Method Article

단일 현탁액 세포에서 약물 및 대사 산물의 질량 분석 분석을 위한 단일 프로브와 결합된 통합 셀 조작 플랫폼

DOI:

10.3791/59875

⸱

June 21st, 2019

 ,  ,  ,  , 
1Department of Chemistry and Biochemistry, University of Oklahoma

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

통합 셀 조작 플랫폼은 주변 조건하에서 개별 현탁액 셀의 온라인 분석을 위한 단일 프로브 질량 분석 설정과 함께 사용하기 위해 개발되었습니다.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

단세포 질량 분석법(SCMS)을 통해 개별 세포 수준에서 광범위한 세포 종을 감지하고 정확하게 분석할 수 있습니다. 마이크로 스케일 샘플링 및 이온화 장치인 단일 프로브는 주변 조건하에서 세포 성분에 대한 온라인, 신속한 SCMS 분석을 위한 질량 분석기와 결합될 수 있습니다. 이전에는 단일 프로브 SCMS 기술을 주로 기판에 고정된 세포를 측정하여 연구를 위한 세포 유형을 제한하는 데 사용되었습니다. 현재 연구에서, 단일 프로브 SCMS 기술은 세포 조작 시스템과 통합되어 있으며, 일반적으로 체외 수정에 사용된다. 이 통합 된 세포 조작 및 분석 플랫폼은 세포 선택 프로브를 사용하여 식별 된 개별 부동 세포를 캡처하고 마이크로 스케일 용해를위한 단일 프로브 팁으로 세포를 전송한 다음 즉각적인 질량 분석 분석을 수행합니다. 이 포획 및 전달 프로세스는 질량 분석 분석에서 매트릭스 분자의 도입을 최소화하면서 분석 전에 주변 용액에서 세포를 제거합니다. 이 통합 된 설정은 체액 샘플 (예 : 소변, 혈액, 타액 등)에 존재하는 표적 환자 분리 세포의 SCMS 분석을 가능하게하여 인간 의학 및 질병 생물학에 SCMS 분석을 잠재적으로 적용 할 수 있습니다.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

인간 생물학, 특히 질병 생물학은 개별 세포의 수준에 있는 활동의 결과로 점점 이해되고 있습니다, 그러나 액체 크로마토그래피 질량 분석법 (LCMS)와 같은 전통적인 분석 방법은 일반적으로 분석하기 위하여 이용됩니다 취득한 분자 정보가 개별 세포 수준에 화학 프로세스를 정확하게 나타낼 수 없는 반면, 세포의 인구에서 준비된 견본은. 이러한 표준, 전통적인 방법은 분석 측정에 대한 세포 이질성의 영향을 분별 할 수 없으며, 세포를 파괴하고 혼합하여 포식을 준비하는 과정은 잠재적으로 세포의 변경 또는 손실로 이어집니다. 구성요소 1,2. 전통적인 방법의 이 제한은 얻어진 견본이 많은 다른 세포 모형의 복잡한 혼합물을 포함할 수 있는 참을성 있는 세포의 분석에서 특히 중요합니다. 이러한 결핍을 극복하기 위해 단일 세포 질량 분석법(SCMS) 방법을 포함한 단일 세포 분자 분석 방법이 점점 더 개발되고 있으며, 특히 세포 대사 산물과 낮은 분자량의 생물 분석에 적용되고 있습니다. 생체 분자3,4.

첫번째 SCMS 기술은 비 주변 조건2,5,6,7,8,9에서 분석을 수행하기 위해 진공 기반 기술을 사용했습니다. 10,11. 비주변 SCMS 기술은 세포 지질 및 대사 산물을 분석할 수 있지만 인공 조건하에서 시료 전처리가 필요하므로 실시간 분석에 적합하지 않습니다. 비주변 분석을 위한 샘플 준비 과정에는 매트릭스 성분의 첨가가 포함되며, 이러한 제제는 그들의 자연 환경으로부터 세포 성분을 변화시킬 수 있다12. 따라서 샘플링 환경에 대한 진공이 필요하지 않은 주변 질량 분석법(MS) 기술은 거의 기본 환경에 있는 세포를 분석하는 데 활용됩니다. 진공 환경이 없는 경우 실험 설계에서 다재다능함이 가능합니다. 카메라는 셀룰러 공정을 모니터링하기 위해 추가 될 수 있으며 부드러운 이온화 기술은 각단일 세포 실험 4,12,13에서 더 나은 정보를 수신하기 위해 분리 기술과 결합 될 수있다 ,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.

단일 프로브 SCMS 방법은 거의 네이티브 환경에서 살아있는 포유류 암 세포주를 분석하는 주변 기술이다21,43,44,45,46. 또한, 단일 프로브 장치는 다세포 스페로이드에서 세포외 분자의 분석및 조직의 MS 이미징을 포함한 다른 질량 분석 응용 분야에 사용되어 왔으며47,48,49 ,50,51,52. 그러나, 이 방법에는 기판상 세포 고정이 필요하기 때문에, 현탁액세포는 이 기술을 사용하여 직접 분석될 수 없다 3,53. 따라서, 단일 프로브 SCMS 시스템은 환자의 혈액 또는 다른 체액으로부터 분리된 비부착 세포주 또는 현탁액 세포와 같은 비부착 단일 세포를 시료화하기 위해 직접 사용될 수없었다(54) 이 작업에서, 통합 된 세포 조작 플랫폼 (ICMP)은 최소한의 샘플 준비와 온라인 라이브, 현탁액 세포를분석하는 단일 프로브 SCMS 기술과 결합 (도 1)46. ICMP는 세포 선택을 모니터링하는 반전 된 현미경, 유리 셀 선택 프로브, 개별 부동 세포를 캡처하는 마이크로 인젝터, 세포 온도를 유지하는 가열 플레이트, 공간 제어를위한 두 개의 세포 조작 시스템으로 구성됩니다. 유리 셀 선택 프로브와 단일 프로브, 그리고 셀 선택 프로브 팁에서 단일 프로브 팁으로의 세포 전달을 관찰하는 디지털 현미경의 움직임. 단일 프로브의 제작은 이전 간행물에서 자세히 설명되어 있으며 여기서21,48로다루지 않습니다. ICMP/단일 프로브 시스템은 고분해능 질량 분석기와 결합됩니다. 이 통합 된 설정은 매트릭스 분자에서 최소한의 효과와 복잡한 생물학적 샘플에서 확인 된 단일 세포의 샘플링을 할 수 있습니다.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. 유리 셀 선택 프로브 제조

  1. 단일 보어 유리 튜브를 날카로운 팁으로 테이퍼 드 프로브로 변환합니다.
    1. 단일 보어 유리 튜브(ID: 0.3 mm, OD: 1.1. mm)를 수직 파이펫 홀더의 클램프에 넣고 가열 코일과 관련하여 유리를 중앙에 배치하고 튜브를 제자리에 고정시도록 조입니다. 가열 코일은 금속 막대 (직경 = 3.90 mm) 2.5 배 주위에 코일 18 게이지 니켈 크롬 저항 와이어 (~ 60mm 길이)로 구성되어 있습니다.
    2. 온도 프로그램 19.5 (제조업체의 단위)와 유리 튜브를 설정합니다. 이 매개 변수는 특정 계측기에서 수정할 수 있습니다.
    3. 솔레로이드 플런저를 4(제조업체 의 장치)로 설정합니다. 이 매개 변수는 특정 계측기에서 수정할 수 있습니다.
    4. 솔레노이드를 트리거하여 유리 튜브를 당깁니다. 이 단계에서는 팁에 융합된 두 개의 프로브를 만듭니다.
    5. 핀셋을 사용하여 각 프로브의 끝에서 ~1mm 떨어진 곳에서 절단하여 프로브 팁에서 직경 ~10 μm의 오리피스를 만듭니다.
  2. ICMP/단일 프로브 SCMS 설정에 쉽게 결합할 수 있도록 유리 프로브를 구부립니다.
    1. 당겨진 유리 프로브를 마이크로 포지에 넣고 백금 가열 와이어 위에 ~ 3mm의 팁을 배치합니다.
    2. 백금 와이어의 열을 최대 온도의 30%로 돌립니다.
    3. 프로브를 원래 위치에서 ~45°로구부립니다(그림 2).

2. 통합 셀 조작 플랫폼 조립

  1. 역현미경, 마이크로인젝터 및 두 개의 세포 조작 시스템을 전동 테이블에 놓아 질량 분석기와 쉽게 결합할 수 있습니다.
    1. 끝을 암 클램프로 대체하여 단일 프로브를 수용하도록 셀 조작 시스템 중 하나를 수정합니다.
    2. 바늘이 달린 플라스틱 주사기를 사용하여 마이크로 인젝터를 미네랄 오일로 채웁니다. 이것은 흡입에 영향을 미치기 때문에 튜브에 있는 거품을 피하십시오.
    3. 반전된 현미경의 스테이지 삽입을 가열 플레이트로 교체합니다. 분석 전에 가열 플레이트를 37°C로 설정합니다.
  2. 유리 셀 선택 장치를 설정합니다.
    1. 긴(비구부러진) 면을 모세관 홀더에 넣고 나사를 조여 프로브를 제자리에 고정하여 마이크로인젝터의 금속 홀더 내부에 유리 셀 선택 프로브를 삽입합니다. 프로브 팁의 각도를 가열 플레이트와 평행하게 놓습니다.
      주의: 유리 프로브는 매우 날카롭고 깨지기 쉬우며 쉽게 부서집니다. 마이크로인젝터에 프로브를 삽입하는 동안 눈을 보호하고 각별한 주의를 기울이십시오.
    2. 마이크로인젝터의 금속 홀더를 셀 조작 시스템에 고정합니다. 프로브 팁을 반전된 현미경 광의 중간 부근에 배치합니다.

3. 질량 분석기 입구를 위한 확장된 이온 전달 튜브 만들기

  1. 금속 커터를 사용하여 스테인리스 스틸 튜브 조각 (OD : 0.0625 (1/16), ID : 0.021 in) ~ 250mm 길이를 절단하십시오.
  2. 끝에서 135mm를 측정하고 금속 야성을 배치하므로 ~ 135mm가 대기에 노출되고 ~ 115mm가 질량 분광계 내부에 있을 것입니다. 두 개의 렌치를 사용하여 야생을 고정하여 조입니다.

