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Farmacoterapia de reemplazo de dopamina mediante L-DOPA es el tratamiento más comúnmente utilizado sintomático de la enfermedad de Parkinson, pero se acompaña de efectos secundarios como movimientos involuntarios anormales, discinesia denomina 1. En este caso, un protocolo para la espectrometría de masas MALDI imagen se presenta que detecta cambios en los niveles de rata neuropéptidos cerebrales relacionadas con la discinesia.
MALDI imágenes de espectrometría de masas (IMS) es un enfoque poderoso que facilita el análisis espacial de las especies moleculares en muestras de tejidos biológicos 2 (Fig. 1). Una sección 12 micras tejido delgado está cubierta con una matriz de MALDI, lo que facilita la desorción y la ionización de péptidos y proteínas intactas que pueden ser detectadas con un analizador de masa, típicamente usando una TOF MALDI / espectrómetro TOF. Por lo general cientos de picos se puede evaluar en una sección de tejido cerebral de rata sola. En contraste con las técnicas de imagen comúnmente utilizados, este enfoque no requiere conocimiento previo de las moléculas de interés y permite el análisis no supervisado y completa de múltiples especies moleculares mientras se mantiene una alta especificidad y sensibilidad molecular 2. Aquí se describe un método MALDI basada en IMS a fin de elucidar los perfiles específicos de la región de distribución de neuropéptidos en el cerebro de la rata de la enfermedad de un modelo animal de Parkinson (EP).
Enfermedad de Parkinson es una enfermedad común neurodegenerativa con una prevalencia del 1% para las personas mayores de 65 años de edad 3,4. El tratamiento sintomático más común se basa en la sustitución de la dopamina mediante L-DOPA 5. Sin embargo, esto se acompaña de efectos secundarios graves, incluyendo movimientos involuntarios anormales, llamados L-DOPA discinesias inducidas (LID) 1,3,6. Uno de los cambios moleculares más destacado en la tapa es una regulación del ARNm precursor de prodinorfina opioides 7. Los péptidos dinorfina modular la neurotransmisión en áreas del cerebro que están esencialmente involucrados en el control de movimiento de 7,8. Sin embargo, hasta la fecha los péptidos opioides exactas que se originan en el procesamiento del precursor neuropéptido no se han caracterizado. Por lo tanto, hemos utilizado MALDI IMS en un modelo animal experimental de la enfermedad de Parkinson y la L-DOPA discinesia inducida.
MALDI imágenes espectrometría de masas demostrado ser particularmente ventajoso con respecto a neuropéptido caracterizaciónción, ya que los enfoques basados en anticuerpos de uso común dirigido a las secuencias de péptidos conocidos y previamente observados modificaciones post-traduccionales. Por el contrario MALDI IMS puede desvelar nuevos productos de procesamiento de péptidos y así revelar nuevos mecanismos moleculares de la modulación de neuropéptido de la transmisión neuronal. Mientras que la cantidad absoluta de los neuropéptidos no se puede determinar por MALDI IMS, la abundancia relativa de los iones de péptidos se pueden delinear a partir de los espectros de masas, ofrecerá una visión de cambio en los niveles de salud y la enfermedad. En los ejemplos que aquí se presentan, las intensidades máximas de dinorfina B, alfa neoendorphin y la sustancia P se encontró que se incrementó significativamente en el dorso-lateral, pero no el cuerpo estriado dorsomedial, de los animales con discinesia grave en el tronco facial, y los músculos orolingual (Fig. 5). Por otra parte, MALDI IMS reveló una correlación entre la severidad de la discinesia y los niveles de des-tirosina alfa-neoendorphin, lo que representa un mecanismo previamente desconocido de la inactivación funcionalvación de dinorfinas en el cuerpo estriado como la eliminación de la N-terminal de la tirosina reduce la dinorfina de los receptores opiáceos capacidad de unión 9. Este es el primer estudio sobre la caracterización de neuropéptido Y en tapa con MALDI IMS y los resultados destacan el potencial de la técnica para su aplicación en todos los ámbitos de la investigación biomédica.
