MALDI質譜成像首次用於單細胞3D化學成像

2020-12-06 儀器信息網

近日，美國愛荷華州立大學的研究人員，用高空間解析度基質輔助雷射解吸電離（MALDI）- 質譜成像（MSI）來繪製和可視化了新受精的斑馬魚胚胎單細胞中磷脂類——磷脂醯膽鹼（PC）、磷脂醯乙醇胺（PE）以及磷脂醯肌醇（PI）的三維空間分布。這是MALDI-MSI首次應用於單個細胞的三維化學成像。相關研究成果已經發表在Scientific Reports上。

斑馬魚（Danio rerio）原產於東南亞，是一種小型熱帶觀賞魚。由於體外受精和光學透明，受精斑馬魚胚胎可在發育的所有階段進行觀察和操作。此外，斑馬魚很容易獲得，價格低廉，健壯，易於護理，並且每周可以產下數百個卵。這些獨特的遺傳特點與實驗胚胎優勢相結合，使得斑馬魚成為研究早期發育的理想選擇。

斑馬魚已被廣泛用作脊椎動物系統模型，用於研究脂質代謝、脂質在疾病中的作用以及胚胎發育中的脂質動力學。最近，Fraher等人使用LC-MS法進行脂質組學研究，結果顯示膽固醇、磷脂醯膽鹼（PC）和甘油三酯是斑馬魚胚胎中最豐富的脂質。他們證明，在調動到胚胎體之前，脂質在蛋黃內被加工。電噴霧電離質譜（DESI-MS）也被用於直接的MS分析和單個斑馬魚胚胎中脂質的成像、跨胚胎發育（受精後0,24,48,72和96小時）。研究人員對斑馬魚中的代謝組學和脂質組學研究非常感興趣，因為這些化合物具有關鍵的生物學功能，例如作為能量儲存源、參與細胞信號傳導、並作為細胞膜的必要成分。探索如何調節代謝物和脂質是理解生物系統中發生的生物途徑和發育過程的關鍵。

傳統分析方法研究小代謝物和脂質需要大量的樣品製備、費力的提取、衍生化以及先期對目標化合物的了解。由於樣品製備方案和儀器的發展，質譜成像（MSI）已成為這些研究中廣泛使用的分析工具。MSI可實現生物分子空間分布的二維可視化，而無需提取、純化、分離或標記分析物。此外，單個MSI實驗可以同時檢測許多不同類別的化合物，包括未知物，這使得其可以高解析度和高通量方式直接對生物分子進行細胞或亞細胞作圖。

由於生物學在三維生物體中發生，3D成像對生命科學中的許多挑戰產生了值得注意的影響並不奇怪。最近，使用質譜成像對完整生物分子進行成像已擴展到3D分析，以確定組織樣本、瓊脂平板和3D細胞培養物中的體積分子分布。使用質譜法最常見的3D成像方法包括收集樣品的連續部分，使用傳統的二維質譜成像分別分析每個部分，然後使用計算方法從多個二維集合堆疊和重建最終的3D成像MS數據集等步驟。

美國愛荷華州立大學的研究小組（以下簡稱「研究小組」）開發了高空間解析度的基質輔助雷射解吸電離（MALDI）-MSI，解析度低至5μm，並將其用於植物代謝物的細胞或亞細胞水平成像。在這裡，研究小組利用這種高空間解析度呈現了新受精的個體斑馬魚胚胎的3D MALDI-MSI。這是用MALDI獲得的單個細胞的3D MSI的首次演示，揭示了各種脂質化合物的亞細胞水平定位。

（a）受精斑馬魚胚胎在單細胞階段的奇數編號光學圖像。 （b）PE（22：6-16：0）在m / z 762.509和（c）PI（18：0-20：5）在m / z 883.535處的假彩色二維MALDI-MS圖像。 通過覆蓋所有2D圖像，右側顯示投影圖像。 所有物種均被檢測為去質子化的[M-H] - 。

