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方法文章

使用二蒽醇作为基质在傅里叶变换离子回旋共振质谱仪上进行基质辅助激光解吸/电离成像

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DOI：

10.3791/50733

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2013年11月26日

 ,  , 
1University of Victoria-Genome BC Proteomics Centre, University of Victoria, 2Department of Biochemistry and Microbiology, University of Victoria

本文内容

摘要

此前已有报道称，二蒽醇（DT；1,8-二羟基-9,10-二氢蒽-9-酮）可作为小分子组织成像的基质辅助激光解吸电离（MALDI）基质；本文提供了在超高清分辨率四极杆-傅里叶变换离子回旋共振（quadrupole-FTICR）仪器上，采用正离子模式MALDI-MS技术，利用DT对组织切片表面内源性脂质进行MALDI成像的实验方案 。

摘要

质谱成像（MSI）主要用于MALDI（基质辅助激光解吸电离）技术，以确定化合物在组织切片表面的空间定位与分布模式 基于基质辅助激光解吸/电离的分析技术。针对小分子质谱成像，亟需开发能够提升低分子量（MW）化合物分析性能的新基质。这些新基质应能在增强分析物信号的同时降低MALDI背景信号。此外，使用超高分辨率仪器，如傅里叶变换离子回旋共振（FTICR）质谱仪，已显著提升质谱成像的分辨率与检测能力。 分辨分析物信号与基质信号的能力有助于部分克服与MALDI基质背景信号相关的诸多问题。傅里叶变换离子回旋共振质谱（FTICR MS）可降低亚稳态基质簇离子的强度，从而有助于减轻其他仪器上由基质峰引起的某些干扰。高分辨仪器（如FTICR质谱仪）具有优势，因其可同时生成多种化合物的分布图谱，同时仍能确保化学鉴定的可靠性。二羟蒽醇（DT；1,8-二羟基-9,10-二氢蒽-9-酮）此前已被报道作为组织成像的MALDI基质。本研究提供了一种在超高清分辨率混合四极杆FTICR仪器上，利用DT通过正离子模式MALDI-MS对哺乳动物组织切片表面内源性脂质进行MALDI成像的操作方案。

引言

质谱成像（MSI）是一种用于确定化合物在组织切片表面空间定位与分布模式的分析技术1,2。基质辅助激光 解吸/电离（MALDI）质谱成像已用于多肽和蛋白质分析十余年，并在样品制备、检测灵敏度、空间分辨率、重复性及数据处理等方面取得了显著进展3,4。通过整合组织学染色切片与质谱成像实验的信息，病理学家能够将特定化合物的分布与具有病理生理学意义的特征相关联5。

小分子（包括外源性药物6,7及其代谢物8-10）的分布模式也已通过MALDI-MS组织成像技术进行研究11。脂质可能是MALDI成像中研究最广泛的一类化合物，无论是在MS12-17还是MS/MS18模式下均如此。MALDI质谱成像（MSI）在小分子成像中的应用受到若干因素的限制：1）MALDI基质本身即为小分子（通常m/z <500），会产生大量离子信号，这些强信号可能抑制小分子分析物的电离并干扰其检测19,20。为此，已发展出无溶剂基质涂布21、基质升华22以及预涂基质的MALDI质谱23等多种方法，以改善小分子的质谱成像效果。

在小分子质谱成像（MSI）中，能够改善低分子量（low-MW）化合物分析效果的新基质备受关注。理想的基质应能增强分析物信号，同时降低基质自身信号。在正离子模式下，2,5-二羟基苯甲酸（DHB）和α-氰基-4-羟基肉桂酸（CHCA）是MSI中常用的两种MALDI质谱基质24。理想的基质应形成微小晶体，以保持分析物的空间定位。DHB倾向于形成较大的晶体，因此已发展出通过升华法施加基质的技术，以部分克服这一问题，并使得该基质可用于磷脂的高灵敏度成像22,25。9-氨基吖啶已用于正离子模式下质子化分析物的MSI26，以及在负离子模式下用于核苷酸和磷脂的成像26–29。2-巯基苯并噻唑被发现可有效促进脂质的MALDI检测30，并已用于小鼠 脑神经节苷脂的成像研究31。傅里叶变换离子回旋共振（FTICR）质谱仪的超高分辨率可在一定程度上缓解该问题，通过将分析物信号与基质信号分离来减少干扰32。使用FTICR-MS的另一个优势在于，其可降低亚稳态基质簇离子的强度33，从而进一步减少此类干扰27。

此前已有报道将二蒽酚（DT；1,8-二羟基-9,10-二氢蒽-9-酮）用作基质辅助激光解吸电离（MALDI）质谱成像的基质34。在本研究中，提供了在正离子模式下，使用DT对牛晶状体组织切片表面内源性脂质进行质谱成像（MSI）的详细实验方案。

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方案

1. 组织切片

  1. 组织样本收获后，立即使用液氮进行速冻，如需运输则置于干冰上，并在组织切片前于 -80 °C 下保存。（若使用商业样本，需确保样本以该方式制备。）
  2. 将器官切割至适合 MALDI 载样靶的尺寸，修除组织上不需要的部分。本研究所述实验中，牛犊晶状体在组织切片前，采用先前描述的方法35进行去囊处理。
  3. 从 -80 °C 冰箱中取出完整器官，并将其固定于低温组织切片台上。固定牛犊晶状体时，先在冷冻切片机 的组织切片台上滴加一至两滴水，迅速将晶状体放入水中，使其在水凝固前固定到位。也可使用最佳切割温度（OCT）包埋剂将组织固定于切片台上。若使用 OCT 包埋剂，应使用最小量，并需注意避免切下的组织切片被 OCT 污染，以免干扰待测物的离子化与检测5,36,37。
  4. 使冷冻切片机内部温度平衡至 -18 °C。对于较软或较硬的组织，可分别采用更高或更低的温度。随后将组织沿赤道方向切成 20 μm 厚的切片。大多数组织通常使用 10–15 μm 厚的切片；但由于牛晶状体组织较为脆弱，本实验采用 20 μm 厚的切片。对于牛晶状体组织，弃去最初的组织切片，仅使用接近或位于赤道平面的切片。
  5. 若对眼晶状体组织进行成像，使用 1.5 μl 甲酸（纯度 98%，液相色谱-质谱级）预先润湿氧化铟锡（ITO）涂层玻璃载玻片的表面。
  6. 在冷冻切片机内，小心地将组织切片转移至 ITO 涂层玻璃显微载玻片表面。组织切片会迅速解冻并牢固地附着于载玻片表面。通常可将多个组织切片以该方式固定在同一张 ITO 涂层载玻片上。
  7. 在施加 MALDI 基质前，将载玻片 冷冻干燥 15 分钟。
  8. 进行基质筛选时，将不同基质分别溶于适当的溶剂中。手动将每种基质溶液各 1 μl 点样至组织切片上。此外，将小分子校准标准品点样至组织上，以验证 MALDI 的检测灵敏度。
  9. 使用修正液笔在 ITO 涂层玻璃载玻片 的非导电面书写三个教学标记。使用平板扫描仪拍摄组织载玻片的光学图像，并以 tiff 或 jpg 等适当格式保存。

2. 基质包被

2.1. 自动化基质包被

  1. 使用布鲁克 ImagePrep 或类似的电子基质喷涂仪，自动将含有乙腈或乙腈/水混合溶剂的基质溶液喷涂至组织切片表面。
  2. 用胶带覆盖ITO镀膜玻璃载玻片 正面边缘，防止基质覆盖载玻片边缘。此举可确保背面的对准标记可用于组织切片的定位。切勿让基质覆盖载玻片边缘，因为这些边缘作为接触点，用于维持ITO镀膜载玻片的电导通性。
  3. 采用20个循环的基质涂布程序对载玻片进行涂布（每个循环包括2秒喷涂、30秒孵育和60秒干燥时间）。

