Name: visualization of metabolites identified in the spatial metabolome of traditional chinese medicine using desi-msi
Uploaded: 2022-12-16T14:50:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Visualization of Metabolites Identified in the Spatial Metabolome of Traditional Chinese Medicine Using DESI-MSI at JoVE.com

Diese Arbeit wurde von der Natural Science Foundation der Provinz Sichuan (Nr. 2022NSFSC0171) und dem Xinglin Talent Program der Chengdu University of TCM (Nr. 030058042) unterstützt.

1. Probenvorbereitung
<ol><li>Sammeln Sie gereinigte Wurzeln und Blätter einer 2 Jahre alten Salvia miltiorrhiza-Pflanze (Abbildung 1A) und schneiden Sie sie direkt von Hand in einer Querschnittsdicke von ca. 3-5 mm. Kleben Sie die Probe dann mit doppelseitigem Klebeband auf einen Objektträger des Adhäsionsmikroskops (Abbildung 1B). Anmerkungen: Stellen Sie sicher, dass die Größe des doppelseitigen Klebebandes größer als die...

<ol>
	<li>Buchberger, A. R., DeLaney, K., Johnson, J., Li, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mass+spectrometry+imaging:+a+review+of+emerging+advancements+and+future+insights.">Mass spectrometry imaging: a review of emerging advancements and future insights.</a> Analytical Chemistry. 90 (1), 240-265 (2018).</li><li>Karlsson, O., Hanrieder, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Imaging+mass+spectrometry+in+drug+development+and+toxicology.">Imaging mass spectrometry in drug development and toxicology.</a> Archives of Toxicology. 91 (6), 2283-2294 (2016).</li><li>Qiu, Z. -. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Real-time+toxicity+prediction+of+Aconitum+stewing+system+using+extractive+electrospray+ionization+mass+spectrometry.">Real-time toxicity prediction of Aconitum stewing system using extractive electrospray ionization mass spectrometry.</a> Acta Pharmaceutica Sinica B. 10 (5), 903-912 (2020).</li><li>Wang, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+situ+metabolomics+in+nephrotoxicity+of+aristolochic+acids+based+on+air+flow-assisted+desorption+electrospray+ionization+mass+spectrometry+imaging.">In situ metabolomics in nephrotoxicity of aristolochic acids based on air flow-assisted desorption electrospray ionization mass spectrometry imaging.</a> Acta Pharmaceutica Sinica B. 10 (6), 1083-1093 (2020).</li><li>Jiang, H., Gao, S., Hu, G., He, J., Jin, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Innovation+in+drug+toxicology:+Application+of+mass+spectrometry+imaging+technology.">Innovation in drug toxicology: Application of mass spectrometry imaging technology.</a> Toxicology. 464, 153000 (2021).</li><li>Unsihuay, D., Mesa Sanchez, D., Laskin, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantitative+mass+spectrometry+imaging+of+biological+systems.">Quantitative mass spectrometry imaging of biological systems.</a> Annual Review of Physical Chemistry. 72, 307-329 (2021).</li><li>Parrot, D., Papazian, S., Foil, D., Tasdemir, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Imaging+the+unimaginable:+desorption+electrospray+ionization-imaging+mass+spectrometry+(DESI-IMS)+in+natural+product+research.">Imaging the unimaginable: desorption electrospray ionization-imaging mass spectrometry (DESI-IMS) in natural product research.</a> Planta Medica. 84 (9-10), 584-593 (2018).</li><li>Meistermann, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biomarker+discovery+by+imaging+mass+spectrometry:+transthyretin+is+a+biomarker+for+gentamicin-induced+nephrotoxicity+in+rat.">Biomarker discovery by imaging mass spectrometry: transthyretin is a biomarker for gentamicin-induced nephrotoxicity in rat.</a> Molecular &amp; Cellular Proteomics. 5 (10), 1876-1886 (2006).</li><li>Kadar, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=MALDI+mass+spectrometry+imaging+of+1-methyl-4-phenylpyridinium+(MPP+)+in+mouse+brain.">MALDI mass spectrometry imaging of 1-methyl-4-phenylpyridinium (MPP+) in mouse brain.