Questo protocollo dettaglia i passaggi chiave per consentire una misurazione rigorosa e riproducibile sia del glicogeno che di quelli N-linked tramite imaging di spettrometria di massa.
Articolo metodologico
Questo protocollo dettaglia i passaggi chiave per consentire una misurazione rigorosa e riproducibile sia del glicogeno che di quelli N-linked tramite imaging di spettrometria di massa.
L'organizzazione spaziale del glycome all'interno dei tessuti è fondamentale per la base molecolare della funzione fisiologica. Il glycome vario e dinamico è fondamentale per i processi cellulari fondamentali, inclusi metabolismo, segnalazione e adesione. Le innovazioni nella biologia spaziale hanno aperto nuove strade per l'imaging molecolare spaziale di diverse classi di glycome. Qui descriviamo un protocollo ottimizzato per l'imaging biomolecolare spaziale del glycome nel fegato di topo fresco congelato. Il flusso di lavoro comprende (1) raccolta e congelamento rapidi, (2) sezionamento criostatico a spessore e posizione ottimali, (3) preparazione del tessuto e digestione enzimatica tramite enzimi attivi da carboidrati, (4) applicazione e acquisizione di dati tramite imaging di massa assistito da desorbizione/ionizzazione laser assistita da matrice (MALDI-MSI), e (5) elaborazione e visualizzazione dei dati per collocare i risultati nel contesto biologico. L'uso di questo approccio consente l'acquisizione di mappe spaziali dettagliate di glicani e glicogeni N-linkati, rivelando caratteristiche fisiologiche e cellulari chiave. Questi dati permettono di definire l'eterogeneità glicomica spaziale chiave associata alla funzione e alla disfunzione epatica. Questo flusso di lavoro consente glicomici spaziali altamente riproducibili e sensibili del fegato del topo. Inoltre, è facilmente adattabile ad altri tessuti o specie, facilitando nuove intuizioni spaziali sulla biologia dei glicome in ambito sanitario e malattioso.
Il campo della biologia spaziale si sta espandendo rapidamente, fornendo spunti fondamentali sulla complessità biomolecolare spaziale dinamica degli organismi viventi. Vengono impiegati molteplici approcci per studiare biomolecole distinte in un contesto biologico. Sebbene alcune siano tecniche altamente specializzate, la spettrometria di massa (SM) è emersa come una tecnica generale importante per quantificare un'ampia gamma di biomolecole nel contesto di cellule, tessuti o organismi.
L'imaging con spettrometria di massa a disorbazione laser assistita da matrici (MALDI-MSI) è una delle tecniche generali emergenti per l'imaging multiomico di biomolecole spaziali multiomiche. Inizialmente è stato creato per la visualizzazione di proteine e peptidi nelle fettetissutali 1. Da allora, è stato esteso a molti campioni biologici e molecolediverse 2. La tecnica può essere applicata a campionicellulari 3,organoidi 4, animalimodello 5 e campioni di pazienti 6,7. Alcune classi molecolari possono essere misurate direttamente utilizzando approcci basati su MSI, inclusi molti metaboliti e lipidi, mentre altri tipi di biomolecole più complesse, come proteine e glicani, richiedono trattamenti enzimatici, o chimici per essere adatti alla rilevazione basata suMSI 2,8.
MALDI-MSI è stato applicato anche all'analisi spaziale di glicani N-legati e glicogeno, utilizzando flussi di lavoro che richiedono un trattamento enzimatico per produrre frammenti di glicano adatti al rilevamentoMSI 9,10,11,12,13,14,15. I N-glicani sono spartuti dal residuo di asparagina delle proteine con PNGasi F, e le catene di glicogeno del glucosio vengono spaccate con l'isoamilasi. I principali vantaggi dell'analisi del glicogeno MALDI sono la definizione spaziale della distribuzione del glicogeno nel campione biologico, la quantificazione relativa e informazioni sulla ramificazione delle catene del glucosio. Poiché sia i flussi di lavoro N-glicani che quelli del glicogeno richiedono l'elaborazione enzimattica del campione per l'analisi MSI, sono stati combinati in un flusso di lavoro integrato per l'analisi del glycome (Figura 1A). Questo flusso di lavoro richiede un'attenta preparazione dei campioni biologici e un trattamento specifico per consentire l'analisi MS del glicoma, seguita dall'acquisizione e l'elaborazione dei dati. Sebbene il flusso di lavoro richieda una serie di passaggi specializzati, produce dati glycome spaziali ricchi e di alta qualità, altamente riproducibili e adattabili a molti tipi diversi dicampioni 16. Inoltre, il flusso di lavoro è modulare, in modo che i passaggi di elaborazione del campione possano essere eseguiti da laboratori di ricerca indipendenti prima della sottomissione dei campioni a strutture specializzate che svolgono le fasi finali dell'acquisizione e analisi dei dati MALDI-MSI.