El protocolo se ajusta a los efectos de un análisis estadístico de los datos de IMS MALDI de múltiples secciones de cerebro de rata, por lo general 20-30 secciones, y consta de cinco pasos diferentes que comprenden la preparación del tejido, la matriz de la aplicación, MALDI-TOF MS análisis, la evaluación de datos, y el neuropéptido identificación. Los procedimientos se describen y se describe con más detalle a continuación:
1. Preparación de tejidos
Este procedimiento incluye la recolección de las muestras de tejido respectivos así como el tejido de seccionamiento para el análisis de IMS. Un objetivo particular de la proteína y el análisis de péptidos es para evitar la degradación proteolítica. Por lo tanto, es esencial trabajar rápido y diligente durante la disección de los tejidos.
2. Matriz de la aplicación
La aplicación de matrizpaso tiene un impacto significativo sobre la calidad del espectro y requiere la optimización de múltiples parámetros en función del tipo de tejido, así como el analito de interés. Estos factores incluyen parámetros químicos tales como el tipo de matriz, la concentración de la matriz, el pH, el lavado de tejidos y modificadores orgánicos, así como configuraciones instrumentales incluyendo el volumen de depósitos, resolución lateral y el número de deposiciones 10 (Fig. 2D). Para los experimentos a gran escala, es de gran importancia para reducir las variaciones, por ejemplo mediante la aplicación de la matriz para todas las secciones dentro de un día y por el mismo operador. Aunque hay muchas estrategias para aplicar la solución de matriz tal como por sublimación o por pulverización, la deposición automatizado de las matrices de las gotitas de matriz pequeños, sobre 100-150 picolitros de tamaño, se ha utilizado con éxito para el análisis de proteínas pequeñas y neuropéptidos en diversos tejidos , incluyendo las 9 secciones del cerebro, 10,11, 12, 13.
3. MALDI MS de adquisición de datos y el procesamiento
MS análisis de los neuropéptidos se realiza en un tiempo de vuelo por instrumentos MALDI (Ultraflex II, Bruker Daltonics, Alemania) que funcionan en modo de espejo, con la adquisición de datos de software asistida desde todos los rincones sola matriz 14. Por lo tanto la enseñanza espacial precisa es imprescindible. Es esencial que la optimización MALDI, la adquisición y especialmente los experimentos de registro objetivo se llevan a cabo por el mismo operador que preferiblemente debe ser cegado a los grupos experimentales. En un experimento a gran escala con múltiples portaobjetos de vidrio, los experimentos MALDI puede ser realizado por un operador, mientras que otra persona está utilizando la impresora de chorro de tinta química.
4. Evaluación de los datos
Evaluación de datos final comprende el procesamiento de datos y posterior reducción de datos por el foco sólo en la información de pico, seguido por el análisis estadístico.
5. Péptido de identificación
Secuencia de verificación de las identidades de péptidos observados es esencial para la conclusión de relevancia biológica. El enfoque más preciso incluir cierto de arriba a abajo la determinación directa de tejido utilizando la fragmentación de péptidos mediante espectrometría de masas en tándem (MS / MS), a pesar de las altas concentraciones de péptidos son necesarios para este tipo de análisis 12,13. Para péptidos de bajo abundantes o péptidos múltiples con Closem / valores de z (± 0,5%), en el análisis de los tejidos se altera y el análisis de los tejidos fuera de uso de una estrategia peptidomic se utiliza, que incluye la extracción, separación e identificación basada en MS de neuropéptidos endógenos. Para el experimento se presenta aquí, el foco central estaba en la detección de péptido opioide, que es un desafío especial, ya que estos péptidos son abundantes bastante baja en comparación con otros neuropéptidos en los espectros. Además, estos péptidos son más bien polar que los hace relativamente hidrófila y difícil de retener con la extracción de péptido común y técnicas de separación .. Por lo tanto se aplicó un protocolo previamente reportado para la extracción de los tejidos y fraccionamiento previo de péptidos opioides en combinación con LC-MS/MS estándar según la identificación de péptidos 9,19.
