יישומים של-הבדיקה הבודדה: הדמיה ספקטרומטריית מסה וניתוח תא יחיד בתנאי הסביבה

Summary

Here, we present protocols to perform both ambient mass spectrometry imaging (MSI) of tissues and in-situ live single cell MS (SCMS) analysis using the single-probe, which is a miniaturized multifunctional device for MS analysis.

Abstract

Mass spectrometry imaging (MSI) and in-situ single cell mass spectrometry (SCMS) analysis under ambient conditions are two emerging fields with great potential for the detailed mass spectrometry (MS) analysis of biomolecules from biological samples. The single-probe, a miniaturized device with integrated sampling and ionization capabilities, is capable of performing both ambient MSI and in-situ SCMS analysis. For ambient MSI, the single-probe uses surface micro-extraction to continually conduct MS analysis of the sample, and this technique allows the creation of MS images with high spatial resolution (8.5 µm) from biological samples such as mouse brain and kidney sections. Ambient MSI has the advantage that little to no sample preparation is needed before the analysis, which reduces the amount of potential artifacts present in data acquisition and allows a more representative analysis of the sample to be acquired. For in-situ SCMS, the single-probe tip can be directly inserted into live eukaryotic cells such as HeLa cells, due to the small sampling tip size (< 10 µm), and this technique is capable of detecting a wide range of metabolites inside individual cells at near real-time. SCMS enables a greater sensitivity and accuracy of chemical information to be acquired at the single cell level, which could improve our understanding of biological processes at a more fundamental level than previously possible. The single-probe device can be potentially coupled with a variety of mass spectrometers for broad ranges of MSI and SCMS studies.

Introduction

Mass spectrometry imaging (MSI) is a relatively new molecular imaging technique to provide the spatial distribution of the compounds of interest on surfaces. During the MSI analysis, mass spectrometry (MS) measurements are recorded across the surface on an individual pixel basis to create a 2D image of the species of interest ¹. MSI techniques have the ability to provide a spatially resolved feature distribution for a large range of metabolites, allowing a much greater amount of information to be obtained from a sample than from using traditional molecular imaging techniques, and they have the potential to greatly improve the analysis of biological samples for biological and pharmacology studies ². MSI can be broadly separated into non-ambient and ambient approaches. The non-ambient MSI analysis techniques, such as matrix assisted laser desorption ionization (MALDI) MS ³ and time of flight secondary ion MS (ToF SIMS) ⁴, are capable of high spatial resolution (around 5 µm and 100 nm, respectively) and high sensitivity. However, these methods require extensive sample preparation, such as the application of matrix molecules to the sample surface, and a vacuum sampling environment, which could introduce artifacts to the data obtained. Ambient techniques such as desorption electrospray ionization (DESI) MS ⁵, laser ablation electrospray ionization (LAESI) MS ⁶, and nano-DESI MS ⁷ are capable of MSI of samples with little to no prior preparation under the ambient environment, which is able to produce MS images that potentially reflect the sample in its most native state. However, most of these techniques generally lack the high spatial resolution and detection sensitivity compared with the non-ambient techniques, with experiments typically conducted at around 150 µm per pixel ⁸.

Single cell analysis (SCA) is a growing field that has the ability to characterize the chemical composition of biological samples at the cellular level. SCA enables the analysis of biological systems at a more fundamental level than traditional cell analysis techniques, which produce an averaged result of a population of cells, potentially providing insights that are previously intractable ⁹. MS techniques have recently been applied to SCA (termed single cell mass spectrometry or SCMS) using non-ambient techniques such as MALDI MS ¹⁰ and ToF SIMS ¹¹ in which cells are pretreated before analysis, and with ambient techniques such as LAESI MS ¹² and direct extraction methods, such as live single-cell video-MS ^{13, 14}, to analyze a wide variety of cell types such as egg, plant, and cancer. Ambient techniques have the advantage of being applied to live cells, which again minimizes the artifacts, leading to a better representation of the metabolites in the live cells. The direct extraction based methods described above, however, perform the sample extraction and analysis process at two different steps, which result in a time gap during the analysis that could potentially alter the metabolites present within the sample.

The single-probe, a miniaturized multifunctional device that is capable of conducting high spatial resolution ambient MSI on biological tissue sections ¹⁵ and near real-time in-situ SCMS on live single cells ¹⁶. The single-probe has an integrated construction that is made up of a pulled dual-bore quartz capillary coupled with a solvent providing inlet and a nano-ESI emitter made from fused silica capillaries, enabling solvent delivery and analyte extraction to be performed from a single device. In the ambient MSI mode, the single-probe is placed over the sample tissue and surface micro-extraction occurs, allowing a rastered MS image to be made at high spatial resolution. Particularly, the tapered tip of the single-probe is small enough to be inserted into live eukaryotic cells for in-situ SCMS analysis, where the metabolite detection takes less than two seconds between probe insertion and MS detection, allowing chemical information to be taken in near real-time. Here are the protocols to fabricate the single-probe device and to conduct both the ambient MSI and SCMS modes using the single-probe MS techniques.

Protocol

שימוש ורווחת בעלי חיים צריכים לדבוק מדריך NIH לטיפול ושימוש בחי המעבדה הבא פרוטוקולים נבדקו ואושרו על ידי ועדת הטיפול בבעלי החיים המוסדיים השתמש (IACUC). דגימות רקמה עכבר נמסרו על ידי משתף פעולה ד"ר Chuanbin מאו.

