本实验方案的目的是在计划使用基质辅助激光解吸电离质谱成像(MALDI MSI)进行实验时,为样品制备提供详细的指导,以最大限度地提高生物样品中代谢物和分子的检测效果。
方法文章
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本实验方案的目的是在计划使用基质辅助激光解吸电离质谱成像(MALDI MSI)进行实验时,为样品制备提供详细的指导,以最大限度地提高生物样品中代谢物和分子的检测效果。
代谢组学旨在鉴定和定量实验样品中存在的小分子和代谢物,已成为研究发育和疾病过程中生物学活动的重要工具。代谢组学方法 被广泛应用于癌症、营养/饮食、糖尿病以及其他涉及代谢过程的生理和病理状态的研究中。本文推荐的一种有助于代谢谱分析的有力工具是基质辅助激光解吸/电离质谱成像(MALDI MSI)。由于其能够在无需标记、结构修饰或使用免疫染色等特殊试剂的情况下原位检测代谢物,MALDI MSI 成为推动代谢组学领域相关方法学发展的一项独特技术。适当的样品制备流程对于获得最佳结果至关重要,也是本文的重点内容。
代谢物是代谢过程中的中间产物或终末产物,包括核苷酸、氨基酸或有机酸、脂类等,是生物功能和生命过程的关键组成部分。代谢组学作为研究代谢物的科学,能够揭示这些分子之间的生物化学相互作用,并帮助理解其在基础研究、转化研究及临床研究背景下的作用。代谢物与生物体的表型密切相关,可提供细胞代谢过程中发生的生化活动信息1。因此,除了基因组学和蛋白质组学之外,代谢组学已成为理解生理与病理状态的重要工具。例如,代谢组学可用于阐明现有药物的作用机制及其耐受性。在药物研发中,外源性物质的代谢信息有助于评估代谢物在不同物种中的活性或毒性,进而推动个体化医疗的发展2。尽管代谢组学应用广泛,但由于代谢物具有化学反应性强、结构异质性高以及浓度范围广等特点,其成像仍面临挑战3。此外,在组织样本采集过程中(如脑组织采集时的死后缺血),当组织内酶仍具有活性时,一些不稳定代谢物(包括高能化合物、葡萄糖、乳酸、糖酵解途径、戊糖旁路途径及三羧酸循环中间产物、磷脂、神经递质和信号分子)的浓度可能在数秒内发生变化,并在数分钟内持续演变4,5,6。为确保代谢组学数据的准确性,恰当且精细的样本前处理至关重要7,8。目前用于检测代谢物的主要技术平台包括核磁共振(NMR)、酶学分析法和质谱法(含液相与气相色谱联用技术),其中质谱法将在下文进一步讨论。
基质辅助激光解吸电离质谱成像(MALDI-MSI)是一种先进的技术,可通过检测单个分子种类实现对复杂样品的分析。MALDI-MSI 能够快速且可重复地测定生物样品中的多种分子化合物,具有显著优势。质谱成像技术还能基于组织中的代谢物组成生成反映组织生物学特征的图像,同时保留样品中代谢物的空间分布信息9。MALDI 无需使用抗体标记、结构修饰或其他特殊试剂(如免疫染色中所用的试剂)即可检测样品中的分析物,并且能够在单次实验中同时监测数百种分子,这些特性仅仅是质谱成像在代谢谱分析中所具备优势的一部分10,11。除了常用的基质(如 2,5-二羟基苯甲酸(DHB)和 9-氨基吖啶(9-AA))之外,近年来新发现的基质 N-(1-萘基)乙二胺二盐酸盐(NEDC)特别适用于多种低分子量代谢物的分析,进一步拓展了 MALDI-MSI 在代谢谱研究中的应用12。
