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.
O single-sonda é um dispositivo multifuncional que pode ser usado para ambos os experimentos MSI e SCMS. A configuração-sonda única (incluindo sistemas de fase de tradução, microscópios, flange interface de fonte de íons, etc.) é concebido como um componente add-on que podem ser flexivelmente adaptado para o espectrómetro de massa existente. A troca rápida entre o setup-sonda única e a fonte de iões convencional ESI pode ser realizado dentro de um minuto. Em princípio, usando a flange de interface fonte de iões apropriado, a configuração-sonda única pode ser adaptado para as outras espectrómetros de massa. Além disso, o solvente de amostragem contendo uma variedade de reagentes pode ser usado com a configuração-sonda única para experiências MSI e SCMS reactivos, o que aumenta a detecção de intervalos mais amplos de biomoléculas. Em adição aos tecidos de animais e linhas de células, a única sonda é também capaz de analisar outros sistemas biológicos, tais como plantas. Portanto, com a mesma configuração experimental eformação de utilizador semelhante, uma variedade de estudos podem ser realizados usando um único aparelho e pelos mesmos utilizadores, permitindo experiências eficiente e versátil para ser realizada com o mínimo de tempo de formação e custo da instrumentação.
O componente chave da técnica MS-sonda única é a própria sonda. A qualidade do single-sonda tem uma influência significativa sobre o seu desempenho, que determina em grande parte a qualidade de ambos os experimentos MSI e SCMS. Para a confecção de sondas individuais, certifique-se que os capilares dentro do tubo dual-furo estão firmemente coladas para eliminar a possibilidade de vazamento de solvente durante os experimentos. É crítico para usar uma quantidade mínima de UV epoxi curável, de tal modo que os orifícios e os capilares não são obstruídas durante a fabricação sonda.
A única sonda foi utilizada para realizar a resolução espacial e de massa de alta ambiente MSI em 15 amostras biológicas. A principal vantagem da MSI ambiente durantemétodos não ambiente é que a preparação da amostra é mantida a um mínimo, sem necessidade de um meio de amostragem de vácuo, que permite que a amostra a ser analisada num próximo estado nativo 8. Um dos principais obstáculos para a técnica MSI maioria outro ambiente tem sido uma falta de resolução espacial 1. Em comparação com a dessorção com base MSI técnicas (tais como DESI e LAESI), o pequeno tamanho da ponta do single-sonda permite que um líquido superfície micro-extracção mais robusto e eficiente para ser realizada sobre uma área pequena, levando a uma elevada resolução espacial de 8,5 mm, que está entre os mais altos obtidos utilizando técnicas MSI ambiente 15. Além disso, o ajuste dos componentes do solvente de amostragem proporciona flexibilidade adicional para realizar as experiências. Por exemplo, a amostragem de solventes contendo reagentes (por exemplo, compostos dicationic) têm sido utilizados para realizar experiências MSI reactivos, permitindo um aumento significativo no número de metabolitos identificados peexperimento r 20. A outra vantagem da única sonda é a concepção integrada, que proporciona a facilidade de operação durante todo o processo de aquisição de dados. Uma vez que a distância entre a ponta e a superfície do tecido é muito sensível para a intensidade de sinal e a estabilidade de iões, obtendo-se uma secção de tecido plano e condução de superfície achatamento ajustamento para minimizar a variância distância é uma chave para experiências MSI alta qualidade. Daqui resulta que as técnicas de MSI-sonda única não são adequados para obter altas imagens espaciais MS de superfícies irregulares.
Além disso para o fabrico de uma sonda de alta qualidade, ajustando cuidadosamente o instrumento é essencial para um experimento MSI bem sucedida. Entre todos os passos de ajuste, o ajuste da altura da ponta da sonda única acima da superfície da secção de tecido é o mais crítico. Ao ajustar a altura da sonda, bombear o solvente de amostragem e ligue a tensão de ionização, de modo que somente os sinais de íon de fundo solvente pode ser observEd. Em seguida, monitorar a alteração do espectro de massa, reduzindo cuidadosamente a distância sonda-superfície, levantando o Z-platina motorizada até que podem ser observados os sinais iónicos fortes e estáveis da secção de tecido; esta altura da sonda será utilizada para a coleta de dados MSI durante o experimento. Além disso, uma taxa de fluxo de solvente optimizada é essencial para experiências MSI. Ajustar o caudal com a altura da sonda optimizado. Certifique-se de que não há nenhuma propagação solvente sobre a superfície do tecido (isto é, taxa de fluxo é muito alta) ou formação de bolhas no interior do emissor de nano-ESI (isto é, taxa de fluxo é muito baixa).
O single-sonda é um dispositivo multifuncional para bioanalysis. Além das experiências MSI, é capaz de realizar quase em tempo real in situ SCMS para elucidar informação química detalhada a partir de células eucarióticas vivas 16, que é uma grande vantagem em comparação com outros vácuo técnicas SCMS base (tais como MALDI 10 e SIMS 21 </sup>). O tamanho pequeno da ponta da sonda proporciona a capacidade de ser inserido numa célula eucariótica viva e para extrair e ionizar os compostos intracelulares para análise MS imediato. Do mesmo modo, os solventes de amostragem contendo reagentes (por exemplo, compostos dicationic) pode ser usado nas experiências SCMS, e uma gama mais ampla de constituintes celulares pode ser detectado numa célula única ao vivo do que nunca antes (investigação em curso, os dados não são apresentados). Embora a análise em tempo real irá fornecer os perfis químicos de células únicas vivas, devido à penetração de células de membrana e de extracção dos conteúdos celulares, a célula sob investigação serão mortos após a experiência, o que implica que a técnica de SCMS-sonda único ainda é um método destrutivo. Além disso, a ponta da sonda e nano-ESI emissor no single-sonda pode ser facilmente obstruídos para usuários inexperientes. Para reduzir a possibilidade de entupimento do dispositivo, certifique-se para evitar tocar o núcleo ao inserir a ponta-sonda única em um celeu. Se ocorre o entupimento, o dispositivo pode ser regenerado por aquecimento até a ponta da sonda entupido ou nano-ESI emissor utilizando um homebuilt bobina de aquecimento 16. Outra limitação da técnica SCMS-sonda única é que apenas as células adesivas (isto é, as células estão associadas a superfícies) podem ser analisados usando o programa de configuração corrente. No entanto, através da incorporação do sistema de manipulação de células para dentro do aparelho MS-sonda única, os tipos mais amplas de células podem ser estudados no futuro.
Semelhante à experiência MSI, obtendo-se uma sonda de elevada qualidade e uma taxa de fluxo de solvente optimizado é crítica para estudos SCMS. Ao ajustar a taxa de fluxo de solvente, a ponta da sonda único é colocado por cima da amostra (isto é, sem contacto com o meio de células ou cultura), e garantir que não existe qualquer gotejamento do solvente a partir da ponta da sonda ou a formação de bolhas no interior do nano-ESI emissor.
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 |