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Uma plataforma integrada da manipulação da pilha é desenvolvida para o uso conjuntamente com uma instalação de espectrometria maciça da único-ponta de prova para a análise em linha de pilhas individuais da suspensão circunstâncias ambientais.
A espectrometria maciça da única pilha (SCMS) permite a deteção sensível e a análise exata de escalas largas de espécies celulares no nível da individual-pilha. O único-sonda, uma amostragem de microescala e dispositivo de ionização, pode ser acoplado com um espectrómetro de massa para on-line, análise rápida SCMS de constituintes celulares em condições ambientais. Previamente, a técnica de SCMS da único-ponta de prova foi usada primeiramente para medir as pilhas imobilizadas em um substrato, limitando os tipos de pilhas para estudos. No presente estudo, a tecnologia SCMS de sonda única foi integrada com um sistema de manipulação celular, tipicamente utilizado para fertilização in vitro. Essa plataforma integrada de manipulação e análise de células usa uma sonda de seleção de células para capturar células flutuantes individuais identificadas e transferir as células para a ponta de sonda única para lise de microescala, seguida de análise de espectrometria de massa imediata. Este processo de captação e transferência remove as células da solução circundante antes da análise, minimizando a introdução de moléculas matriciais na análise de espectrometria de massas. Esta instalação integrada é capaz da análise de SCMS de pilhas paciente-isoladas alvejadas atuais em amostras dos líquidos de corpo (por exemplo, urina, sangue, saliva, etc.), permitindo aplicações potenciais da análise de SCMS à medicina humana e à biologia da doença.
A biologia humana, especialmente a biologia da doença, é cada vez mais entendida como o resultado de atividades no nível de células individuais, mas os métodos analíticos tradicionais, como a espectrometria de massas por cromatografia líquida (LCMS), são geralmente utilizados para analisar amostras preparadas a partir de populações de células, enquanto a informação molecular adquirida não pode representar com precisão os processos químicos no nível de células individuais. Estes métodos padrão, tradicionais são incapazes de discernir os efeitos da heterogeneidade celular em uma medida analítica, e o processo de destruir e de misturar as pilhas para preparar o lisado conduz potencialmente à alteração ou à perda de celular componentes1,2. Essas limitações dos métodos tradicionais são especialmente importantes na análise das células do paciente, nas quais as amostras obtidas podem conter uma mistura complexa de muitos tipos de células diferentes. Para superar essas deficiências, métodos de análise molecular de células únicas, incluindo métodos de espectrometria de massa de células simples (SCMS), estão sendo cada vez mais desenvolvidos e aplicados à Bioanálise, especialmente de metabólitos celulares e de baixo peso molecular biomoléculas3,4.
As primeiras técnicas de SCMS desenvolvidas utilizaram técnicas à base de vácuo para realizar as análises em condições não-ambientais2,5,6,7,8,9, 10,11. As técnicas de SCMS não-ambientais são capazes de analisar lipídios e metabólitos celulares, mas exigem pré-tratamento de amostra em condições artificiais e, portanto, não são adequados para análise em tempo real. O processo de preparação da amostra para a análise não-ambiental inclui a adição de componentes da matriz, e esta preparação pode alterar componentes celulares de seu ambiente natural12. Portanto, técnicas de espectrometria de massa ambiente (MS), que não necessitam de vácuo para o ambiente de amostragem, são utilizadas para analisar as células em um ambiente Near-Native. Não ter um ambiente do vácuo permite a versatilidade no projeto experimental; as câmeras podem ser adicionadas para monitorar o processo celular e técnicas de ionização mais suaves podem ser combinadas com técnicas de separação para receber melhor informação de cada experimento de uma única célula4,12,13 ,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.
O método SCMS de sonda única é uma técnica ambiental que analisa as linhagens celulares de câncer de mamíferos ao vivo em um ambiente próximo-nativo21,43,44,45,46. Além disso, o dispositivo de sonda única tem sido usado para outras aplicações de espectrometria de massas, incluindo a análise de moléculas extracelulares em esferóides multicelulares e MS Imaging dos tecidos47,48,49 ,50,51,52. Entretanto, como a imobilização celular em substratos é necessária para este método, as células de suspensão não podem ser diretamente analisadas por meio dessa técnica3,53. Portanto, o sistema SCMS de sonda única não pôde ser usado diretamente para a amostra de células únicas não aderentes, como linhas celulares não aderentes ou células de suspensão isoladas do sangue de um paciente ou outros fluidos corporais54. Neste trabalho, uma plataforma integrada de manipulação de células (ICMP) é acoplada à técnica SCMS de sonda única para analisar em linha as células de suspensão ao vivo com a preparação mínima da amostra (Figura 1)46. O ICMP consiste em um microscópio invertido para monitorar a seleção de células, uma sonda de seleção de células de vidro, um microinjector para capturar células flutuantes individuais, uma placa aquecida para manter a temperatura celular, dois sistemas de manipulação de células para controlar a movimentos da sonda de seleção de células de vidro e sonda única, e um microscópio digital para observar a transferência celular da ponta da sonda de seleção de células para a ponta de sonda única. A fabricação da sonda única é detalhada em publicações anteriores e não será abordada aqui21,48. O sistema ICMP/sonda única é acoplado a um espectrómetro de massa de alta resolução. Esta configuração integrada permite a amostragem de células individuais identificadas de amostras biológicas complexas com efeitos mínimos de moléculas de matriz.
1. vidro célula-seleção sonda de fabricação
2. conjunto integrado da plataforma da manipulação da pilha
3. criar um tubo de transferência de íon estendido para a entrada de espectrómetro de massa
4. Acople o ICMP com uma instalação da único-ponta de prova
5. preparação da amostra de células suspensas
6. realize medições do SCMS usando a configuração ICMP/sonda única
Primeiro, as células k562 não tratadas são usadas para estabelecer o método experimental. Em um experimento típico do SCMS, alterações óbvias de espectros de massa podem ser observadas a partir da transferência de uma célula, durante a detecção de conteúdo celular, e após o término da medida (Figura S1). Três picos celulares comuns lipídicos (fosfatidilcolina, PC), incluindo PC (34:4) (m/z 754,536), PC (36:4) (m/z 782,567), e PC (38:5) (m/z 808,583), são monitorados para garantir que a célula é transferida com sucesso e celular os conteúdos são detectados (Figura S2)21,43,46,55,56. Se os picos lipídicos não forem observados dentro de 5 s, o nível de óleo mineral no microinjetor é alterado para reduzir a sucção segurando a célula na ponta da sonda de seleção de células; o cuidado precisa de ser tomado de modo que nenhum óleo mineral esteja empurrado para fora da ponta de prova da célula-seleção. A identidade de muitos PC ' s na escala maciça de m/z 750-850 é confirmada usando MS/MS em amostras não tratadas do lisado da pilha (Figura 3, Figura S2, tabela 1)46.
K562 células também são submetidas ao tratamento com vários compostos de drogas para expandir a versatilidade do método. K562 células são incubadas com gemcitabina (1 μM) e Taxol (1 μM) para 1 h e OSW-1 (100 nM, 1 μM) para 4 h e 2 h, respectivamente. As células são então lavadas com PBS para minimizar a detecção de compostos de drogas a partir de conteúdo extracelular. A contribuição da matriz (por exemplo, íons de meio de cultura celular, PBS e solvente) para espectros de massa de conteúdo celular pode ser eliminada através da subtração de dados, devido aos seus sinais de íons significativamente diferentes (Figura S3). Todos os três compostos de drogas são detectados usando a configuração de MS ICMP/única sonda (Figura S4)46. Estes resultados sugerem que este método pode ser usado para estudar lipídeos intracelulares, fármacos e metabólitos no nível de células únicas a partir de pilhas em solução em um ambiente Near-Native.
Figura 1. Configuração experimental para experimentos de MS de célula de suspensão única. (A) a plataforma integrada de manipulação de células (ICMP) acoplada a um espectrómetro de massa. (B) esquemático para análise de células suspensas. (C) visão experimental de células k562 a serem selecionadas usando a sonda de seleção de células. Reproduzido com permissão de Standke et al.46. Copyright 2019 sociedade química americana. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2. Fotos de uma única sonda modificada e uma sonda de seleção de células utilizada para experimentos de MS de célula de suspensão única. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3. Zoomed-no espectro maciço de uma única pilha que mostra a espécie representativa (m/z 750-850). As estruturas químicas são confirmadas por meio da análise MS/MS (Figura S1). Reproduzido com permissão de Standke et al46. Copyright 2019 sociedade química americana. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Molécula de drogas* | m/z | Erro de massa (ppm) |
[Gemcitabine + H] + | 264, 76 | 11,32 |
[Taxol + nd] + | 876,318 | 2,74 |
[OSW-1 + nd] + | 895,445 | 0,89 |
Lipídios celulares | ||
[PC (34:4) + H] + | 754,535 | 3,71 |
[PC (34:3) + H] + | 756,551 | 3,44 |
[PC (34:2) + H] + | 758,569 | 0,66 |
[PC (36:5) + H] + | 780,551 | 3, 7 |
[PC (36:4) + H] + | 782,568 | 2,17 |
[PC (36:3) + H] + | 784,585 | 0,64 |
[PC (38:7) + H] + | 804,551 | 4,1 |
[PC (38:6) + H] + | 806,567 | 2,48 |
[PC (38:5) + H] + | 808,583 | 2,72 |
[PC (38:4) + H] + | 810,601 | 0 |
[PC (40:7) + H] + | 832,583 | 3,12 |
Tabela 1. Identificou componentes celulares usando a configuração ICMP/sonda única. A detecção de todos os compostos farmacológicos foi confirmada comparando-se os resultados do MS/MS com o composto padrão.
A plataforma integrada da manipulação e da análise da pilha é construída para expandir a versatilidade do método da único-ponta de prova MS, permitindo a análise em linha, rápida de pilhas não-aderentes em um ambiente próximo-nativo. Uma grande vantagem da técnica é que a preparação mínima da amostra é necessária, de modo que as células são analisadas em condições que imitam seu estado padrão. Particularmente, células individuais de interesse podem ser visualmente identificadas e selecionadas, minimizando a influência do efeito matricial na eficiência da ionização de MS, mantendo as células em seu ambiente natural, de modo que os resultados são mais representativos das células nativas status (Figura S3). Esta técnica pode potencialmente ser usada para estudar as pilhas pacientes suspendidas nos biofluídos em estudos futuros. Outra vantagem desta técnica é a seleção flexível do solvente de amostragem. É importante incluir o acetonitrila como o solvente principal da amostragem de modo que o lysis da microescala possa ocorrer ràpida. Potencialmente, as normas internas (por exemplo, compostos de medicamentos rotulados isotopicamente) podem ser adicionadas ao solvente de amostragem para quantificação de moléculas de interesse (por exemplo, moléculas de drogas) de células individuais, incluindo aquelas que podem desempenhar um papel fundamental na revolução personalizar os tratamentos medicamentoso no futuro54.
Embora este sistema integrado possa convenientemente ser usado para analisar escalas largas das pilhas, uma limitação do método é que nem a única-ponta de prova nem a sonda de seleção da pilha estão comercialmente-disponíveis; diating a necessidade para a optimização de muitos parâmetros (por exemplo, taxa de fluxo, tensão, comprimento entre o emissor de nano-ESI e a tubulação de transferência do íon, etc.) antes de cada experimento. Além disso, devido à pequenez da sonda de sonda única e seleção de células, a perturbação ambiental (por exemplo, fluxo de ar) pode resultar em dificuldades para estabelecer uma junção entre as duas sondas. Uma solução de curto prazo é a dobra da sonda de seleção de células perto do fim para minimizar o comprimento da afilagem. O trabalho futuro inclui o desenvolvimento de uma habitação para colocar as partes críticas da configuração para minimizar os efeitos ambientais. Devido à quantidade limitada de conteúdo celular e tempo de aquisição curto (~ 2-3 s) de uma célula, a análise de MS/MS só pode ser conduzida para espécies relativamente abundantes. Outros fatores que influenciam a sensibilidade da deteção incluem a eficiência suprimida da ionização devido à introdução da matriz junto com a pilha e a perda potencial do íon através da tubulação prolongada da transferência do íon.
Os autores não têm nada a revelar.
Os autores agradecem a Naga Rama Kothapalli por seu trabalho no desenvolvimento da preparação da amostra para as células de suspensão e experimentos de lisado celular. Além disso, os autores agradecem ao NIH (R01GM116116 e R21CA204706) pelo financiamento.
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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