우리는 공간적으로 분해된 대사 및 생화학적 분석을 위해 동일한 조직 절편에 질량 분석 이미징(MSI)과 중적외선(MIR) 이미징을 통합하는 다중 모드 공간 대사체학 워크플로를 제시합니다.
방법 논문
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우리는 공간적으로 분해된 대사 및 생화학적 분석을 위해 동일한 조직 절편에 질량 분석 이미징(MSI)과 중적외선(MIR) 이미징을 통합하는 다중 모드 공간 대사체학 워크플로를 제시합니다.
공간 대사체학은 조직, 기관, 심지어 단일 세포 내에서 대사산물의 분포를 매핑하기 위해 빠르게 발전하는 분야입니다. 이 접근 방식은 생물학적 시스템의 생화학적 이질성을 이해하는 데 중요한 맥락 대사 정보를 제공합니다. 중적외선(MIR) 이미징 및 질량 분석 이미징(MSI)은 공간 대사체학을 위한 강력한 접근 방식으로 등장했으며 각각 고유하고 보완적인 이점을 제공합니다. 이 연구에서는 실험 절차, 이미징 공동 등록, 데이터 통합 및 생물정보학 분석을 포함하여 동일한 조직 절편에서 MIR 이미징 및 매트릭스 보조 레이저 탈착 이온화 MSI(MALDI-MSI)를 수행하기 위한 워크플로를 제시합니다. MIR 이미징은 업스트림 양식으로 사용되어 조직의 비파괴 생화학적 분석을 허용합니다. 그 후, MIR 이미징에서 얻은 공간 정보에 따라 MALDI-MSI용 조직에 매트릭스가 증착됩니다. 이미지는 공동 등록 후 통합되어 Seurat와 같은 고급 생물정보학 도구를 사용하여 다중 모드 공간 대사체학 분석을 가능하게 합니다. MIR 이미징과 MSI의 통합은 공간 대사체학의 혁신적인 발전을 나타내며, 건강과 질병 모두에서 대사 과정의 공간적, 화학적 복잡성을 탐구할 수 있는 전례 없는 기회를 제공합니다. 이러한 다중 모드 접근 방식은 바이오마커 발견, 질병 진단 및 치료법 개발 분야의 혁신을 주도할 수 있는 상당한 잠재력을 가지고 있습니다.
공간 대사체학은 질량 분석 이미징(MSI) 또는 기타 공간적으로 분해된 기술을 대사 분석과 통합하여 대사 분석과 통합하여 대사 산물을 기본 조직 맥락 내에서 매핑하는 것을 포함하며, 조직하, 세포 또는 세포 내 해상도에서 대사에 대한 통찰력을 제공합니다 1,2,3,4,5,6,7,8 . 이러한 이미징 기법 중에서 중적외선(MIR) 현미경은 분자 진동 대비 4,7,9,10,11,12를 기반으로 생체 분자를 화학적으로 매핑하는 능력으로 인해 점점 더 주목을 받고 있습니다. 비파괴, 무표지, 고속, 비용 효율적인 특성 4,7,9,10,11,12 MIR 이미징은 MSI와의 통합에 특히 적합하여 포괄적인 공간 분석을 위한 유망한 다중 모드 접근 방식을 형성합니다.
매트릭스 보조 레이저 탈착 이온화 MSI(MALDI-MSI)는 공간 대사체학에서 가장 널리 사용되는 기술 중 하나입니다(그림 1A)13. 지질, 아미노산, 당, 뉴클레오티드 및 2차 대사산물을 포함한 광범위한 대사산물을 높은 감도로 검출할 수있습니다1. 매트릭스 선택(예: 2,5-디하이드록시벤조산[DHB], 9-아미노아크리딘[9AA] 또는 N-(1-나프틸) 에틸렌디아민 이염산염[NEDC]) 및 이온화 기술(예: 이온화 후 방법)의 발전은 특히 존재도가 낮고 이온화성이 낮은 종에 대한 검출 범위를 더욱 확장했습니다14. 최신 MALDI-MSI 시스템은 공간 분해능 및 사용되는 질량 분석기 유형(예: TOF(Time-of-Flight), Orbitrap 또는 푸리에 변환 이온 사이클로트론 공진[FT-IRC])에 따라 일반적으로 초당 5픽셀에서 50픽셀 범위의 이미징 속도를 지원합니다. 특히, 고속 MALDI-TOF 기기는 초당 100픽셀을 초과하는 속도를 달성하여 몇 시간 이내에 대면적 이미징을 가능하게 했습니다15. MALDI-MSI의 공간 분해능은 일반적으로 5 내지 50 μm 이내이며, 세포 및 세포 내 구조를 분해하기에 충분하다16,17. 그러나 공간 분해능이 높을수록 일반적으로 획득 시간이 길어지고 신호 대 잡음비가 감소하며 데이터 처리 중 계산 요구가 증가합니다.
MSI와 달리 MIR 이미징은 광시야 광학 접근 방식4이므로 본질적으로 비파괴적이고 처리량이 높습니다. 고출력 양자 캐스케이드 레이저(QCL)의 최근 발전으로 이산 주파수 적외선(DFIR) 이미징으로 알려진 새로운 프레임워크가 가능해져 이미징 속도가 비디오 속도까지 크게 향상됩니다(그림 1B)12,18. 또한 QCL 소스는 비냉각식 마이크로볼로미터 검출기를 MIR 이미징에 사용할 수 있게 하여 더 큰 초점면 어레이(FPA) 검출기를 사용할 수 있게 했습니다12. 결과적으로 1cm2 영역에 대한 단일 주파수 MIR 이미지를 셀룰러 해상도(~5μm)로 단 몇 초 만에 획득할 수 있습니다. MIR 이미징은 라벨이 없는 모드와 라벨이 있는 모드 모두에서 작동할 수 있습니다. 이전 연구 4,19,20에서는 다양한 대사 활동의 동역학을 모니터링하기 위해 소형 IR 활성 진동 프로브가 도입되었습니다. 이 프로브는 고유한 MIR 스펙트럼 대역을 통해 전역적인 화학적 변형을 보고함으로써 대사 경로를 실시간으로 추적할 수 있습니다4. 따라서 MIR 이미징은 높은 공간 해상도와 빠른 획득 속도로 정적 생화학적 프로파일링과 동적 대사 모니터링을 모두 제공합니다.
이 원고에서는 MIR 유도 MALDI-MSI 공간 대사체학을 수행하기 위한 포괄적인 워크플로를 소개하여 동일한 표본에서 두 양식을 모두 획득할 수 있는 타당성을 보여줍니다(그림 2, 그림 3). MIR 이미징을 MSI와 통합함으로써 각 기술의 보완적인 강점을 활용하는 다중 모드 접근 방식을 확립합니다. MIR 이미징은 세포 해상도에서 전체 슬라이드에 대한 신속하고 무표지 생화학적 매핑을 제공하여 후속 MSI 획득에서 관심 영역(ROI) 선택을 위한 귀중한 가이드 역할을 합니다. 이 전략은 보다 표적화되고 효율적인 MSI 워크플로우를 가능하게 하여 획득 시간과 비용을 줄이는 동시에 공간 대사체학 데이터의 해석 가능성과 생물학적 관련성을 향상시킵니다. 결과적으로 MSI는 MIR 초분광 이미지에 대한 매우 상세한 분자 주석을 제공하여 조직 생화학에 대한 더 깊은 이해를 가능하게 합니다. 전반적으로 이러한 통합 접근 방식은 바이오마커 발견, 질병 진단 및 치료법 개발을 발전시킬 수 있는 큰 잠재력을 가지고 있습니다.
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이 프로토콜은 푸단대학교 실험동물자원센터의 기관동물관리이용위원회(IACUC)가 승인한 동물실험프로토콜(DSF-2024-004)에 따라 수행됐다.
참고: 이 연구는 동일한 조직 절편에서 MIR 이미징 및 MALDI-MSI를 수행하기 위한 워크플로를 제공합니다. 이 통합 접근 방식에는 실험 절차, 이미지 공동 등록, 데이터 융합 및 다운스트림 생물정보학 분석이 포함됩니다(그림 1C). MIR 이미징은 업스트림 양식으로 활용되어 조직의 비파괴적이고 라벨이 없는 생화학적 매핑을 가능하게 합니다. MIR 이미징의 공간 정보에 따라 MALDI-MSI 획득을 위해 매트릭스가 적용됩니다. 정확한 공동 등록 후 데이터 세트는 다변량 공동 분석을 위해 통합되며(그림 4), 고급 계산 도구를 통해 포괄적인 공간 대사체학을 가능하게 합니다.
1. 샘플 준비
2. 다중 모드 이미지 획득
3. 이미지 데이터 전처리 및 분석
참고: MATLAB 사용자 정의 코드는 보충 파일 1로 업로드됩니다.
4. 다중 모드 이미지 공동 등록 및 공동 분석
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위에서 설명한 다중 모드 공간 대사체학 전략을 검증하기 위해 암의 마우스 모델에서 구현했습니다. 종양 세포는 녹색 형광 단백질(GFP)을 발현하도록 유전자 변형되어 형광 이미징을 통해 종양 부위의 정확한 위치 파악이 가능했습니다. 그림 2A는 "지문 영역"으로 알려진 950-1800cm-1의 스펙트럼 범위를 가진 무표지 QCL-MIR 이미징 결과를 보여줍니다. 대표적인 MIR 밴드는 P=O 스트레칭 (1240 cm-1, 핵산 및 인산염 지질), Amide II (1550 cm-1, 단백질), Amide I (1650 cm-1, 단백질) 및 에스테르 C=O 스트레칭 (1740 cm-1, 글리세로지질)과 같은 도 2A에 표시된다.
GFP 형광 신호는 종양 영역의 공간적 대응을 평가...
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여기에서는 MSI와 MIR 이미징을 통합하여 동일한 표본에 대해 고처리량, 분자 특이적 대사 프로파일링을 가능하게 하는 다중 모드 공간 대사체학 전략을 제시합니다. MIR 이미징은 분자 진동을 기반으로 라벨이 없는 비파괴 화학 매핑을 가능하게 하여 상세한 구조 및 작용기 정보를 제공합니다. 대조적으로, MSI는 대사산물 식별 및 정량화에 대한 높은 민감도와 특이성을 제공하여 대사체학 연구의 초석으로 자리매김했습니다. 이 두 가지 양식을 통합함으로써 MIR 이미징의 화학적 특이성과 MSI의 분자 정밀도의 상호 보완적인 강점을 활용하여 대사 이질성에 대한 보다 포괄적인 이해를 제공할 수 있습니다.
제안된 다중 모드 플랫폼의 주요 이점은 표적 MSI 획득을 위해 공간적으로 분해된 관심 영역(ROI) 식별을 수행할 수 있다는 것입니다. 고처리량 MIR 이미징은 ROI 선택을 안내하는 신속하고 라벨이 없는 비침습적 양식 역할을 ...
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MALDI2-MSI 이미징에 대한 지원을 해준 Westlake University의 Yilong Zou 박사와 QCL 기반 MIR 이미징에 대한 지원을 해준 Bruker Scientific Technology Co., Ltd. 상하이 사무소에 감사드립니다. 또한 KrasLSL-G12D/+ Tp53fl/fl Rb1fl/fl ZsgreenLSL 마우스를 친절하게 제공해 주신 Huazhong University of Science and Technology의 Shuguo Sun 박사에게 감사드립니다. 이 연구는 비전염성 만성 질환-국가 과학 기술 전공 프로그램(2023ZD0500400 to L.S., G. W. 및 D. Y.), 중국 국가 자연 과학 재단(No. 22377016 to LS), Fudan University 및 Cao'ejiang 기초 연구 기금(No. 24FCA08 to LS)의 보조금으로 지원됩니다. 또한 푸단 대학교 상하이 의과대학의 핵심 시설에도 감사드립니다.
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| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 4% 파라포름알데히드, 조직 고정액 | Sangon Biotech | E672002 | |
| 소 혈청 알부 | 민 Sigma Aldrich | 126615 | |
| C57BL/6JNifdc 마우스 | Charles River | 219 | |
| CaF2 슬라이드 | Crystran | CAFP25-1 | |
| Cryostat 마이크로톰 | Dakewe Biotech | CT520 | |
| Cytospec | Peter Lasch | 버전 2.10.01 | 기준선 보정, 정규화, 이미지 생성 및 초분광 분석을 포함한 MIR 데이터 분석을 위한 소프트웨어입니다. |
| DPBS 버퍼 | 피셔 사이언티픽 | 14-190-250 | |
| 태아 소 혈청 | Gibco | 10270106 | |
| 동결 건조기 | LABCONCO | FreeZone | |
| 젤라틴 | Sigma-Aldrich | G1890 | Type A, 돼지 피부 |
| HBSS 완충액 | Sangon Biotech | 에서 추출; A003210 | |
| 고포도당 DMEM | ThermoFisher Scientific | 10564011 | |
| 기준선 보정, 정규화, 이미지 생성 및 초분광 분석을 포함한 MIR 데이터 분석을 위한 | Matlab | MathWorks | Matlab R2024a |
| 매트릭스 보조 레이저 탈착 이온화 질량 분석 이미징(MALDI-MSI) 시스템 | Bruker Daltonics GmbH | timsTOF fleX MALDI-2 | |
| 메탄올 | 시노팜 화학 시약 | 10014108 | |
| mMass | 충학 연구소, 체코 과학 아카데미 생물학 센터, 체코 공화국 | 버전 5.5.0 | MSI 데이터 분석용 소프트웨어. 전처리를 위해 원시 MSI 데이터를 SCILS Lab으로 가져옵니다. 상대 강도 0.01%> mMass 단위로 피크 피킹을 수행합니다. |
| N-(1-나프틸) 에틸렌디아민 디하이드로클로라이드(NEDC) 매트릭스 | 시그마 알드리치 | 222488 | |
| 페니실린-스트렙토마이신 | 써모피셔 사이언티픽 | 15140122 | |
| 양자 캐스케이드 레이저 중적외선(QCL-MIR) 현미경 | Bruker Optics GmbH | LUMOS II ILIM | |
| 적린 | Sigma-Aldrich | 8.0727 | |
| SCiLS Lab | Bruker Daltonics | SCiLS Lab 2024b | MSI 데이터 분석용 소프트웨어. 전처리를 위해 원시 MSI 데이터를 SCILS Lab으로 가져옵니다. 상대 강도 0.01%> mMass 단위로 피크 피킹을 수행합니다. |
| 분무기 | HTX Technologies | TM | |
| 트립신, 0.25% EDTA | ThermoFisher Scientific | C25200072 |
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