4. ICMP를 단일 프로브 설정과 결합

  1. 단일 프로브를 포함하는 유리 슬라이드를 셀 조작 시스템의 암 클램프에 고정합니다.
    참고 : 단일 프로브는 현재 연구에서 두 가지 사소한 변화와 함께 이전에 게시 된 프로토콜48에 따라 제작됩니다 : 나노 ESI 방출기는 질량 분석계에 쉽게 결합하기 위해 더 오래 만들어지고 단일 프로브는 유리에 접착됩니다. 유리 셀 선택 장치의 공간 이동을 방해하지 않도록 오른쪽 측면에 있습니다(그림 2).
  2. 플라스틱 페룰의 슬리브(1/16 x .005 in)에 모세관을 넣고 피팅을 손가락으로 조여 용매를 제공하는 모세관을 전도성 결합에 연결합니다.
    1. 전도성 연합의 다른 쪽을 모세관(ID: 40 μm, OD: 150 μm)에 연결하여 샘플링 용매를 포함하는 주사기에 연결하여 모세관을 슬리브(1/32 x .007 in)에 넣고 피팅을 조여 서 이 실험에서 샘플링 용매로 0.1% 포르믹산을 가진 아세토니트릴을 사용하십시오.
      참고 : 샘플링 용매는 유연하지만, 빠른 마이크로 스케일 세포 용해를위해 주로 아세토니트릴 (또는 더 나은 이온화를 위한 포산이있는 아세토니트릴)을 포함해야합니다.
    2. 질량 분석기의 주사기 펌프에 주사기를 고정합니다.
    3. 이온화 전압 코드를 전도성 결합에 부착된 구리 와이어에 놓습니다.
  3. 나노-ESI 방출기를 확장된 이온 전달 튜브의 오리피스에 ~1 mm 위치.
    1. 셀 조작 시스템을 사용하여 단일 프로브의 공간 이동을 제어하고 나노 ESI 방출기를 확장 된 이온 전달 튜브 앞에 중앙에 배치합니다.

5. 일시 중단 된 세포 샘플 준비

  1. 분석 전날(~18-24시간), 세포 배양 플라스크(T25)에서 검사를 위한 세포를 시드 아웃한다. K562 인간 골수성 백혈병 세포는 본 연구에서 모델로 사용된다.
    1. 열 1x 인산완충 식염수 (PBS) 및 로스웰 공원 기념 연구소 (RPMI) 매체는 10 % 합성 태아 소 혈청 (FBS) 및 37 °C에서 1 % 페니실린 - 스트렙 토마이신을 30 분 동안 보충했습니다.
    2. 종자 ~1 x 106 세포를 따뜻한 배지와 결합하여 총 부피 10 mL. 일반적으로, 10 mL 파이펫을 사용하여 RPMI 배지의 8 mL을 세포 배양 플라스크내로 배치한다. 이어서, 2 mL 파이펫을 사용하여 2 mL의 Confluent K562 세포를 ~1 x 106 세포에 대한 배지를 넣는다.
    3. 분석전까지 세포를 37°C 및 5% CO2에서 배양한다.
  2. 분석을 위해 셀을 준비합니다.
    1. 세포 배양 플라스크로부터 15 mL 원심분리기 튜브내로 피펫 세포.
    2. 400 x g 및 37 °C에서 5 분 동안 세포를 스핀 다운하고 상류를 버립니다.
    3. 원하는 치료 농도에서 약물 화합물을 함유하는 RPMI 배지의 4 mL에서 세포를 재중단한다.
      참고 : 제어 셀의 분석을 위해 RPMI 배지의 4 mL에서 셀을 다시 일시 중단하고 6 단계로건너 뜁니다.
    4. 37°C 및 5% CO2에서 치료 시간 동안 세포를배양한다.
    5. 400 x g 및 37 °C에서 5 분 동안 세포를 스핀 다운합니다.
    6. 세포는 PBS의 10 mL에서 재중단되고, 원심분리기는 400 x g 및 37°C에서 5분 동안 이다. 회전 후 상급체를 버리십시오. 세포외 성분에서 약물의 검출을 최소화하기 위해 이 단계를 3번 반복하십시오.
    7. 분석을 위해 PBS 4mL에서 셀을 다시 일시 중단합니다.

6. ICMP/단일 프로브 설정을 사용하여 SCMS 측정 수행

  1. 실험의 질량 분석기매개변수를 사용자 지정합니다.
    1. 계측기 소프트웨어의 스캔 모드 제목 아래에서 스캔 정의를선택합니다. m/z 400, 마이크로스캔 1마이크로스캔, 최대 사출 시간 100ms, 자동 게인 제어(AGC)에서 60,000m/m의 해상도를 사용합니다. 100-1000의 질량 범위(m/z)를 실험에 활용하였다. 계측기 모델에 따라 매개 변수를 수정할 수 있습니다.
    2. 주사기펌프에서 150 nL/min의 유량을 선택합니다.
    3. NSI 소스를 선택하고 ~ 4.5 kV의 전압을 적용합니다. 또한 이 매개 변수는 각 실험에 대해 최적화되어야 합니다.
  2. 뒤집힌 현미경(상단 플레이트 및 하단 렌즈 모두에 대해 40배 배율 선택)을 켜고 랩톱의 USB 포트에 연결하여 라이브 비디오 피드를 캡처합니다. 가열 된 플레이트를 켜고 37 °C로 설정합니다.
  3. 컴퓨터에서 데이터 획득 탭으로 이동하여 획득 시간에서 계속 을 선택합니다.
  4. 분석을 위해 샘플을 준비합니다.
    1. 작은 페트리 접시 (35mm x 12mm)의 뚜껑에 샘플 의 파이펫 2-3 mL.
    2. 6.4.2 가열된 플레이트 위에 반전된 현미경으로부터 빛의 중심에 시료를 놓습니다.
  5. 분석을 위해 유리 셀 선택 프로브를 준비합니다. 세포 조작 시스템을 사용하여 프로브의 끝이 세포와 동일한 평면의 반전된 현미경 아래에 집중되도록 프로브를 이동합니다.
  6. 분석을 위해 개별 셀을 선택합니다.
    1. 셀 조작 시스템을 사용하여 셀 선택 프로브 팁을 대상 셀로 이동합니다. 이 프로세스는 반전된 현미경을 사용하여 감시됩니다.
      참고: 셀 선택 프로브의 팁이 셀과 동일한 평면에 초점을 맞출 수 없는 경우 프로브의 구부러진 부분이 적절하게 각도가 지정되지 않았을 수 있습니다. 두 프로브 팁이 현미경의 밑에 세포와 함께 집중될 수 있을 때까지 세포 선택 프로브의 위치를 조정합니다.
    2. 마이크로인젝터의 손잡이를 부드럽게 돌려 튜브 내부의 미네랄 오일의 위치를 조정합니다. 미세 인젝터는 표적 세포를 셀 선택 프로브 팁에 고정시키기 위해 부드러운 흡입을 제공합니다.
      참고: 흡입력을 통해 셀 선택 프로브에 의해 셀을 포착할 수 없는 경우 셀 선택 프로브를 확인하여 모세관 홀더에 완전히 삽입되었는지 확인합니다. 또한, 마이크로 인젝터와 튜브의 미네랄 오일 수준을 검사하고, 있는 경우 공기를 배출.
    3. 셀 조작 시스템을 사용하여 셀 선택 프로브 팁에서 세포를 단일 프로브 팁으로 이동하여 단일 프로브 팁에 초점을 맞춘 디지털 현미경을 사용하여 이 프로세스를 모니터링합니다. 만질 때, 단일 프로브 팁에 작은 아세토니트릴 방울은 세포의 급속한 용해를 유도하고, 그 후 세포 용해는 온라인 MS 분석을 위해 즉시 이온화된다.
      참고: 선택한 셀은 부드러운 흡입을 통해 셀 선택 프로브 팁에 고정되기 때문에 이 셀은 단일 프로브 팁으로 전송하는 동안 잠재적으로 분리될 수 있습니다. 따라서, 전형적인 세포 지질의 이온 신호(아래 대표적인 결과 참조)가 5초 이내에 관찰되지 않으면, 세포가 부착되지 않게 되고, 다른 세포의 선택이 필요할 수 있다.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

첫째, 치료되지 않은 K562 세포는 실험 방법을 확립하는 데 사용된다. 일반적인 SCMS 실험에서, 질량 스펙트럼의 명백한 변화는 세포 전달, 세포 내용물의 검출 동안, 및 측정을 마친 후에 관찰될 수 있다(도S1). PC(34:4)(m/z 754.536), PC(36:4) 및 PC(m/z 88:5)(m/z 808.583)를 포함한 세 가지 일반적인 세포 지질 피크(포스파티딜콜린, PC)가 세포가 성공적으로 전송되고 전송되도록 모니터링됩니다. 내용이 감지됩니다(그림 S2)21,43,46,55,56. 지질 피크가 5초 이내에 보이지 않는 경우, 마이크로인젝터내의 미네랄 오일 수준은 세포 선택 프로브 팁에서 세포를 보유하는 흡입을 감소시키기 위해 변경된다; 미네랄 오일이 세포 선택 프로브에서 밀려나지않도록 주의를 기울여야 합니다. m/z 750-850의 질량 범위에서 많은 PC의 신원은 처리되지 않은 세포 용해 샘플에 MS/MS를 사용하여 확인된다(도 3, 도 서2, 표 1)46.

K562 세포는 또한 방법의 다양성을 확장하기 위해 다양한 약물 화합물로 치료를 받습니다. K562 세포는 각각 4시간 및 2시간 동안 1시간 및 OSW-1(100 nM, 1 μM)에 대해 젬시타빈(1 μM) 및 탁솔(1 μM)으로 배양된다. 세포는 그 때 세포외 내용물에서 약 화합물의 검출을 극소화하기 위하여 PBS로 세척됩니다. 셀룰러 내용물의 질량 스펙트럼에 대한 매트릭스(예를 들어, 이온에서 이온)의 기여도는 현저하게 상이한 이온 신호로 인해 데이터 빼기를 통해 제거될 수 있다(도서 S3). 세 가지 약물 화합물은 모두 ICMP/단일 프로브 MS 설정(도S4)46을사용하여 검출된다. 이러한 결과는 이 방법을 세포내 지질, 약물 및 거의 네이티브 환경에서 용액의 세포에서 단일 세포 수준에서 대사 산물을 연구하는 데 사용될 수 있음을 시사한다.

figure-results-1
그림 1. 단일 현탁액 세포 MS 실험을 위한 실험 설정. (a) 질량 분석기와 결합된 통합 전지 조작 플랫폼(ICMP). (B) 부유 세포의 분석을위한 회로도. (C) 셀 선택 프로브를 사용하여 선택되는 K562 셀의 실험보기. Standke 등의 허가를 받아 전재된46. 저작권 2019 미국 화학 협회. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

figure-results-2
그림 2. 단일 현탁액 세포 MS 실험에 활용된 변형된 단일 프로브 및 셀 선택 프로브의 사진. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

figure-results-3
그림 3. 대표적인종(m/z 750-850)을 나타내는 단일 세포로부터 의 질량스펙트럼을 확대하였다. 화학 구조는 MS/MS 분석을사용하여 확인됩니다(그림 S1). Standke 외46의허가를 받아 재인쇄 . 저작권 2019 미국 화학 협회. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

약물 분자*m/z질량 오류(ppm)
【 젬시타빈 + H 】 + 264.07611.32
[탁솔 + 나] + 876.3182.74
【OSW-1+Na】 + 895.4450.89
세포 지질
[PC(34:4) + H] + 754.5353.71
[PC(34:3) + H] + 756.5513.44
[PC(34:2) + H] + 758.5690.66
[PC(36:5) + H] + 780.5513.07
[PC(36:4) + H] + 782.5682.17
[PC(36:3) + H] + 784.5850.64
[PC(38:7) + H] + 804.5514.1
[PC(38:6) + H] + 806.5672.48
[PC(38:5) + H] + 808.5832.72
[PC(38:4) + H] + 810.6010
[PC(40:7) + H] + 832.5833.12

표 1. ICMP/단일 프로브 설정을 사용하여 식별된 셀룰러 구성 요소. 모든 약물 화합물의 검출은 MS/MS 결과를 표준 화합물과 비교하여 확인되었다.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

통합 된 셀 조작 및 분석 플랫폼은 단일 프로브 MS 방법의 다양성을 확장하도록 구성되어 거의 기본 환경에서 비 부착 셀을 온라인, 신속하게 분석 할 수 있습니다. 이 기술의 주요 장점은 최소한의 시료 전처리가 필요하므로 세포가 표준 상태를 모방하는 조건에서 분석된다는 것입니다. 특히, 관심 있는 개별 세포를 시각적으로 식별하고 선택할 수 있어 자연 환경에서 세포를 유지하면서 MS 이온화 효율에 대한 매트릭스 효과의 영향을 최소화할 수 있으므로 그 결과는 보다 대표적인 세포의 기본 세포입니다. 상태(그림S3)를참조하십시오. 이 기술은 잠재적으로 미래 연구에서 생체 유체에 중단 된 환자 세포를 연구하는 데 사용할 수 있습니다. 이 기술의 또 다른 장점은 샘플링 용매의 유연한 선택입니다. 미세 스케일 용해가 빠르게 발생할 수 있도록 주요 샘플링 용매로 아세토니트릴을 포함하는 것이 중요합니다. 잠재적으로, 내부 표준(예를 들어, 동위원소 표지된 약물 화합물)은 개별 세포로부터 관심 있는 분자(예를 들어, 약물 분자)의 정량화를 위한 샘플링 용매에 첨가될 수 있으며, 이를 포함하여 혁명에 중요한 역할을 할 수 있다. 향후 약물 치료 개인화54.

이 통합 시스템은 광범위한 셀을 분석하는 데 편리하게 사용될 수 있지만, 방법의 한계는 단일 프로브 또는 셀 선택 프로브가 시판되지 않는다는 것입니다. 각 실험 에 앞서 많은 파라미터(예: 유량, 전압, 나노 ESI 방사체 및 이온 전달 튜브 사이의 길이)의 최적화필요성을 지시한다. 또한, 단일 프로브 및 셀 선택 프로브의 소박함으로 인해 환경 적 동요(예를 들어, 공기 흐름)는 두 프로브 사이의 접합을 확립하는 데 어려움을 초래할 수 있다. 단기 용액은 테이핑 길이를 최소화하기 위해 종단에 가까운 셀 선택 프로브의 굽힘입니다. 향후 작업에는 환경 영향을 최소화하기 위해 설정의 중요한 부분을 둘러싸는 주택 개발이 포함됩니다. 세포에서 세포 내용물의 제한된 양과 짧은 수집 시간 (~ 2-3 s)으로 인해 MS / MS 분석은 상대적으로 풍부한 종에 대해서만 수행 될 수 있습니다. 검출 감도에 영향을 미치는 다른 요인으로는 확장된 이온 전달 튜브를 통한 전지 및 잠재적 이온 손실과 함께 매트릭스의 도입으로 인한 억제된 이온화 효율이 포함됩니다.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

저자는 공개 할 것이 없다.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

저자는 현탁액 세포와 세포 용해 실험 모두에 대한 샘플 준비를 개발하는 그녀의 작품에 대한 나가 라마 Kothapalli 감사합니다. 또한, 저자는 자금 에 대한 NIH (R01GM116116 및 R21CA204706)에 감사드립니다.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
아세톤트릴Millipore Co.AX0145-1샘플링 솔벤트
CellTram VarioEppendorf6221ICMP
구리선stores.ebay.com/jewelerheaven데드 소프트, 라운드, 20 게이지, 25 피트전도성 유니온 설정
디지털 실체 현미경Shenzhen D & (주)에프Supereyes T004분석
일회용 마이크로피펫, 1-5 &마이크로; LRochester Scientific5065세포 선택 프로브 제작
이중 보어 석영 튜브, 1.120"x0.005"x12"Friedrich & 주식회사 딤목(Dimmock, Inc.)MBT-005-020-2Q단일 프로브 제작
에폭시 수지Devcon부품 번호 20945단일 프로브 제작
Eppendorf 셀 조작 시스템EppendorfTransferman NK517800397-U.R.ICMP
외부 너트VALCO * CHEMINERTEN1이온 전달 튜브 제조
포름산시그마 - 알드리치399388-500ML샘플링 용매
용융 실리카 모세관, ID : 40 &마이크로; m, OD : 100 &마이크로; mPolymicro TechnologiesTSP040105단일 프로브 제작, 전도성 연합 설정
용융 실리카 모세관, ID: 50 &마이크로; m, OD : 150 &마이크로; mPolymicro Technologies1068150015전도성 연합 설정
HyClone 합성 소 태아 혈청 (FBS)Fischer SciSH3006603세포 배양
인라인 마이크로 필터IDEX 건강 및 Science LLCM-520전도성 유니온 설정
레이저 풀러Sutter Instrument Co.모델 P-2000단일 프로브 제조
LED UV 램프Foshan Liang Ya 치과 장비LY-C240단일 프로브 제조
LTQ Orbitrap 질량 분석기Thermo ScientificLTQ Orbitrap XL분석
MicroforgeNarishige, Co.MF-9세포 선택 프로브 제작
MicrounionIDEX Health & Science LLCM-539전도성 연합
PEEK 튜브, 1/32x0.005x 5ftIDEX 건강 및 Science LLC1576전도성 유니온 설정
PEEK 튜빙, 1/32x0.007x 5ftIDEX 건강 및 Science LLC1577전도성 결합 설정
페니실린/스트렙토마이신Gibco/Life Technologies15140-122세포 배양
페트리 접시, 35x10mmVWR25382-334샘플 준비
인산염 완충 식염수(PBS)VWR0780-50L세포 배양
백금 와이어Narishige, Co.모형 PT-AMicroforge
전력 공급NikonPSM-2120ICMP
RPMI, 코닝 글루타그로를 가진 1XCorning10-104-CV세포 문화
단 하나 구멍 관Boralex5065세포 선택 조사 제작
1/16년을 위한" ODIDEX 건강 & Science LLCVHP-200-01x이온 전달 튜브 제작
스테인레스 스틸 튜빙, 1/32x 205 µ m x30 cmIDEX 건강 & Science LLCU-1128이온 전달 튜브 제작
주사기, 250 µ LHamilton1725LTN250UL샘플링 주사기
T25 플라스크CellStar690160세포 배양
Thermo LTQ XL 이온 소스 인터페이스 플랜지새로운 ObjectivePB5500분석
ThermoPlateTokaiHit55R30NICMP
TrypLE ExpressGibco12605-010세포 배양
튜브 커터, 1/16" 스테인레스 스틸SUPELCO58692-U이온 전달 튜브 제작
USB 디지털 사진 현미경dx.comSO2 25 ~ 500X분석
UV 경화 수지Prime Dental품목 번호 006.030단일 프로브 제작
수직 피펫 풀러David Kopf Instruments모델 720셀 선택 프로브 제작
전압 하우징PicoChipPCH-A00120ICMP/MS 인터페이스
와이어 커터Craftsman4 1/2인치 엔드 니퍼전도성 유니온 설정

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Mao, S., et al. In Scatheless Cell Detachment Reveals Correlation between Adhesion Strength and Viability at Single-Cell Resolution. Angewandte Chemie International Edition. 57 (1), 236-240 (2017).
  2. Rubakhin, S. S., Romanova, E. V., Nemes, P., Sweedler, J. V. Profiling metabolites and peptides in single cells. Nature Methods. 8 (4), S20-S29 (2011).
  3. Linwen, Z., Akos, V. Single-Cell Mass Spectrometry Approaches to Explore Cellular Heterogeneity. Angewandte Chemie International Edition. 57 (17), 4466-4477 (2017).
  4. Chen, X., et al. Single-cell analysis at the threshold. Nature Biotechnology. 34, 1111(2016).
  5. Fu, Q., Tang, J., Cui, M., Xing, J., Liu, Z., Liu, S. Application of porous metal enrichment probe sampling to single cell analysis using matrix-assisted laser desorption ionization time of flight mass spectrometry (MALDI-TOF-MS). Journal of Mass Spectrometry. 51, (2016).
  6. Passarelli, M. K., Ewing, A. G., Winograd, N. Single-Cell Lipidomics: Characterizing and Imaging Lipids on the Surface of Individual Aplysia californica Neurons with Cluster Secondary Ion Mass Spectrometry. Analytical Chemistry. 85 (4), 2231-2238 (2013).
  7. Passarelli, M. K., et al. Single-Cell Analysis: Visualizing Pharmaceutical and Metabolite Uptake in Cells with Label-Free 3D Mass Spectrometry Imaging. Analytical Chemistry. 87 (13), 6696-6702 (2015).
  8. Ostrowski, S. G., Kurczy, M. E., Roddy, T. P., Winograd, N., Ewing, A. G. Secondary Ion MS Imaging To Relatively Quantify Cholesterol in the Membranes of Individual Cells from Differentially Treated Populations. Analytical Chemistry. 79 (10), 3554-3560 (2007).
  9. Ibáñez, A. J., et al. Mass spectrometry-based metabolomics of single yeast cells. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 110 (22), 8790-8794 (2013).
  10. Lanni, E. J., Rubakhin, S. S., Sweedler, J. V. Mass spectrometry imaging and profiling of single cells. Journal of Proteomics. 75 (16), 5036-5051 (2012).
  11. Ong, T. -H., Tillmaand, E. G., Makurath, M., Rubakhin, S. S., Sweedler, J. V. Mass spectrometry-based characterization of endogenous peptides and metabolites in small volume samples. Biochimica et biophysica acta. 1854 (7), 732-740 (2015).
  12. Yang, Y., Huang, Y., Wu, J., Liu, N., Deng, J., Luan, T. Single-cell analysis by ambient mass spectrometry. TrAC Trends in Analytical Chemistry. 90, 14-26 (2017).
  13. Sims, C. E., Allbritton, N. L. Analysis of single mammalian cells on-chip. Lab on a Chip. 7 (4), 423-440 (2007).
  14. Mizuno, H., Tsuyama, N., Harada, T., Masujima, T. Live single-cell video-mass spectrometry for cellular and subcellular molecular detection and cell classification. Journal of Mass Spectrometry. 43 (12), 1692-1700 (2008).
  15. Fujii, T., et al. Direct metabolomics for plant cells by live single-cell mass spectrometry. Nature Protocols. 10, 1445(2015).
  16. Esaki, T., Masujima, T. Fluorescence Probing Live Single-cell Mass Spectrometry for Direct Analysis of Organelle Metabolism. Analytical Sciences. 31 (12), 1211-1213 (2015).
  17. Tsuyama, N., Mizuno, H., Tokunaga, E., Masujima, T. Live Single-Cell Molecular Analysis by Video-Mass Spectrometry. Analytical Sciences. 24 (5), 559-561 (2008).
  18. Mizuno, N., Harada, T., Masujima, T., T, H. Live single-cell video-mass spectrometry for cellular and subcellular molecular detection and cell classification. Journal of Mass Spectrometry. , (2008).
  19. Phelps, M., Hamilton, J., Verbeck, G. F. Nanomanipulation-coupled nanospray mass spectrometry as an approach for single cell analysis. Review of Scientific Instruments. 85 (12), 124101(2014).
  20. Phelps, M. S., Verbeck, G. F. A lipidomics demonstration of the importance of single cell analysis. Analytical Methods. 7 (9), 3668-3670 (2015).
  21. Pan, N., Rao, W., Kothapalli, N. R., Liu, R., Burgett, A. W. G., Yang, Z. The Single-Probe: A Miniaturized Multifunctional Device for Single Cell Mass Spectrometry Analysis. Analytical Chemistry. 86 (19), 9376-9380 (2014).
  22. Gong, X., et al. Single Cell Analysis with Probe ESI-Mass Spectrometry: Detection of Metabolites at Cellular and Subcellular Levels. Analytical Chemistry. 86 (8), 3809-3816 (2014).
  23. Lorenzo Tejedor, M., Mizuno, H., Tsuyama, N., Harada, T., Masujima, T. In Situ Molecular Analysis of Plant Tissues by Live Single-Cell Mass Spectrometry. Analytical Chemistry. 84 (12), 5221-5228 (2012).
  24. Shimizu, T., et al. Live Single-Cell Plant Hormone Analysis by Video-Mass Spectrometry. Plant and Cell Physiology. 56 (7), 1287-1296 (2015).
  25. Yamamoto, K., et al. Cell-specific localization of alkaloids in Catharanthus roseus stem tissue measured with Imaging MS and Single-cell MS. Proceedings of the National Academy of Sciences. 113 (14), 3891(2016).
  26. Date, S., Mizuno, H., Tsuyama, N., Harada, T., Masujima, T. Direct Drug Metabolism Monitoring in a Live Single Hepatic Cell by Video Mass Spectrometry. Analytical Sciences. 28 (3), 201(2012).
  27. Hiyama, E., et al. Direct Lipido-Metabolomics of Single Floating Cells for Analysis of Circulating Tumor Cells by Live Single-cell Mass Spectrometry. Analytical Sciences. 31 (12), 1215-1217 (2015).
  28. Masuda, K., Abouleila, Y., Ali, A., Yanagida, T., Masujima, T. Live Single-Cell Mass Spectrometry (LSC-MS) for Plant Metabolomics. BT - Plant Metabolomics: Methods and Protocols. , 269-282 (2018).
  29. Ferreira, C. R., Eberlin, L. S., Hallett, J. E., Cooks, R. G. Single oocyte and single embryo lipid analysis by desorption electrospray ionization mass spectrometry. Journal of Mass Spectrometry. 47 (1), 29-33 (2012).
  30. Ferreira, C. R., Pirro, V., Eberlin, L. S., Hallett, J. E., Cooks, R. G. Developmental phases of individual mouse preimplantation embryos characterized by lipid signatures using desorption electrospray ionization mass spectrometry. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 404 (10), 2915-2926 (2012).
  31. Lee, J. K., Jansson, E. T., Nam, H. G., Zare, R. N. High-Resolution Live-Cell Imaging and Analysis by Laser Desorption/Ionization Droplet Delivery Mass Spectrometry. Analytical Chemistry. 88 (10), 5453-5461 (2016).
  32. Bergman, H. -M., Lanekoff, I. Profiling and quantifying endogenous molecules in single cells using nano-DESI MS. Analyst. 142 (19), 3639-3647 (2017).
  33. Yin, L., Zhang, Z., Liu, Y., Gao, Y., Gu, J. Recent advances in single-cell analysis by mass spectrometry. Analyst. 144 (3), 824-845 (2019).
  34. González-Serrano, A. F., et al. Desorption Electrospray Ionization Mass Spectrometry Reveals Lipid Metabolism of Individual Oocytes and Embryos. PLoS ONE. 8 (9), e74981(2013).
  35. Liu, Y., et al. Study on Variation of Lipids during Different Growth Phases of Living Cyanobacteria Using Easy Ambient Sonic-Spray Ionization Mass Spectrometry. Analytical Chemistry. 86 (14), 7096-7102 (2014).
  36. Shrestha, B., et al. Subcellular Metabolite and Lipid Analysis of Xenopus laevis Eggs by LAESI Mass Spectrometry. PLoS ONE. 9 (12), e115173(2014).
  37. Stolee, J. A., Shrestha, B., Mengistu, G., Vertes, A. Observation of Subcellular Metabolite Gradients in Single Cells by Laser Ablation Electrospray Ionization Mass Spectrometry. Angewandte Chemie International Edition. 51 (41), 10386-10389 (2012).
  38. Zhang, L., et al. In Situ metabolic analysis of single plant cells by capillary microsampling and electrospray ionization mass spectrometry with ion mobility separation. Analyst. 139 (20), 5079-5085 (2014).
  39. Shrestha, B., Nemes, P., Vertes, A. Ablation and analysis of small cell populations and single cells by consecutive laser pulses. Applied Physics A. 101 (1), 121-126 (2010).
  40. Stolee, J. A., Vertes, A. Toward Single-Cell Analysis by Plume Collimation in Laser Ablation Electrospray Ionization Mass Spectrometry. Analytical Chemistry. 85 (7), 3592-3598 (2013).
  41. Zhang, L., Vertes, A. Single-Cell Mass Spectrometry Approaches to Explore Cellular Heterogeneity. Angewandte Chemie International Edition. 57 (17), 4466-4477 (2018).
  42. Onjiko, R. M., Moody, S. A., Nemes, P. Single-cell mass spectrometry reveals small molecules that affect cell fates in the 16-cell embryo. Proceedings of the National Academy of Sciences. 112 (21), 6545 LP-6550 (2015).
  43. Liu, R., Pan, N., Zhu, Y., Yang, Z. T-Probe: An Integrated Microscale Device for Online In Situ Single Cell Analysis and Metabolic Profiling Using Mass Spectrometry. Analytical Chemistry. 90 (18), 11078-11085 (2018).
  44. Pan, N., Rao, W., Standke, S. J., Yang, Z. Using Dicationic Ion-Pairing Compounds To Enhance the Single Cell Mass Spectrometry Analysis Using the Single-Probe: A Microscale Sampling and Ionization Device. Analytical Chemistry. 88 (13), 6812-6819 (2016).
  45. Sun, M., Tian, X., Yang, Z. Microscale Mass Spectrometry Analysis of Extracellular Metabolites in Live Multicellular Tumor Spheroids. Analytical Chemistry. 89 (17), 9069-9076 (2017).
  46. Standke, S. J., Colby, D. H., Bensen, R. C., Burgett, A. W. G., Yang, Z. Mass Spectrometry Measurement of Single Suspended Cells Using a Combined Cell Manipulation System and a Single-Probe Device. Analytical Chemistry. 91 (3), 1738-1742 (2019).
  47. Rao, W., Pan, N., Yang, Z. High Resolution Tissue Imaging Using the Single-probe Mass Spectrometry under Ambient Conditions. Journal of The American Society for Mass Spectrometry. 26 (6), 986-993 (2015).
  48. Rao, W., Pan, N., Yang, Z. Applications of the Single-probe: Mass Spectrometry Imaging and Single Cell Analysis under Ambient Conditions. Journal of Visualized Experiments. (112), 53911(2016).
  49. Rao, W., Pan, N., Tian, X., Yang, Z. High-Resolution Ambient MS Imaging of Negative Ions in Positive Ion Mode: Using Dicationic Reagents with the Single-Probe. Journal of the American Society for Mass Spectrometry. 27 (1), 124-134 (2016).
  50. Liu, R., Zhang, G., Yang, Z. Towards rapid prediction of drug-resistant cancer cell phenotypes: single cell mass spectrometry combined with machine learning. Chemical Communications. 55 (5), 616-619 (2019).
  51. Sun, M., Yang, Z. Metabolomic Studies of Live Single Cancer Stem Cells Using Mass Spectrometry. Analytical Chemistry. 91 (3), 2384-2391 (2019).
  52. Tian, X., Zhang, G., Shao, Y., Yang, Z. Towards enhanced metabolomic data analysis of mass spectrometry image: Multivariate Curve Resolution and Machine Learning. Analytica Chimica Acta. 1037, 211-219 (2018).
  53. Hu, P., Zhang, W., Xin, H., Deng, G. Single Cell Isolation and Analysis. Frontiers in Cell and Developmental Biology. 4, 116(2016).
  54. Wu, C., Wu, P., Zhao, H., Liu, W., Li, W. Clinical Applications of and Challenges in Single-Cell Analysis of Circulating Tumor Cells. DNA and Cell Biology. 37 (2), 78-89 (2017).
  55. Schober, Y., Guenther, S., Spengler, B., Römpp, A. Single Cell Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization Mass Spectrometry Imaging. Analytical Chemistry. 84 (15), 6293-6297 (2012).
  56. Pulfer, M., Murphy, R. C. Electrospray mass spectrometry of phospholipids. Mass Spectrometry Reviews. 22 (5), 332-364 (2003).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Single Cell Mass SpectrometryCell Manipulation SystemSingle Probe SCMSSuspension Cell AnalysisMass Spectrometry AnalysisIntracellular Metabolite DetectionNanoelectrospray IonizationPatient Derived CellsDrug QuantificationCellular Heterogeneity

Related Articles