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Una piattaforma di manipolazione cellulare integrata è sviluppata per l'uso in combinazione con una configurazione di spettrometria di massa a singola sonda per l'analisi on-line delle singole cellule delle sospensioni in condizioni ambientali.
La spettrometria di massa a cella singola (SCMS) consente il rilevamento sensibile e l'analisi accurata di ampie gamme di specie cellulari a livello di singola cellula. La singola sonda, un dispositivo di campionamento e ionizzazione su microscala, può essere accoppiata con uno spettrometro di massa per l'analisi SCMS on-line e rapida dei costituenti cellulari in condizioni ambientali. In precedenza, la tecnica SCMS a sonda singola veniva utilizzata principalmente per misurare le cellule immobilizzate su un substrato, limitando i tipi di cellule per gli studi. Nello studio attuale, la tecnologia SCMS a sonda singola è stata integrata con un sistema di manipolazione cellulare, tipicamente utilizzato per la fecondazione in vitro. Questa piattaforma integrata di manipolazione e analisi delle cellule utilizza una sonda di selezione cellulare per catturare singole cellule galleggianti identificate e trasferire le cellule alla punta a sonda singola per la lisi di microscala, seguita da un'analisi immediata della spettrometria di massa. Questo processo di acquisizione e trasferimento rimuove le cellule dalla soluzione circostante prima dell'analisi, riducendo al minimo l'introduzione di molecole di matrice nell'analisi della spettrometria di massa. Questa configurazione integrata è in grado di eseguire l'analisi SCMS delle cellule mirate isolate dal paziente presenti nei campioni di fluidi corporei (ad esempio, urina, sangue, saliva, ecc.), consentendo potenziali applicazioni dell'analisi SCMS alla medicina umana e alla biologia della malattia.
La biologia umana, in particolare la biologia delle malattie, è sempre più intesa come il risultato di attività a livello di singole cellule, ma i metodi analitici tradizionali, come la spettrometria di massa della cromatografia liquida (LCMS), sono generalmente utilizzati per analizzare campioni preparati da popolazioni di cellule, mentre le informazioni molecolari acquisite non possono rappresentare con precisione i processi chimici a livello di singole cellule. Questi metodi standard e tradizionali non sono in grado di discernere gli effetti dell'eterogeneità cellulare su una misurazione analitica e il processo di distruzione e miscelazione delle cellule per preparare il lisato porta potenzialmente all'alterazione o alla perdita di cellulare componenti1,2. Queste limitazioni dei metodi tradizionali sono particolarmente importanti nell'analisi delle cellule del paziente, in cui i campioni ottenuti possono contenere una complessa miscela di molti tipi di cellule diverse. Per ovviare a queste carenze, i metodi di analisi molecolare a cellula singola, compresi i metodi di spettrometria di massa a cellule singole (SCMS), sono sempre più sviluppati e applicati alla bioanalisi, in particolare dei metaboliti cellulari e del basso peso molecolare biomolecole3,4.
Le prime tecniche SCMS hanno sviluppato tecniche utilizzate a base di vuoto per eseguire le analisi in condizioni non ambientali2,5,6,7,8,9, 10,11. Le tecniche SCMS non ambientali sono in grado di analizzare lipidi cellulari e metaboliti, ma richiedono un pretrattamento del campione in condizioni artificiali e quindi non sono adatte per l'analisi in tempo reale. Il processo di preparazione dei campioni per l'analisi non ambientale include l'aggiunta di componenti della matrice e questa preparazione può alterare i componenti cellulari dal loro ambiente naturale12. Pertanto, le tecniche di spettrometria di massa ambientale (MS), che non richiedono un vuoto per l'ambiente di campionamento, vengono utilizzate per analizzare le cellule in un ambiente quasi nativo. Non avere un ambiente vuoto permette versatilità nel progetto sperimentale; le telecamere possono essere aggiunte per monitorare il processo cellulare e tecniche di ionizzazionepiù morbide possono essere combinate con tecniche di separazione per ricevere informazioni migliori da ogni esperimento a cella singola 4,12,13 ,14,15,16,17,18,19,20,21,22 ,23,24,25,26,27,28,29,30,31 ,32,33,34,35,36,37,38,39,40 ,41,42.
