A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Method Article
אנו מתארים צעדים המאפשרים דיגום מהיר בתוך באתרו של חלק קטן של תא יחיד עם דיוק גבוהה, הפלישה מינימלי באמצעות נימי מיקרו-דגימה, כדי להקל על אפיון כימי של תמונת מצב של פעילות מטבולית חיים העוברים באמצעות אלקטרופורזה נימי תא בודד לפי הזמנה ספקטרומטר מסה פלטפורמה.
כימות של מולקולות קטנות של תאים בודדים מעלה סיכויי החדשה טובה יותר להבנת התהליכים basic העומדים בבסיס התפתחות. אפשר תא בודד לחקירות העוברים ישירות ב בשידור חי, גישות אנליטיות חדשות נדרשים, במיוחד אלה הן רגישות סלקטיבית, כמותיים, חזקים, מדרגי הגדלים תא שונים. כאן, אנו מציגים פרוטוקול המאפשר הניתוח ב באתרו של חילוף החומרים בתאים בודדים בפיתוח בחופשיות העוברים על הצפרדע שנחטף ייזרק דרום אפריקאי (זריזה צפרדע רפואית), במודל רב עוצמה התא וביולוגיה התפתחותית. גישה זו משתמשת microprobe נימי לרוקן חלק מוגדר מתאי מזוהה יחיד בתוך העובר, עוזב את התאים הסמוכים שלם לניתוח עוקבות. תוכן שנאספו ניתוח מאת microscale אלקטרופורזה נימי ספקטרומטריית electrospray יינון (CE-ESI) ממשק מצמידים בספקטרומטר טנדם ברזולוציה גבוהה. גישה זו היא להרחבה כדי במגוון גדלים תא ותואמת מבנה תלת-ממדי מורכב של העובר המתפתח. לדוגמה, נדגים את microprobe שתא בודד CE-ESI-MS מאפשרת הבהרה של הטרוגניות תא מטבולית זה מתגלה תאים ובתאים מעורר צאצאים במהלך התפתחות העובר. מלבד התא, ביולוגיה התפתחותית, הפרוטוקולים ניתוח מתא בודד המתוארים כאן נתונות אחרים הגדלים תא, סוגי תאים או בבעלי חיים.
הבנה מקיפה של התפתחות דורש אפיון של כל השינויים המולקולריים להתגלות בכל תא של האורגניזם המתפתח. בעוד הדור הבא רצף עם הגברה מולקולרית מאפשרת מדידה עמוק של תא בודד transcriptomes1 פיתוח מערכות2,3, הרבה פחות ידוע על הסוויטה של מולקולות קטנות מיוצר ע י תאים עובריים בודדים, כולל חלבונים, במיוחד, מטבוליטים (מסה מולקולרית < Da ~ 1500). עם תגובה מהירה ודינמית לאירועים פנימי, חיצוני, משמש metabolome מתאר רבי עוצמה של המדינה מולקולרית של התא. Metabolome תא בודד, ולכן מעלה את הפוטנציאל כדי לעקוב אחר התפתחות יכולות תא הטרוגניות של העובר מוקדם וכדי לזהות מולקולות חדשות ללימודי פונקציונלי. עם זאת, ללא זמין עבור מולקולות אלה מולקולרית הגברה, זיהוי של metabolome דורשת רגישות יוצאת דופן באמצעות ספקטרומטר מסה (MS), אשר היא הטכנולוגיה של בחירה עבור ניתוח מטבוליט.
תא בודד MS הוא אוסף של טכנולוגיות עם רגישות מספיק למדוד מטבוליטים של תאים בודדים (ראה הדעת 4,5,6,7,8,9 ,10,11,12,13,14,15). לשחזור דגימה של תאים, חילוץ יעיל מטבוליטים חיוניים גילוי מוצלחת של מטבוליטים של תאים בודדים. כל תא דיסקציה של מזוהה תאים מעוברים צפרדע רפואית איפשר האפיון של מולקולות קטנות, פפטידים16. גישות אחרות להעסיק micropipettes לטעום תאים חיים בודדים ואחריו זיהוי באמצעות ספקטרומטריית electrospray יינון (ESI) MS. לדוגמה, מטבוליטים נמדדו צמח או תאים בתרבית של תא בודד וידאו MS17, הלחץ בדיקה18, בדיקה אחת19ועל כוח fluidic מיקרוסקופ20, בין שאר טכניקות21, 22,23,24. בנוסף, התאגדות של הפרדה כימית לפני יינון לתוך תא בודד MS זרימת העבודה ביעילות מפשט את metabolome, וכך להפחית הפרעות אפשריות במהלך יון דור לפני זיהוי. חשוב, ההפרדה מספק גם מידע ספציפי המתחם כדי לסייע בהמשך המולקולרי ופיזיקליים. צינור קפילר אלקטרופורזה (CE) שימש לזהות מטבוליטים ביתור בודד25,microsampled וא26 27הנוירונים, לכידת מולקולה קטנה הבדלים בין תא עצב פנוטיפים. אנחנו לאחרונה המותאמים CE ESI טנדם MS כדי לאפשר זיהוי עקבות ברמת מאות מטבוליטים בתאים בודדים היו גזור מן העוברים מוקדם של צפרדע רפואית זריזה16,28. מחקרים אלה חשפו הבדלים מטבוליים מפתיע בין תאים עובריים בשלב מוקדם של התפתחות והוביל לגילוי של מטבוליטים בעבר לא ידוע השפעות התפתחותיות16.
