية لمدة 10-15 دقيقة للتوازن مع درجة حرارة الغرفة. قسم العضيات إلى أقسام 14 ميكرومتر باستخدام التبريد وتركيب الذوبان على شرائح زجاجية مطلية بأكسيد قصدير الإنديوم (شرائح ITO) ل MSI.
  5. إما أن تقوم على الفور بمسح الأقسام الموحدة هيكليا في مقياس طيف الكتلة أو إغلاقها في الحاوية وتخزينها عند -80 درجة مئوية للدراسات اللاحقة.

2. إعداد المصفوفة وتطبيقها ل MALDI-MSI

  1. بالنسبة إلى MALDI-MSI ، قم برش الشرائح وتغطية أقسام الأنسجة بالمصفوفة ، وهو مركب عضوي يساعد على تأين المستقلبات المختلفة25. تستخدم مصفوفات مختلفة لتصوير أنواع مختلفة من الجزيئات. لذلك ، أولا ، يجب اختيار المصفوفة الأنسب للدراسة.
    ملاحظة: ركزت هذه الدراسة على توطين وتوزيع المستقلبات الصغيرة والأحماض الأمينية المتعلقة بمسارات التمثيل الغذائي للميتوكوندريا ، وتم اختيار المصفوفة وفقا لذلك (لرسم خرائط الدهون ، يرجى الاطلاع على Cappuccio et al.)15.
  2. أولا ، عند إخراج شرائح ITO من -80 درجة مئوية ، ضع الشريحة على الفور في مجفف لمدة 20 دقيقة لتقليل تكثيف المياه في الغلاف الجوي على الأسطح.
  3. قم بإعداد N- (1-naphthyl) إيثيلين ديامين ثنائي هيدروكلوريد (NEDC) ، وهي مصفوفة مناسبة للمستقلبات الصغيرة لأنها تعطي إشارة قوية للمادة التحليلية ذات الأهمية دون التدخل في إشارات الخلفية تحت m / z البالغة 500 Da26. رش محلول NEDC 10 مجم / مل في 70٪ ميثانول على الأقسام العضوية بعد تجفيف الانزلاق باستخدام بخاخ هوائي ساخن.
  4. اضبط معلمات بخاخ المصفوفة على النحو التالي: درجة حرارة الفوهة = 75 درجة مئوية ، سرعة الفوهة = 1,250 مم / دقيقة ، معدل تدفق المضخة = 100 ميكرولتر / دقيقة ، عدد التمريرات = 8 ، تباعد المسار = 2.5 مم ، معدل تدفق الغاز 3 لتر / دقيقة ، وقت التجفيف = 10 ثوان و 10 رطل لكل بوصة مربعة ضغط غاز النيتروجين.

3. أجهزة MALDI-MSI

  1. لتحقيق منصة MALDI-MSI عالية الدقة لتصور المستقلبات العضوية في الدماغ ، قم بتركيب مصدر أيون MALDI بواجهة قمع مزدوجة الأيونات إلى مطياف الكتلة.
  2. استخدم ليزر Nd متصل بمفتاح Q ، ثلاثي التردد بطول موجي 349 نانومتر ، ومعدل تكرار 1 كيلو هرتز ، وطاقة نبضة تبلغ حوالي 1.3-1.4 ميكروجول.
  3. لتجنب الإفراط في أخذ العينات ، ركز الليزر على حجم بقعة يبلغ قطره ~ 15 ميكرومتر.
  4. قم بإرفاق العينة بمرحلة حاقن MALDI. قم بتشغيل وصيانة قمع الأيونات عالي الضغط عند 7.4-7.5 Torr ، والحفاظ على قمع أيون الضغط المنخفض عند 1.6-1.8 Torr.
  5. قم بتطبيق الفولتية الترددية الراديوية 604 كيلو هرتز ، و 80 فولت 0 ذروة ، و 780 كيلو هرتز ، 191 فولت 0 ذروة على قمع الأيونات عالي الضغط والمنخفض ، على التوالي.
  6. لتحسين حساسية المستقلبات الصغيرة في نطاق الكتلة المنخفضة ، قلل سعة الترددات اللاسلكية في قمع الضغط المنخفض والعالي لمصدر MALDI-MSI إلى حوالي 20٪ و 15٪ على التوالي.
  7. اضبط دقة الكتلة على 70,000. حدد المساحة وحجم البكسل (25 ميكرومتر / بكسل) المراد قياسها في برنامج حاقن MALDI.