Il metodo SCMS single-probe è una tecnica ambientale che analizza le linee cellulari del cancro dei mammiferi vive in un ambiente quasi nativo21,43,44,45,46. Inoltre, il dispositivo a sonda singola è stato utilizzato per altre applicazioni di spettrometria di massa, tra cui l'analisi di molecole extracellulari negli sferoidi multicellulari e l'imaging MS dei tessuti47,48,49 ,50,51,52. Tuttavia, poiché l'immobilizzazione delle cellule sui substrati è necessaria per questo metodo, le celle di sospensione non possono essere analizzate direttamente utilizzando questa tecnica3,53. Pertanto, il sistema SCMS a sonda singola non poteva essere utilizzato direttamente per campionare cellule singole non aderenti, come linee cellulari non aderenti o cellule di sospensione isolate dal sangue di un paziente o da altri fluidi corporei54. In questo lavoro, una piattaforma di manipolazione cellulare integrata (ICMP) è accoppiata con la tecnica SCMS single-probe per analizzare live, celle sospensione on-line con la preparazione minima campione (Figura 1)46. L'ICMP è costituito da un microscopio invertito per monitorare la selezione delle cellule, una sonda di selezione delle cellule di vetro, un microiniettore per catturare singole cellule galleggianti, una piastra riscaldata per mantenere la temperatura cellulare, due sistemi di manipolazione cellulare per controllare movimenti sia della sonda di selezione delle celle di vetro che di una singola sonda, e di un microscopio digitale per osservare il trasferimento cellulare dalla punta della sonda di selezione cellulare alla punta a sonda singola. La fabbricazione della singola sonda è descritta in dettaglio nelle pubblicazioni precedenti e non sarà affrontata qui21,48. Il sistema ICMP/single-probe è accoppiato a uno spettrometro di massa ad alta risoluzione. Questa configurazione integrata consente il campionamento di singole cellule identificate da complessi campioni biologici con effetti minimi dalle molecole a matrice.
1. Fabbricazione della sonda di selezione delle celle di vetro
2. Assemblaggio integrato della piattaforma di manipolazione cellulare
3. Creare un tubo di trasferimento iolone esteso per l'inserito dello spettrometro di massa
4. Accoppiare l'ICMP con una configurazione a sonda singola
5. Preparazione del campione di cellule sospese
6. Eseguire misurazioni SCMS utilizzando l'impostazione ICMP/single-probe
In primo luogo, le cellule K562 non trattate vengono utilizzate per stabilire il metodo sperimentale. In un tipico esperimento SCMS, è possibile osservare ovvi e ovvi cambiamenti degli spettri di massa dal trasferimento di una cella, durante il rilevamento del contenuto cellulare e dopo aver terminato la misurazione (Figura S1). Tre picchi lipidicellulari comuni (fosfatidicilcolina, PC), tra cui PC(34:4) (m/z 754.536), PC(36:4) (m/z 782.567) e PC (38:5) (m/z 808.583), sono monitorati per garantire che la cella venga trasferita con successo e che la cellula venga trasferita correttamente e che la cella venga trasferita correttamente e che la cella venga trasferita correttamente e che la cella venga trasferita correttamente e che la cella venga trasferita correttamente e che la cella venga trasferita correttamente e che la cella venga trasferita correttamente e che la cella venga trasferita correttamente e che la cella venga trasferita correttamente e che la cella venga trasferita correttamente e che la cella venga trasferita correttamente e che la cella venga trasferita correttamente e che la cella venga trasferita correttamente e che la cella sia trasferita correttamente e che la cella venga trasferita correttamente e che la cella venga trasferita correttamente e che la cella venga trasferita correttamente e che la cella venga trasferita correttamente e che la cella venga trasferita correttamente e che la cella sia trasferita correttamente e che la cella sia trasferita correttamente e che la cella venga trasferita correttamente e che la cella venga trasferita corretta contenuto vengono rilevati (Figura S2)21,43,46,55,56. Se i picchi di lipidi non si vedono entro 5 s, il livello di olio minerale nel microiniettore viene modificato per ridurre l'aspirazione che tiene la cella sulla punta della sonda di selezione cellulare; occorre prestare attenzione in modo che nessun olio minerale venga espulso dalla sonda di selezione delle cellule. L'identità di molti PC nell'intervallo di massa di m/z 750-850 viene confermata utilizzando MS/MS su campioni di lysate di cellule non trattate (Figura 3, Figura S2, Tabella 1)46.
Anche le cellule K562 sono sottoposte a trattamento con vari composti farmacologici per espandere la versatilità del metodo. Le cellule K562 sono incubate con gemcitabine (1 M) e taxol (1 M) per 1 h e OSW-1 (100 nM, 1 M) rispettivamente per 4 h e 2 h. Le cellule vengono poi lavate con PBS per ridurre al minimo il rilevamento di composti farmacologici da contenuto extracellulare. Il contributo della matrice (ad esempio, gli ioni dal mezzo di coltura cellulare, PBS e solvente) agli spettri di massa del contenuto cellulare può essere eliminato attraverso la sottrazione dei dati, a causa dei loro segnali ionici significativamente diversi (Figura S3). Tutti e tre i composti di droga vengono rilevati utilizzando l'impostazione Ms ICMP/single-probe (Figura S4)46. Questi risultati suggeriscono che questo metodo può essere utilizzato per studiare lipidi intracellulari, farmaci e metaboliti a livello di singola cellula dalle cellule in soluzione in un ambiente quasi nativo.