2.2. 手动基质包被

  1. 如果需要使用与电子基质喷雾器制造材料不相容的有机溶剂（例如 氯仿和乙酸乙酯），请使用气动辅助喷笔式喷雾器来施加基质。将配制好的基质溶液加入喷笔枪的溶剂储液罐中，并施加轻微的加压氮气流以启动喷雾。
  2. 用胶带覆盖ITO镀膜玻璃载玻片前表面的边缘，以防止基质涂覆到载玻片边缘。这可确保背面的定位标记可用于组织切片的对齐。切勿将基质覆盖至载玻片边缘，因为这些边缘作为接触点用于维持ITO镀膜载玻片的电 导通性。
  3. 观察到喷雾稳定且细腻后，手动喷雾使基质完全覆盖组织切片。每个喷雾循环中应使用刚好润湿表面所需的最少基质溶液量，以防止分析物可能发生的位置偏移。通常情况下，使用约10个循环的基质喷雾来覆盖一个组织切片；具体循环次数取决于组织类型和基质组成。

3. 基质辅助激光解吸电离质谱（MALDI MS）

  1. 通过稀释制备质量校准溶液 "ES调谐混合液" 将标准溶液用60:40的异丙醇:水（含0.1%甲酸，终浓度）稀释200倍。
  2. 以 2 μl/min 的流速注入稀释后的 "ES 调谐混合液" 将溶液从电喷雾电离（ESI）端注入傅里叶变换离子回旋共振（FTICR）质谱仪的双模式电喷雾电离（ESI）/基质辅助激光解吸电离（MALDI）离子源。
  3. 以正离子ESI模式操作FTICR仪器，进行宽带检测，数据采集速率为1,024 kb/sec。典型的ESI参数包括毛细管电喷雾电压3,900 V；喷雾屏蔽电压 3,600 V；雾化气体（N2）流速，2 L/min； 干燥气体（N₂）2) 流速和温度，4 L/min 和 200 °C；喷雾器电压（skimmer 1），15 V；飞行时间（TOF），0.009 秒；碰撞气（Ar）流速，0.4 L/s；离子源积累时间，0.1 秒；碰撞池离子积累时间，0.2 秒。调节傅里叶变换离子回旋共振（FTICR）操作参数，以在 m/z 200 至 1,400 的质量范围内最大化分析灵敏度，同时保持良好的时域自由感应衰减（FID）信号。通常，ICR 操作参数包括：辅助激发电压（sidekick voltage），8 V；辅助激发偏置电压（sidekick offset voltage），8 V；激发放大倍数，10；激发脉冲时间，0.01–0.015 秒；前端捕集板电压，1.5 V；后端捕集板电压，1.6 V；分析器入口电压，-4 V。确定一组 FTICR 操作参数后，采集电喷雾电离（ESI）质谱，并利用标准化合物的参考质量对仪器进行校准 "ES调谐混合液" 溶液
  4. 为调节仪器以进行MALDI操作，将数份1 μl的混合非索非那定（terfenadine）和利血平（reserpine）标准溶液（各自浓度为1 μM）溶解于基质溶液中，并直接点样至其中一张组织切片上。即 一个已固定在ITO涂层载玻片上的测试组织切片。将ITO涂层载玻片放入组织切片适配器中（即 一种特殊的MALDI靶板），并从MALDI端将适配器装入双模式ESI/MALDI离子源。针对每次质谱扫描，优化MALDI操作参数，包括激光功率和用于MALDI信号累积的激光发射次数， 等。 典型的MALDI操作参数为：激光发射次数，50次；MALDI靶板电压，300 V。
  5. 在对仪器进行调谐、校准和优化以用于MALDI-MSI实验后，将待成像组织切片的实际位置与其在成像软件中记录的光学图像进行对齐。使用三个 "修正液" 使用三点三角定位法，根据先前在ITO涂层载玻片表面另一侧所做的标记（步骤1.9）进行对准。
  6. 同时进行电喷雾电离（ESI）和基质辅助激光解吸电离（MALDI）操作，使每个质谱图均包含参考质量峰 "ES调谐混合液" 用于采集后内部质量校准的溶液。这将实现MALDI质谱分析中最准确的质量测定。操作时，首先通过降低毛细管电压来减弱ESI信号，直至MALDI信号在谱图中占主导地位，同时ESI校准物信号仍保持足够强度以进行内部质量校准。
  7. 接下来，建立用于激光照射的自动光栅扫描方法。定义需要成像的组织区域，并设置合适的激光光栅步长。需要注意的是，较小的光栅步长可提供更高分辨率的组织图像，但会显著延长质谱采集时间并需要更多的数据存储空间。图像像素数量取决于所设置的激光光栅步长以及组织的大小。对于典型的直径为1 cm的牛晶状体2 组织大小，组织图像通常由 约 5,000 像素，若在 FTICR 仪器上使用 200 μm 的激光光栅步长。使用 "随机位点" 分析时应避免因实验过程中信号逐渐衰减而导致的基于位置的偏差。

4. 数据分析

  1. 使用内标校准对 MALDI 质谱进行校准，用于初步比较并选择用于 MS/MS 的峰。按照先前所述方法，使用定制的 VBA 脚本38去同位素化并选择单一同位素峰。
  2. 导出所得的单一同位素峰列表，并将测得的 m/z 值输入 METLIN39 和/或 HMDB40 代谢组数据库，与数据库中的标准条目进行质量匹配。在数据库搜索过程中，需考虑 (M+H)+、(M+Na)+ 和 (M+K)+ 离子，允许的质量误差为 ±1 ppm。
  3. 使用图像分析软件，对在整个组织切片中检测到的所有脂质成分生成 MALDI 成像图，质荷比过滤窗口宽度设置为峰顶处 1 ppm。
  4. 在完成所有与数据库条目匹配的 m/z 值的成像后，还需对所有其他峰生成成像图 ，以寻找可能存在的独特分布模式，供后续进一步研究。

5. 成像脂质身份的确认

  1. 确认高丰度脂质的身份，这些脂质具有特征性碎片离子，可使用FTICR仪器检测到（例如 184.073（用于磷脂分析），通过MALDI-MS/MS检测。在组织上直接采用碰撞诱导解离（CID）进行MALDI-MS/MS分析。
  2. 对于无法通过 MALDI-MS/MS 直接确认的脂质种类，使用与 q-TOF 质谱仪联用的 UPLC 系统34.
    1. 手动解剖出含有目标物种所在区域的组织，分装成每份约10 mg的等分试样。将这些组织等分试样放入2 毫升离心管
    2. 使用混匀研磨仪和两个5 mm的不锈钢金属球，将每份组织样品在250 μl水中进行匀浆。
    3. 加入1 ml 氯仿-甲醇溶液（1:3，v/v），涡旋混匀试管。随后，使用微量离心机以12,000 x g离心试管 10 分钟。
    4. 收集上清液，并在旋转真空浓缩仪中干燥。
    5. 将残留物溶于100 μl的30:70异丙醇:水溶液中。取10 μl溶液注入UPLC色谱柱，采用梯度洗脱进行分离。
    6. 采用先前已发表的在线脂质LC-MS/MS色谱条件34.
    7. 使用理论质荷比（m/z）值生成提取离子流（XIC）色谱图，质荷比窗口为理论质量数的±50 ppm。
    8. 若存在这些脂质的标准品，则应将标准品的保留时间与组织样品中相应XIC峰的保留时间进行比对。若为同一化合物，其保留时间及MS/MS谱图应完全匹配。
  3. 若无法获得标准品，可利用所检测脂质的碎片化模式与标准的串联质谱图进行比对 来自METLIN或HMDB等代谢组学数据库。使用 从头合成 通过质谱解析确定脂质的可能结构。

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结果

切片后直接解冻贴附于ITO涂层玻璃载玻片上的组织样本应保持完整，无可见撕裂。对于许多组织，可直接将组织解冻贴附于ITO涂层玻璃载玻片上。但对于某些特定组织（如牛晶状体），采用直接解冻贴附时常常会出现严重的组织撕裂（图1a）。在贴附组织前，先用乙醇或甲酸对ITO玻璃载玻片进行预包被（图1b），有助于维持组织切片在贴附过程中的完整性。

基质的选择和溶剂的选取是影响MALDI质谱图质量的重要因素。当从组织切片获得一张合适的MALDI质谱图时，质谱通常在质量检测范围内呈现出密集的脂质信号图2a）。应选择极性相匹配的基质和溶剂 相似的 目标分析物，因为MALDI过程需要分析物在基质晶体中形成固相溶液。通常，当MALDI基质的溶解度与目标分析物的溶解度相近时，可获得最强的分析物信号强度41,42. 图2a

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讨论

成功实现基质辅助激光解吸电离质谱成像（MALDI MSI）最重要的因素包括：1）组织制备；2）基质选择；3）基质涂布；以及4）数据解释与分析。当样品和基质得到适当制备后，质谱数据采集过程可实现自动化。然而，此类实验的数据分析工作相当耗时。

适当的组织制备对于成功开展基质辅助激光解吸电离质谱成像（MALDI MSI）实验至关重要。组织来源及其处理方式会对最终分析结果产生重大影响。样品必须立即在液氮中速冻，并在 -80 °C 下保存，且不应长期储存，因为某些代谢物即使在 -80 °C 下也不稳定。

对于许多哺乳动物组织，建议用于基质辅助激光解吸电离质谱成像（MALDI MSI）的组织切片厚度为10–15 μm。在本实验中，采用先前描述的方法35对牛犊晶状体去囊后，沿赤道面切成20 μm厚的组织切片。使用较厚的牛犊晶状体组织切片是因为在组织切片和组织贴附过程中难以保持晶状体组织切片的完整性。晶状体在其赤道平面上具有球形对称性，因此仅收集接近或位于赤道平面的切片。

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披露

我们没有需要披露的内容。

致谢

作者谨此感谢Genome Canada和Genome British Columbia提供的平台资金与支持。我们还要感谢Carol E. Parker博士对稿件的审阅和编辑协助。CHL还感谢British Columbia蛋白质组学网络提供的支持。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
大鼠肝脏Pel-Freez Biologicals56023-2
牛犊晶状体Pel-Freez Biologicals57114-2使用前应去除囊膜29
二羟蒽酚（DT）Sigma-Aldrich10608MALDI基质
α-氰基-4-羟基肉桂酸（CHCA）Sigma-Aldrich70990MALDI基质
2,5-二羟基苯甲酸（DHB）Sigma-Aldrich85707MALDI基质
利血平Sigma-Aldrich83580
特非那定Sigma-AldrichT9652
甲酸Sigma-Aldrich14265
甲酸铵Sigma-Aldrich14266
氢氧化铵Sigma-Aldrich320145
三氟乙酸（TFA）Sigma-Aldrich302031
水Sigma-Aldrich39253
甲醇Sigma-Aldrich34860
乙腈Sigma-Aldrich34967
乙酸乙酯Sigma-Aldrich34972
异丙醇Sigma-Aldrich34965
氯仿Sigma-Aldrich366927
丙酮Sigma-Aldrich34850
乙醇Commercial Alcohols95%
ES调谐混合液Agilent TechnologiesG2431A
ITO涂层玻片Hudson Surface TechnologyPSI1207000确保样品置于导电面一侧
Wite-Out Shake-N-Squeeze修正笔BicWOSQP11
喷笔喷雾器IwataEclipse HP-CS
ImagePrepBruker249500-LS
MALDI适配器Bruker235380

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