尽管MALDI质谱成像技术应用广泛,但仪器的高昂成本和实验操作的复杂性限制了其普及 其在各个独立研究实验室中的广泛应用。因此,大多数基质辅助激光解吸电离质谱成像(MALDI MSI)研究依赖于共享的核心设施来开展。样品制备,包括载玻片制备和基质涂覆,是MALDI MSI中最关键的步骤。然而,载玻片制备通常在各个研究人员的实验室中独立完成,这可能导致后续MALDI MSI数据采集时出现潜在的变异。本文旨在提供一份详细的生物样品在进行MALDI MSI检测前的样品制备方案,并以发育中小鼠脑组织的代谢组学分析为例进行说明。
本方案遵循纽约市立大学高级科学研究中心(CUNY ASRC)机构动物护理与使用委员会(IACUC)的指导方针。
1. 收集组织
2. 组织冷冻切片
注意:操作氧化铟锡(ITO)载玻片时务必始终佩戴手套。避免直接向载玻片呼气,或佩戴口罩(可选),以防止人体唾液污染组织切片。
3. 基质制备
4. 基质沉积
注意:在基质辅助激光解吸电离质谱(MALDI)载样片上施加一层均匀且晶体细小的基质有多种方法,包括升华法、液滴喷墨打印法、自动基质喷涂仪以及使用艺术家用喷笔进行手动喷涂9。本实验方案以自动基质喷涂仪为例,因其具有较高的可重复性。
代表性实验按照图1所示的工作流程进行。根据CUNY IACUC指南,采集出生后第1天、第21天和第60天(成年)的C57BL野生型小鼠脑组织,如上所述处理后,将组织置于漂浮于液氮上的铝制舟中,分别快速冷冻2、5和7分钟。冷冻组织在−15 °C(样品头和腔室均设定为此温度)条件下以10 µm厚度进行冷冻切片。随后,将组织冷冻切片轻轻转移至预冷的ITO涂层玻璃载玻片的导电面,用于MALDI成像。贴附在ITO载玻片上的冷冻切片在室温下真空干燥45分钟,随后使用自动基质喷涂仪进行基质沉积。采用基质NEDC检测代谢物,基质溶液为10 mg/mL溶于甲醇/水(70/30,v/v),以0.1 mL/min的流速、喷嘴温度75 °C喷涂12个循环,每循环间干燥5秒。喷涂参数包括:喷涂速度1300 mm/min,轨迹间距2 mm,N2气体压力10 psi,气体流速3 L/min,喷嘴高度40 mm。
采用基质辅助激光解吸电离飞行时间(TOF)质谱成像(MSI)仪器在负离子模式下采集MALDI质谱数据。将0.5–1 µL红磷(Pn团簇,n = 1–90)的甲醇乳液点样于ITO载玻片上,紧邻贴附的组织样本,并用于在100–1000 m/z质量范围内通过二次校准曲线对仪器进行校准13。激光光斑直径聚焦为“中等”调制光束轮廓,光栅宽度为50 µm。在m/z 50至1000的质量范围内,以1000 Hz频率采集500次激光脉冲的质谱信号。记录质谱数据后,使用高级MALDI MSI数据分析软件进一步进行成像分析。离子图像采用均方根(RMS)归一化方法生成,质谱峰宽设置为±0.25 Da。
图 2 中的结果展示了 MALDI 质谱成像(MSI)数据分析软件输出的图像,其中 m/z 谱图以每 100 道尔顿为间隔进行选取,清晰地体现了从低分子量代谢物到高分子量脂质的谱图识别能力。每一行分别展示了特定代谢物在出生后第 1 天、第 21 天和第 60 天采集的三种组织中的离子热图,包含空间分布和谱图信息。针对每个代表性 m/z 值,通过分析其区域分布和离子丰度,可比较不同年龄组间相应物种的相对含量。MALDI 质谱成像技术的一个优势在于能够分辨由 m/z 鉴定出的特定分子物种与发育关键阶段或特定解剖结构之间的关联性。某些代谢物在 P1 新生儿中富集(m/z 320.1),在 P60 成年个体中富集(m/z 846.5),或在各年龄段中均匀分布(m/z 480.3);其他分子物种则特异性地富集于灰质(m/z 117.1;524.3;765.1)、白质(m/z 673.4;846.5)或脑脊液/脑室(m/z 239.0)(图 2A)。代表性代谢物的空间分布,包括次黄嘌呤(m/z 135.0)、N-乙酰-L-天冬氨酸(m/z 174.0)、花生四烯酸(m/z 303.2),以及多种脂质,如溶血磷脂酰乙醇胺 LPE (18:1)(m/z 478.3)、LPE(20:4)(m/z 500.3)、LPE (22:6)(m/z 524.3)、磷脂酰乙醇胺 PE (44:10)(m/z 838.5)、磷脂酰肌醇 PI(38:4)(m/z 885.6),也一并展示(图 2B)。

图1。基质辅助激光解吸电离飞行时间(TOF)质谱成像的工作流程。 快速冷冻的组织在恒温冷冻切片机中进行冷冻切片,并贴附于ITO载玻片上。→ 使用自动基质喷涂仪在带有组织切片的载玻片上均匀喷涂一层精细的基质。→ 通过MALDI-TOF质谱成像(MSI)仪器以20–200 µm的光栅步长采集质谱数据。→ 利用先进的MALDI-MSI数据分析软件对数据进行分析并生成图像。比例尺:2 mm。 请点击此处查看该图的放大版本。

图 2。在 50 µm 空间分辨率下获得的质谱分析中选定 m/z 值的代表性输出结果。(A)热图展示了在出生后第 1 天(P1)、第 21 天(P21)和第 60 天(P60)三个发育阶段,每隔 100 道尔顿 m/z 区间所选出的特定代谢物种类的空间分布。(B)P1、P21 和 P60 时期的代表性代谢物空间分布,包括:次黄嘌呤、N-乙酰-L-天冬氨酸、花生四烯酸,以及不同类型的脂质分子,如溶血磷脂酰乙醇胺(LPE)、磷脂酰乙醇胺(PE)、磷脂酰肌醇(PI)。比例尺:500 µm。请点击此处查看该图的高清版本。
基质辅助激光解吸电离成像(MALDI-MSI)是一种无标记成像技术,可使研究人员研究组织中多种生物分子及其修饰的分布,从而揭示病理的分子基础。将MALDI-MSI与传统的液相色谱-质谱(LC-MS)方法结合用于组织分析,不仅能获得与传统组学工作流程相当的分子深度,还能保留这些信号在细胞网络中的空间关系。样品制备是MALDI-MSI中最关键的步骤,也是导致不同实验室开展的代谢组学研究最终结果存在差异的主要原因4。本文提供了一套全面且实用的实验方案,旨在标准化基于MALDI-MSI的代谢组学分析样品制备流程,希望该方案 能够惠及广泛的科研群体,助力其从基础生物学研究到转化医学研究的当前及未来工作中顺利实施MALDI-MSI技术。
在样品制备过程中,必须始终牢记所有预防措施,以尽量减少分子谱(包括丰度和空间分布)的变化,并避免污染。首先,应尽量缩短动物安乐死后至组织采集之间的时间,例如原位冷冻或采用微波固定加热的方式使脑组织中的酶失活,以降低死后缺血带来的影响4,5,6。其次,样品的速冻条件至关重要。冷冻不足会导致代谢物降解和丢失,而过度冷冻则会在冷冻切片过程中引起组织碎裂。冷冻时间应根据以往报道的研究先行测试确定,本文所展示的发育期小鼠脑组织研究可为啮齿类动物脑组织提供参考依据。第三,在切割生物组织并将切片转移至ITO载玻片时,需要足够的操作经验。需特别注意的是,使用刷子从切片台上拾取切片时,应轻柔操作,仅让刷毛接触组织切片的边缘,以降低污染和切片破碎的风险。应尽可能将切片在载玻片上展平,以防止在手指加热过程中发生卷曲。第四,在将切片贴附到ITO载玻片时,需确保整个切片牢固粘附于载玻片上,因为组织不同区域可能需要不同的手指加热时间。例如,脑肿瘤组织所需的加热时间通常长于正常脑组织。贴附不良可能导致在MALDI-MS扫描过程中组织脱落或碎裂。需注意,手指加热可能激活酶活性和代谢过程,从而导致代谢物出现人为假象性变化。第五,基质辅助激光解吸电离(MALDI)基质的精细且均匀沉积,对于获得准确的空间信息和强MALDI-MS信号具有重要作用。建议在对珍贵样品载玻片进行涂布前,先在空白载玻片上测试基质喷涂效果,并在显微镜下观察晶体分布模式,以确认覆盖均匀。最后,由于不同研究人员在组织采集和载玻片制备过程中的操作速度存在差异,理想情况下应由同一名研究人员负责同一队列样品的全部制备流程,以最大限度减少实验变异。
上述方案详述了标准操作流程,可根据特定实验的需求进行调整。例如,通常用于样本冷冻切片的包埋剂OCT胶,还可进一步用作将组织固定到组织夹持器上的粘合胶(如上文所述研究中所示)。先前的研究表明,OCT中的聚合物成分会引起强烈的离子抑制14。然而,在某些情况下,若组织过于脆弱而无法在缺乏聚合物凝胶支撑时进行切割,则可能不得不使用包埋。为应对这些情况下的信号抑制问题,可在检测蛋白质或脂质时,用70%乙醇和95%乙醇依次洗涤组织,以去除残留的OCT;但在检测小分子代谢物时,不建议进行此类洗涤步骤9。
基质辅助激光解吸电离质谱成像(MALDI MSI)在科研实验室和临床实践中日益重要。例如,MALDI MSI 近期已被证明在蛋白质组学研究中具有实用价值,可用于表征生物体的表型功能状态15,也可作为微生物鉴定及后续疾病诊断的工具16。尽管 MALDI MSI 支持多种应用,但单独依赖该技术仍存在一些局限性,尤其是在区分相似物种或代谢物以及特异性靶标鉴定方面。另一个挑战是根据 MALDI MSI 信号对代谢物浓度进行定量。通常认为 MALDI MSI 谱图中的离子丰度与解剖组织中相应分子物种的空间分布(或相对丰度)之间存在良好的相关性。然而,必须始终注意的是,离子强度与相应分子物种实际含量之间的关系受到多种因素的复杂影响,包括但不限于离子抑制效应、组织结构变化以及 离子-分子反应17。在 MALDI-MSI 中,可通过使用内标法实现绝对定量(µmol/g 组织)18。上述两个挑战通常通过将 MALDI MSI 与液相色谱-串联质谱(LC-MS/MS)技术联用的工作流程来解决,其中 MALDI-MS 可用于定位感兴趣区域,随后对该区域进行微萃取并采用 LC-MS/MS 分析,以获得更详细的代谢物鉴定信息19。
近年来,基于质谱的成像技术已发展成为对小分子代谢物进行成像的一种替代性方法。随着基质辅助激光解吸电离质谱成像(MALDI MSI)技术的进步及其日益普及,预计MALDI成像将成为可视化小分子的新标准工具。在生物学背景下对脂质和内源性小分子(如神经递质和代谢物)进行成像,以及对外源性物质进行成像以支持新药研发,尤其受到关注。未来不久,随着MALDI MSI技术的应用,这三个领域预计将取得快速进展20。
作者声明不存在竞争性财务利益。
Ye He 和 Rinat Abzalimov 获得纽约市立大学专业职员协会(PSC-CUNY)研究奖项目的资助。Yuki Chen 和 Kelly Veerasammy 获得阿尔弗雷德·P·斯隆基金会 CUNY 本科生暑期研究项目的资助。
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