come illustrato nella Figura 1. Configurazione sperimentale per esperimenti sulla MS a cella a sospensione singola. (A) La piattaforma di manipolazione cellulare integrata (ICMP) accoppiata con uno spettrometro di massa. (B) Schematica per l'analisi delle celle sospese. (C) Vista sperimentale delle celle K562 da selezionare utilizzando la sonda di selezione delle celle. Ristampato con il permesso diStandke et al. Copyright 2019 American Chemical Society. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
come illustrato nella Figura 2. Foto di una sonda singola modificata e di una sonda di selezione cellulare utilizzata per esperimenti sulle MS a cella a singola sospensione. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
come illustrato nella figura 3. Spettro di massa ingrandito da una singola cellula che mostra la specie rappresentativa (m/z 750-850). Le strutture chimiche sono confermate mediante l'analisi MS/MS (Figura S1). Ristampato con il permesso di Standke et al46. Copyright 2019 American Chemical Society. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Molecola di Droga | m/z | Errore di massa (ppm) |
[Gemcitabine s.r.l.m.] + | Ore 264.076 | 11.32 |
[Taxol - Na] + | 876.318 | 2.74 |
[OSW-1 - Na] + | 895.445 | 0,89 |
Lipidi cellulari | ||
[PC(34:4) - H] + | 754.535 | 3.71 |
[PC(34:3) : H] + | 756.551 | 3.44 |
[PC(34:2) - H] + | 758.569 | 0,66 (in inglese) |
[PC(36:5) - H] + | 780.551 | 3.07 |
[PC(36:4) - H] + | 782.568 | 2.17 |
[PC(36:3) - H] + | 784.585 | 0,64 (in inglese) |
[PC(38:7) - H] + | 804.551 | 4.1 (in questo stato del documento) |
[PC(38:6) - H] + | 806.567 | 2.48 |
[PC(38:5) - H] + | 808.583 | 2.72 (in questo stato del documento) |
[PC(38:4) - H] + | 810.601 | 0 (in vie |
[PC(40:7) - H] + | 832.583 | 3.12 |
Tabella 1. Componenti cellulari identificati mediante la configurazione ICMP/Single-probe. La rilevazione di tutti i composti farmacologici è stata confermata confrontando i risultati MS/MS con il composto standard.
La piattaforma integrata di manipolazione e analisi delle cellule è costruita per espandere la versatilità del metodo MS a sonda singola, consentendo un'analisi on-line e rapida delle cellule non aderenti in un ambiente quasi nativo. Un grande vantaggio della tecnica è che è necessaria una preparazione minima del campione, quindi le cellule vengono analizzate in condizioni che imitano il loro stato standard. In particolare, le singole cellule di interesse possono essere identificate e selezionate visivamente, riducendo al minimo l'influenza dell'effetto di matrice sull'efficienza della ionizzazione della SM mantenendo le cellule nel loro ambiente naturale, quindi i risultati sono nativi delle cellule più rappresentative status (Figura S3). Questa tecnica può essere potenzialmente utilizzata per studiare le cellule del paziente sospese nei biofluidi in studi futuri. Un altro vantaggio di questa tecnica è la selezione flessibile del solvente di campionamento. È importante includere l'acetonitrile come il principale solvente di campionamento in modo che la lisi microscala possa verificarsi rapidamente. Potenzialmente, le norme interne (ad esempio, composti farmacologici etichettati isotopicamente) possono essere aggiunte nel solvente di campionamento per la quantificazione delle molecole di interesse (ad esempio, molecole di farmaci) da singole cellule, comprese quelle possono svolgere un ruolo chiave nel rivoluzionare personalizzazione dei trattamenti farmacologici in futuro54.
Anche se questo sistema integrato può essere convenientemente utilizzato per analizzare ampi intervalli di cellule, una limitazione del metodo è che né la sonda a sonda singola né la sonda di selezione cellulare sono disponibili in commercio; dettare la necessità di ottimizzazione di molti parametri (ad esempio, portata, tensione, lunghezza tra l'emettitore nano-ESI e i oniriale, ecc.) prima di ogni esperimento. Inoltre, a causa della piccolezza della sonda a sonda singola e della sonda di selezione cellulare, la perturbazione ambientale (ad esempio, il flusso d'aria) può causare difficoltà a stabilire una giunzione tra le due sonde. Una soluzione a breve termine è la piegatura della sonda di selezione delle cellule vicino alla fine per ridurre al minimo la lunghezza del tapering. Il lavoro futuro prevede lo sviluppo di un alloggiamento per racchiudere le parti critiche dell'allestimento per ridurre al minimo gli effetti ambientali. A causa della quantità limitata di contenuti cellulari e del breve tempo di acquisizione (2-3 s) da una cellula, l'analisi MS/MS può essere condotta solo per specie relativamente abbondanti. Altri fattori che influenzano la sensibilità di rilevamento includono l'efficienza di ionizzazione soppressa a causa dell'introduzione della matrice insieme alla cellula e potenziale perdita di ioni attraverso il tubo di trasferimento ioscioe esteso.
