Here, we present protocols to perform both ambient mass spectrometry imaging (MSI) of tissues and in-situ live single cell MS (SCMS) analysis using the single-probe, which is a miniaturized multifunctional device for MS analysis.
Mass spectrometry imaging (MSI) and in-situ single cell mass spectrometry (SCMS) analysis under ambient conditions are two emerging fields with great potential for the detailed mass spectrometry (MS) analysis of biomolecules from biological samples. The single-probe, a miniaturized device with integrated sampling and ionization capabilities, is capable of performing both ambient MSI and in-situ SCMS analysis. For ambient MSI, the single-probe uses surface micro-extraction to continually conduct MS analysis of the sample, and this technique allows the creation of MS images with high spatial resolution (8.5 µm) from biological samples such as mouse brain and kidney sections. Ambient MSI has the advantage that little to no sample preparation is needed before the analysis, which reduces the amount of potential artifacts present in data acquisition and allows a more representative analysis of the sample to be acquired. For in-situ SCMS, the single-probe tip can be directly inserted into live eukaryotic cells such as HeLa cells, due to the small sampling tip size (< 10 µm), and this technique is capable of detecting a wide range of metabolites inside individual cells at near real-time. SCMS enables a greater sensitivity and accuracy of chemical information to be acquired at the single cell level, which could improve our understanding of biological processes at a more fundamental level than previously possible. The single-probe device can be potentially coupled with a variety of mass spectrometers for broad ranges of MSI and SCMS studies.
Mass spectrometry imaging (MSI) is a relatively new molecular imaging technique to provide the spatial distribution of the compounds of interest on surfaces. During the MSI analysis, mass spectrometry (MS) measurements are recorded across the surface on an individual pixel basis to create a 2D image of the species of interest 1. MSI techniques have the ability to provide a spatially resolved feature distribution for a large range of metabolites, allowing a much greater amount of information to be obtained from a sample than from using traditional molecular imaging techniques, and they have the potential to greatly improve the analysis of biological samples for biological and pharmacology studies 2. MSI can be broadly separated into non-ambient and ambient approaches. The non-ambient MSI analysis techniques, such as matrix assisted laser desorption ionization (MALDI) MS 3 and time of flight secondary ion MS (ToF SIMS) 4, are capable of high spatial resolution (around 5 µm and 100 nm, respectively) and high sensitivity. However, these methods require extensive sample preparation, such as the application of matrix molecules to the sample surface, and a vacuum sampling environment, which could introduce artifacts to the data obtained. Ambient techniques such as desorption electrospray ionization (DESI) MS 5, laser ablation electrospray ionization (LAESI) MS 6, and nano-DESI MS 7 are capable of MSI of samples with little to no prior preparation under the ambient environment, which is able to produce MS images that potentially reflect the sample in its most native state. However, most of these techniques generally lack the high spatial resolution and detection sensitivity compared with the non-ambient techniques, with experiments typically conducted at around 150 µm per pixel 8.
Single cell analysis (SCA) is a growing field that has the ability to characterize the chemical composition of biological samples at the cellular level. SCA enables the analysis of biological systems at a more fundamental level than traditional cell analysis techniques, which produce an averaged result of a population of cells, potentially providing insights that are previously intractable 9. MS techniques have recently been applied to SCA (termed single cell mass spectrometry or SCMS) using non-ambient techniques such as MALDI MS 10 and ToF SIMS 11 in which cells are pretreated before analysis, and with ambient techniques such as LAESI MS 12 and direct extraction methods, such as live single-cell video-MS 13, 14, to analyze a wide variety of cell types such as egg, plant, and cancer. Ambient techniques have the advantage of being applied to live cells, which again minimizes the artifacts, leading to a better representation of the metabolites in the live cells. The direct extraction based methods described above, however, perform the sample extraction and analysis process at two different steps, which result in a time gap during the analysis that could potentially alter the metabolites present within the sample.
The single-probe, a miniaturized multifunctional device that is capable of conducting high spatial resolution ambient MSI on biological tissue sections 15 and near real-time in-situ SCMS on live single cells 16. The single-probe has an integrated construction that is made up of a pulled dual-bore quartz capillary coupled with a solvent providing inlet and a nano-ESI emitter made from fused silica capillaries, enabling solvent delivery and analyte extraction to be performed from a single device. In the ambient MSI mode, the single-probe is placed over the sample tissue and surface micro-extraction occurs, allowing a rastered MS image to be made at high spatial resolution. Particularly, the tapered tip of the single-probe is small enough to be inserted into live eukaryotic cells for in-situ SCMS analysis, where the metabolite detection takes less than two seconds between probe insertion and MS detection, allowing chemical information to be taken in near real-time. Here are the protocols to fabricate the single-probe device and to conduct both the ambient MSI and SCMS modes using the single-probe MS techniques.
The-בדיקה האחת היא מכשיר רב תכליתי, שניתן להשתמש בם עבור שני ניסויי MSI ו- SCMS. ההתקנה חד הבדיקה (כולל מערכות במת תרגום, מיקרוסקופים, מקורב ממשק מקור יון, וכו ') נועדה לשמש מרכיב הרחבה כי ניתן להתאים בגמישות ספקטרומטר המסה הקיימת. חילופי דברים מהירים בין התקנה חד החללית לבין מקור יון ESI קונבנציונלי יכול להיות מושלם בתוך דקה אחת. באופן עקרוני, באמצעות מקורבות הממשק המתאימות יון המקור, ההתקנה חד הבדיקה יכולה להיות מותאמת לכל ספקטרומטרים המוני אחרים. בנוסף, ממס הדגימה המכיל מגוון של חומרים כימיים ניתן להשתמש עם ההתקנה יחידה בדיקה לניסויי MSI ו- SCMS תגובתי, אשר משפרת באופן משמעותי האיתור של טווח רחב של ביומולקולות. בנוסף לרקמות חית שורות תאים, את החללית היחידה היא גם מסוגלת לנתח מערכות ביולוגיות אחרות כגון צמחים. לכן, עם אותה התקנה ניסיונית ואימון משתמש דומה, מגוון רחב של מחקרים יכול להתבצע באמצעות מכשיר יחיד על ידי אותם משתמשים, המאפשר ניסויים יעילים צדדיים כדי להיות מושלמים עם זמן ההכשרה המינימאלי ועלות מכשור.
המרכיב העיקרי של הטכניקה MS חד החללית היא החללית עצמה. איכות-בדיקה אחת יש השפעה משמעותית על תוצאות הפעילות שלה, אשר קובע במידה רבה את איכות הן ניסויים MSI ו- SCMS. כאשר בודה-בדיקות יחידות, לוודא כי הנימים הפנימיות של הצינורות הכפולים הנישאים מודבקות היטב לחסל את הסיכוי של דליפה ממסה במהלך הניסויים. זה קריטי כדי להשתמש במינימום של אפוקסי לריפוי UV, כך הנקבים והנימים אינם סתומים במהלך ייצור הבדיקה.
הסינגל-החללית נעשה שימוש כדי לנהל MSI הסביבה ברזולוציה מרחבית גבוהה המונית על דגימות ביולוגיות 15. היתרון העיקרי של סביבת MSI עלשיטות שאינן סביבה היא כי הכנת מדגם נשמרת לכל הפחות ללא צורך בסביבת דגימת ואקום, מאפשר מדגם להיות מנותחים במצב 8 יליד קרוב. אחד המכשולים העיקריים עבור טכניקת סביבת MSI ביותר האחרת כבר חוסר של רזולוצית מרחבית 1. בהשוואת desorption המבוסס MSI טכניקות (כגון דסי ו LAESI), בגודל טיפ הקטן של-הבדיקה היחידה מאפשר שאיבת מייקרו נוזלי משטח חזקה יותר ויעילה להתבצע על פני שטח קטן, שתוביל לפתרון מרחבית גבוה של 8.5 מיקרומטר, אשר הוא בין אלה הגבוהים ביותר מושגת באמצעות טכניקות MSI סביבת 15. בנוסף, התאמת הרכיבים של ממס הדגימה מספק גמישות נוספת כדי לבצע את הניסויים. לדוגמא, דגימת ממסים המכילים חומרים כימיים (למשל, תרכובות dicationic) שמשה לביצוע ניסויי MSI תגובתי, המאפשר גידול משמעותי במספר מטבוליטים PE המזוהיםr ניסוי 20. היתרון השני של-הבדיקה אחת הוא העיצוב המשולב, אשר מספק את קלות התפעול במהלך תהליך רכישת נתונים כולו. בגלל המרחק בין קצה משטח רקמות רגיש מאוד עבור עוצמת אות יון ויציבות, קבלת קטע רקמה שטוחה וניצוח משטח משטחת התאמה כדי למזער את שונות המרחק הוא מפתח לניסויי MSI באיכות גבוהה. מכאן נובע כי טכניקות MSI חד החלליות אינן מתאימות כדי להשיג תמונות MS מרחבית גבוהות של משטחים לא ישרים.
בנוסף בודה בדיקה באיכות גבוהה, בזהירות כוונון כלי חיוני עבור ניסוי MSI מוצלח. בין כל שלבי הכוונון, התאמת גובה הטיפ חד החללי מעל פני קטע הרקמה היא אחד הקריטי ביותר. כאשר התאמת גובה הבדיקה, לשאוב ממס הדגימה ולהדליק את מתח היינון, כך אותות יון רקע הממס רק יכולים להיות observed. ולאחר מכן לעקוב אחר השינוי של הספקטרום ההמוני תוך בחינה זהירה צמצום המרחק-פני בדיקה על ידי הרמת Z-הבמה מהמונע עד אותות יון חזקים ויציבה מן קטע רקמה ניתן לצפות; גובה בדיקה זו תשמש לאיסוף נתונים MSI במהלך הניסוי. בנוסף, קצב זרימה ממס אופטימיזציה חיוני ניסויי MSI. התאם את קצב הזרימה עם גובה הבדיקה המותאמת. ודאו שאין התפשטות ממיס על פני שטח הרקמות (כלומר, קצב זרימה הוא גבוה מדי) או היווצרות בועה בתוך פולט ננו-ESI (כלומר, קצב זרימה נמוך מדי).
The-בדיקה האחת היא מכשיר רב תכליתי עבור bioanalysis. בנוסף ניסויים MSI, הוא מסוגל לנהל כמעט בזמן אמת ב- situ SCMS להבהיר מידע כימי מפורט מתאי איקריוטיים חי 16, וזה יתרון גדול לעומת ואקום אחרים טכניקות SCMS מבוסס (כגון MALDI 10 ו SIMS 21 </sup>). גדליו הקטנים של הקצה החללי מספקים את היכולת להיות מוכנס לתוך תא אוקריוטים חיים ולמיצוי ליינן התרכובות התאיות לניתוח MS מיידי. באופן דומה, ממסי הדגימה המכילים חומרים כימיים (למשל, תרכובות dicationic) יכולים לשמש בניסויי SCMS, ומגוון רחב של מרכיבים הסלולר ניתן לאתר בתא בודד חי מאשר אי פעם בעבר (מחקר מתמשך, נתונים אינם מוצגים). למרות שהניתוח בזמן האמת יספק את הפרופילים הכימיים של תאי בודדים חיים, בגלל החדירה לתא של קרום וסחיטת תוכן סלולארי, התא תחת החקירה ייהרג לאחר הניסוי, רומז כי טכניקת SCMS חד החללית נמצאת כעת עדיין שיטה הרסנית. בנוסף, את הקצה החללי הפולט ננו-ESI ב-הבדיקה האחת יכולים להיות סתומים בקלות עבור משתמשים לא מנוסים. כדי להקטין את הסיכוי של סתימת המכשיר, להבטיח כדי להימנע ממגע הגרעין כאשר הכנסת קצה חד החללית לתוך cell. אם סתימה מתרחשת, המכשיר יכול להיות מחדש על ידי מתחמם את הקצה החללי הסתום או ננו-ESI פולט באמצעות סליל חימום מהרכבת 16. מגבלה נוספת של הטכניקה SCMS חד החללית היא שתאי דבק בלבד (כלומר, תאים המחוברים משטחים) ניתן לנתח באמצעות תוכנית ההתקנה הנוכחית. עם זאת, על ידי שילוב מערכת מניפולצית תא לתוך מנגנון MS חד החללי, סוגים רחבים יותר של תא יכולים להיחקר בעתיד.
בדומה לניסוי MSI, קבלת בדיקה באיכות גבוהה ושער זרימת ממס אופטימיזציה הוא קריטי עבור מחקרי SCMS. כאשר כוונון קצב הזרימה הממס, הקצה חד החללי ממוקם מעל המדגם (כלומר, ללא מגע עם המדיום הסלולרי או תרבות), ולוודא כי אין מטפטף ממס מקצה הבדיקה או היווצרות בועה בתוך ננו-ESI פולט.
The authors have nothing to disclose.
The authors would like to thank Dr. Laskin (the Pacific Northwest National Laboratory) for sharing the motorized stage control software and MSI visualization program. We also thank Dr. Mao (the University of Oklahoma) for providing mouse organ samples and Mr. Chad E. Cunningham (the University of Oklahoma) for the assistance in machining and electronics work. This research was supported by grants from the Research Council of the University of Oklahoma Norman Campus, the American Society for Mass Spectrometry Research Award (sponsored by Waters Corporation), Oklahoma Center for the Advancement of Science and Technology (Grant HR 14-152), and National Institutes of Health (R01GM116116).
Single-probe fabrication | |||
Dual bore quartz tubing, 1.120’’×0.005”×12” | Friedrich & Dimmock, Inc, Millville, NJ | MBT-005-020-2Q | |
Micropipette laser puller | Sutter Instrument Co., Novato, CA | Model P-2000 | |
Fused silica capillary, ID: 40µm, OD: 110µm | Molex, Lisle, IL | TSP040105 | |
UV curing resin | Prime Dental, Prime-Dent, Chicago, IL, USA | Item No. 006.030 | |
LED UV lamp | Foshan Liang Ya Dental Equipment, Guangdong, China | LY-C240 | |
Epoxy resin | Devcon, Danvers, MA | Part No. 20945 | |
Inline MicroFilter | IDEX Health & Science LLC, Lake Forest, IL | M-520 | |
Microunion | IDEX Health & Science LLC, Lake Forest, IL | M-539 | |
Microscope slide (glass) | C & A Scientific – Premiere, Manassas, VA | 9105 | |
Syringe | Hamilton, Reno, NV | 1725LTN 250UL | |
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Mass spectrometer | |||
LTQ Orbitrap Mass sprectrometer | Thermo Fisher Scientific, Inc., Waltham, MA | LTQ Orbitrap XL | |
Xcalibur 2.1 Software | Thermo Fisher Scientific, Inc., Waltham, MA | XCALIBUR21 | |
Fance Stage Control | Pacific Northwest National Laboratory, Richland, WA | ||
MSI QuickView | Pacific Northwest National Laboratory, Richland, WA | ||
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Contact closure device | |||
USB-6009 Multifunction DAQ | National Instruments, Austin, TX | 779026-01 | |
DR-5V SDS Relay | Panasonic, Kadoma, Japan | DR-SDS-5 | |
Logic Gates 50 Ohm Line Driver | Texas Instruments, Dallas, TX | SN74128N | |
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Single-probe setup | |||
Motorized linear stage and controller (3 sets) | Newport, Irvine, CA | Conex-MFACC | |
Miniature XYZ stage | Newport, Irvine, CA | MT-XYZ | |
Translation XY stage | ThorLab, Newton, NJ | PT1 and PT102 | |
Thermo LTQ XL ion source interface flange | New Objective, Woburn, MA | PV5500 | |
Digital stereo microscope, 250X-2000X | Shenzhen D&F Co., Shenzhen, China | Supereyes T004 | |
USB Digital Photography Microscope | DX.com, HongKong, China | S02 25~500X | |
Syringe pump | Chemyx Inc., Stafford, TX | Nexus 3000 | |
Solid Aluminum Optical Breadboard, 8" x 8" x 1/2" | Thorlabs, Newton, NJ | MB810 | |
Flexible clamp holder | Siskiyou, Grants Pass, OR | MXB-3h | |
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Solvents | |||
Methol | Sigma-Aldrich, St. Louis, MO | 34860 Chromasolv | |
Water | Sigma-Aldrich, St. Louis, MO | W4502 | |
Acetonitrile | Sigma-Aldrich, St. Louis, MO | 34967 Chromasolv | |
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Cell culture | |||
Dulbecco’s Modified Eagle’s Medium (DMEM) | Cellgro, Manasas, VA | 10-013-CV | |
10% heat-inactivated fetal bovine serum (FBS) | Gibco/Life Technologies, Long Island, NY | 10100-139 | |
Penicillin/Streptomycin | Cellgro, Manasas, VA | 30-002-CI | |
10 mM HEPES (pH 7.4) | Cellgro, Manasas, VA | 25-060-CI | |
Phosphate Buffered Saline (PBS) | Cellgro, Manasas, VA | 46-013-CM | |
TrypLE Express | Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA | 12604-013 | |
12-well plates | Corning Inc., Corning, NY | Falcon 351143 | |
T25 flask | Corning Inc., Corning, NY | Falcon 3055 | |
Micro Cover Glasses, Round, No. 1 | VWR International, Radnor, PA | 48380-046 | |
DMSO (Dimethyl Sulfoxide) | VWR International, Radnor, PA | BDH1115-1LP | |
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Tissue imaging | |||
Cyro-Cut Microtome | American Optical Coporation | ||
Tissue-Tek, Optimum cutting temperature (OCT) | Sakura Finetek Inc., Torrance, CA | 4583 | |
Microscope slide (polycarbonate ) | Science Supply Solutions, Elk Grove Village, IL | P11011P |