</a> Neurotoxicity Research. 25 (1), 135-145 (2014).</li><li>Bruinen, A. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mass+spectrometry+imaging+of+drug+related+crystal-like+structures+in+formalin-fixed+frozen+and+paraffin-embedded+rabbit+kidney+tissue+sections.">Mass spectrometry imaging of drug related crystal-like structures in formalin-fixed frozen and paraffin-embedded rabbit kidney tissue sections.</a> Journal of the American Society for Mass Spectrometry. 27 (1), 117-123 (2016).</li><li>Mullen, A. K., Clench, M. R., Crosland, S., Sharples, K. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Determination+of+agrochemical+compounds+in+soya+plants+by+imaging+matrix-assisted+laser+desorption/ionisation+mass+spectrometry.">Determination of agrochemical compounds in soya plants by imaging matrix-assisted laser desorption/ionisation mass spectrometry.</a> Rapid Communication in Mass Spectrometry. 19 (18), 2507-2516 (2005).</li><li>Robinson, S., Warburton, K., Seymour, M., Clench, M., Thomas-Oates, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Localization+of+water-soluble+carbohydrates+in+wheat+stems+using+imaging+matrix-assisted+laser+desorption+ionization+mass+spectrometry.">Localization of water-soluble carbohydrates in wheat stems using imaging matrix-assisted laser desorption ionization mass spectrometry.</a> New Phytologist. 173 (2), 438-444 (2007).</li><li>Yoshimura, Y., Zaima, N., Moriyama, T., Kawamura, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Different+localization+patterns+of+anthocyanin+species+in+the+pericarp+of+black+rice+revealed+by+imaging+mass+spectrometry.">Different localization patterns of anthocyanin species in the pericarp of black rice revealed by imaging mass spectrometry.</a> PLoS One. 7 (2), 31285 (2012).</li><li>Jun, J. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-spatial+and+high-mass+resolution+imaging+of+surface+metabolites+of+Arabidopsis+thaliana+by+laser+desorption-ionization+mass+spectrometry+using+colloidal+silver.">High-spatial and high-mass resolution imaging of surface metabolites of Arabidopsis thaliana by laser desorption-ionization mass spectrometry using colloidal silver.</a> Analytical Chemistry. 82 (8), 3255-3265 (2010).</li><li>Shroff, R., Vergara, F., Muck, A., Svatos, A., Gershenzon, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nonuniform+distribution+of+glucosinolates+in+Arabidopsis+thaliana+leaves+has+important+consequences+for+plant+defense.">Nonuniform distribution of glucosinolates in Arabidopsis thaliana leaves has important consequences for plant defense.</a> Proceeding of the National Academy of Sciences. 105 (16), 6196-6201 (2008).</li><li>Vrkoslav, V., Muck, A., Cvacka, J., Svatos, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=MALDI+imaging+of+neutral+cuticular+lipids+in+insects+and+plants.">MALDI imaging of neutral cuticular lipids in insects and plants.</a> Journal of the American Society for Mass Spectrometry. 21 (2), 220-231 (2010).</li><li>Sarsby, J., Towers, M. W., Stain, C., Cramer, R., Koroleva, O. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mass+spectrometry+imaging+of+glucosinolates+in+Arabidopsis+flowers+and+siliques.">Mass spectrometry imaging of glucosinolates in Arabidopsis flowers and siliques.</a> Phytochemistry. 77, 110-118 (2012).</li><li>Peukert, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spatially+resolved+analysis+of+small+molecules+by+matrix-assisted+laser+desorption/ionization+mass+spectrometric+imaging+(MALDI-MSI).">Spatially resolved analysis of small molecules by matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometric imaging (MALDI-MSI).</a> New Phytologist. 193 (3), 806-815 (2012).</li><li>Li, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Interrogation+of+spatial+metabolome+of+Ginkgo+biloba+with+high-resolution+matrix-assisted+laser+desorption/ionization+and+laser+desorption/ionization+mass+spectrometry+imaging.">Interrogation of spatial metabolome of Ginkgo biloba with high-resolution matrix-assisted laser desorption/ionization and laser desorption/ionization mass spectrometry imaging.</a> Plant, Cell &amp; Environment. 41 (11), 2693-2703 (2018).</li><li>Liu, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Unveiling+dynamic+changes+of+chemical+constituents+in+raw+and+processed+Fuzi+with+different+steaming+time+points+using+desorption+electrospray+ionization+mass+spectrometry+imaging+combined+with+metabolomics.">Unveiling dynamic changes of chemical constituents in raw and processed Fuzi with different steaming time points using desorption electrospray ionization mass spectrometry imaging combined with metabolomics.</a> Frontiers in Pharmacology. 13, 842890 (2022).</li><li>Liao, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Allele-aware+chromosome-level+genome+assembly+of+Artemisia+annua+reveals+the+correlation+between+ADS+expansion+and+artemisinin+yield.">Allele-aware chromosome-level genome assembly of Artemisia annua reveals the correlation between ADS expansion and artemisinin yield.</a> Molecular Plant. 15 (8), 1310-1328 (2022).</li><li>Jones, E. E., Gao, P., Smith, C. D., Norris, J. S., Drake, R. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tissue+biomarkers+of+drug+efficacy:+case+studies+using+a+MALDI-MSI+workflow.">Tissue biomarkers of drug efficacy: case studies using a MALDI-MSI workflow.</a> Bioanalysis. 7 (20), 2611-2619 (2015).</li><li>Jia, Q., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Salvia+miltiorrhiza+in+diabetes:+A+review+of+its+pharmacology,+phytochemistry,+and+safety.">Salvia miltiorrhiza in diabetes: A review of its pharmacology, phytochemistry, and safety.</a> Phytomedicine. 58, 152871 (2019).</li><li>Zhang, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Incipient+diploidization+of+the+medicinal+plant+Perilla+within+10,000+years.">Incipient diploidization of the medicinal plant Perilla within 10,000 years.</a> Nature Communication. 12 (1), 5508 (2021).</li><li>Tong, Q., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biosynthesis-based+spatial+metabolome+of+Salvia+miltiorrhiza+Bunge+by+combining+metabolomics+approaches+with+mass+spectrometry-imaging.">Biosynthesis-based spatial metabolome of Salvia miltiorrhiza Bunge by combining metabolomics approaches with mass spectrometry-imaging.</a> Talanta. 238 (2), 123045 (2022).</li><li>Jarmusch, A. K., Cooks, R. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Emerging+capabilities+of+mass+spectrometry+for+natural+products.">Emerging capabilities of mass spectrometry for natural products.</a> Natural Product Reports. 31 (6), 730-738 (2014).</li><li>Aksenov, A. A., da Silva, R., Knight, R., Lopes, N. P., Dorrestein, P. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Global+chemical+analysis+of+biology+by+mass+spectrometry.">Global chemical analysis of biology by mass spectrometry.</a> Nature Reviews Chemistry. 1 (7), 1-20 (2017).</li><li>Feng, H., Pan, G. X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Application+of+High+Resolution+Mass+Spectrum+in+the+analysis+of+the+chemical+constituents+in+traditional+Chinese+drug.">Application of High Resolution Mass Spectrum in the analysis of the chemical constituents in traditional Chinese drug.</a> Journal of Liaoning University of TCM. 14 (8), 40-42 (2012).</li><li>Ho, Y. N., Shu, L. J., Yang, Y. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Imaging+mass+spectrometry+for+metabolites:+technical+progress,+multimodal+imaging,+and+biological+interactions.">Imaging mass spectrometry for metabolites: technical progress, multimodal imaging, and biological interactions.</a> Wiley Interdisciplinary Reviews-Systems Biology and Medicine. 9 (5), (2017).</li><li>Hemalatha, R. G., Pradeep, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Understanding+the+molecular+signatures+in+leaves+and+flowers+by+desorption+electrospray+ionization+mass+spectrometry+(DESI-MS)+imaging.">Understanding the molecular signatures in leaves and flowers by desorption electrospray ionization mass spectrometry (DESI-MS) imaging.</a> Journal of Agricultural and Food chemistry. 61 (31), 7477-7487 (2013).</li><li>Petras, D., Jarmusch, A. K., Dorrestein, P. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=From+single+cells+to+our+planet-recent+advances+in+using+mass+spectrometry+for+spatially+resolved+metabolomics.">From single cells to our planet-recent advances in using mass spectrometry for spatially resolved metabolomics.</a> Current Opinion in Chemical Biology. 36, 24-31 (2017).</li><li>Takats, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mass+spectrometry+sampling+under+ambient+conditions+with+desorption+electrospray+ionization.">Mass spectrometry sampling under ambient conditions with desorption electrospray ionization.</a> Science. 306 (5695), 471-473 (2004).</li><li>Castaing, R., Slodzian, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microanalyse+par+&#233;mission+secondaire.">Microanalyse par &#233;mission secondaire.</a> Journal of Microscopy. 1, 395-410 (1962).</li><li>Caprioli, R. M., Farmer, T. B., Gile, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Molecular+imaging+of+biological+samples:+localization+of+peptides+and+proteins+using+MALDI-TOF+MS.">Molecular imaging of biological samples: localization of peptides and proteins using MALDI-TOF MS.</a> Analytical Chemistry. 69 (23), 4751-4760 (1997).</li><li>Nemes, P., Vertes, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Laser+ablation+electrospray+ionization+for+atmospheric+pressure,+in+vivo,+and+imaging+mass+spectrometry.">Laser ablation electrospray ionization for atmospheric pressure, in vivo, and imaging mass spectrometry.</a> Analytical Chemistry. 79 (21), 8098-8106 (2007).</li></ol>

Das Aufkommen der MS-Technologie hat in den letzten Jahren neue Erkenntnisse in der Naturstoffforschung auf molekularer Ebene eröffnet24. Das MS-Gerät ermöglicht mit seiner hohen Empfindlichkeit und seinem hohen Durchsatz die gezielte und ungezielte Analyse von Metaboliten in Naturstoffen, auch bei Spurenkonzentrationen25. Daher ist MS derzeit im Bereich der Chemie der Traditionellen Chinesischen Medizin (TCM) weit verbreitet. Die qualitative und quantitative Forschung z...

Die Visualisierung der Metabolitenverteilung ist zu einem entscheidenden Thema in der Pflanzenwissenschaft geworden, insbesondere in der traditionellen chinesischen Medizin, da sie den Bildungsprozess spezifischer Metaboliten innerhalb der Pflanze aufdeckt. In Anlehnung an die Traditionelle Chinesische Medizin (TCM) gibt sie Auskunft über die Wirkstoffe und leitet die Anwendung von Pflanzenteilen in pharmazeutischen Anwendungen an. Normalerweise wird die Visualisierung von Metaboliten durch In-situ-Hybridisierung, Fluoreszenzmikroskopie oder Immunhistochemie erreicht, jedoch vermittelt die Anzahl der in diesen Experimenten nachgewiesenen Verbindungen nur begrenzte chemische Informationen. In Kombination mit der Gewebefärbung kann die massenspektrometrische Bildgebung (MSI) große Datenmengen liefern und räumliche Verteilungsinformationen von Verbindungen liefern, indem Gewebeschnitte auf Mikrometerebene gescannt und analysiertwerden 1. MSI verwendet Analyten für die Desorption und Ionisation von der Probenoberfläche, gefolgt von einer Massenanalyse der resultierenden Dampfphasenionen und der Anwendung von Bildgebungssoftware, um die Informationen zu integrieren und ein zweidimensionales Bild zu zeichnen, das eine bestimmte Ionenhäufigkeit aufzeichnet. Diese Technologie kann sowohl exogene als auch endogene Moleküle bestimmen, indem sie die charakteristische Verteilung von Wirkstoffen und ihren induzierten Metaboliten in Zielgeweben und -organen detektiert 2,3,4,5.