כאן אנו מספקים פרוטוקול איפשרה הגילוי של מטבוליטים של תאים בודדים ישירות ב- העובר חוליות בשידור חי באמצעות microprobe תא בודד CE-ESI-MS29,30. האורגניזם דגם שבחרת הוא 8-ל-32-התא עובר X. laevis , למרות הגישה חל גם בשלבים מאוחרים יותר של התפתחות וסוגים אחרים של אורגניזמים מודל. פרוטוקול זה משתמש נימים מחודדים עם שליטה translational ורב ציר תחת הדרכתו על-ידי מערכת הדמיה ברזולוציה גבוהה מחוק לגמרי ~ 10 nL חלק מזוהה תאים ב באתרו של העובר המתפתח מורפולוגית מורכבים. Microprobe זו היא מדרגית לתאים קטנים יותר ופועל תוך שניות, וזה מספיק מהר כדי לעקוב אחר שושלות תאים של העובר. לאחר חילוץ קוטבי או מולקולות קטנות apolar, כגון מטבוליטים, פפטידים, מדגם שנאספו ב ~ 4-5 µL חילוץ הפתרון, 10 ~ nL של התמצית המתקבלת ניתוח ב פלטפורמה CE לפי הזמנה במקף כדי ספקטרומטר מסה ESI. הקמה ותפעול של פלטפורמת CE-ESI-MS בונה על פרוטוקולים אחרים. 31 , 32 הממשק CE-ESI co-צירית נבנה כמתואר. 31 פלטפורמה זו נשמרת המשטר הריסוס קונוס-jet להשיג מעקב ברמת רגישות עם יכולת על כימות מעל 4-5 יומן-הזמנה טווח דינמי (יחסית28,29,30 או מוחלטת16). פלטפורמת CE-ESI-MS מציע מגבלה נמוכה יותר 60-ניסים מונטקיו של זיהוי עם סטיית תקן יחסית (RSD) 8% בכימות על מגוון שנבדקו 10 nM 1 מיקרומטר עבור מולקולות קטנות16, אשר מספיקים לאפיין אנדוגני מטבוליטים ב X. זריזה תאים. Microprobed התאים ממשיכים לחלק ככל מתקדם העובר דרך פיתוח30, מתן אפשרות לניתוח נפתרה חנותם והמרגשים של חילוף החומרים הסלולר. אכן, תא בודד CE-ESI-MS יכול לשמש כדי למצוא הבדלים מטבוליים בין התאים לכבוש את הגבי הגחוני /16,29, בעלי חיים-צמחי16, צירים התפתחותית משמאל28 וכן תאים זה טופס השושלת נגזר רקמה עצבית הגבי מתא קדמון משותף X. laevis30. מלבד הפעלת שאילתות מטבולית ההבדלים בין תאים עובריים בודדים בשלבים התפתחותיים שונים של העובר X. laevis 30, אנו צופים כי הפרוטוקולים המתוארים כאן הם חלים על מגוון רחב של מולקולות, microsampled תאים בודדים של שלבים שונים של התפתחות, כמו גם סוגים אחרים של תאים ואורגניזמים מודל. בנוסף, microprobe יכול לשמש microsampling בזמן פלטפורמה שונה תואם עם דגימות זעיר יכול לשמש עבור הפרדה ו/או אפיון של מולקולות.
כל הפרוטוקולים הקשורים התחזוקה, טיפול של צפרדע רפואית זריזה אושרו על ידי טיפול בעלי חיים מוסדיים ועל שימוש הוועדה באוניברסיטה. ג'ורג ' וושינגטון (IACUC אין. A311).
1. הכנת דגימה מכשירים, מדיה, ממיסים, המנות
2. Microsampling חד תאים, מטבוליט חילוץ
3. CE-ESI-MS מדידה
אנחנו לאחרונה המועסקים תא בודד microprobe CE-ESI-MS כדי לאפיין מטבוליטים בתאים מזוהה בודדים בפיתוח בחופשיות צפרדע רפואית זריזה עוברי29,30. Microprobe מאפשר מהר (שניה ~ 5/נייד), השאיפה בחיי עיר של ~ 10 nL של תא בודד, השאיפות מרובים באותו התא, או מספר תא?...
Microprobe CE-ESI-MS מאפשרת אפיון ישיר מטבוליטים של תאים בודדים בפיתוח חי, בחופשיות עוברי. בלב ליבה של הגישה הם שני רכיבי משנה טכני, כלומר בחיי עיר נימי microsampling ו רגישות גבוהה CE-ESI-גב' לעומת תאים כל ניתוח, נימי microsampling יש את היתרון של פעולה מהירה (כמה שניות לעומת 5 דקות / תא על-ידי ניתוח), תאימות עם המ...
המחברים אין לחשוף.
עבודה זו נתמכה על ידי נבחרת מוסדות של בריאות מענקים GM114854 (כדי P.N.) ו CA211635 (כדי P.N.), ארנולד, מייבל בקמן קרן בקמן יאנג החוקר להעניק (P.N.), בפרס פרופסור צעיר דופונט (כדי P.N.), האגודה האמריקנית למיסה ספקטרומטר מחקר פרס (P.N.), מלגות קרן המועדון קוסמוס (כדי R.M.O. ו- E.P.P.). הדעות והמסקנות לידי ביטוי בפרסום זה הן אך ורק לאלה של המחברים, אינם מייצגים בהכרח התצוגות הרשמי של מקורות מימון.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
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 |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved