Una plataforma de manipulación de células integrada se desarrolla para su uso en conjunto con una configuración de espectrometría de masas de una sola sonda para el análisis en línea de células de suspensión individuales en condiciones ambientales.
La espectrometría de masas de una sola célula (SCMS) permite la detección sensible y el análisis preciso de amplios rangos de especies celulares a nivel de células individuales. La sonda única, un dispositivo de muestreo e ionización a microescala, se puede acoplar con un espectrómetro de masas para el análisis Rápido y en línea de SCMS de componentes celulares en condiciones ambientales. Anteriormente, la técnica SCMS de una sola sonda se utilizaba principalmente para medir las células inmovilizadas en un sustrato, limitando los tipos de células para los estudios. En el estudio actual, la tecnología SCMS de una sola sonda se ha integrado con un sistema de manipulación celular, normalmente utilizado para la fertilización in vitro. Esta plataforma integrada de manipulación y análisis de células utiliza una sonda de selección de células para capturar células flotantes individuales identificadas y transferir las células a la punta de una sola sonda para la lisis de microescala, seguida de un análisis inmediato de espectrometría de masas. Este proceso de captura y transferencia elimina las células de la solución circundante antes del análisis, minimizando la introducción de moléculas de matriz en el análisis de espectrometría de masas. Esta configuración integrada es capaz de analizar SCMS de células aisladas por pacientes dirigidas presentes en muestras de fluidos corporales (por ejemplo, orina, sangre, saliva, etc.), lo que permite posibles aplicaciones de análisis SCMS a la medicina humana y la biología de enfermedades.
La biología humana, especialmente la biología de la enfermedad, se entiende cada vez más como el resultado de actividades a nivel de células individuales, pero los métodos analíticos tradicionales, como la espectrometría de masas de cromatografía líquida (LCMS), se utilizan generalmente para analizar muestras preparadas a partir de poblaciones de células, mientras que la información molecular adquirida no puede representar con precisión los procesos químicos a nivel de células individuales. Estos métodos tradicionales estándar son incapaces de discernir los efectos de la heterogeneidad celular en una medición analítica, y el proceso de destrucción y mezcla de las células para preparar el lisado potencialmente conduce a la alteración o pérdida de la componentes1,2. Estas limitaciones de los métodos tradicionales son especialmente importantes en el análisis de las células del paciente, en el que las muestras obtenidas pueden contener una mezcla compleja de muchos tipos de células diferentes. Para superar estas deficiencias, los métodos de análisis molecular de una sola célula, incluidos los métodos de espectrometría de masas de una sola célula (SCMS), se están desarrollando y aplicando cada vez más al bioanálisis, especialmente de metabolitos celulares y bajo peso molecular biomoléculas3,4.
Las primeras técnicas SCMS desarrolladas utilizaron técnicas basadas en vacío para realizar los análisis en condiciones no ambientales2,5,6,7,8,9, 10,11. Las técnicas SCMS no ambientales son capaces de analizar lípidos celulares y metabolitos, pero requieren pretratamiento de muestras en condiciones artificiales, y por lo tanto no son adecuadas para el análisis en tiempo real. El proceso de preparación de muestras para el análisis no ambiental incluye la adición de componentes de matriz, y esta preparación puede alterar los componentes celulares de su entorno natural12. Por lo tanto, las técnicas de espectrometría de masas ambientales (MS), que no requieren un vacío para el entorno de muestreo, se utilizan para analizar las células en un entorno casi nativo. No tener un entorno de vacío permite versatilidad en el diseño experimental; cámaras se pueden agregar para monitorear el proceso celular y las técnicas de ionización más suaves se pueden combinar con técnicas de separación para recibir mejor información de cada experimento de una sola célula4,12,13 ,14,15,16,17,18,19,20,21,22 ,23,24,25,26,27,28,29,30,31 ,32,33,34,35,36,37,38,39,40 ,41,42.
El método SCMS de una sola sonda es una técnica ambiental que analiza líneas celulares de cáncer de mamíferos vivos en un entorno casi nativo21,43,44,45,46. Además, el dispositivo de una sola sonda se ha utilizado para otras aplicaciones de espectrometría de masas, incluyendo el análisis de moléculas extracelulares en esferoides multicelulares e imágenes de EM de tejidos47,48,49 ,50,51,52. Sin embargo, dado que la inmovilización celular en sustratos es necesaria para este método, las células de suspensión no se pueden analizar directamente utilizando esta técnica3,53. Por lo tanto, el sistema SCMS de una sola sonda no se podía utilizar directamente para muestrear células individuales no adherentes, como líneas celulares no adherentes o células de suspensión aisladas de la sangre de un paciente u otros fluidos corporales54. En este trabajo, se combina una plataforma de manipulación de células integrada (ICMP) con la técnica SCMS de una sola sonda para analizar células de suspensión en línea en vivo con una preparación mínima de la muestra (Figura 1)46. El ICMP consiste en un microscopio invertido para monitorear la selección celular, una sonda de selección de celdas de vidrio, un microinyector para capturar células flotantes individuales, una placa calentada para mantener la temperatura celular, dos sistemas de manipulación celular para controlar el espacio movimientos tanto de la sonda de selección de células de vidrio como de una sola sonda, y un microscopio digital para observar la transferencia celular desde la punta de la sonda de selección de células a la punta de una sola sonda. La fabricación de la sonda única se detalla en publicaciones anteriores y no se abordará aquí21,48. El sistema ICMP/de una sola sonda está acoplado a un espectrómetro de masas de alta resolución. Esta configuración integrada permite el muestreo de células únicas identificadas a partir de muestras biológicas complejas con efectos mínimos de moléculas de matriz.
La plataforma integrada de manipulación y análisis celular está construida para ampliar la versatilidad del método de Ep de una sola sonda, permitiendo el análisis rápido y en línea de células no adherentes en un entorno casi nativo. Una ventaja importante de la técnica es que se requiere una preparación mínima de la muestra, por lo que las células se analizan en condiciones que imitan su estado estándar. Particularmente, las células individuales de interés pueden ser identificadas y seleccionadas visualmente, minimizando la influencia del efecto de la matriz en la eficiencia de la ionización de la EM mientras se mantienen las células en su entorno natural, por lo que los resultados son más representativos de las células nativas de las células nativas estado (Figura S3). Esta técnica se puede utilizar potencialmente para estudiar las células del paciente suspendidas en biofluidos en estudios futuros. Otra ventaja de esta técnica es la selección flexible del disolvente de muestreo. Es importante incluir acetonitrilo como el disolvente de muestreo principal para que la lisis en microescala pueda ocurrir rápidamente. Potencialmente, las normas internas (por ejemplo, compuestos farmacológicos etiquetados isotópicamente) pueden añadirse al disolvente de muestreo para cuantificar moléculas de interés (por ejemplo, moléculas de fármacos) de células individuales, incluidas aquellas que pueden desempeñar un papel clave en la revolución personalización de tratamientos farmacológicos en el futuro54.
Aunque este sistema integrado se puede utilizar convenientemente para analizar amplios rangos de celdas, una limitación del método es que ni la sonda de una sola sonda ni la sonda de selección de celda está disponible comercialmente; dictando la necesidad de optimización de muchos parámetros (por ejemplo, caudal, voltaje, longitud entre el emisor nano-ESI y el tubo de transferencia iónico, etc.) antes de cada experimento. Además, debido a la pequeñez de la sonda de selección de una sola sonda y de la célula, la perturbación ambiental (por ejemplo, el flujo de aire) puede dar lugar a dificultades para establecer una unión entre las dos sondas. Una solución a corto plazo es la flexión de la sonda de selección de celda cerca del final para minimizar la longitud del estrechado. El trabajo futuro incluye el desarrollo de una carcasa para encerrar las partes críticas de la configuración para minimizar los efectos ambientales. Debido a la cantidad limitada de contenido celular y el corto tiempo de adquisición (2-3 s) de una célula, el análisis de EmS/MS sólo se puede llevar a cabo para especies relativamente abundantes. Otros factores que influyen en la sensibilidad de detección incluyen la eficiencia de ionización suprimida debido a la introducción de la matriz junto con la célula y la posible pérdida de iones a través del tubo de transferencia de iones extendido.
The authors have nothing to disclose.
Los autores agradecen a Naga Rama Kothapalli por su trabajo en el desarrollo de la preparación de muestras para células de suspensión y experimentos de lisato celular. Además, los autores agradecen a los NIH (R01GM116116 y R21CA204706) por su financiación.
Acetontrile | Millipore Co. | AX0145-1 | Sampling solvent |
CellTram Vario | Eppendorf | 6221 | ICMP |
Copper wire | stores.ebay.com/jewelerheaven | Dead soft, round, 20 guage, 25 ft | Conductive union setup |
Digital stereomicroscope | Shenzhen D&F Co. | Supereyes T004 | Analysis |
Disposable micropipette, 1-5 µL | Rochester Scientific | 5065 | Cell-selection probe fabrication |
Dual bore quartz tubing, 1.120"x0.005"x12" | Friedrich & Dimmock, Inc. | MBT-005-020-2Q | Single-probe fabrication |
Epoxy resin | Devcon | Part No. 20945 | Single-probe fabrication |
Eppendorf cell manipulation system | Eppendorf | Transferman NK517800397-U.R. | ICMP |
External nut | VALCO*CHEMINERT | EN1 | Ion transfer tube fabrication |
Formic acid | Sigma-Aldrich | 399388-500ML | Sampling solvent |
Fused silica capillary, ID: 40 µm, OD: 100 µm | Polymicro Technologies | TSP040105 | Single-probe fabrication, conductive union setup |
Fused silica capillary, ID: 50 µm, OD: 150 µm | Polymicro Technologies | 1068150015 | Conductive union setup |
HyClone Synthetic fetal bovine serum (FBS) | Fischer Sci | SH3006603 | Cell culture |
Inline MicroFilter | IDEX Health & Science LLC | M-520 | Conductive union setup |
Laser puller | Sutter Instrument Co. | Model P-2000 | Single-probe fabrication |
LED UV lamp | Foshan Liang Ya Dental Equipment | LY-C240 | Single-probe fabrication |
LTQ Orbitrap mass spectrometer | Thermo Scientific | LTQ Orbitrap XL | Analysis |
Microforge | Narishige, Co. | MF-9 | Cell-selection probe fabrication |
Microunion | IDEX Health & Science LLC | M-539 | Conductive union |
PEEK tubing, 1/32×0.005x 5ft | IDEX Health & Science LLC | 1576 | Conductive union setup |
PEEK tubing, 1/32×0.007x 5ft | IDEX Health & Science LLC | 1577 | Conductive union setup |
Penicillin/Streptomycin | Gibco/Life Technologies | 15140-122 | Cell culture |
Petri dish, 35×10 mm | VWR | 25382-334 | Sample preparation |
Phosphate Buffered Saline (PBS) | VWR | 0780-50L | Cell culture |
Platinum wire | Narishige, Co. | Model PT-A | Microforge |
Power supply | Nikon | PSM-2120 | ICMP |
RPMI, 1X with Corning glutagro | Corning | 10-104-CV | Cell culture |
Single-bore tubes | Boralex | 5065 | Cell-selection probe fabrication |
Stainless steel ferrules, for 1/16" OD | IDEX Health & Science LLC | VHP-200-01x | Ion transfer tube fabrication |
Stainless steel tubing, 1/32x 205 µm x30 cm | IDEX Health & Science LLC | U-1128 | Ion transfer tube fabrication |
Syringe, 250 µL | Hamilton | 1725LTN250UL | Sampling syringe |
T25 flask | CellStar | 690160 | Cell culture |
Thermo LTQ XL ion source interface flange | New Objective | PB5500 | Analysis |
ThermoPlate | TokaiHit | 55R30N | ICMP |
TrypLE Express | Gibco | 12605-010 | Cell culture |
Tube cutter, for 1/16" stainless steel | SUPELCO | 58692-U | Ion transfer tube fabrication |
USB digital photography microscope | dx.com | SO2 25~500X | Analysis |
UV curing resin | Prime Dental | Item No. 006.030 | Single-probe fabrication |
Vertical pipette puller | David Kopf Instruments | Model 720 | Cell-selection probe fabrication |
Voltage housing | PicoChip | PCH-A00120 | ICMP/MS interface |
Wire cutter | Craftsman | 4 1/2 in end nipper | Conductive union setup |