4. الحصول على بيانات MALDI-MSI وتحليل البيانات

  1. الحصول على بيانات في نطاق m / z من 80-900 في كل من الوضعين الأيوني السالبة والموجبة. امسح العينات بدقة جانبية تبلغ 25 ميكرومتر لكل بكسل لأقسام عضوية 14 ميكرومتر.
  2. اضبط وقت حقن الأيونات على مطياف الكتلة عند 250 مللي ثانية واحصل على أطياف كتلة تحويل فورييه (FTMS) في وضع الملف الشخصي بينما يتم إيقاف تشغيل التحكم التلقائي في الكسب (AGC)26.
  3. استخدم قمم مصفوفة NEDC كمعايرة كتلة داخلية عبر الإنترنت ، مما ينتج عنه دقة كتلة أفضل من ±5 جزء في المليون.
  4. استخدم برامج متوافقة لمعالجة البيانات. قم باستيراد البيانات الطيفية ل MSI مباشرة إلى البرنامج ، ثم قم بإجراء تصحيح خط الأساس باستخدام خوارزمية الالتفاف وتطبيع البيانات باستخدام إجمالي عدد الأيونات (TIC).
  5. قم بإنشاء قائمة ميزات الصور الأيونية من ملفات البيانات الأولية باستخدام عرض سلة Δm / z = 0.01 أو ±5 جزء في المليون لتمييز الصور m / z بناء على عيب الكتلة وتغطية البكسل.
  6. قم بإنشاء صور ملونة زائفة (Jet) أو RGB (أحمر-أخضر وأزرق) من أنواع أيونات المستقلب الفردية. قم بتحميل قائمة m / z لملفات البيانات الأولية التي تم الحصول عليها من MALDI-MSI إلى قاعدة بيانات التمثيل الغذائي البشري (HMDB) (تحمل الكتلة <5 جزء في المليون بالنسبة إلى m / z النظري) لتحديد المستقلبات.
    ملاحظة: تستخدم أيضا الكتلة الدقيقة والصيغة المتوقعة وهيكل المستقلب الذي تم الحصول عليه من بيانات LC-MS / MS للاستعلام عن قواعد بيانات الأيض (على سبيل المثال ، HMDB ، Metlin) لمقارنة المستقلب وتحديده.

النتائج

فيما يلي بروتوكول يعمل على تحسين التصوير الجزيئي (الأيضي) باستخدام MSI (الشكل 1 ، يرجى أيضا الاطلاع على Cappuccio et al.)15. تم تحقيق البيانات الأكثر موثوقية والحفاظ على مورفولوجيا الأنسجة بنسبة 10٪ جيلاتين من جلد السمك البارد ، كما أكد من خلال التلوين النسيجي للمقاطع التسلسلية. باستخدام تضمين جيلاتين السمك لعضويات الدماغ البشري لمدة 60 يوما ، تم تعيين مستقلبات كريبس المرتبطة بدورة كريبس باستخدام MSI ، مما يدل على توزيعها المكاني (الشكل 2).

بشكل عام ، قدم البروتوكول المحسن باستمرار نتائج قوية ، مع 10٪ جيلاتين من جلد السمك البارد كمادة تضمين مفضلة وإعدادات رش مصفوفة NEDC مضبوطة بدقة لتحسين دقة الصورة. توفر المستقلبات الصغيرة المكتشفة في عضيات الدماغ رؤى قيمة حول التعقيدات الجزيئية لهذا الأنسجة.

figure-results-945
الشكل 1: خط الأنابيب العام لدراسة الأيض العضوي في الدماغ البشري. تستخدم العضيات المشتقة من الخلايا الليفية للفرد عبر الخلايا الجذعية المستحثة متعددة القدرات ل LC-MS و MSI لتسليط الضوء على التوزيع المكاني للمستقلبات. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-1514
الشكل 2: رسم خرائط المستقلبات المرتبطة بدورة كريبس. تحديد وتوزيع المستقلبات المرتبطة بدورة كريبس باستخدام عضيات لمدة 60 يوما مشتقة من الضوابط الصحية باستخدام MSI. يتم عرض تلطيخ الهيماتوكسيلين واليوزين. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Discussion

