分子成像与矩阵辅助激光脱盐/电离成像质谱 (caldi-ims) 允许同时映射多个分析物的生物样本。在这里, 我们提出了一个协议, 检测和可视化在脑组织上的淀粉样β蛋白阿尔茨海默氏病和脑淀粉样血管病变样本使用 maldi-ims。
阿尔茨海默病 (ad) 的神经病理学特征是淀粉样β (aβ) 肽积累和聚集到大脑的细胞外斑块中。aβ肽由40个氨基酸组成, 由淀粉样前体蛋白 (app) 通过β-和γ分泌产生。aβ不仅沉积在脑实质中, 还沉积在小血管壁和脑血管壁中, 称为脑淀粉样血管病 (caa)。虽然发现了多种 aβ肽, 但 ad 和 caa 病理组织中单个 aβ肽的详细生产和分布还没有得到充分的解决。在这里, 我们开发了一个矩阵辅助激光去光/电离成像质谱 (maldi-ims) 的人类尸检脑组织 (maldi-ims) 协议, 以获得全面的蛋白质映射。为此, 从东京都老年学研究所的大脑银行获得了人类的皮质标本。冷冻冷冻被切割并转移到镀锌 (ito) 的玻璃幻灯片上。光谱是使用 maldi 系统获得的, 其空间分辨率高达 20μm, sinapinic 酸 (sa) 使用自动或手动喷雾器均匀地沉积在幻灯片上。利用 maldi-ims 目前的技术优势, 无需特定的探针即可获得人类自动定位大脑同一段内各种 aβ物种的典型数据集。此外, ad 脑的高分辨率 (20μm) 成像和严重的 caa 样本清楚地表明, aβ1-36 至 aβ1-41 被沉积到 leptomengingal 血管中, aβ1-42 和 aβ1-43 作为老年斑块沉积在脑实质中。根据目前的策略, 将 maldi-ims 作为临床、遗传和病理观察相结合的标准方法, 了解 ad、caa 和其他神经疾病的病理, 是可行的。
为了诊断和了解神经退行性疾病的发病机制, 精确的病理沉积分子鉴定是必不可少的 1.在 ad 过程中, aβ被产生, 使 sp 在大脑实质中, 并在发病前很久就沉积在血管中, 2,3, 4,5, 6。虽然 aβ1-42 是 ad 大脑 sp 中的主要肽, 但其他 aβ变异, 如 n 末端或 c 末端截断或修饰的β, 也被识别在受影响的 ad 大脑7,8,9, 10个。全面了解人类大脑中各种 aβ物种, 特别是 ad 和大脑淀粉样变 (caa)11, 将有助于科学家了解 aβ的产生、代谢和沉积。
免疫组织化学 (ihc) 作为神经病理学的经典方法, 是确定抗β在脑组织12、13、14、15 中位置的最决定性的方法。一般来说, 当几个表位同时共存时, ihc 无法区分分子。相比之下, 一种新出现的基于质谱的蛋白质组学分析是一种有价值的方法, 特别是对于分析脑组织中的各种 aβ物种, 这些物种不能与 16,17抗体区分开来。基于常规质谱分析的脑裂解物和免疫沉淀样品未能检测到轻微的 aβ肽, 并丢失了 aβ在脑组织中的分布信息。
在早期的作品中, 利用 ad 的转基因动物模型 (如 app23), 对小鼠大脑中的β沉积进行可视化是成功的。然而, 这一过程仍然需要技术进步来比较 ims 和 ihc 在分辨率和灵敏度方面的分辨率和灵敏度18,19, 20.ad 神经病理学应在人脑上进行研究, 并在人体尸体解剖脑组织上采用 maldi-ims 技术, 获得全面的蛋白质图谱21。为此, 我们开发了一种先进类型的质谱技术的协议, 该协议在快速性、灵敏度和重现性方面具有优势。
在这里, 我们展示了一个详细的协议和结果的可视化出出的 aβ及其异形从几个自动调整的大脑与 ad 和 caa 与 maldi-ims。β的沉积剖面从 aβ1-42 急剧变化为 n-和 c 端的变化。aβ1-41 首次在人类大脑中使用现行协议进行了鉴定和可视化, 并在 ihc21 中得到进一步验证。考虑到具有高分辨率分析 (20μm) 的 ims 沉积的 aβ的形态必须与 ihc、ims 和 ihc 完全吻合, 因此, ims 和 ihc 的位置和蛋白质含量及其形态同样有助于区分β矿床。由于这里描述的整个实验是在枕叶皮层进行的, 研究不同β-淀粉样蛋白物种在所有大脑区域的定位将推广到未来的实验使用目前的协议。
该协议中的关键步骤是组织准备步骤, 以获得人类脑组织中聚集蛋白的有效电离。需要一个矩阵层来吸收激光能量并诱导分析物的解吸和电离。在这个过程中, 整个组织部分均匀地涂有小晶体。与基体对分析物进行同质共晶化是高灵敏度和无人工成像的关键。三种喷涂方法中的每一种都有其优点。手动喷涂是最常用的方法之一。喷枪是方便的; 喷枪是方便的。然而, 它需要熟练的操作。由于精确和可重复的实验技术是必不可少的, 建议使用超声波喷雾器和/或自动喷雾器, 如目前的协议中所述。对于超声波喷雾器, 不会受到房间湿度和温度的影响, 因为它被喷入室内。同时, 采用自动喷雾器, 获得了相对保存的空间分辨率, 具有良好的重现性。一般情况下, 用这三种方法获得的空间分辨率按 1) 喷枪、2) 自动装置和 3) 超声波喷雾器的顺序增加。
最重要的是, 该协议最初是为了检测和可视化人类尸体大脑样本中的β。app23 小鼠用 baldi-ims 对β进行可视化, 这是在人类 app 瑞典型突变的 ad 动物模型中产生的, 此前已被其他人用现有的方法18、19 进行了报道。然而, 应用于 app23 的前一种协议在横向分辨率和灵敏度上不足以可视化 aβ。早期的研究讨论了高 aβ浓度以外的组织边界显然是伪影在 app23 成像与他们的协议18,19。这意味着, 在 maldi 型成像中, 由于矩阵提取步骤而导致的真实 sp 和 ims 图像之间的所谓 “模糊” 是不可避免的。然而, 在目前的协议中, 模糊消失了, 每个光谱都代表了大脑实质中的每一个 sp。
如图所示, 我们可以在 ad 和 caa 大脑中首次使用 aldi-ims 以及 ihc 在我们自己的第21代中使用特定抗体来跟踪 aβ1-41。根据 aβ处理模型, aβ1-38通过aβ1-42 从 aβ1-45 派生, aβ1-41 通过γ-分泌酶的步骤裂解27,28,29, 30, 31来自 aβ1-45..这意味着当前协议支持此模型。至于这种技术的局限性, 我们必须考虑人类尸体解剖大脑样本的异质性。从某种意义上说, 最关键的一步是用道德证据评估合格的尸体解剖脑组织。根据目前关于这些合格的尸体解剖脑组织的协议, aldi-ims 可以单独跟踪复杂分子的整个分布, 有多个修改, 以及未知的因素, 调节 ad 的发病机制, 这是尚未定义。此外, 在了解老年人大脑中各种神经病理学的整体发病机制时, 必须将 maldi-ims 作为一种标准方法, 结合神经疾病的临床、遗传和病理观察, 是可行的。.
为此, maldi-ims 的另一个关键步骤是从获得的数据集中进行数据挖掘, 这始终非常耗时。每个峰值分布的手动数据挖掘要求用户单击每个图像, 并查找可能与分析样本的形态相关的分布。自动空间分割可作为数据挖掘的第一步, 提供数据集的概述, 并允许快速检测突出的特征。在这种方法中, 统计上确定了给定区域的光谱之间的相似性, 并将相似的光谱分为一个集群。所有像素都根据其群集分配进行颜色编码 (图 5)。在目前的 adcaa 研究中, 感兴趣的区域是薄壁斑块和蛛网膜下腔和实质血管结构中 aβ沉积的空间。用 ihc 进一步验证的两个独特峰是 aβ1-40 和 aβ1-4221 的m/z 值。因此, 很容易找到 aβ1-40 和 aβ1-42 的共聚 m/z, 这已经被注释到 n-和 c 末端截断的 aβ, 以及未知的肽, 以供进一步分析。
weller 和他的同事报告说, aβ在血管壁中积累, 在动脉周围比在静脉21周围更多。此外, 还建议间质液 (isf) 包括通过血管周围引流通路 22、23、24、25从大脑实质排泄到淋巴结的β ,26。目前基于人权-ims 数据集生成分割图的协议支持大脑血管周围引流通路的可能存在 (图 5), 这对 ad21中的 caa 有很大的贡献,32. 此外, 我们可以通过计算每个 m/z 值的相关性, 发现标记蛋白与斑块和蛛网膜下腔血管共离。在了解老年人大脑中各种神经病理学的整体发病机制时, 结合已确定的神经学 hhc 数据, 采用 maldi-ims 作为一种强有力的方法是可行的疾病。
The authors have nothing to disclose.
这项工作得到了创新领域科学研究补助金的部分支持 (大脑蛋白质衰老和老年痴呆症控制 26117004; 到 m. i. 和 t. m.)。这项研究得到了日本医学研究与发展机构脑科学战略研究计划的部分支持。所有实验都是按照只是指南进行的。
Cryostat | Leica Microsystems, Wetzlar, Germany | CM1950 | |
Indium tin oxide (ITO)-coated microscope glass slide | Bruker Daltonics | #237001 | |
Blade (disposable) | Leica Microsystems, Wetzlar, Germany | #117394 | |
O.C.T. Compound | Leica Microsystems, Wetzlar, Germany | FSC 22 Blue | |
Scanner | EPSON | GT-980 | |
Air-Brush | GSI Creos | PS274 | |
Compressor | MRHOBBY | Mr.Linear compressor L5 | |
Ultrasonic sprayer | Bruker Daltonics | ImagePrep | |
Automatic sprayer | HTX Technologies | TM Sprayer | |
Confocal-laser-scanning-microscope | Carl Zeiss Inc. | LSM 700 | |
Ultra high speed MALDI instrument | Bruker Daltonics | rapifleX MALDI Tissuetyper | |
MALDI control software | Bruker Daltonics | FlexControl 3.8 | |
Data analysis software | Bruker Daltonics | FlexImaging 5.0 | |
Molecular histology software | SCiLS, Bremen, Germany | SciLS Lab 2016a | |
Statistical software | SCiLS, Bremen, Germany | SciLS Lab 2016a | |
Sinapinic acid (SA) | Nacalai tesque | 30494-91 | |
Alpha-Cyano-4-hydroxyl-cinnamic acid (CHCA) | Wako | 037-19261 | |
Calibration standard | Bruker Daltonics | ||
Biotinylated anti-mouse IgG antibodies | Vector Laboratories, Inc., Burlingame, CA | ||
Biotinylated anti-rabbit IgG antibodies | Vector Laboratories, Inc., Burlingame, CA | ||
Avidin and biotinylated HRP complex. | Vector Laboratories, Inc., Burlingame, CA | Vectastain Elite ABC kit | |
3,3-diaminobenzidine (DAB) | Vector Laboratories, Inc., Burlingame, CA | Vectastain Elite ABC kit |