Questa ricerca è stata condotta in conformità con le linee guida del comitato istituzionale per la cura e l'uso degli animali (IACUC) presso l'Università della Florida. I reagenti e le attrezzature utilizzate sono elencati nella Tabella dei Materiali.
1. Prelievo del fegato
2: Preparazione di un campione biologico
3. Preparazione delle vetrine per l'MSI dei glicomici
4. Raccolta dati dei glicomici MALDI-MSI
5. Analisi dei dati MALDI-MSI
Un'attenta elaborazione di un fegato da un topo di tipo selvatico, incluso il taglio di una sezione trasversale completa (Figura 1A), ha permesso la definizione del glycome tramite MALDI-MSI, con diversi oligosaccaridi derivati dal glicogeno e glicani N-linked su un intervallo di m/z (Figura 1B). Il glicogeno era ampiamente localizzato in tutti gli epatociti epatici e privo di vasi e tessuto connettivo nei tratti portali, come previsto (Figura 1C,D). È importante sottolineare che i dati MALDI-MSI hanno permesso di misurare sia la distribuzione spaziale del glicogeno sia la distribuzione della lunghezza della catena, una caratteristica chiave del glicogeno nel metabolismo normale e negli stati patologici (Figura 1D). Inoltre, diversi glicani legati al N presentano organizzazioni diverse. La distribuzione spaziale osservata varia da ampiamente distribuiti negli epatociti (Figura 1E) a fochi regionali, coerenti con l'organizzazione sinusoidale del fegato (Figura 1F), fino all'etichettatura specifica degli elementi del tratto porta (Figura 1G-I).

Figura 1: Analisi GLYCOME MALDI-MSI del fegato del topo. (A) Schema per metodi critici nella preparazione del campione, acquisizione dati e analisi. (B) Campionare spettri di massa derivati dall'approccio. Le frecce in rosso mostrano gli oligosaccaridi regolarmente distanziati derivati dal glicogeno, che differiscono per un monosaccharide di glucosio. Le frecce in blu indicano N-glicani, che si trovano distribuiti lungo gli spettri. Nel fegato, i picchi di glicogeno sono generalmente più evidenti, specialmente a valori m/z più alti. (C) Distribuzione spaziale del maltoesaosio (DP6) derivato dal glicogeno nel fegato. (D) Distribuzione delle lunghezze della catena di glicogeno nel fegato. (E-G) Distribuzione spaziale delle diverse specie di glicani N-linked nel fegato. (H) Colorazione di ematossilina ed eosina (H&E) per una regione centrale focalizzata, insieme ad annotazioni anatomiche. (I) Inset focalizzato corrispondente che mostra la localizzazione spaziale di ulteriori glicani N-linked (Hex5dHex1HexNAc5) negli elementi del tratto porta. Barre in scala: 500 μm. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
MALDI-MSI è uno strumento emergente per la biologia spaziale dei glycome. È importante sottolineare che, sebbene questo protocollo si concentri sulla raccolta dati utilizzando hardware specifico, può essere facilmente adattato alle piattaforme MALDI-MSI di piùfornitori 13. L'elaborazione dei campioni è identica fino al metodo 4, anche se alcuni fornitori possono richiedere l'uso di diapositive specializzate. Le modifiche alla raccolta dati, utilizzando parametri specifici per la piattaforma MALDI-MSI, consentono un rapido adattamento di questo protocollo. Software specifico per il fornitore per l'elaborazione dei dati può essere utilizzato, come dettagliato nel passo 5, oppure, in alternativa, piattaforme per un elaborazione dati MALDI-MSI rigorosa e riproducibilepossono essere impiegate 19.
MALDI-MSI è uno strumento particolarmente utile per comprendere la biologia, poiché organi, tessuti e cellule diversi hanno modelli differenti per il loro glicoma. Il fegato è particolarmente adatto all'analisi del glicome in quanto contiene alti livelli di glicogeno e diversi glicaniN-linked 13. Altri organi presentano livelli più elevati e una diversità di glicani N-linked e livelli più bassi diglicogeno 13. È importante sottolineare che il glycome varia tra i diversi organi a seconda dello stato metabolico e patologico dell'organismo, e quindi il glycome fornisce una ricca fonte di informazionibiologiche 5,14,15,20. Lo sviluppo continuo di enzimi unici attivi nei carboidrati per l'analisi MALDI-MSI promette di estendere l'analisi del glycome ad ulteriori biomolecole ortogonali nel glicoma.
Pur avendo molti vantaggi, MALDI-MSI è attualmente limitato in risoluzione rispetto ad altri strumenti utilizzati in biologia spaziale. Questo protocollo utilizzava la raccolta dati con risoluzione di 50 μm. Sebbene eccellenti per l'analisi fisiologica, i dati a risoluzione a singola cellula avanzerebbero significativamente il campo21. In particolare, la delocalizzazione può rappresentare un ostacolo significativo a una maggiore risoluzione in metodologie che utilizzano la spruzzatura enzimatica e la successiva incubazione in condizioni umide. I recenti progressi nell'hardware per l'elaborazione dei campioni, nelle metodologie di gestione dei campioni, nell'hardware di acquisizione dati, nell'uso dell'etichettatura selettiva e nell'elaborazione dati stanno permettendo alla raccolta dati MALDI-MSI di avvicinarsi alla risoluzionecellulare 22,23. Tuttavia, esistono compromessi tra risoluzione e rapporto segnale/rumore e limitazioni intrinseche basate sui metodi attuali di preparazione del campione per MALDI che devono essere considerati. Applicazioni molto specifiche stanno già raggiungendo l'obiettivo del MALDI-MSI risolto da singola cella utilizzando innovazioni sia nell'elaborazione delcampione 24 sia in algoritmi innovativi, suggerendo che soluzioni generali a questi problemi sianoraggiungibili 25,26,27.
Dopo la raccolta dei dati, il vetrino può essere colorato tramite H&E ai fini dell'annotazione istologica. Tuttavia, danni cellulari e tissutali sono associati alla raccolta dei dati MALDI-MSI, quindi questa strategia limita l'estensione dell'annotazione cellulare. In alternativa, per H&E si possono utilizzare fette di tessuto sequenziali. Questa strategia fornisce dati di alta qualità, ma richiede allineamento e integrazione di tagli di campioni discreti.
Da notare che i tessuti con paraffina fissata in formalina (FFPE) sono molto adatti all'analisi glycome da MALDI-MSI con piccole modifiche nel protocollo per la preparazione delcampione 13. Tuttavia, il tessuto FFPE non può essere utilizzato efficacemente per metabolomica e altre analisi simili, quindi i campioni fresco-congelati, come descritto qui, sono preferiti per gli approcci multiomici28. La preparazione del campione è un componente critico di qualsiasi pipeline MSI per biomolecole labili, che richiede approcci speciali per la raccolta e la gestione deicampioni 17,29,30.
Le metodologie per espandere la generalità e l'uso diffuso degli approcci basati su MALDI-MSI stanno progrediendo rapidamente con miglioramenti drammatici nell'hardware enel software 19. Inoltre, i recenti approcci all'avanguardia multiomic28 e multimodal21 , combinati con machine learning e intelligenza artificiale, sono particolarmente promettenti per gestire questi dataset altamentecomplessi 31.
R.C.S., M.S.G. e C.W.V.K. sono co-direttori del Center for Advanced Spatial Biomolecule Research (CASBR) presso l'Università della Florida e cofondatori di Sugar3 LLC. R.C.S. ha ricevuto supporto per la ricerca e/o compensi di consulenza da Maze Therapeutics. M.S.G. ha ricevuto supporto per la ricerca, composti per la ricerca o spese di consulenza da Maze Therapeutics, Valerion Therapeutics, Ionis Pharmaceuticals, PTC Therapeutics e Aro Biotherapeutics. M.S.G. è membro del comitato scientifico consultivo di Chelsea's Hope, Glut1-Deficiency Syndrome Foundation e Adult Polyglucosan Body Disease Foundation.
Ringraziamo i membri dei laboratori Vander Kooi, Sun e Gentry per le discussioni fruttuose. Questo studio è stato finanziato da sovvenzioni dei National Institutes of Health (NIH) al Biospecimen Procurement & Translational Pathology Shared Resource Facility del Markey Cancer Center dell'Università del Kentucky, P30CA177558 al D.B.A., R01AG066653, R01CA266004, R01AG078702, R01CA288696, RM1NS133593 al R.C.S., R35NS116824 al M.S.G., R01DC019054 al C.W.V.K. e al College of Medicine dell'Università della Florida.
| Nome | Azienda | Numero di catalogo | Commenti |
|---|---|---|---|
| Sottopad assorbente | Denville Scientific | B1623 | |
| Acetonitrile (ACN) | Sigma-Aldrich | 34851-4X4L | |
| Carta stagnola | Fisher Scientific | 15078292 | |
| Anidride citraconica | Sigma-Aldrich | 125318 | |
| Tubo conico (15mL) | Alkali Scientific | CW5600 | |
| Vasi Coplin | DWK Scienze della Vita | 900570 | |
| Criostato | Leica | CM1860 | |
| Schermo criostatico | Leica | 14041926491 | |
| Essiccatore | Bel Art | F424004131 | |
| Coppa per dialisi | Thermo Fisher | 88400 | |
| Etanolo | Fisher Scientific | 22032601 | |
| Vaporizzatore per cibo | Rival | CKRVSTLM21 | |
| Inserto in vetro (70 mm) | Gel Company | LGI50 | |
| Glicogeno | Sigma-Aldrich | G8876 | Standard |
| Perossidasi di rafano (HRP) | Sigma-Aldrich | P8125 | Standard |
| Acqua HPLC | Sigma-Aldrich | 270733-4X4L | |
| Spruzzatore HTX | Tecnologie HTX | M5 | |
| Acido cloridrico | Fisher Scientific | A144-500 | |
| Isoamilasi | Megazima | E-ISAMY | |
| Pompa Knauer | Knauer | P 4.1 S | |
| Lama a profilo basso | Scienze della microscopia elettronica | 63059-01 | |
| Supporto di montaggio M1 | Epredia | 1310 | |
| Spettrometro di massa | Bruker Daltonics | timsTOF fleX | |
| Tubo Microfuge (1,5mL) | Alkali Scientific | CN3016 | |
| Ago | BD | 305109 | |
| NBF con formalina neutrale buffered | Millipore sigma | HT501128-4L | |
| Gas azoto | Airgas | NIUHP300 | |
| PBS | Fisher Scientific | SH30256. FS | |
| Tubi PCR | Partner MedSupply | 62-1091-1 | |
| PNGase F PRIME-LY ULTRA & nbsp; | Biografia del Bulldog | NZPULT10LY | |
| SCiLS Lab | Bruker Daltonics | 1889000 | |
| Shaker | Thermo Scientific | 88882007 | |
| Diapositiva | Scienze del microscopio elettronico | 71873-02 | |
| Spostatore a diapositive | Prodotti RPI | 212620A | |
| Sonicater (Bioruptor Pico) | Diagenode | B01080010 | |
| Pinza Sterile | DR Instruments | S08098 | |
| Bisturi sterile | WPI | WPI-500240 | |
| Forbici Steriles | Strumenti scientifici di qualità | 14084-08 | |
| Siringa | Grainger | 19G342 | |
| Pompa a siringa | Nuova Era | NE-300 | |
| Nastro | Fisher Scientific | 15-901-R | |
| Pennello sottile | Anezus | #00 | |
| Acido trifluoroacetico | Sigma-Aldrich | T6508-1L | |
| Tune Mix, ESI a bassa concentrazione | Agilent | G1969-85000 | |
| Barche a peso | Sigma-Aldrich | HS120882 | |
| Xylene | Sigma-Aldrich | 534056 | |
| &alfa;-ciano-4-acido idrossicinnamico (CHCA) | Azienda Chimica delle Cayman | 15254 |