In den letzten Jahrzehnten wurden verschiedene bildgebende MS-Modalitäten entwickelt. Die bekanntesten unter ihnen sind die Desorptions-Elektrospray-Ionisations-basierte MSI (DESI-MSI), die matrixgestützte Laserdesorption/-ionisation (MALDI) und die Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS)6. DESI-MSI wird aufgrund seines atmosphärischen Betriebs, seines hohen Durchsatzes und seiner höheren Genauigkeit häufig in der biologischen Forschung eingesetzt7. MALDI wurde eingesetzt, um ein Transthyretinfragment als potentiellen nephrotoxischen Biomarker für Gentamicin zu identifizieren und die Verteilung des neurotoxischen Metaboliten 1-Methyl-4-phenylpyridinium nach der Behandlung von 1-Methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridin im Mäusegehirn zu analysieren 8,9. MALDI und DESI wurden verwendet, um die Zusammensetzung von medikamenteninduzierten kristallartigen Strukturen in der Niere von dosierten Kaninchen zu bestimmen. Diese Strukturen bestehen hauptsächlich aus Metaboliten, die durch die Demethylierung und/oder Oxidation des Wirkstoffs10 gebildet werden. Darüber hinaus wurde MSI zur Lokalisierung der metabolischen Verteilung von Arzneimitteltoxizität in Zielorganen eingesetzt. Die Zellen im Pflanzengewebe variieren jedoch und unterscheiden sich von Tieren und erfordern spezielle Schnittverfahren.
In Pflanzen wurde bisher mit Hilfe der MALDI-Bildgebung die Verteilung verschiedener Verbindungen in Weizensamen (Triticum aestivum), Sojabohnen (Glycine max), Reissamen (Oryza sativa), Arabidopsis thaliana-Blüten und -Wurzeln sowie Gerstensamen (Hordeum vulgare) analysiert 11,12,13,14,15,16,17,18 . Jüngste Studien haben gezeigt, dass DESI-MSI in der Metabolitenanalyse von natürlichen Arzneimitteln und Produkten auftaucht, insbesondere in TCMs wie Ginkgo biloba, Fuzi und Artemisia annua L 19,20,21. In diesen Studien unterscheiden sich die Protokolle für die Aufbereitung von Pflanzenmaterialproben, und einige erfordern komplexere Geräte, wie z. B. ein Mikrotom zum Einfrieren. DESI-MSI stellt strenge Anforderungen an die Oberflächenebenheit der detektierten Probe. Bei der Analyse des Organs oder Gewebes eines Tieres wird die Probe in der Regel durch Kryoschnitt22 hergestellt. Das Verfahren für die Kryoschnitte ist jedoch kompliziert und teurer, und die häufig verwendete Methode der optimalen Schneidtemperatur (OCT) des Klebstoffs hat ein starkes Signal bei der Bildgebung. Darüber hinaus variieren die medizinischen Gewebe der TCM; Zum Beispiel wird die Wurzel von Salvia miltiorrhiza, die auf Chinesisch als Danshen bekannt ist, medizinisch verwendet, während bei Zisu (Perilla frutescens) das Blatt verwendet wird23,24. Daher ist es notwendig, die Probenvorbereitungsverfahren zu verbessern, um den Einsatz von DESI in der Metabolitenanalytik für die TCM zu fördern.
Als mehrjähriges Kraut und häufig verwendetes TCM wurde S. miltiorrhiza ursprünglich in der ältesten medizinischen Monographie, Shennong's Classic of Materia Medica (auf Chinesisch als Shennong Bencao Jing bekannt), aufgezeichnet. In dieser Studie haben wir Schnitt- und DESI-Bildgebungsverfahren optimiert und eine kostengünstigere Methode entwickelt, um die Verteilung und Kategorisierung der Verbindungen in Geweben von S. miltiorrhiza zu identifizieren. Diese Methode kann auch die Nachteile von trockenem Gewebe überwinden - dass es unter dem Stickstoffschlag normalerweise leicht bricht - und die Entwicklung der TCM fördern. Die Studie wird die Standardisierung der TCM/ethnischen Medizin für forschungsnahe Technologien vorantreiben.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>2-Propanol</td>
			<td>Fisher</td>
			<td>CAS:67-63-0</td>
			<td>HPLC grade</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Acetonitrile</td>
			<td>Sigma-aldrich</td>
			<td>Number-75-05-8</td>
			<td>LC-MS grade</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Adhesion Microscope slides</td>