在此分析中，研究小組通過獲取62個連續橫截面組織切片交替的正離子和負離子模式的MS成像數據，對單個斑馬魚受精卵進行3D MALDI-MSI。這可以對單個細胞中全面的脂質種類進行3D可視化。研究結果顯示，所有三種磷脂類都存在於胚盤內的對稱分布，以及蛋黃的邊界，但每種都顯示出不同的區域；PE顯示在胚盤中心高度豐富的異質亞細胞區域，除了胚盤外，PC分子種類存在於蛋黃內部，而蛋黃中的PE和PI種類大多不存在。另外，還比較了四種不同的歸一化方法以確定當將2D MSI與3D體積重建進行比較時，這些方法中的哪一種可以提供更具代表性的結果。此外，在不同細胞階段（1-，2-，4-，8-和16-細胞階段）獲得胚胎的全掃描MSI和MS / MS，以研究斑馬魚成長早期階段磷脂分布的變化。

TOF-SIMS已報導被用於單個細胞的3D MSI，特別是結合深度剖析作為實現z方向信息的方式。然而，由於顯著的碎裂，可以通過TOF-SIMS分析的高質量化合物主要限於外源性藥物化合物。該研究小組所述的研究工作首次證明高解析度MALDI-MSI可應用於單個細胞的三維化學成像，他們未來的研究將集中在揭示胚胎發育的細節，具有更高的空間解析度和小代謝物的可視化，以及螢光顯微鏡的多模態成像等。

在MALDI質譜成像方面，融智生物於2017年推出QuanTOF質譜成像系統，該系統集合了新一代寬譜定量飛行時間質譜平臺QuanTOF，擁有5,000-10,000Hz長壽命半導體雷射器，自主開發的數據採集軟體。2018年7月，融智生物宣布實現可達500像素/秒的成像速率，提升MALDI-TOF MS成像速率達10倍以上，普通樣本成像只需幾十分鐘，使得質譜成像實現了「立等可取」。 經過進一步的研發，目前QuanTOF質譜成像系統已經實現高達1000像素/秒的成像速率，5-10微米的高空間解析度，且仍然保持了極高的靈敏度，使得質譜成像真正可使用於臨床病理分析、術中分析等應用。


相關焦點

  • 質譜成像:MALDI技術在質譜成像中的應用
    一、質譜成像技術簡介　　成像質譜(IMS)是一種非常靈敏的分子成像技術，可提供組合的分子信息和空間解析度。它允許從組織切片、單細胞或其他物質表面直接鑑定和定位化合物分子。
  • 德國TransMIT AP-SMALDI 10超高解析度質譜成像在生物學研究中的應用
    Spengler教授於1994年在芝加哥舉行的第42屆美國質譜年會(ASMS)上提出了MALDI Ion Imaging和Biological Ion Imaging的概念，即「質譜成像(Mass Spectrometry Imaging)」，並首次把MALDI成像方法用於分析多肽類化合物。
  • 融智生物質譜——讓MALDI質譜成像惠及更廣泛的用戶
    作為質譜領域最具前景的技術之一，質譜成像技術現已經成為儀器廠商、科研院所的重要關注焦點，預測未來市場爭奪也將日益激烈。融智公司是MALDI質譜成像技術方面的後起之秀，目前新推出了其質譜成像系統QuanIMAGE。為提升用戶對質譜成像技術、應用的了解，促進質譜成像技術的推廣應用，儀器信息網特別邀請融智公司對其質譜成像技術、應用等方面進行了講解。
  • 拉曼、質譜、AFM三種成像技術結合用於生物成像
    最近這些年，將振動光譜、質譜和原子力顯微鏡（AFM）成像技術方面的研究逐漸興起,並且發展迅速。這幾種技術在成像應用方面的確非常有潛力，尤其是在生物醫藥領域。來自德國耶拿大學的Thomas Bocklitz博士就致力於將這三項成像技術結合以更好的發揮他們的作用。
  • 國內攻克MALDI-MS檢測難題 發展質譜成像分析新技術
    南京大學化學化工學院鞠熀先教授研究組在質譜成像分析方面取得重大進展，相關成果日前在線發表於Angew. Chem. Int. Ed., DOI: 10.1002/anie.201601096。該成果由14級博士生胡駿傑為第一作者，鞠熀先教授為通訊作者完成。　　質譜技術由於高通量和免標記的優勢，在酶活性分析中得到廣泛關注。
  • MALDI質譜成像分析——殺蟲劑到底對蜜蜂有何影響?
    最早的質譜成像技術是MALDI質譜分子成像技術，是由範德堡大學（Vanderbilt University）的Richard Caprioli等在1997年提出的。如今，作為質譜最年輕的應用，質譜成像技術已經在醫學研究（如癌症病理）、生物學研究（如上述研究所示）、藥物研究（如藥物代謝）等諸多領域顯示了巨大的價值，並得到飛速發展，成為質譜研究的一大熱點。
  • 島津質譜成像技術發展歷史與沿革
    作為質譜領域最具前景的技術之一，質譜成像技術現已經成為儀器廠商、科研院所的重要關注焦點，預測未來市場爭奪也將日益激烈。質譜成像技術中的MALDI技術為島津公司田中耕一(Koichi Tanaka)發明，並獲得了2002年諾貝爾化學獎。在之前技術積累的基礎上，島津公司又在2013年ASMS會議推出其用於質譜成像研究的7090 MALDI-TOF/TOF。
  • 鞠熀先教授團隊攻克MALDI-MS檢測難題 發展質譜成像分析新技術
    南京大學化學化工學院鞠熀先教授研究組在質譜成像分析方面取得重大進展，相關成果日前在線發表於Angew. Chem. Int. Ed., DOI: 10.1002/anie.201601096。該成果由14級博士生胡駿傑為第一作者，鞠熀先教授為通訊作者完成。
  • HTX TM-Sprayer基質噴霧儀:MALDI質譜成像「好搭檔」
    在過去幾十年中，MALDI質譜成像技術已被廣泛應用在生物標誌物發現和藥物研發等多個領域。但是MALDI質譜成像的技術操作中，要獲得高質量、重複性好的質譜結果，並不容易。
  • 質譜成像:沃特世全譜圖分子影像系統介紹
    全譜圖分子影像技術　　全譜圖分子影像系統可用於Xevo G2-XS或SYNAPT G2-Si質譜平臺。如有需要，上述全譜圖分子影像系統完全可作為標準ESI-TOF儀器用於除分子成像之外的其它應用。　　全譜圖分子影像系統可採用的技術包括：　　基質輔助雷射解吸電離(MALDI)成像　　MALDI成像技術利用雷射直接電離法分析化學基質包被樣品中的分子。MALDI成像技術是公認的質譜成像應用標準技術。
  • 布魯克質譜成像之技術-歷程-成就-貢獻
    Chem. 1997; 69:4751–4760)，首次提出了MALDI質譜成像技術。在隨後的20年間，質譜成像技術迅速發展起來。二零零六年，Caprioli教授在Proteomics上，提出了全新的質譜成像策略：即基於超快速MALDI-TOF質譜和超高分辨MALDI FT-ICR質譜的新一代(next-generation)質譜成像技術(Proteomics 2016, 16, 1678–1689)。　　布魯克MALDI質譜成像主要基於兩大類質譜：MALDI-TOF以及MALDI FTICR質譜(圖1)。
  • 蓄勢待發,助推生命科學研究——科瑞恩特、河北師範大學「質譜成像...
    眾多在校碩博生、醫學專家親臨現場，並圍繞質譜成像技術原理及應用進行了分享和交流。質譜成像實驗室是河北師範大學雙一流建設中公共實驗平臺建設的一部分。質譜成像系統屬於分析測試領域的高端設備，能進行形態學表徵，同時又能實現檢測物質的定性、定量分析。質譜成像聯合實驗室平臺的建立，填補了河北省該領域實驗研究的空白，豐富了研究手段，拓寬了研究領域，對推動河北師範大學教師科研工作提供了有力支撐。
  • 化學所生物質譜成像研究獲重要進展
    在國家自然科學基金委和中國科學院的大力支持下，中國科學院化學研究所活體分析化學院重點實驗室的研究人員長期致力於動物組織質譜成像技術的研究，先後開發了系列小分子新基質(Anal. Chem. 2012, 84, 465; Anal. Chem. 2012, 84, 10291; Anal.
  • 島津成像質譜顯微鏡應用專題丨藥物類
    質譜成像技術是基於質譜發展起來的用於樣本定性和定量檢測的新型分子成像技術，其通過掃描樣本，可高靈敏、高分辨地獲得待測樣本中目標分子的精準時空分布，為藥物的遞送過程、靶向釋藥過程以及生物分布提供重要信息。本研究工作利用螢光成像和質譜成像相結合的多模式成像分析技術成功實現了實時精準示蹤靶向結直腸的新型前藥定位遞送、釋放、分布與代謝的全過程，見圖1。
  • 基於成像質譜顯微鏡(iMScope TRIO)對奧曲肽在小鼠體內動態分布的...
    IT-TOF 串聯質譜儀可以實現高質量解析度的多級質譜分析，為未知物的結構解析提供豐富的碎片信息。基於 iMScope TRIO 的這些特點，本研究首次應用於直觀觀測多肽類藥物奧曲肽在小鼠體內的動態變化並建立相應的定量方法，其在體內的分布以及清除率首次通過 iMScope TRIO 質譜成像系統得到的數據計算出來。
  • ...成像再添新技術:鞠熀先教授提出細胞膜蛋白成像的電致化學發光...
    化學化工院鞠熀先教授研究團隊用簡單方法解決量子點凝聚問題，首次在水相體系中實現了QDs的ECL，並將其用於共反應劑的化學傳感（Anal. Chem. 2004, 76, 6871），製得第一支量子點ECL生物傳感器（Chem.
  • 沃特世質譜成像技術、原理及應用
    質譜成像是一種前沿質譜技術，由於其技術的新穎性與應用的廣泛性，近期受到了很高關注。該技術應用潛力巨大，它是將質譜檢測與影像技術相結合的新型分子影像研究手段。特點是無需標記、所需時間短、耗費低、不局限於單分子，同時還可以提供組織切片中多化合物空間分布和分子結構信息。
  • 【分析】基於表面增強拉曼散射的單細胞多色成像技術
    和沈愛國副教授等利用表面增強拉曼散射（Surface-enhanced Raman scattering, SERS）無水幹擾、高靈敏且具備分子指紋識別能力等優勢，在活細胞生理過程研究中將SERS無標記與標記檢測有機結合（對於拉曼信號區分度差，偏重定量和定位研究的生物大分子，標記檢測作為首選；而對於拉曼指紋特徵顯著，偏重定性和結構研究的生物分子和化學小分子
  • 2013年生命科學儀器盤點:流式細胞儀,成像設備新產品
    顯微成像流式細胞儀的出現為傳統細胞分析帶來突破性的變革，使研究者可以同時進行大量細胞的群體分析和細胞圖像的實時觀測。 　　在蛋白質水平，流式一直是最為常用的單細胞分析手段。但是由於串色等問題的困擾，流式通常只能進行6～10種蛋白的同時檢測。質譜流式技術的出現給研究者帶來了驚喜。
  • 基因組規模的染色質3D組織成像首次實現
    中國科學院外籍院士、美國哈佛大學教授莊小威等研究人員，合作開發了一種在基因組規模對染色質的3D組織和轉錄活性進行成像的技術。相關論文近日在線發表於《細胞》。基於成像的方法可以直接檢測單個細胞中染色質基因座的空間位置，且檢測效率很高。但是，目前能夠在單個細胞中成像的基因組位點數量仍然有限，因此缺少單個細胞中整個染色體的高解析度視圖，更不用說單個細胞中染色質組織的基因組規模圖譜。研究人員通過此次研究開發了一種成像技術，可用於以高基因組通量可視化單個細胞中多個尺度的染色質組織。