1. רקמות עכבר פרק הכנה

1. מניחים איבר העכבר שלם של עניין (מוח, כליות, כבד, וכו ') למרכז של פלסטיק קטן היטב (למשל, צלחת תרבית תאים 12 גם), לצלול רקמות הטבעה המתחם עד בערך בגובה 10 מ"מ. ודא אין בועה נוצרה במתחם הטבעת רקמות שהאיבר מושם בכיוון הרצוי (כלומר, sagittal, עטרה, וכו ').
2. מיד למקום רקמות לתוך חנקן נוזלי להקפאה פלאש. עבור אחסון לטווח ארוך, לאחסן דגימות קפוא במקפיא -80 ° C.
3. קח את איבר העכבר קפוא להפשיר כדי -15 ° C ב טמפרטורותמחדש מבוקר cryomicrotome.
4. רקמה מאובטחת על בסיס פלדה עם כ 500 μl של מתחם הטבעת רקמות ומניחה על גבי cryomicrotome חתך הר כך את כיוון החתך הרצוי מוצג בפני הסכין.
5. סעיף הרקמה בעובי 12 מיקרומטר. מניחים פרוסות הרקמה מחולק על גבי שקופיות מיקרוסקופ פוליקרבונט ולהשאיר לייבוש למשך 30 דקות בטמפרטורת החדר. עבור אחסון לטווח ארוך, לאחסן את השקופית קפוא במקפיא -80 ° C.

2. תרבית תאים

הערה: תרבית תאים בוצעה ארון בטיחות ביולוגי (רמה II הבטיחות הביולוגית) בתנאים סטריליים. קו התא הלה שמש כמערכת מודל, ותאים היו בתרבית בינונית תרבות השלמה עם הפרוטוקולים הקונבנציונליים הבאים:

1. ריאגנטים חמים (כלומר, טריפסין, בופר פוספט (PBS), ו תרבית תאים בינוני) ל -37 מעלות צלזיוס.
   הערה: בינוני תרבית התאים מכיל sa האורגניLTS, חומצות אמינו, ויטמינים, ואחרים. לקבלת רשימה מלאה של מרכיבים, עיינו ניסוח מהיצרן.
2. השג מדגם תא (למשל, 1 מיליליטר השעית תא הלה) ולהוסיף אותו לתוך 9 מיליליטר של מדיום תרבית תאים שלם בצלחת תרבית תאים סטנדרטית של 10 סנטימטרים. מספר התא הראשוני הוא סביב 0.5 x 10 ⁶ תאים / מ"ל. שמור תאים בתרבית על 37 מעלות צלזיוס עם 5% CO ₂ עבור 2-3 ימים עד פני השטח גדל מכוסים ב 70-80% על צלחת תרבית תאים. מספר מעבר תא שיא עבור כל סיבוב רצוף.
3. בצע passaging תאים (כלומר, תא פיצול) בצלחת תרבית תאים.
   1. מדיום הגידול לשאוב, ולהשתמש 5 מ"ל של PBS 1x כדי לשטוף את התאים. הסר PBS באמצעות קצה השאיפה סטרילי, דגירה התאים עם 2.5 מ"ל של טריפסין (0.25%) עבור ~ 5 דקות ב 37 מעלות צלזיוס כדי לנתק את התאים מהצלחת התרבות.
      שים לב: בפעם טיפול טריפסין בפועל צריכה להיות מותאמת על פי produ טריפסין הספציפיct שנרכשו מהיצרן. זמן טיפול לקוי עוזב את התאים מצורפים הצלחת, ואילו טיפול מופרז גורם מוות של תאים.
   2. תפסיק פעילות טריפסין על ידי הוספת 7.5 מ"ל תרבית תאים בינוניים מלאה, ולאחר מכן באופן אחיד resuspend התאים (הנפח הכולל 10 מ"ל). השתמש השעית התא לתרבות (שלב 2.2) או הכנת דגימות SCMS (שלב 2.4).
4. הכן את דגימות תאים לניסויים SCMS.
   1. מניחים שקופיות כיסוי מיקרו בודדים בצלחת 12-היטב, ולהוסיף 1.8 מדיום תרבות מ"ל התא 0.2 מ"ל של תרחיף תאים לתוך הבאר.
   2. לערבב בעדינות תאים עם תסיסה קלה של הצלחת, דגירה בסביבת 5% CO ₂ ב 37 מעלות צלזיוס במשך ~ 24 שעות. כדי לבצע טיפול תרופתי על תאים בתרבית, להוסיף פתרון המתחם תרופה (למשל, ב DMSO (sulfoxide דימתיל)) לתוך צלחת תרבית תאים 12 גם.
      הערה: ריכוז התרופה הסופית (למשל, 10 ננומטר, 100 ננומטר, 1 מיקרומטר, ו -10 מיקרומטר) tזמן reatment (למשל, 4 hr) הן מגוונות על פי התכלית הספציפית של מחקרים. תאי מחוברי שקופיות מייקרו הכיסוי ומוכנים ניסויי CSMS (שלב 6).