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Gli autori ringraziano Naga Rama Kothapalli per il suo lavoro nello sviluppo di una preparazione dei campioni sia per le cellule sospensioni che per gli esperimenti sul lisato delle cellule. Inoltre, gli autori ringraziano il NIH (R01GM116116 e R21CA204706) per il finanziamento.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Acetontrile | Millipore Co. | AX0145-1 | Sampling solvent |
CellTram Vario | Eppendorf | 6221 | ICMP |
Copper wire | stores.ebay.com/jewelerheaven | Dead soft, round, 20 guage, 25 ft | Conductive union setup |
Digital stereomicroscope | Shenzhen D&F Co. | Supereyes T004 | Analysis |
Disposable micropipette, 1-5 µL | Rochester Scientific | 5065 | Cell-selection probe fabrication |
Dual bore quartz tubing, 1.120"x0.005"x12" | Friedrich & Dimmock, Inc. | MBT-005-020-2Q | Single-probe fabrication |
Epoxy resin | Devcon | Part No. 20945 | Single-probe fabrication |
Eppendorf cell manipulation system | Eppendorf | Transferman NK517800397-U.R. | ICMP |
External nut | VALCO*CHEMINERT | EN1 | Ion transfer tube fabrication |
Formic acid | Sigma-Aldrich | 399388-500ML | Sampling solvent |
Fused silica capillary, ID: 40 µm, OD: 100 µm | Polymicro Technologies | TSP040105 | Single-probe fabrication, conductive union setup |
Fused silica capillary, ID: 50 µm, OD: 150 µm | Polymicro Technologies | 1068150015 | Conductive union setup |
HyClone Synthetic fetal bovine serum (FBS) | Fischer Sci | SH3006603 | Cell culture |
Inline MicroFilter | IDEX Health & Science LLC | M-520 | Conductive union setup |
Laser puller | Sutter Instrument Co. | Model P-2000 | Single-probe fabrication |
LED UV lamp | Foshan Liang Ya Dental Equipment | LY-C240 | Single-probe fabrication |
LTQ Orbitrap mass spectrometer | Thermo Scientific | LTQ Orbitrap XL | Analysis |
Microforge | Narishige, Co. | MF-9 | Cell-selection probe fabrication |
Microunion | IDEX Health & Science LLC | M-539 | Conductive union |
PEEK tubing, 1/32x0.005x 5ft | IDEX Health & Science LLC | 1576 | Conductive union setup |
PEEK tubing, 1/32x0.007x 5ft | IDEX Health & Science LLC | 1577 | Conductive union setup |
Penicillin/Streptomycin | Gibco/Life Technologies | 15140-122 | Cell culture |
Petri dish, 35x10 mm | VWR | 25382-334 | Sample preparation |
Phosphate Buffered Saline (PBS) | VWR | 0780-50L | Cell culture |
Platinum wire | Narishige, Co. | Model PT-A | Microforge |
Power supply | Nikon | PSM-2120 | ICMP |
RPMI, 1X with Corning glutagro | Corning | 10-104-CV | Cell culture |
Single-bore tubes | Boralex | 5065 | Cell-selection probe fabrication |
Stainless steel ferrules, for 1/16" OD | IDEX Health & Science LLC | VHP-200-01x | Ion transfer tube fabrication |
Stainless steel tubing, 1/32x 205 µm x30 cm | IDEX Health & Science LLC | U-1128 | Ion transfer tube fabrication |
Syringe, 250 µL | Hamilton | 1725LTN250UL | Sampling syringe |
T25 flask | CellStar | 690160 | Cell culture |
Thermo LTQ XL ion source interface flange | New Objective | PB5500 | Analysis |
ThermoPlate | TokaiHit | 55R30N | ICMP |
TrypLE Express | Gibco | 12605-010 | Cell culture |
Tube cutter, for 1/16" stainless steel | SUPELCO | 58692-U | Ion transfer tube fabrication |
USB digital photography microscope | dx.com | SO2 25~500X | Analysis |
UV curing resin | Prime Dental | Item No. 006.030 | Single-probe fabrication |
Vertical pipette puller | David Kopf Instruments | Model 720 | Cell-selection probe fabrication |
Voltage housing | PicoChip | PCH-A00120 | ICMP/MS interface |
Wire cutter | Craftsman | 4 1/2 in end nipper | Conductive union setup |
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