			<td>Citotest scientific</td>
			<td>80312-3161</td>
			<td>Microscope glass slides&#160; can adhere to&#160; the sample&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Air cooled dry vacuum pump</td>
			<td>EYELA</td>
			<td>FDU-2110</td>
			<td>Air-vaccum equipment at -80&#176;C</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Formic Acid</td>
			<td>ACS</td>
			<td>F1089 | 64-18-6</td>
			<td>LC-MS grade</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LE (Leucine Enkephalin)</td>
			<td>Waters</td>
			<td>186006013-1</td>
			<td>LC-MS grade</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Methanol</td>
			<td>Sigma-aldrich</td>
			<td>Number-67-56-1</td>
			<td>LC-MS grade</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Parafilm&#160;</td>
			<td>Bemis Company</td>
			<td>sc-200288</td>
			<td>Laboratory Sealing Film</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Paraformaldehyde</td>
			<td>Sigma-aldrich</td>
			<td>V900894</td>
			<td>Reagent grade</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Q-Tof Mass Spectrometer with DESI source</td>
			<td>Waters</td>
			<td>Synapt XS</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

visualization of metabolites identified in the spatial metabolome of traditional chinese medicine using desi-msi

Die medizinische Verwendung der Traditionellen Chinesischen Medizin ist vor allem auf ihre Sekundärmetaboliten zurückzuführen. Die Visualisierung der Verteilung dieser Metaboliten ist zu einem entscheidenden Thema in der Pflanzenwissenschaft geworden. Die massenspektrometrische Bildgebung kann riesige Datenmengen extrahieren und durch die Analyse von Gewebeschnitten Informationen über die räumliche Verteilung liefern. Mit dem Vorteil eines hohen Durchsatzes und einer höheren Genauigkeit wird die Desorptions-Elektrospray-Ionisations-Massenspektrometrie-Bildgebung (DESI-MSI) häufig in der biologischen Forschung und im Studium der traditionellen chinesischen Medizin eingesetzt. Die Verfahren, die in dieser Forschung verwendet werden, sind jedoch kompliziert und nicht erschwinglich. In dieser Studie haben wir Schnitt- und DESI-Bildgebungsverfahren optimiert und eine kostengünstigere Methode entwickelt, um die Verteilung von Metaboliten zu identifizieren und diese Verbindungen in Pflanzengeweben zu kategorisieren, mit besonderem Fokus auf die traditionelle chinesische Medizin. Die Studie wird den Einsatz von DESI in der Metabolitenanalyse und die Standardisierung der Traditionellen Chinesischen Medizin/Ethnischen Medizin für forschungsnahe Technologien fördern.

Dieses Protokoll kann zur Identifizierung und Verteilung von Verbindungen in Pflanzenproben führen. Im MS-Bild eines bestimmten m/z repräsentiert die Farbe jedes einzelnen Pixels die relative Intensität des m/z und kann somit mit der natürlichen Verteilung und der Häufigkeit des Metabolitenions in der gesamten Probe in Verbindung gebracht werden. Je höher die Häufigkeit der Chemikalie an der Sammelposition ist, desto heller ist die Farbe. Der Balken im Bild (Abbildung 4A-D</st...

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Visualization of Metabolites Identified in the Spatial Metabolome of Traditional Chinese Medicine Using DESI-MSI

In dieser Studie wird eine Reihe von Methoden zur Aufbereitung von DESI-MSI-Proben aus Pflanzen vorgestellt und ein Verfahren der DESI-Montageinstallation, MSI-Datenerfassung und -verarbeitung detailliert beschrieben. Dieses Protokoll kann unter verschiedenen Bedingungen angewendet werden, um räumliche Metabolominformationen in Pflanzen zu erhalten.

Visualisierung von Metaboliten, die im räumlichen Metabolom der Traditionellen Chinesischen Medizin mit DESI-MSI identifiziert wurden

The medicinal use of traditional Chinese medicine is mainly due to its secondary metabolites. Visualization of the distribution of these metabolites has ...