3. ייצור חד חללי

1. מניחים את צינורות קוורץ כפול נשא (קוטר פנימי (ID) 127 מיקרומטר, קוטר חיצוני (OD) 500 מיקרומטר) לתוך חולץ micropipette לייזר ולמשוך מחט קוורץ כפול לשעמם. השתמש בפרמטרים הבאים כנקודות פתיחה: חום = 400, פיל = 3, Vel = 80, Del = 150, ו Pul = 250 (כל היחידות הינן יחידות של היצרן). ודא את המחט קוורץ כפול נשא משך יש קצה קונים עבור נכסי בדיקה אופטימליים. חותך את קצה המשך כך שיש ~ 5 מ"מ ארוך של נימי קוורץ unpulled כפול נישא עזבו בקצה השני.
   הערה: הפרמטרים בפועל של חולץ לייזר צריך להיות מותאם בהתאם לתנאים המפורטים עבור המכשיר.
2. חותכים מקטע ~ 80 מ"מ של סיליקה התמזגו נימי (ID 40 מיקרומטר, OD. 105 מיקרומטר) כמו ממס מתן נימים, ולהכניס אותו לתוך משעמם אחד בסוף השטוח של המחט קוורץ הכפול לשעמם.
3. חותכים מקטע ~ 40 מ"מ של סיליקה התמזגו נימי (ID 40 מיקרומטר, OD 105 מיקרומטר) ולהשתמש תער לגלח ~ 5 מ"מ של הציפוי polyimide מן-נקודת אמצע. השתמש להבת פרופן כדי לחמם במהירות למשוך את הנימים התמזגו לתוך פולט ננו electrospray יינון (ESI) עם להתחדד בסדר. חותכים פולט ננו-ESI (~ 7-10 מ"מ אורך), ולהכניס אותו לתוך הקדח השני בסוף השטוח של המחט קוורץ כפול לשעמם. לחלופין, השתמש חולץ לייזר לייצר להתחדד בסדר.
4. למרוח כמות מינימאלית של (~ 1-2 μl) שרף ריפוי UV על קצו השטוח של המחט קוורץ הכפול נשא ולהתעבות השרף באמצעות מנורת UV LED עבור ~ 20 שניות כדי לאבטח את ממס מתן נימים ואת ננו פולט ESI. הנהלים כדי להרכיב את החלקים הבודדים לתוך החללית-יחיד שמוצג באיור 1 א.
5. חותכים GL מיקרוסקופ רגילשקופית התחת (1 "x 3") לתוך לחצי לאורך. מניח את החללית האחת על קצה אחד של שקופית הזכוכית כך פולטת ננו-ESI הוא הצביע החוצה. החל אפוקסי הרגיל לגוף של-בדיקה האחת, כך הוא הופך להיות מאובטח על (איור 1b) שקופיות זכוכית. השאר למשך הלילה התקשות. זוג החללית חד המפוברקת עם ההתקנה יחידה בדיקה המשולבת (איור 1 ג '), אשר מחוברת ספקטרומטר מסה כפי שמודגם 1D איור.

4. לבנות את ההתקנה המשולבת יחיד חללית MS

1. שנה את מקורבות ממשק מקור יון של ספקטרומטר מסה לפברק דוכן (עם המיקום וגובה מתכוונן) של דיגיטלי סטריאוסקופ (1E דמויות 1F).
   1. לקדוח מקורבות ממשק מקור יון עם שני חורים המאפשרים את הקובץ המצורף של לוח אופטי אלומיניום. הפוך מכשיר מעקה שקופית מוט כוונון גובה (מצורףבשלב XY לתפקיד כוונון עדין), כך שמערכת סטריאוסקופ הדיגיטלית ניתן לחבר ללוח אופטי אלומיניום (1e האיור).
2. צרף מיקרוסקופ סטריאו הדיגיטלי השונה, מיקרוסקופ דיגיטלי USB, שלב תרגום מיניאטורי ידני XYZ עם בעל מהדק גמיש, מערכת תרגום הבמה הממונעת XYZ ללוח האופטי האלומיניום, שהוא רכוב על מקורבות ממשק מקור יון האישיות של ספקטרומטר המסה (איורים 1 ג ו 1F). השתמש בעל מהדק הגמיש לתקן את שקופית הזכוכית מצורפת עם א-בדיקה אחת.
3. צרף את ההתקנה חד בדיקה כדי ספקטרומטר מסה (1F איור). התאם את בעל מהדק גמיש הבמה XYZ מיניאטורי למקם את פולט של החללית-יחיד מול מפרצון של ספקטרומטר מסה. השתמש מיקרוסקופ דיגיטלי USB (עם זווית תצוגה מתכווננת) בצד של חללית בודדת במטרה לספק תמונה מוגדלת-ב של-p היחידטיפ חלוק או פולט ננו-ESI, ואת סטריאוסקופ דיגיטלית (עם גובה מתכוונן) מעל-בדיקה אחת כדי להציג את התאים ואת קצה החללית.
   הערה: שימוש מקורב מקור יון המקביל, מערכת חד בדיקה משולבת זה יכול להיות מצמיד את כל סוגים אחרים של ספקטרומטרים המוני מצויד מקורות יינון סביבה.