يعالج البروتوكول المكرر ل MALDI-MSI عالي الدقة لعضيات الدماغ البشري بدقة الخطوات المحورية لضمان موثوقية النتائج. يظهر الحفاظ على العينات على أنه أمر بالغ الأهمية ، ولالتحايل على تكسير الأنسجة وتلفها ، يتم اقتراح طريقة تجميد بديلة تتضمن محلول تضمين دافئ وإيثانول جاف مبرد بالثلج. يعمل هذا البروتوكول بشكل أفضل مع الأنسجة ذات الحجم الدقيق، مثل عضيات الدماغ البشري15. يتم تحذير مواد التضمين مثل مركب درجة حرارة القطع المثلى (OCT) وتضمين البارافين الثابت الفورمالين (FFPE) بسبب تداخلها مع ترسيب المصفوفة والتأين. بدلا من ذلك ، يتم تسليط الضوء على 10٪ جيلاتين من جلد السمك البارد باعتباره حل التضمين الأمثل ، مما يدل على فعاليته في الحفاظ على سلامة الأنسجة أثناء التقطيع بالتبريد15. علاوة على ذلك ، فإن اختيار المصفوفة وتقنيات الترسيب الخاصة بها ، مثل الرش الجاف ، أمر حتمي لتقليل تمركز المستقلبات الصغيرة المنخفضة m / z وتحسين دقة الصورة.

يتم إثبات متانة وموثوقية البروتوكول من خلال الكشف الناجح وتصور مجموعة واسعة من الجزيئات في عضيات الدماغالبشري 15 ، مما ينتج عنه رؤى لا تقدر بثمن حول توزيعها المكاني وأهميتها البيولوجية المحتملة. تزيد هذه النتائج بشكل كبير من فهم المشهد الجزيئي المعقد داخل عضيات الدماغ ، وتوضح مسارات الإشارات المحورية وعمليات التمثيل الغذائي التي تدعم نمو الدماغ ووظيفته.

في حين أن البيانات الحالية توفر رؤى جديدة حول توطين الأنواع المتنوعة ، فإن مصدر التصوير Spectroglyph MALDI المستخدم في هذه الدراسة لم يحقق بعد دقة على مستوى الخلية المفردة (حاليا عند ~ 10-20 ميكرومتر). يمكن للمنصات الأخرى ، مثل Bruker's timsTOF و Water's MRT ، تقديم دقة خلية واحدة عند 5 ميكرومتر ، وبالتالي ، من المهم أن تضع في اعتبارك الأداة التي سيتم استخدامها للتجريب.

على الرغم من هذه القيود ، فإن HR-MALDI-MSI عالي الدقة لعضويات الدماغ يحمل وعدا كبيرا. توفر القدرة على رسم خريطة لتوزيعات المستقلب والدهون داخل العضيات نقطة فريدة حول مسارات مصير الخلايا الأيضية والمسارات والتوقيعات المميزة الحاسمة لتطور العضوية ونضجها. تعمل هذه المنهجية كجسر بين علم الأنسجة التقليدي والتحليل الجزيئي ، مما يسهل فهما أعمق للترابط بين الجينوم والظاهرة والاستجابات البيئية.

باختصار ، يشكل البروتوكول الأمثل ل HR-MALDI-MSI لعضيات الدماغ البشري رصيدا قيما للباحثين الذين يستكشفون النماذج العضوية. تضع هذه الطريقة الأساس لمزيد من التوضيح للتعقيدات الجزيئية التي تدعم نمو الدماغ ووظيفته من خلال معالجة الخطوات الحرجة بدقة واستكشاف الأخطاء وإصلاحها والاعتراف بالقيود. مع تطور تقنية MSI وأصبحت متاحة بشكل متزايد ، فهي مهيأة لتعزيز فهمنا للتطور البشري المبكر ونمذجة الأمراض واكتشاف الأدوية.

Disclosures

المؤلفون ليس لديهم ما يكشفون عنه.