6. Los resultados representativos
MALDI imágenes espectrometría de masas de secciones de tejido estriado como preparado de acuerdo con el protocolo descrito aquí como resultado la detección de más de 1000 picos correspondientes a aproximadamente 300 especies moleculares (monoisotopic espectros promedio muestraen la figura. 1). Visualización de los datos de prominentes picos de iones moleculares se logró utilizando el software de Flex y mostró imágenes de las distribuciones de intensidad de los picos característicos que están muy en consonancia con las características anatómicas (Fig. 3). Una característica adicional de MALDI IMS es su buena reproducibilidad relativa. En este experimento, el coeficiente global de varianza para las intensidades de los picos de todas las especies moleculares detectados fue del 30%, pero muchos picos muestran variación muy baja y alta reproducibilidad dentro de los grupos de tratamiento (Fig. 4). Los datos relativos máximos de intensidad de cuatro diferentes regiones de interés, incluyendo la parte dorsolateral y dorsomedial del striata tanto lesionado e intactos se sometieron a análisis estadístico. Con el fin de ajustar para comparaciones múltiples al mismo tiempo, el análisis estadístico se realizó mediante la prueba no paramétrica de que utilizan la herramienta SAM 18. Los cambios más notables se encuentran en la parte dorsolateral de la dopamina denervado, el cuerpo estriado de Parkinson. Aquí si cambios en gnificant entre los diferentes grupos de tratamiento se observaron dos péptidos dinorfina, dinorfina B y alfa-neoendorphin (Fig. 5). En concreto, un aumento relativo de las dos intensidades de los picos dinorfina en un 50-60% se observó en los animales de alta discinéticos en comparación con los animales bajo discinéticos y controles lesión (p <0,05, F (2, 15) = 12,8 DynB, F = 5,7 ANEO; fig. 5).
. Figura 1 medio MS traza obtenida a partir de dos regiones estrechamente relacionadas del cuerpo estriado, caudado putamen (CPU) y el núcleo accumbens (NAC). Las dos regiones muestran diferentes perfiles de MS con algunas especies moleculares únicamente expresadas en una región, o en diferentes niveles máximos de intensidad (insertar, m / z 2028). El patrón de distribución espacial de cada pico se puede visualizar utilizando el software de imágenes especializado (panel inferior).
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Figura 2 (A) El cerebro está montado sobre un mandril criostato utilizando un medio de empotrar OTC; flecha)., Se tiene cuidado de que la OTC no contamine el área de cerebro para ser seccionada desde la supresión de iones OTC causa de péptidos. (B, C) secciones delgadas (≈ 12 micras de espesor) son deshielo montado en portaobjetos de vidrio MALDI compatibles y se secó durante unos pocos segundos para evitar daños por congelación como se ve en C. (d) microdesgarros puede ser difícil de detectar a simple vista , pero poner en peligro la cristalización matriz de MALDI y borrar la señal de MALDI MS. En la misma sección se tiñeron con violeta de cresilo revela microdesgarros y grietas (fotomicrografía parte inferior derecha).
3 Figura. El primer paso en la evaluación de datos es visualizar varios picos diferentes en toda la gama de masas analizados (IA). En este caso, las secciones del cuerpo estriado de 9 ratones fueron imágenes con MALDI MS. La visualización de la media total ien la actual revelan áreas de notables fuerzas iónicas altas o bajas (flechas). Estas áreas pueden verse afectadas por exceso o por defecto-la normalización de los efectos y distorsionar el análisis de datos comprometer los resultados. Mala definición anatómica de la distribución de los picos revelan las secciones con el pico generalmente baja relación señal-ruido, por ejemplo, las secciones 3 y 9, F picos de hasta I.
Figura 4. Reproducibilidad de MS entre los grupos de tratamiento pueden ser evaluados mediante el cálculo de la media de seguimiento de MS y el error estándar para cada valor de m / z (inserciones, m / z 722 y 1749). Buena reproducibilidad asegura el análisis estadístico válido.
Figura 5. Dinorfina B y alfa-neoendorphin pico de intensidad se incrementó significativamente en la 6-OHDA-Lesionado, Parkinson, el cuerpo estriado de alta discinéticos animales (HD, flechas) en comparación con el grupo de control de bajo discinética (LD) y lesión (LC). Intensidades máximas de péptidos expresados como promedio de veces de cambio de lado intacto ± SEM (lesión / intacta lado). * P <0,05; cx corteza; cc cuerpo calloso. Barra de escala de 5 mm.
Hay varias ventajas del empleo de la espectrometría de masas MALDI imágenes en el estudio de los neuropéptidos. Un análisis imparcial de los datos de MS puede revelar que los núcleos del cerebro sólo específicos, o como en los resultados presentados aquí, donde sólo la parte dorsolateral del cuerpo estriado se asocia con un estado fisiopatológico determinado. Al retener la información espacial es entonces posible volver a definir regiones de interés para el análisis estadístico con mayor sensibilidad y una menor variabilidad en comparación con el análisis de las secciones de todo el cerebro o utilizando estudios Peptidomics tradicionales en extractos peptídicos. Además, es importante darse cuenta de MALDI IMS fácilmente puede detectar previamente desconocidos modificaciones post-traduccionales, pero los análisis estructurales deben seguir para determinar las posiciones exactas de aminoácidos que están modificados.
Errores comunes en la visualización de los datos de MALDI IMS incluyen el mapeo de la intensidad del pico máximo de una escala lineal óptica de blACK (0%) a color (100%) para todos y cada sección de la serie experimental (Figura 3), en lugar de mapear todas las secciones a una escala absoluta común donde 100% es la intensidad del pico máximo de todas las secciones (Figura 5) . Este último método permite la comparación de los datos del grupo y la visualización de las diferencias entre los grupos de tratamiento.
Un obstáculo importante en el análisis de MALDI IMS es la asignación de los péptidos a los picos de comunicación específicos. En los tejidos en tándem de espectrometría de masas es a veces posible, pero a menudo resulta muy difícil 13,14. Nos parece que un enfoque más tradicional, incluyendo un fraccionamiento de preparación en la cromatografía de intercambio catiónico fuerte, seguido por LC-MS/MS de fase reversa se puede utilizar para la secuencia con éxito muchos neuropéptidos y péptidos opioides en particular. Todavía no es raro obtener una buena calidad de MS / MS espectros que no coinciden con las entradas de base de datos usando los motores de búsqueda comunes, tales como mascota. En estos casos de novo de secuenciación a mano es la ONLy opción. La última prueba de la identidad de pico se puede obtener por MALDI IMS de las secciones de tejido del ratón knock-out adecuada, pero esto no siempre está disponible o posible. Una alternativa consiste en validar los resultados mediante un método diametralmente distinto, por ejemplo, inmunotransferencia occidental o inmunohistoquímica. A menudo, esto puede incluir la producción de anticuerpos y una cantidad significativa de trabajo la validación de los nuevos anticuerpos.
La estrategia general se presenta en este protocolo está optimizado para los experimentos a gran escala neuropéptido MALDI IMS, incluyendo varias secciones y las condiciones experimentales. El protocolo se ha optimizado especialmente para los péptidos opioides y tendrá un gran impacto en futuros estudios, tal como se emplea en diversos campos de investigación, incluyendo el dolor y los mecanismos subyacentes a la respuesta endógena a las drogas de adicción.
Los autores no tienen nada que revelar.
Damos las gracias a Hanna Warner por su contribución a los datos de la Figura 3 y el Prof. Jonas Bergquist para sus valiosos comentarios. El Consejo Sueco de Investigación (Grant 522-2006-6416 (MA), 521-2007-5407 (MA), la Fundación La Åke Wiberg (MA, JH), La Real Academia Sueca de las Ciencias (MA, JH), y el químico sueco Sociedad (JH) se agradece por el apoyo financiero.
1.1 Toma de muestras y preparación
1.2 Matriz de la aplicación
1.3 Espectrometría de masas
1.4 Tratamiento de datos
1.5 La neuropéptido
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