5. אמביינט MSI

1. ההפשרה ניתן למצוא בסעיף דוגמת בטמפרטורת החדר ומניחים אותו על מערכת הבמה תרגום ממונע XYZ מתחת-בדיקה אחת. לשנות את מיקום מדגם ידי שינוי קואורדינטות תוכנות שליטה.
2. באמצעות המזרק לשאוב ממס הדגימה בקצב מתאים (למשל, 0.2 μl / min), ולהחיל את מתח היינון (למשל, 5 kV). הבחירה של ממס הדגימה היא גמישה, ואת הנפוצים כוללים MeOH: מים (9: 1) ו אצטוניטריל. היקף המת של פולט ננו-ESI נאמד ~ 3 nl, והזמן בין החללית-surfaקשר ce והתבוננות אות יון הוא בדרך כלל פחות מ -1 שניות ^15.
   ההערה: מקורב ממשק מקור יון האישי מאפשרת מתח היינון להיות מועבר מן ספקטרומטר המסה לאיחוד מוליך דרך קליפ תנין. המתח יינון מכן מועבר באמצעות איחוד מוליך אל הממס בתוך הנימים ואת הערוצים חד בדיקה, וכן להחיל על פולט ננו-ESI כדי ליינן את analytes שנדגמו. ודא שמתח היינון כבוי בעת חיבור קליפ התנין עם האיגוד המוליך.
3. התאם את הגובה של חללית-היחידה, כך הוא מונח בדיוק מעל פני השטח של המדגם ומסוגל לבצע שאיבת שטח של מטבוליטים. הרם בזהירות את הבמה Z, ולאחר מכן להשתמש מיקרוסקופ דיגיטלי USB (בצד של-בדיקה אחת) כדי לפקח על שינוי המרחק בין קצה חד בדיקה השטח רקמות. מעקב אחר השינויים בספקטרום ההמוני במהלך כוונון גובה זה, ולהפסיק להריםing את במת Z כאשר שינוי של אות היון מרקע ממס מטבוליטים רקמות הוא ציין.
4. צעד 5.3 חזור שלוש פעמים כדי להגדיר בשלוש נקודות שונות בתוך תכנית בקרת במת התאמה משטחת שטח אוטומטי. הנח את הקצה של החללית-היחידה בשלוש נקודות על פני שטח מדגם ממרחק של כ -10 מ"מימ מלבד אחד את השני. בצע כוונון גובה על ידי לחיצה על למעלה ולמטה סמלים, ולנעול את השלוש נקודות למקומו תחת "שיטת התכנית".
5. הגדר פרמטרים אחרים עבור rastering לרוחב פיסת עניין בתוך המדגם באמצעות תוכנית זו. עבור סעיפי כליות עכבר המוצגים כאן, להשתמש במהירות 10.0 מיקרומטר / sec rastering ו -20 מיקרומטר מרחק בין השורות. מערכת הבמה הממונעת יש תנועת תוספת 0.1 מיקרומטר מינימום. המרחק בין הקצה חד החללי והרקמות מתקבל צעד 5.3.
6. הגדרת שיטה לרכישה האוטומטית של MS ספקטרה מן ספקטרומטר המסה. For ברזולוציה גבוהה המונית MSI על מדגם כליות העכבר, השתמש בפרמטרים הבאים: רזולוציית המוני 60,000 (m / Δm), ~ 5 קילו וולט במצב חיובי, 1 microscan, 150 msec מקסימום זמן הזרקה, ו AGC על. כל ספקטרום MS רכש לייצג קווי בודדים של תמונת MS היה אותו המספר של סריקות עם ריווח זמן אחיד בין כל סריקה, המציין כי בגדלים פיקסל לתמונות המיוצר היו מפוזרים באופן אחיד.
7. ליזום את רכישת נתוני MSI. ליזום את רצף רכישת MS עבור ספקטרומטר מסה, ולאחר מכן ליזום את רצף rastering לתוכנית מלאה XYZ.
   1. לדוגמה, בתוכנית רכישת נתונים MS מנוצל כאן, עבור אל "הגדרת רצף", בחר "רצף חדש", לייצר סדרה של קבצים עבור רצף חדש הממוספרים מ 01 X, כאשר X הוא מספר השורות המשמש תמונת MS רצוי להילקח, ולאחר מכן ללחוץ על "רצף מפעיל".
   2. השתמש מכשיר אלקטרוני ביתי כדי לאפשר לתוכנה לייצר contaאות ct סגירה ספקטרומטר מסה כדי לאסוף את הנתונים. התרשים מעגל מוצג באיור משלים (איור S1) כהפניה.
8. לבנות תמונות MS מקבצי גלם MS באמצעות תוכנה ויזואליזציה MSI מתאימה. לדוגמה, בעת שימוש בחבילת התוכנה שפותחה על ידי קבוצתו של לסקין בגיל ¹⁷ PNNL, בצע את השלבים הבאים.
   1. לחץ על "גבות קובץ." בחר בקובץ הראשון המתקבל ניסוי MSI. ציין שבו מתחיל ומסיים הקובץ תחת "מספר הקווים". בחר טווח הערכים מ '/ z עבור מגוון תמונת MS תחת "טווח MZ זן".
   2. לחצו על כפתור "התחל" כדי להתחיל בתהליך יצירת התמונה. לאחר תמונת MS הוא עשה, לחץ על "שמור תמונה" תחת "סרגל כלים" כדי לאחסן תמונות במחשב.

6. In-situ חי SCMS

1. הגדרת מערכת-בדיקה אחת לפי להורותיונים עבור MSI. התאם את הממס (למשל, MeOH / H ₂ O או אצטוניטריל) קצב הזרימה (למשל, ~ 25 NL / min).
2. שוטף את התאים בתרבית, אשר מחוברים בשקופיות הזכוכית לכסות מייקרו, עם PBS להסיר תקשורת תרבותית ורכיבי תרופה תאיים. מניח תא המכיל זכוכית שקופית על מערכת במת תרגום ממונע XYZ עבור ניסוי.
   הערה: לחלופין, להשתמש במדיום תרבית תאים הטרי (ללא המכיל סרום שור עובר) כדי לשטוף תאים בתרבית. פחות דיכוי יון נצפה. בנוסף, התא יכול לשרוד במשך זמן ארוך יותר במהלך הניסוי שבו טמפרטורת הסביבה (~ 20 ° C) נמוכה משמעותית מטמפרטורת תרבות (37 מעלות צלזיוס). סוג התרופה, ריכוז פתרון, וזמן טיפול להשתנות במחקרים שונים.
3. פוקוס מיקרוסקופ סטריאו הדיגיטלי (מעל המדגם) על הקצה של החללית-היחידה לפקח חדירת תא במהלך הניתוח. השתמש מיקרוסקופ דיגיטלי USB (על sIDE של-בדיקה אחת) כדי לפקח על תנאי העבודה של פולט ננו-ESI על-בדיקה אחת.
4. השתמש תכנית בקרת במה הממונעת XYZ ומיקרוסקופ סטריאו הדיגיטלי (מעל תאים) כדי לאתר תאים של עניין, ודווקא עמדת הקצה חד החללי מעל המדגם. התחל רכישת נתוני MS לפני הקצה חד החללי מוכנס לתוך התא.
   1. השתמש בפרמטרים הבאים בתור אזכור לניתוח MS באמצעות ספקטרומטר מסה ברזולוציה גבוהה: ברזולוציה המונית 100,000 (מ '/ Δm), ~ 3 קילו וולט במצב חיובי ושלילי, 1 microscan, 150 msec זמן הזרקת מקסימום, מצב AGC על. רכישה אוטומטית של ספקטרום MS נעשית על ידי לחיצה על "התחל" בתכנית רכישת נתוני MS.
   2. הרם את Z-הבמה הממונע על ידי לחיצה על הסמל לחדור את קרום התא ולשמור הקלטת אות MS שנוצרה מהתא. השהיית זמן של 1-2 שניות בדרך כלל הוא ציין בין החדרת החללית לבין זיהוי האות MS. כמו אישור נוסף על כךחדירה לתא, שינוי דרמטי של אותות MS ניתן לצפות על חדירה של קרום התא. אותות MS של תרכובות תאיות בדרך כלל יכולים להימשך ~ 15-20 שניות לפני הירידה משמעותית.
   3. תחתון למטה את התא המכיל צלחת למשוך את קצה חד בדיקה החוצה מהתא. זה בדרך כלל לוקח <15 שניות עבור אותות היון של תרכובות הסלולר להתקרב רמת הרעש. תן את זרימת הממס עבור ~ 3 דקות לחלוטין כדי לשטוף את החללית היחידה. בינתיים, למקם את מערכת במת XYZ הממונעת לאיתור בתא הסמוך כדי להיות מנותח. ניסוי כל תא דורש ~ 3 דקות כדי להיות מושלמות.