Acknowledgements

نشكر أعضاء مختبر Maletic-Savatic ، وخاصة دانييل ميندونكا ، طالبة الدراسات العليا ، على المناقشات والتعليقات المفيدة على هذا العمل ، والدعم الأساسي للتكنولوجيا المتقدمة في كلية بايلور للطب للرنين المغناطيسي النووي ونواة التمثيل الغذائي للأدوية. تم دعم هذا العمل جزئيا من خلال منح من المعهد الوطني للصحة العقلية (1R01MH130356 إلى MS) ، ومعهد يونيس كينيدي شرايفر الوطني لصحة الطفل والتنمية البشرية (R61 / R33HD099995 إلى F.L.) ، ومعهد يونيس كينيدي شرايفر الوطني لصحة الطفل والتنمية البشرية التابع للمعاهد الوطنية للصحة (P50HD103555) لاستخدام مرفق الفحص المجهري الأساسي ، المرفق الأساسي لعلم الأمراض ، والمرفق الأساسي للنماذج الخلوية للأمراض البشرية. بالإضافة إلى ذلك ، تم تمويل هذا العمل جزئيا بأموال فيدرالية من معهد البحوث الانتقالية لصحة الفضاء من خلال NNX16AO69A اتفاقية ناسا التعاونية ، ومنحة RAD01013 (M.M.S) ، وناسا بموجب عقد 80ARC023CA004 بعنوان "MORPH: إصلاح الأعضاء المتعددة بعد نقص الأكسجة" (MS) بالإضافة إلى Autism Speaks (GC) ، وجائزة مؤسسة Simons التجريبية (MS) وسينثيا وأنتوني بيتريلو
الوقف (M.M.S).

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
(1S, 2S)-1,2-di-1-Naphthyl-ethylenediamine dihydrochlorideSigma-Aldrich (St. Louis, MIA)1052707-27-3Matrix substance for MALDI-MS, ≥99.0% (HPLC)
1× Dulbecco’s phosphate-buffered saline (DPBS)Life Technologies, USA14190-144Without CaCl2 and MgCl2
ART Wide Bore Filtered Pipette TipsThermo Fisher Scientific, Massachusetts, USA2069GReduce potential contamination
CryomoldsTissue-Tek25608-916Standard mold with flat-surface 
EntellanFisher ScientificM1079610500Cover slips
Eosin YFisher Scientific (Waltham, MA, USA)E511-25Certified Biological Stain
Fish gelatinSigma-Aldrich (St. Louis, MIA)G7041Powder form from cold water fish skin
HematoxylinFisher Scientific (Waltham, MA, USA)517-28-2Certified biological stain Elevated pressure imaging source with
HTX M5+ sprayerHTX Technologies LLC, Carrboro, USAMatrix sprayer
Indium tinHudson Surface Technology,PL-IF-000010-P25Provide a conductive surface for MALDI imaging
MALDI ion sourceSpectroglyph LLC, USAdual ion funnel interface
MethanolFisher Scientific (Waltham, MA, USA)67-56-1HPLC grade
oxide (ITO) conductive–coated slides  New York, United States
Porcine gelatinSigma-Aldrich (St. Louis, MIA)G1890Powder form from porcine skin
Q-Exactive mass spectrometerThermo Fisher Scientific, Massachusetts, USAHigh resolution mass spectrometry
SCiLS Lab software version 2024a Pro for processing the data 
WaterFisher Scientific (Waltham, MA, USA)W6500HPLC grade
(Waltham, MA, USA)