Dieser Artikel beschreibt hauptsächlich eine kostengünstige Methode zur Präparation von Pflanzenproben und zur Bildgebung mit DESI-MSI und kann die Nachteile von trockenem Gewebe überwinden, das beim Einblasen von Stickstoff leicht bricht. Die Wurzel wurde auf dem Kryostat-Mikrotom kryoseziert, während das Blatt durch Prägung präpariert wurde, was eine teure Maschine erfordert oder an Signalintensität verliert. Unsere Methode kann diese Einschränkungen überwinden.Diese Methode kann in der räumlichen Metabolomik von Pflanzen verwendet werden, z. B. bei der Verteilung und Bewegung von Giftstoffen in Pflanzen, die unter abiotischem und biotischem Stress stehen. Nehmen Sie zunächst gereinigte Wurzeln und Blätter einer zweijährigen Salvia miltiorrhiza-Pflanze und schneiden Sie sie direkt in einer Querschnittsdicke von etwa drei bis fünf Millimetern auf. Kleben Sie die Probe dann mit doppelseitigem Klebeband auf einen Objektträger des Haftmikroskops.Legen Sie einen weiteren Objektträger über die Probe und wickeln Sie sie wie ein Sandwich mit einer Siegelfolie ein. Als nächstes frieren Sie die Sandwich-Probe mindestens vier Stunden lang bei minus 80 Grad Celsius ein und setzen sie dann zwei Stunden lang einem Luftvakuum mit der eingeschlossenen Temperatur von minus 75 bis minus 82 Grad Celsius und einem Vakuummeter von 2,5 bis 3,7 Pascal aus. Für die Analyse bringen Sie die Proben nach der Entnahme aus dem Kühllager in einem Exsikkator auf Raumtemperatur, um Kondensation auf der Probenoberfläche zu vermeiden, bevor die Probe einer Matrixanwendung unterzogen wird.Implementieren Sie die Einrichtung des Detektors und die Massenkalibrierung des Geräts im Elektrospray-Ionisations- oder ESI-Modus. Führen Sie den Detektoraufbau mit Leucin und Cephalin in Wasseracetonitril im Verhältnis eins zu eins durch und führen Sie eine Massenkalibrierung mit Natriumformiat und Wasserisopropanol im Verhältnis eins zu eins durch. Nehmen Sie die ESI-Quelle heraus und montieren Sie die DESI-Einheit auf dem Massenspektrometer.Schließen Sie die Stickstoffgasversorgung an die DESI-Einheit an und stellen Sie den Gasdruck auf etwa 0,5 Megapascal ein. Füllen Sie eine Fünf-Milliliter-Spritze mit Leucin und Cephalin und Ameisensäure in Wassermethanol im Verhältnis eins zu neun und befestigen Sie die Spritze an der Hochleistungsspritzenpumpe, um Lösungsmittel für die Ionisierung der Chemikalien in der Probe bereitzustellen. Befestigen Sie anschließend eine lösungsmittelliefernde Kapillare an der Spritze und dem DESI-Sprühgerät.Die lösungsmittelliefernde Kapillare ist eine Standardkapillare mit Abmessungen von 75 Mikrometern Innendurchmesser und 375 Mikrometer Außendurchmesser. Starten Sie die Spritzenpumpe und stellen Sie die Infusionsrate auf zwei Mikroliter pro Minute ein, um einen konstanten Durchfluss und Sprühnebel des Lösungsmittels zu erhalten. Schalten Sie das Stickstoffgasventil aus und nach ca. 15 Sekunden wieder ein.Ein kleiner Tropfen Lösungsmittel bläst auf die Bühne und der Sprühnebel ist zu sehen, wenn sich der Lösungsmittelfluss in einem konstanten Zustand befindet. Passen Sie als Nächstes die Position des Sprühgeräts in Bezug auf den Sprühwinkel, die XYZ-Achse, den Vorsprung und die Höhe an. Verwenden Sie rote und schwarze Marker als Referenzen, um das massenspektrometrische Signal zu optimieren, um eine Signalintensität von etwa eins mal 10 bis zur Quinte im Empfindlichkeitsmodus zu erhalten.Da der Vorsprung des Sprühgeräts der wichtigste Faktor ist, der die Signalintensität beeinflusst, stellen Sie den Vorsprung ein, indem Sie den Stickstoffgasschutz mit einem Fünf-Millimeter-Schraubenschlüssel wechseln. Die Sprührichtung beeinflusst die Qualität des Massenbildes. Drehen Sie daher das Sprühgerät, bis der Sprühstrahl gerade ist.Nach all diesen Schritten ist das Setup bereit für Experimente und nach der Ersteinrichtung in der Regel für etwa drei Wochen nutzbar. Für die DESI-MS-Bildgebung ist keine Probenvorbehandlung erforderlich. Entfernen Sie jedoch nach Möglichkeit die überschüssigen Medien auf den Objektträgern.Nehmen Sie ein Bild der Probe auf dem Objektträger auf. Legen Sie den Objektträger, ohne die Probenoberfläche zu berühren, um Verunreinigungen zu vermeiden, auf die Plattenposition des DESI-Tisches, der über zwei Plattenpositionen, A und B, verfügt.Verwenden Sie Standardobjektträger oder einen Vollobjektträger, um in die Position zu passen. Eine Vollrutsche bietet Platz für bis zu vier Objektträger und hat somit eine viel größere Fläche für Experimente.Öffnen Sie die High-Definition-Massenbildverarbeitungssoftware. Legen Sie auf der Registerkarte Erfassen eine neue Platte fest, und wählen Sie die richtige Plattenposition (A oder B) und den Plattentyp aus. Wählen Sie auf der Seite "Bildauswahl" die vier Ecken der Folie aus, und das Bild wird dann automatisch an die richtige Ausrichtung angepasst.Um die MS-Parameter einzustellen, wählen Sie als Experimenttyp den üblicherweise verwendeten DESI-MS-Modus aus, in dem nur das Mutterion detektiert wird. Wählen Sie als Nächstes die Polarität entweder positiv oder negativ aus, da das Gerät in einem Experiment nur eine Polarität verwenden kann. Wenden Sie dann den Empfindlichkeitsmodus an, um mehr Informationen über Chemikalien in kleinen Mengen zu erhalten.Zeichnen Sie als Nächstes ein Rechteck, um den Scanbereich auf der Registerkarte Muster zu definieren, und legen Sie die Pixelgröße fest, indem Sie die X- und Y-Größen des Pixels gleich halten. Stellen Sie die Scanrate auf nicht mehr als das Fünffache der Pixelgröße ein. Speichern Sie das Projekt und exportieren Sie ein Arbeitsblatt für die MS-Erfassungssoftware.Importieren Sie als Nächstes das Arbeitsblatt in die MS-Erfassungssoftware und speichern Sie es als neue Probenliste. Drücken Sie Start Run, um das Scannen von MS-Images zu starten, und mehrere Bilder können der Experimentwarteschlange hinzugefügt werden, indem weitere Arbeitsblätter importiert werden. Laden Sie die Datendatei der Probe in die Massenbildverarbeitungssoftware und stellen Sie die Parameter für die DESI-Bildverarbeitung ein.Da Leucin und Cephalin für die interne Schleusenmasse verwendet wurden und die Schleusenmasse der einzige Punkt ist, um die Polarität des Experiments zu bestimmen, ist es wichtig, die richtige Schleusenmasse einzustellen. Stellen Sie 556.2772 für den positiven Modus und 554.2620 für den negativen Modus ein. Um eine Liste der Zielchemikalien zu erstellen, laden Sie die verarbeitete Datendatei, um das DESI-Bild der Probe zu visualisieren.Klicken Sie auf die Schaltfläche Normalisierung, um die Daten durch Totalionenchromatographie zu normalisieren, um die relative Intensität einer bestimmten Chemikalie zur Referenz zu erhalten, und dann können verschiedene Proben miteinander verglichen werden. Zeichnen Sie einen Bereich of Interest (ROI) und kopieren Sie mehrere Kopien auf das Beispielbild. Wählen Sie dann alle ROIs aus und exportieren Sie die multivariate Analyse, um MS-Informationen aus allen ROIs zu extrahieren.Die massenspektrometrische Bildgebung der Wurzel- und ganzen Blattabschnitte zeigt die räumliche Verteilung der ausgewählten Verbindungen. Die Farbe jedes einzelnen Pixels repräsentiert die relative Intensität des Masse-Ladungs-Verhältnisses und kann somit mit der natürlichen Verteilung und der Häufigkeit des Metabolitenions in der gesamten Probe in Verbindung gebracht werden. Die Verteilung der Zielverbindungen, Tanshinon IIA und Rosmarinsäure, ist in verschiedenen Bereichen der Wurzel sichtbar.Die Verbindung Tanshinol A wurde in den Blattabschnitten nachgewiesen. Als Protokoll, das auf Reproduzierbarkeit abzielt, ist es am wichtigsten, die Signalintensität zu optimieren, indem die Position des Sprühgeräts in mehreren Dimensionen angepasst wird.

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