תוצאות

הסינגל-החללית שימש בהצלחה לניתוח MSI הסביבה של רקמת כליה עכבר מחולק ^15. המכשיר משתמש במנגנון של שאיבת מייקרו נוזלי משטח (איור 1 א), המספק חילוץ אנליטי יעיל ביותר מאזור קטן, שמוביל עוצמות אותות יון בשפע בתוצאות MSI. לדוגמא, עוצמת האות של יותר מ -10 ⁷ הושגה כמה מטבוליטים בשפע (איור 2 א). מספר רב של מטבוליטים התגלו באופן זה, כולל מספר ספינגומיילין (SM) ו phosphatidylcholine (PC) מינים כגון [SM (34: 1) + Na] ⁺ (725.5575 m / z), PC [(32: 0) + H] ⁺ (734.5700 m / z), [PC (34: 1) + Na] ⁺ (782.5696 m / z), ו [PC (38: 5 + Na)] ⁺ (814.5726 m / z). תרכובות אלה זוהו עם רזולוציה גבוהה המונית ודיוק המוני כאשר מצמידי tOA ספקטרומטר מסה ברזולוציה גבוהה. לדוגמא, זיהוי הושג עם פחות מ -4 עמודים לדקה m / דיוק המוני z (כלומר, ההבדל בין הערכים שנצפו ותיאורטי) עבור כל המטבוליט (איור 2b) בתוצאות שהוצג כאן. בנוסף, בד בבד MS מנתח (כלומר, MS / MS) נערכו גם לזיהוי בטוחים יותר מינים של עניין. ¹⁵

בשל היכולת לבצע שאיבת מייקרו נוזלית יעילה על שטח קטן, המכשיר חד הבדיקה שניתן להשתמש בם כדי לבצע ניסויי MSI ברזולוציה מרחבית גבוהים בתנאי סביבת ^15. לדוגמא, תמונות MS מפורטים סעיפי כליות עכבר התקבלו הממחישות את הפריסה המרחבית של מטבוליטים נבחרים (איור 2 ג). הרזולוציה המרחבית של התמונה MS היה נחוש בדעתו להיות 8.5 מיקרומטר, בעקבות מדד בשימוש נרחב של בעל transiti. על הנקודה של תכונה חדה נקבעה בתוך שינוי עוצם 20-80% של אות MS ¹⁸ במקרה של פוספוליפידים [PC (38: 5 + Na)] ⁺ על סעיף כליות _עכבר, המעבר בתכונות בין לשד הפנימי ואת לשד החיצוני מתקיים ברחבי מחזור סריקה אחד chronogram, מראה שינוי ביתר שאת מאשר 20-80 טווח%. בהתבסס על מהירות תנועה המדגם (10.0 מיקרומטר / sec) וקצב רכישת נתונים MS (0.85 שניות / ספקטרום), המדגם נע מרחק ב- MS אחד לסרוק מחזור (8.5 מיקרומטר), כלומר, את הרזולוציה המרחבית MSI, ניתן לחשב (איור 2d). רזולוציה מרחבית זהו מהגבוהים עדיין המושגים עבור טכניקות MSI סביבה שנערכו על דגימות ביולוגיות.