References

  1. Sasai, Y. Next-generation regenerative medicine: Organogenesis from stem cells in 3D culture. Cell Stem Cell. 12 (5), 520-530 (2013).
  2. Clevers, H. Modeling development and disease with organoids. Cell. 165 (7), 1586-1597 (2016).
  3. Takebe, T., Wells, J. M. Organoids by design. Science. 364 (6444), 956-959 (2019).
  4. Sandoval, S. O., et al. Rigor and reproducibility in human brain organoid research: Where we are and where we need to go. Stem Cell Rep. 19 (6), 796-816 (2024).
  5. Dei-Ampeh, A. K., Shah, M., Cappuccio, G., Young, D. W., Maletic-Savatic, M. Human models as new tools for drug development and precision medicine. Phenotyping of Human iPSC-derived Neurons. , 155-171 (2023).
  6. Choi, W. T., et al. Metabolomics of mammalian brain reveals regional differences. BMC Sys Bio. 12 (S8), 127 (2018).
  7. Kandel, P., et al. Oleic acid is an endogenous ligand of TLX/NR2E1 that triggers hippocampal neurogenesis. PNAS. 119 (13), e2023784119 (2022).
  8. Tang, C., et al. Analytical platforms and techniques to study stem cell metabolism. Methods Mol Biol. 1842, 265-281 (2018).
  9. Chen, K., Baluya, D., Tosun, M., Li, F., Maletic-Savatic, M. Imaging mass spectrometry: A new tool to assess molecular underpinnings of neurodegeneration. Metabolites. 9 (7), 135 (2019).
  10. Zhang, H., et al. Mass spectrometry imaging for spatially resolved multi-omics molecular mapping. NPJ Imaging. 2 (1), (2024).
  11. Spruill, M. L., Maletic-Savatic, M., Martin, H., Li, F., Liu, X. Spatial analysis of drug absorption, distribution, metabolism, and toxicology using mass spectrometry imaging. Biochem Pharmacol. 201, 115080 (2022).
  12. Sekera, E. R., Akkaya-Colak, K. B., Lopez, A., Mihaylova, M. M., Hummon, A. B. Mass spectrometry imaging and histology for the analysis of budding intestinal organoids. Anal Chem. 96 (10), 4251-4258 (2024).
  13. Wang, Y., Hummon, A. B. MS imaging of multicellular tumor spheroids and organoids as an emerging tool for personalized medicine and drug discovery. J Biol Chem. 297 (4), 101139 (2021).
  14. Bakker, B., et al. Preparing ductal epithelial organoids for high-spatial-resolution molecular profiling using mass spectrometry imaging. Nat Protoc. 17 (4), 962-979 (2022).
  15. Cappuccio, G., Khalil, S. M., Osenberg, S., Li, F., Maletic-Savatic, M. Mass spectrometry imaging as an emerging tool for studying metabolism in human brain organoids. Front Molecular Biosci. 10, 1181965 (2023).
  16. Khalil, S. M., et al. MALDI Imaging mass spectrometry visualizes the distribution of antidepressant duloxetine and its major metabolites in mouse brain, liver, kidney, and spleen tissues. Drug Metab Dispos. 52 (7), 673 (2024).
  17. Swales, J. G., Hamm, G., Clench, M. R., Goodwin, R. J. A. Mass spectrometry imaging and its application in pharmaceutical research and development: A concise review. Int J Mass Spectrom. 437, 99-112 (2019).
  18. Müller, W. H., Verdin, A., De Pauw, E., Malherbe, C., Eppe, G. Surface-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry imaging: A review. Mass Spectrom Rev. 41 (3), 373-420 (2022).
  19. Langridge, J. I., Claude, E. Matrix-assisted laser desorption and desorption electrospray ionization mass spectrometry coupled to ion mobility. Methods Mol Biol. 2084, 245-265 (2020).
  20. Khalil, S. M., Römpp, A., Pretzel, J., Becker, K., Spengler, B. Phospholipid topography of whole-body sections of the Anopheles stephensi mosquito, characterized by high-resolution atmospheric-pressure scanning microprobe matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry imaging. Anal Chem. 87 (22), 11309-11316 (2015).
  21. Khalil, S. M., Sprenger, R. R., Hermansson, M., Ejsing, C. S. DDA-imaging with structural identification of lipid molecules on an Orbitrap Velos Pro mass spectrometer. J Mass Spectrom. 57 (9), e4882 (2022).
  22. Bender, K. J., et al. Sample preparation method for MALDI mass spectrometry imaging of fresh-frozen spines. Anal Chem. 95 (47), 17337-17346 (2023).
  23. Paşca, A. M., et al. Functional cortical neurons and astrocytes from human pluripotent stem cells in 3D culture. Nat Methods. 12 (7), 671-678 (2015).
  24. Qian, X., Song, H., Ming, G. Brain organoids: Advances, applications and challenges. Development. 146 (8), dev166074 (2019).
  25. Ferguson, C. N., Fowler, J. W. M., Waxer, J. F., Gatti, R. A., Loo, J. A. Mass spectrometry-based tissue imaging of small molecules. Adv Mass Spectrom Biomed Res. 806, 283-299 (2014).
  26. Wang, J., et al. MALDI-TOF MS imaging of metabolites with a N -(1-Naphthyl) Ethylenediamine Dihydrochloride matrix and its application to colorectal cancer liver metastasis. Anal Chem. 87 (1), 422-430 (2015).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

MSI

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved