레이저에 의해 폐 결핵 병 변에서 약의 공간 정량화 캡처 서 액체 착 색 인쇄기 질량 분석 (LCM-LC/MS)

요약

여기, 우리는 공간 계량 폐 결핵 육아 내 마약 배포판에 레이저 캡처 서 LC/MS 분석과 함께 사용 하 여 프로토콜을 설명 합니다. 접근은 광범위 한 적응성 높은 공간 세부 사항에서 조직 내의 약물 농도 측정 하는 있다.

초록

결핵은 여전히 병 적 상태와 사망률 전세계의 주요 원인. 기존 약물 regimens 개선 및 새로운 치료제의 개발 시급히 필요 됩니다. 도달 하 고 저조한 나가도록 괴 지역 (caseum) 폐 육아의 박테리아 살 균 약 복용된 결핵 약의 능력은 성공적인 치료 적 개입에 대 한 중요 합니다. 효과적인 치료 regimens 따라서 유리한 caseum 침투 특성을 가진 약물을 포함 해야 합니다. 생물 조직에 마약 수준 측정을 위한 현재 LC/MS 방법 제한 된 해상도 기능, 그 안에 발견 같은 작은 조직 구획 내에서 절대 약물 농도 정확 하 게 결정 하 고 어려운 괴 사 성 육아입니다. 여기 우리는 LC/MS 정량화와 병 적 별개 조직 영역의 레이저 캡처 기정 (LCM)를 결합 하는 프로토콜을 제시. 이 기술은 육아 caseum, 세포 병 변 및 uninvolved 폐 조직 내 약물의 절대 정량화 하며, 따라서, 정확 하 게 살 균 농도 달성 되 고 있는지 여부를 결정 합니다. 결핵 연구, 뿐만 아니라 기술 병 조직에 약물의 공간 해결 정량화에 대 한 많은 잠재적인 응용 프로그램을 하고있다.

서문

공간을 해결 하 고 마약 수준 계량 능력 결핵 약물 농도¹살 균에서 폐 병 변 내의 박테리아 모집단에 도달 여부를 결정 하기 위한 중요 한 요구 사항입니다. 특별 한 중요성의 일반적으로 이십시오의 가장 높은 수를 포함 하 고 마약 vascularization의 부재 때문에 액세스할 수 있습니다 (caseum 라고) 하는 병 변의 괴 핵심으로 약물 침투를 결정 이다.

삭제 폐 병 변의 균질 화를 포함 하는 병 변 침투를 평가 하기 위해 전통적인 방법 뒤에 용 매 추출 및 액체 착 색 인쇄기 질량 분석 (LC/MS) 분석, 매우 민감하고의 마약에 대 한 선택적 관심입니다. 그러나,이 메서드는 원래 무 균된 조직의 크기를 제한 하는 불 쌍 한 공간 정보를 제공 합니다. 질량 분석 기반 이미징 등 방법을 매트릭스 보조 레이저 탈 착 이온화 (MALDI)^2,3, desorption 분무 이온화 (DESI)⁴ 또는 표면 추출 액체 강화 된^{5, 6} 높은 공간 해결 이미징 기능을 제공 하지만 직접 정량화는 매우 도전적인 또는 이기종 이온 억제 효과 및 다양 한 셀에서 분석의 다른 추출 효율 불가능 한 수 또는 조직의 종류⁷. 또한, 가장 직접적인 조직 MS 이미징 접근은 본질적으로 생 종 이온화와 조직에서 약물의 낮은 용 매 추출 효율에 대 한 경쟁의 컬럼에 분리의 부족 때문에 LC/MS 보다 덜 민감한.

레이저 캡처 기정 (LCM) LC/MS 분석을 함께 정기적으로 격리 및 proteomic 연구^8,9 에 대 한 뚜렷한 조직 지역 특성화에 적용 되었으며 최근 약물 정량화에 대 한 활용에 복용 동물 조직¹⁰. 여기 선물이 적용 LCM (LCM-LC/MS) LC/MS 분석을 결합해 독특한 육아 구획 내에서 안티-결핵 약물을 계량 하는 최적화 된 프로토콜. 레이저 캡처 서 과정에서 UV 레이저는 현미경 목표는 사용자에 의해 정의 된 경로 따라 원하는 조직 영역을 분리 하 고 조직 섹션에를 통해 집중 된다. 중력 지원 lcm (이 연구에 사용 하는 기법), 조직 섹션 얇은 고분자 막 슬라이드 (PET 또는 펜)에 탑재 되 고 조직 슬라이드 아래 sited 컬렉션 튜브 캡에 캡처됩니다. 마약 삭제 조직에서 추출 되 고 표준 LC/MS 접근을 사용 하 여 계량. 수집 하는 데 필요한 조직의 양은 궁극적으로 조직에 존재 하는 약물의 예상된 농도 및 LC/MS 방법의 감도에서 결정 됩니다. 대부분의 약물 치료 수준에서 약을 복용 하 고 조직의 일상적인 트리플 4 극 자 질량 분석기, 3 백만 µ m² (3 m m²)를 사용 하 여 분석의 분석에 대 한 표면적은 충분 합니다.

이 프로토콜 공간 프로 파일링의 강력한 조합을 설명 하 고 전체 정량화 LCM-LC/MS, 결핵 육아의 모든 구획 내에서 절대 약물 농도 제공 제공. 기술은 또한 중요 한 약물 발견과 개발 정보를 제공 하 많은 다른 병에 걸리는 조직에 약물 농도 결정에 적용할 수 있습니다.

프로토콜

모든 동물 연구 관리 및 승인 기관 동물 관리에서 국립 보건원의 실험 동물의 사용 및 사용 위원회의 NIAID (NIH), 베 데스 다, 메릴랜드에 대 한 가이드에 따라 수행 했다

1. 동물 실험 및 조직 컬렉션

이 섹션은 프로토콜의 동물 절차 및 Biosafety 수준 3 (BSL3) 조건 하에서 샘플 컬렉션을 설명합니다. 토끼에서 프로토콜 되었습니다 결핵균 에 어로 졸 감염 절차 및 약물 관리의 상세한 프로토콜 기술 이전^11,12.

1. 뉴질랜드 백색 토끼 (남녀 4-5 개월에) M. 결핵 HN878 감염 앞¹¹에서 설명한 코 전용에 어로 졸 시스템을 사용 하 여.
2. 기본 루트를 통해 선택한 마약 (여기에 제시 된 예에서 Ethambutol)를 관리 하 고 2, 6, 및 24 시간 관리 다음에 동물을 안락사. 첫째, 5 mg/kg에서 35 mg/kg 및 Xylazine에서 케 타 민의 근육 주사로 토끼를 anesthetize. 10 분 기다립니다 고 적절 한 anesthetization 꼬리를 꼬 집 고 부드럽게 눈을 감동 합니다. 아무 반응 인 경우에 1 mL/4.5 k g 2 mL의 멸 균 식 염 수에 pentobarbital 및 phenytoin ( 재료의 표참조)의 정 맥 행정에 의해 안락사.
   참고: 이러한 timepoints 최적의 Ethambutol pharmacokinetic 프로 파일 커버 하 고 다른 연구 약물에 대 한 조정/최적화 필요할 수 있습니다.
3. 가슴 구멍에서 폐를 제거, resect uninvolved 폐 조직 (앞에서 설명한³) 주변에 포함 된 큰 괴 사 성 육아 종을 포함 하는 폐 생 검 겸 자가 위, 또는 메스 사용. 괴 사 성 육아 종을 표시에 베이 지 컬러와 일반적으로 약간 주변 레드/핑크 색 폐에서 내 다. 쉽게 cryosectioning 촉진 하 biopsies 2 x 1.5 x 1.5 c m 보다 큰 인지 확인 합니다.
4. 집게를 사용 하 여 용지함의 기지와 직접 접촉에서 사전 분류 cryomold 트레이 원하는 절단 표면에 생을 놓습니다. 동결, 후이 평평한 표면에서 cryosections 삭감 될 것 이다 제공할 것입니다.
5. 액체 질소 증기에 생을 고정 합니다. 액체 질소와 2 인치는 깊이를 스티로폼 컨테이너와 금속 와이어 튜브 랙 배치. 랙 평평한 표면 조직 트레이 배치 됩니다 제공 하는 액체 질소의 표면 위에 내 다 한다. 스티로폼 용기에 다시 뚜껑을 배치 하 고 10 분 완전히 동결에 대 한 조직을 두십시오.
6. 조직 트레이 제거, 신속 하 게 알루미늄 필름에 포장 및 개별적으로 레이블이 resealable 비닐 봉투 및 도장 장소. -80 ° C 냉동 고 스토리지에 대 한 전송.
   참고: 단계 1.1-1.6 BSL3 조건 (모든 동물 작품을 포함 한 감염된 장기 및 조직의 처리)에서 수행 됩니다. 감마 비추는 BSL3 제약 이외의 처리를 3 Megarads에서 폐 생 검. 레이저 캡처 기정 unsterilized 조직에 시설 안전 프로토콜 승인 하는 경우에 BLS3 내에서 수행할 수 있습니다. 그러나,이 프로토콜의 나머지 다운스트림 처리를 BSL-2 시설에 설명합니다.

2. 조직 단면

1. 원하는 절삭 온도 cryostat를 설정 합니다. cryostat에 감마 방사선 폐 생 검-80 ° C 저장에서 전송 하 고 equilibrate 조직 온도를 30 분 동안 둡니다. 참고:-22 ° C-20은 결핵 병 변 biopsies에 적합 합니다.
2. 핀셋을 사용 하는 척을 조직의 기본 준수를 최적의 절삭 온도 접착제 (OCT)의 작은 금액을 사용 하 여 cryostat 척을 생 수정. 평평한 표면 (그는 cryomold의 접촉)는 절단을 위한 노출된 표면 조직을 방향을 정하십시오. 이 후속 질량 분석 분석을 방해할 수 있습니다 대로 OCT 조직 표면 오염 하지 않습니다 확인 합니다.
3. 25 µ m 두께에 3 개의 직물 단면도 잘라내어 애완 동물 멤브레인 슬라이드에 탑재. 부드럽게 조직 섹션을 막 터치 하 고 제거 합니다. 너무 많은 압력을 적용 하는 경우 얇은 막 찢 어 수 있습니다.
   1. 장착이 되 고 조직 단면도의 청구와 가난한 접착 애완 동물 멤브레인에 발생 이전 슬라이드의 과도 한 처리를 하지 마십시오. 막 슬라이드 thaw 장착 및 성공적인 접착 막에 조직의 활성화를 위해 상 온에서 보관 됩니다 확인 하십시오.
4. cryostat에서 슬라이드를 제거 하 고 3 분 동안 건조를 허용 합니다. LCM-LC/MS/MS 즉시 수행 되지 것입니다, 경우는 작은 밀폐 밀폐 가능한 봉투에 전송-80 ° C 저장까지 해 부에 필요한 슬라이드 봉인.
5. 10-12 µ m와 thaw-마운트 되며 고 오신 (H & E) 얼룩 및 참조에 대 한 표준 유리 슬라이드에 인접 한 부분을 잘라. 추가 섹션 (결핵균 (MTB)를 시각화에 대 한 Ziehl-Niellsen) 같은 다른 원하는 histochemistry 얼룩에 대 한이 시간에서 잘릴 수 있다.

3입니다. 서

1. -80 ° C 저장에서 슬라이드를 포함 하는 봉인된 봉투를 제거 하 고 5 분 동안 실내 온도 도달할 수 있도록.
   참고: 차가운 슬라이드 즉시 실험실 분위기에 노출은, 조직을 응축, 코팅 될 것입니다 그리고 약물의 공간 무결성이 손상 될 수 있습니다.
2. 현미경 및 레이저 (레이저 필요 합니다 5-10 분 워밍업 절단 수 시작 하기 전에). 플랫 캡 0.20 mL PCR 튜브 홀더 로드.
3. 가방에서 슬라이드를 제거 하 고 평판 스캐너를 사용 하 여 애완 동물 슬라이드에 조직 단면도의 광학 이미지.
4. 슬라이드 슬라이드 홀더 (조직 면이 아래로)에 놓고 현미경 소프트웨어를 사용 하 여 관심사의 특정 육아 지역에 별도 컬렉션 튜브를 할당 합니다. 일반적으로, 이러한 'uninvolved 폐,' '세포 육아 종,' 되며 'caseum' (괴 사 성 센터), 하지만 수 있습니다 육아/생의 특정 병에 따라 다릅니다.
5. 현미경 목표 X 5를 사용 하 여 조직에 초점. 이 확대는 두 세포 괴 사 성 육아 분야를 포함 하는 조직에 대 한 좋은 개요를 제공 해야 합니다. 소프트웨어에서 조직 아래 위치로 이동 하려면 'caseum'를 지정 하는 튜브를 선택 합니다.
6. 해 부에 원하는 매개 변수를 입력 합니다. 25 µ m 두께 폐 섹션에 대 한 일반적인 설정은 레이저 전원 30, 15, 속도 및 조리개 35 (임의의 단위) 합니다. 그러나, 이러한 사용 하는 현미경 및 레이저의 나이 인해 전력 감소 잠재력에 따라 달라 집니다.
7. ' 자유 그리기 ' 도구를 선택 하 고, 마우스 또는 터치 스크린 펜을 사용 하 여, 원하는 지역의 해 부에 대 한 개요. 지역의 표면 영역에에서 표시 됩니다. 500000 µ m² (0.5 m m²) 쉽게 해 부를 촉진 하기 위해 선택된 영역을 유지. 해 부를 반복 하 여 튜브 모자에 총에서 3 백만 µ m² (3 m m²)가 수집.
   1. 경우에, 해 부 지역 (예를 들면 때문에 정적 매력) 주변 막에 붙어 남아 고 컬렉션 모자에 빠지지 수 있습니다. 선택 하 고 소프트웨어 내에서 수동으로 제거 하 여 총 누적 노출 영역에서이 영역을 제거 합니다.
8. '세포 병 변'에 대 한 모자를 선택 하 고 3 백만 µ m² 단계 3.7에서에서 설명한 동일한 프로세스를 사용 하 여 조직의 수집.
9. 'Uninvolved 폐'에 대 한 모자를 선택 하 고 3 백만 µ m² 단계 3.7에서에서 설명한 동일한 프로세스를 사용 하 여 조직의 수집. 참고 uninvolved 폐 조직 bronchioles 및 치조 공간 포함. 주의 주의를 해 부에 대 한 정의 된 조직 영역에서 제외.
10. 캡 홀더를 제거 하 고 신중 하 게 unclip, 인감 및 레이블 각 튜브. 항공 장애 등 공기 흐름 장애는 오프닝에서에서부터 주변에서 해 부 조직을 보호 합니다. 즉시, 해 부 조직 분석 또는-80 ° C에서 저장 하 고 처리 및 LCMS 분석 하기 전에 해 동.

4. 추출 및 LCMS 분석

1. 1:1 이기/메탄올 Ethambutol d-10 내부 표준 포함의 추출 솔루션을 준비 합니다. 내부 표준, 사용 분석 약물의 안정적인 분류 형태 (중수소 라는 EMB이이 데모에서 사용)와 같은 동위 원소를 피하기 위해 충분 한 질량 변화와 크로스를 선택할 때 실정이 약물 및 표준 (일반적으로 최소 4 daltons) 사이 이야기 .
   참고: homogenate 표준을 만들고 하는 매우 제한 된 제어 조직 때문에 어렵습니다 각 각각 조직 유형의 homogenate에서 표준 만들기. 아군된 homogenate 샘플에서 표준 만들기 하는 대신 표준 빈 조직과 함께 하 고 추출 화합물을 테스트를 추가 하 여 만들 수 있습니다. 연구 샘플 조직 단면도의 대상 볼륨을 일치 하는 homogenate에서 제어 조직의 볼륨 주어진된 농도에 있을 것 이라고 테스트 화합물의 금액와 직접 결합 된다.
2. 노출 영역 및 조직 단면도의 두께에 따라 대상된 조직 볼륨을 계산 하 고 표준 및 QC 샘플에 추가 되는 homogenate의 볼륨을 사용 하 여 homogenate에 대 한 필요한 희석 비율을 결정. 계산 25 µ m 두께와 homogenate의 2 µ L 볼륨 3 백만 µ m² (3 m m²) 해 부 대상 지역에 대 한 아래 설명 됩니다.
   
   
   
   
3. 제어 조직의 50 밀리 그램 무게 희석 PBS 버퍼를 추가 하 여 homogenate 재고를 준비 하는 조직 밀도 1g/mL의 가정 (26.67 homogenate 희석 요소를 사용 하 여 단계에서 계산한 4.2, 희석제는 1.283 mL). 구슬 구슬 균질 화기에 1750 rpm에서 5 분간 폐 조직 및 PBS 버퍼 구타에 의해 균질.
   
   
4. 1:1 이기/물 솔루션 급상승 표준 곡선을 만드는 데에 1 mg/mL 마약 주식 농도 희석. 급상승 스파이크 볼륨 및 대상 조직 볼륨에 따라 표준 농도 결정 합니다. 그림된 예제를 100 ng/mL 10 µ L 스파이크 볼륨을 사용 하 여 표준입니다.
   
   
5. Microdissected 조직-80 ° C 저장에서 포함 된 튜브를 제거 하 고 5 분 동안 실내 온도 도달할 수 있도록.
6. Microdissected 조직을 포함 하는 튜브를 1:1 이기/물 솔루션의 10 µ L 및 PBS 버퍼의 2 µ L를 추가 합니다.
7. 표준 곡선 및 품질 관리 관, 대 한 솔루션 제어 폐 homogenate의 2 µ L 요동의 10 µ L를 추가 합니다.
8. 각 튜브를 추출 솔루션의 50 µ L를 추가 합니다.
9. 소용돌이, 5 분 동안 각 관 5 분 동안 sonicate 고 영화와 조직의 각 튜브에 펠 릿을 형성 하기 위하여 5 분 동안 5000 RPM에서 원심.
10. 96-잘 깊은 잘 격판덮개에 상쾌한의 50 µ L를 전송 및 각 잘에서 이온된 수의 추가 50 µ L로 희석.
11. Ethambutol Ethambutol-d10 내부 표준 (앞에서 설명한 세부¹²)에 대 한 최적화 된 악기 매개 변수를 사용 하 여 LC/MS/MS 분석을 수행 합니다.
12. 희석 비율을 사용 하 여 조직의 각 샘플에 대 한 해 부 정확한 금액에 대 한 수정.
    

5. 방법 유효성 검사

1. 1 부 폐, 2 부분 PBS, 3-4 강철 구슬을 결합 하 여 제어 폐 조직에는 homogenate을 만듭니다. 비드 균질 화기를 사용 하 여 1750 rpm에서 5 분간 폐 조직 및 PBS 버퍼를 이길.
2. 990 µ L homogenate를 만드는 1 분 10000 ng/mL (10mg/mL)와 소용돌이의 최종 농도에 1mg/mL Ethambutol DMSO 재고의 10 µ L을 추가 하 여는 homogenate 스파이크.
3. cryomold에는 homogenate을 붓는 고 빠르게 5 분에 대 한 드라이 아이스에 냉동 하 여 냉동된 homogenate 블록을 만듭니다.
4. 2.1-2.5 단계에 설명 된 대로 homogenate 블록에서 25 µ m 두꺼운 섹션을 준비 합니다.
5. 3.2-3.10 단계에 지정 된 대상 조직 영역 해 부.
6. Microdissected 조직을 포함 하는 관에 10 µ L 1:1 이기/물과 PBS 버퍼의 2 µ L를 추가 합니다.
7. 각 튜브를 추출 솔루션의 50 µ L를 추가 합니다. 단계 4.9-4.12 표준 곡선을 만들고 조직 homogenate 블록에 약물 농도 결정 합니다.
8. 아래 수식을 사용 하 여 추출 효율을 계산:
   

결과

LCM-LC/MS 접근에 대 한 개요는 그림 1에 표시 됩니다. 감마-방사선에 의해 조직 살 균, 후 (조직 단면 이후)에서 모든 후속 단계 BSL3 조건 이상으로 일어난다. 그림 2 조직 격리 LCM 전후 생 섹션 병 변이 보여준다. 결핵 병 변 괴과 세포 분야를 쉽게 식별 하 고 광학 이미지 (인접 조직 조직학 얼룩이 섹션을 참조 하십시오 요구) 없이 ?...

토론

공간 해결 정량화 폐 결핵 병 변 내 약물의 약물 노출에 다른 병 변 구획 내에서 거주 하는 세균성 인구에 살 균 농도 도달 여부를 확인 하기 위해 필요 합니다. 여기에 설명 된 LCM-LC/MS 메서드는 총에서만 1-3 조직 단면도 사용 하 여 박테리아-부유한 caseum를 포함 하 여 모든 병 변 구획 내에서 안티-결핵 약물의 절대 정량화를 수 있습니다. 전통적인 조직 균질 및 LC/MS 방법 조직에 마약 정량화 종종 ?...

자료

Name	Company	Catalog Number	Comments
New Zealand White rabbits	Covance	N/A
HN878 Mycobacterium tuberculosis	BEI Resources	NR-13647
Ketathesia (Ketamine) 100 mg/mL C3N	Henry Schein Animal Health	56344
Anased (Xylazine) 100 mg/mL	Henry Schein Animal Health	33198
Euthasol (pentobarbital sodium and phenytoin sodium) Solution	Virbac	710101
Acetonitrile (LC-MS grade)	Fisher	A955-212
Methanol (LC-MS grade)	Fisher	A456-212
Formic Acid (LC-MS grade)	Fisher	A117-50
Water (LC-MS grade)	Fisher	W6212
0.2 mL flat-cap PCR tubes	Corning	07-200-392
Steel frames, PET-membrane	Leica	11505151
Premium Frosted Microscope Slides	Fisher	12-544-2
96 Deep well plate 2.0ML PP RB	Fisher	NC0363259
Zorbax SB-C8 column (4.6 by 50 mm; particle size, 3.5 μm)	Agilent	820631-001D
"Zipper” Seal Sample Bags	Fisher	01-816-1B
Name	Company	Catalog Number	Comments
Equipment
CM1850 cryostat	Leica	Discontinued	Leica CM1860 is the current model
Laser Microdissection System 6500	Leica	Discontinued	Leica LMD 6 is the current model
Agilent 1260 Infinity II HPLC	Agilent
API 4000 QTRAP Mass Spectrometer	Sciex