לקבלת SCMS את החללית היחידה הצליחה להשיג את הניתוח של תאי הלה חיים פרט ^16. גודל הקצה-הבדיקה האחת הוא בדרך כלל פחות מ -10 מיקרומטר (איור3a יור), שהוא קטן מספיק כדי להיות מוזן ישירות לתוך סוגים רבים של תאים איקריוטיים, מתוכם הקוטר הוא ~ 10 מיקרומטר, להפקה וניתוח MS. תהליך החדרת קצה חד החללית לתא ניתן לנטר ויזואלית באמצעות מיקרוסקופ סטריאו דיגיטלי (איור 3 ב), ואת החדירה קרום התא ניתן לאשר באמצעות שינוי מהיר ומשמעותי של ספקטרה המונית מן PBS (או תרבית תאים טריים בינוני) לתרכובות תאיות (3C דמויות 3D). הניסויים ניתן לבצע הן מצבי יון חיוביים ושליליים לזהות סוגים רחבים של מינים מולקולריים. לדוגמא, 18 מיני שומנים שונים זוהו במצב החיובי, כוללים ספינגומיילין (SM) ו phosphatidylcholines (PC), ואילו פוספטים אדנוזין (AMP, ADP, ו- ATP) התגלו במצב היונים השלילי (3C הדמוי ד). השהיית הזמן בין ה- i ההחדרה חד החלליתn כדי התא ואת גילוי אותות היה בדרך כלל פחות משתי שניות, המאפשר זיהוי כמעט בזמן אמת של מטבוליטים הסלולר. SCMS הוחלה גם בניסויים שבהם התאים טופלו עם תרופות אנטי-סרטניות (למשל, OSW-1, פקליטקסל, ודוקסורוביצין) ^19]. התרופות המקבילות ניתן זוהו בתוך תאי הלה לאחר הטיפול של 4 שעות בכל סדרה של ריכוזים (כלומר, 10 ננומטר, 100 ננומטר, 1 מיקרומטר, ו -10 מיקרומטר) ב DMSO (sulfoxide דימתיל), באמצעות בתאים שלא טופלו (להוסיף DMSO רק כמו) הבקרות. אותות MS של תרופות לא היו נוכחים בתוך PBS התאי או באמצעות השלט (איור 3E), אך אותרו בתוך התאים הבודדים באמצעות טכניקת MS חד בדיקה (רק 100 תוצאות טיפול ננומטר מוצגות 3F איור). מכיוון שתאים היו שטופים עם PBS (או תרבית תאים בינוני טרי) להסיר תרכובות וזיהומים תאיים, זיהוי של מטבוליטים אנדוגני (למשל, שומני תאפוספטים ד אדנוזין) ותרכובות אקסוגניים (למשל, תרופות נגד סרטן) עולה כי הטכניקה MS חד בדיקה שניתן להשתמש בהם כדי לנתח תרכובות תאיים.

ייצור והתקנה באיור 1. של-בדיקה אחת לניתוח MSI ו- SCMS הסביבה. א) הליכי ייצור של-בדיקה אחת. ב) תצלום של המצורפת חד החללית מפוברק לשקופית זכוכית. ג) צילום של יחיד התקנת בדיקה מצורפת מסת ספקטרומטר. ד) תרשים של ההתקנה חד בדיקה יחד עם ספקטרומטר מסה. במהלך ניסוי, ממס הדגימה מסופק ברציפות מן המזרק, מתח היינון מוחל על איחוד המוליך מן ספקטרומטר המסה, שני מיקרוסקופים דיגיטליים משמשים לניטור מיקום מדגם, הבמה XYZ מהמונעתמערכה משמשת לשליטת מדגם תנועה, ספקטרומטר מסה משמש לניתוח. ה) תצלום של מערכת סטריאוסקופ הדיגיטלית אישית. f) התצלום שבו נראה סטריאוסקופ הדיגיטלית מחוברת המקורב ממשק מקור יון דרך לוח אופטי. נא ללחוץ כאן לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 2. תוצאות ממחקר MSI סביבה של קטע כליות עכבר עם רזולוציה מרחבית גבוהה המונית. א) ספקטרום המוני נציג מן-הבדיקה היחידה MSI. העוצמת המרבית של מטבוליטים זוהה יכול להגיע 3.39 x 10 ⁷ (יחידות שרירותיות). ב) מבחר של מטבוליטים שזוהו מוצג עם דיוק המסה שלהם. ג)תמונות MS של [PC (32: 0) + H] ⁺ ו [PC (34: 1) + Na] ⁺ שנלקחו קטע כליות העכבר ב -8.5 מיקרומטר ברזולוציה מרחבית. PC: phosphatidylcholine. סרגל קנה מידה: 2 מ"מ; 0.20 מ"מ (הבלעה) ד) קביעת רזולוציה מרחבית של התמונה MS עבור. [PC (38: 5) + Na] ⁺ (מותאם באישור התייחסות 15). נא ללחוץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 3. תוצאות מניתוח SCMS סביבה של תאים הלה מטופלים בתרופה עם רזולוציה גבוהה המונית. א) זום-אין תצלום של הקצה חד הבדיקה מראה בגודל טיפוסי של <10 מיקרומטר קוטר. ב) צולמו בנקודה החדרה חד חללית לתוך תא הלה. סרגל קנה מידה: 50 מיקרומטר.ג) ספקטרום המוני במצב יון חיובי טיפוסי עם זיהוי של מספר PC (phosphatidylcholine) מינים. ד) רשימה מייצגת של מטבוליטים שזוהו מניתוח SCMS של תאי הלה הוא מצבי היון החיוביים ושליליים. EF) Mass ספקטרום עבור השליטה ומטופל (100 ננומטר OSW-1) תאים (מותאם באישור התייחסות 16). נא ללחוץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור S1. מעגל דיאגרמה של המכשיר האלקטרוני המשמש לייצור אות סגירת מגע עבור ספקטרומטר מסה כדי לאסוף נתונים. אנא לחץ כאן כדי לראות או להוריד את המספר הזה.

Discussion

The-בדיקה האחת היא מכשיר רב תכליתי, שניתן להשתמש בם עבור שני ניסויי MSI ו- SCMS. ההתקנה חד הבדיקה (כולל מערכות במת תרגום, מיקרוסקופים, מקורב ממשק מקור יון, וכו ') נועדה לשמש מרכיב הרחבה כי ניתן להתאים בגמישות ספקטרומטר המסה הקיימת. חילופי דברים מהירים בין התקנה חד החללית לבין מקור יון ESI קונבנציונלי יכול להיות מושלם בתוך דקה אחת. באופן עקרוני, באמצעות מקורבות הממשק המתאימות יון המקור, ההתקנה חד הבדיקה יכולה להיות מותאמת לכל ספקטרומטרים המוני אחרים. בנוסף, ממס הדגימה המכיל מגוון של חומרים כימיים ניתן להשתמש עם ההתקנה יחידה בדיקה לניסויי MSI ו- SCMS תגובתי, אשר משפרת באופן משמעותי האיתור של טווח רחב של ביומולקולות. בנוסף לרקמות חית שורות תאים, את החללית היחידה היא גם מסוגלת לנתח מערכות ביולוגיות אחרות כגון צמחים. לכן, עם אותה התקנה ניסיונית ואימון משתמש דומה, מגוון רחב של מחקרים יכול להתבצע באמצעות מכשיר יחיד על ידי אותם משתמשים, המאפשר ניסויים יעילים צדדיים כדי להיות מושלמים עם זמן ההכשרה המינימאלי ועלות מכשור.

המרכיב העיקרי של הטכניקה MS חד החללית היא החללית עצמה. איכות-בדיקה אחת יש השפעה משמעותית על תוצאות הפעילות שלה, אשר קובע במידה רבה את איכות הן ניסויים MSI ו- SCMS. כאשר בודה-בדיקות יחידות, לוודא כי הנימים הפנימיות של הצינורות הכפולים הנישאים מודבקות היטב לחסל את הסיכוי של דליפה ממסה במהלך הניסויים. זה קריטי כדי להשתמש במינימום של אפוקסי לריפוי UV, כך הנקבים והנימים אינם סתומים במהלך ייצור הבדיקה.

הסינגל-החללית נעשה שימוש כדי לנהל MSI הסביבה ברזולוציה מרחבית גבוהה המונית על דגימות ביולוגיות ^15. היתרון העיקרי של סביבת MSI עלשיטות שאינן סביבה היא כי הכנת מדגם נשמרת לכל הפחות ללא צורך בסביבת דגימת ואקום, מאפשר מדגם להיות מנותחים במצב ⁸ יליד קרוב. אחד המכשולים העיקריים עבור טכניקת סביבת MSI ביותר האחרת כבר חוסר של רזולוצית מרחבית ^1. בהשוואת desorption המבוסס MSI טכניקות (כגון דסי ו LAESI), בגודל טיפ הקטן של-הבדיקה היחידה מאפשר שאיבת מייקרו נוזלי משטח חזקה יותר ויעילה להתבצע על פני שטח קטן, שתוביל לפתרון מרחבית גבוה של 8.5 מיקרומטר, אשר הוא בין אלה הגבוהים ביותר מושגת באמצעות טכניקות MSI סביבת ^15. בנוסף, התאמת הרכיבים של ממס הדגימה מספק גמישות נוספת כדי לבצע את הניסויים. לדוגמא, דגימת ממסים המכילים חומרים כימיים (למשל, תרכובות dicationic) שמשה לביצוע ניסויי MSI תגובתי, המאפשר גידול משמעותי במספר מטבוליטים PE המזוהיםr ניסוי ^20. היתרון השני של-הבדיקה אחת הוא העיצוב המשולב, אשר מספק את קלות התפעול במהלך תהליך רכישת נתונים כולו. בגלל המרחק בין קצה משטח רקמות רגיש מאוד עבור עוצמת אות יון ויציבות, קבלת קטע רקמה שטוחה וניצוח משטח משטחת התאמה כדי למזער את שונות המרחק הוא מפתח לניסויי MSI באיכות גבוהה. מכאן נובע כי טכניקות MSI חד החלליות אינן מתאימות כדי להשיג תמונות MS מרחבית גבוהות של משטחים לא ישרים.

בנוסף בודה בדיקה באיכות גבוהה, בזהירות כוונון כלי חיוני עבור ניסוי MSI מוצלח. בין כל שלבי הכוונון, התאמת גובה הטיפ חד החללי מעל פני קטע הרקמה היא אחד הקריטי ביותר. כאשר התאמת גובה הבדיקה, לשאוב ממס הדגימה ולהדליק את מתח היינון, כך אותות יון רקע הממס רק יכולים להיות observed. ולאחר מכן לעקוב אחר השינוי של הספקטרום ההמוני תוך בחינה זהירה צמצום המרחק-פני בדיקה על ידי הרמת Z-הבמה מהמונע עד אותות יון חזקים ויציבה מן קטע רקמה ניתן לצפות; גובה בדיקה זו תשמש לאיסוף נתונים MSI במהלך הניסוי. בנוסף, קצב זרימה ממס אופטימיזציה חיוני ניסויי MSI. התאם את קצב הזרימה עם גובה הבדיקה המותאמת. ודאו שאין התפשטות ממיס על פני שטח הרקמות (כלומר, קצב זרימה הוא גבוה מדי) או היווצרות בועה בתוך פולט ננו-ESI (כלומר, קצב זרימה נמוך מדי).

The-בדיקה האחת היא מכשיר רב תכליתי עבור bioanalysis. בנוסף ניסויים MSI, הוא מסוגל לנהל כמעט בזמן אמת ב- situ SCMS להבהיר מידע כימי מפורט מתאי איקריוטיים חי ^16, וזה יתרון גדול לעומת ואקום אחרים טכניקות SCMS מבוסס (כגון MALDI ¹⁰ ו SIMS ²¹ ). גדליו הקטנים של הקצה החללי מספקים את היכולת להיות מוכנס לתוך תא אוקריוטים חיים ולמיצוי ליינן התרכובות התאיות לניתוח MS מיידי. באופן דומה, ממסי הדגימה המכילים חומרים כימיים (למשל, תרכובות dicationic) יכולים לשמש בניסויי SCMS, ומגוון רחב של מרכיבים הסלולר ניתן לאתר בתא בודד חי מאשר אי פעם בעבר (מחקר מתמשך, נתונים אינם מוצגים). למרות שהניתוח בזמן האמת יספק את הפרופילים הכימיים של תאי בודדים חיים, בגלל החדירה לתא של קרום וסחיטת תוכן סלולארי, התא תחת החקירה ייהרג לאחר הניסוי, רומז כי טכניקת SCMS חד החללית נמצאת כעת עדיין שיטה הרסנית. בנוסף, את הקצה החללי הפולט ננו-ESI ב-הבדיקה האחת יכולים להיות סתומים בקלות עבור משתמשים לא מנוסים. כדי להקטין את הסיכוי של סתימת המכשיר, להבטיח כדי להימנע ממגע הגרעין כאשר הכנסת קצה חד החללית לתוך cell. אם סתימה מתרחשת, המכשיר יכול להיות מחדש על ידי מתחמם את הקצה החללי הסתום או ננו-ESI פולט באמצעות סליל חימום מהרכבת ^16. מגבלה נוספת של הטכניקה SCMS חד החללית היא שתאי דבק בלבד (כלומר, תאים המחוברים משטחים) ניתן לנתח באמצעות תוכנית ההתקנה הנוכחית. עם זאת, על ידי שילוב מערכת מניפולצית תא לתוך מנגנון MS חד החללי, סוגים רחבים יותר של תא יכולים להיחקר בעתיד.

בדומה לניסוי MSI, קבלת בדיקה באיכות גבוהה ושער זרימת ממס אופטימיזציה הוא קריטי עבור מחקרי SCMS. כאשר כוונון קצב הזרימה הממס, הקצה חד החללי ממוקם מעל המדגם (כלומר, ללא מגע עם המדיום הסלולרי או תרבות), ולוודא כי אין מטפטף ממס מקצה הבדיקה או היווצרות בועה בתוך ננו-ESI פולט.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Single-probe fabrication
Dual bore quartz tubing, 1.120’’ × 0.005” × 12”	Friedrich & Dimmock, Inc, Millville, NJ	MBT-005-020-2Q
Micropipette laser puller	Sutter Instrument Co., Novato, CA	Model P-2000
Fused silica capillary, ID: 40 µm, OD: 110 µm	Molex, Lisle, IL	TSP040105
UV curing resin	Prime Dental, Prime-Dent, Chicago, IL, USA	Item No. 006.030
LED UV lamp	Foshan Liang Ya Dental Equipment, Guangdong, China	LY-C240
Epoxy resin	Devcon, Danvers, MA	Part No. 20945
Inline MicroFilter	IDEX Health & Science LLC, Lake Forest, IL	M-520
Microunion	IDEX Health & Science LLC, Lake Forest, IL	M-539
Microscope slide (glass)	C & A Scientific - Premiere, Manassas, VA	9105
Syringe	Hamilton, Reno, NV	1725LTN 250UL
Mass spectrometer
LTQ Orbitrap Mass sprectrometer	Thermo Fisher Scientific, Inc., Waltham, MA	LTQ Orbitrap XL
Xcalibur 2.1 Software	Thermo Fisher Scientific, Inc., Waltham, MA	XCALIBUR21
Fance Stage Control	Pacific Northwest National Laboratory, Richland, WA
MSI QuickView	Pacific Northwest National Laboratory, Richland, WA
Contact closure device
USB-6009 Multifunction DAQ	National Instruments, Austin, TX	779026-01
DR-5V SDS Relay	Panasonic, Kadoma, Japan	DR-SDS-5
Logic Gates 50 Ohm Line Driver	Texas Instruments, Dallas, TX	SN74128N
Single-probe setup
Motorized linear stage and controller (3 sets)	Newport, Irvine, CA	Conex-MFACC
Miniature XYZ stage	Newport, Irvine, CA	MT-XYZ
Translation XY stage	ThorLab, Newton, NJ	PT1 and PT102
Thermo LTQ XL ion source interface flange	New Objective, Woburn, MA	PV5500
Digital stereo microscope, 250X - 2,000X	Shenzhen D&F Co., Shenzhen, China	Supereyes T004
USB Digital Photography Microscope	DX.com, HongKong, China	S02 25~500X
Syringe pump	Chemyx Inc., Stafford, TX	Nexus 3000
Solid Aluminum Optical Breadboard, 8" x 8" x 1/2"	Thorlabs, Newton, NJ	MB810
Flexible clamp holder	Siskiyou, Grants Pass, OR	MXB-3h
Solvents
Methol	Sigma-Aldrich, St. Louis, MO	34860 Chromasolv
Water	Sigma-Aldrich, St. Louis, MO	W4502
Acetonitrile	Sigma-Aldrich, St. Louis, MO	34967 Chromasolv
Cell culture
Dulbecco’s Modified Eagle’s Medium (DMEM)	Cellgro, Manasas, VA	10-013-CV
10% heat-inactivated fetal bovine serum (FBS)	Gibco/Life Technologies, Long Island, NY	10100-139
Penicillin/Streptomycin	Cellgro, Manasas, VA	30-002-CI
10 mM HEPES (pH 7.4)	Cellgro, Manasas, VA	25-060-CI
Phosphate Buffered Saline (PBS)	Cellgro, Manasas, VA	46-013-CM
TrypLE Express	Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA	12604-013
12-well plates	Corning Inc., Corning, NY	Falcon 351143
T25 flask	Corning Inc., Corning, NY	Falcon 3055
Micro Cover Glasses, Round, No. 1	VWR International, Radnor, PA	48380-046
DMSO (Dimethyl Sulfoxide)	VWR International, Radnor, PA	BDH1115-1LP
Tissue imaging
Cyro-Cut Microtome	American Optical Coporation
Tissue-Tek, Optimum cutting temperature (OCT)	Sakura Finetek Inc., Torrance, CA	4583
Microscope slide (polycarbonate)	Science Supply Solutions, Elk Grove Village, IL	P11011P