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Method Article
* 这些作者具有相同的贡献
该方案概述了使用 microMS 进行荧光引导的单细胞 MALDI-2 质谱分析,从而能够增强原代大鼠神经元细胞的分子分析。
单细胞测量对于理解大脑丰富的时空异质性至关重要。基质辅助激光/解吸电离 (MALDI) 质谱 (MS) 能够对单个细胞中的内源性分子进行无标记、高通量表征。具有激光诱导后电离 (MALDI-2) 的 MALDI 质谱仪的最新开发进展大大提高了对各种脂质和其他小分子的检测灵敏度。然而,对于大多数应用来说,在细胞分辨率下使用 MALDI-2 对大样品进行 MS 成像的速度非常慢。在该协议中,原代细胞被分离并分散到导电载玻片上。通过全玻片荧光显微镜确定相对细胞位置,然后将显微镜坐标准确配准到 MALDI-2 质谱仪的载物台坐标。与整个样品的 MS 成像相比,仅对细胞位置进行靶向 MS 分析可提供高通量、单细胞测量,分析物覆盖率高,数据量更小。我们描述了单细胞制备、全玻片荧光成像、基质应用和 MALDI-2 质谱分析所需的关键步骤。
脂质和代谢物是细胞功能的基础,是细胞膜、能量来源和信号分子的重要组成部分 1,2。然而,它们的组成和丰度在单个细胞之间可能有很大差异,这反映了细胞类型以及发育和功能状态的差异 3,4,5。分析这些差异对于了解生物变异性和识别不同的细胞亚群至关重要。单细胞测量技术(如 RNA 测序)提供了有用的细胞特异性转录谱6。然而,这些转录水平的测量值并不直接反映脂质和代谢物的实际细胞量,因为基因表达并不总是与这些分析物的实际丰度相关。因此,需要用于直接测量脂质和代谢物的专用方法,以全面分析单个细胞及其细胞群的化学成分。
基质辅助激光解吸/电离 (MALDI) 质谱成像 (MSI) 是内源性生物分子原位无标记空间映射的首选工具 7,8。通常,使用 MALDI 时,紫外激光用于从与有机基质共结晶的薄样品层中烧蚀材料,形成离子和中性分子羽流。然后通过 MS 分析仪分离形成的离子,并在质谱仪中检测。鉴于现代质谱仪载物台的精确定位,激光器可以定位到特定样品区域或跨区域光栅化,以通过 MSI 生成分子图像。通过聚焦激光束和精确的载物台移动实现细胞或亚细胞空间分辨率 (< 10 μm) 的 MSI 可用于获取有关单个细胞的化学信息 9,10。然而,这种规模的 MSI 测量效率低下,尤其是在目标细胞密度低的样品的情况下,因为对细胞之间的空白区域进行成像所花费的时间很多。此外,由于采样体积小,许多分析物的检测能力受到限制。为了克服这些挑战,我们开发了一种用于高通量单细胞分析的图像引导 MALDI MS 方法11,12。在这种方法中,分散细胞的位置是从全玻片荧光图像中以编程方式确定的,并用于将质谱仪载物台引导到具有特定参数(例如大小和形状)的单个细胞所在的位置,然后通过 MALDI 激光器照射进行分析。以前使用这种靶向方法的工作已用于表征异质细胞群中的脂质、肽和其他生物分子 5,13。
鉴于单细胞的质量有限性,在此类样品中检测到的分析物数量通常少于直接从组织中观察到的分析物数量。因此,为了提高单细胞 MS 分析中的分析物覆盖率,提高分析物检测灵敏度至关重要。最近开发的一种有助于克服这一检测挑战的方法是激光后电离 MALDI (MALDI-2),该方法已被证明可以提高对多种分析物的灵敏度 9,14,15,16。因此,MALDI-2 可生成更全面的单细胞数据集,并在质量受限的样品(如分离细胞)中提供更深入的分子覆盖。
该方法的目标是从数千个单个细胞中获得脂质测量值。为此,我们描述了一种能够实现高通量单细胞 MALDI-2 质谱分析的工作流程,并且通常可扩展到任何具有精确载物台控制的基于探针的质谱方法17。在此工作流程中,解剖来自感兴趣大脑区域的组织,并在木瓜蛋白酶解离程序后从组织中获得单个细胞。然后用细胞核染色剂标记细胞,并将其分散到蚀刻有基准标记物的导电载玻片上,让它们粘附在那里。接下来,使用荧光显微镜拍摄全玻片图像。基质通过升华沉积,产生可重复的均质晶体层和高信噪比,用于单池 MS 分析。使用开源软件 microMS11,使用蚀刻在细胞沉积的载玻片上的基准标记,通过点集配准,绘制显微镜图像中细胞位置的相对坐标并与质谱仪载物台坐标对齐。最后,利用这些信息,从每个单独的细胞中获取精确、靶向的 MS 谱图,从而可以在一次运行 (<1 h) 中分析数千个细胞12,13。
本研究中的所有动物实验均按照伊利诺伊州机构动物护理和使用委员会 (23228) 批准的动物使用方案进行,并严格遵守动物道德治疗和护理的国家和 ARRIVE 标准。
1. 材料和溶液的制备
2. 原代神经细胞的制备
注:解剖大鼠海马组织,用木瓜蛋白酶解离成单个细胞,并以低密度沉积在导电载玻片上。以这种方式分离细胞可实现内源性脂质的高通量单细胞质谱分析。
3. 显微镜
注意:为了确定沉积细胞的位置,每张载玻片都通过明场/荧光显微镜成像。荧光通道可以准确定位 Hoechst 染色的细胞,而明场成像可提供形态学信息。任何能够进行平铺图像采集的显微镜都适用于此过程。
4. 矩阵应用
注:一致且适当的 MALDI 基质应用对于获得高质量的单细胞数据至关重要。虽然这里使用商业设备的升华,但也可以使用机器人喷雾器12、喷枪21 或自制的升华设备22 进行基质应用。我们发现,与通常用于质谱成像的薄组织切片相比,单细胞制备需要更少的基质。为了减少批量效应,建议在一个会话期间将基质应用于所有正在研究的载玻片,并尽可能将来自不同组(例如,大脑区域或治疗与对照)的细胞沉积到同一张载玻片上。基质选择对于传统的 MALDI 和 MALDI-2 单细胞工作流程都至关重要。对于单细胞 MALDI,已成功使用 DHB23、9-AA24 和 CHCA25 。在 MALDI-2 中,我们和其他人观察到 DHAP9 的信号显著增强,而 NEDC16 和 CHCA26 等基质也得到了有效应用。
5. 单细胞 MALDI MS
注:单细胞 MS 数据是在 MALDI-2 timsTOF 仪器 (timsTOF flex) 上使用开源 microMS 软件包获取的,用于检测细胞并引导质谱仪。这需要将目标细胞的光学图像像素位置转换为质谱仪载物台的物理坐标。
6. 数据处理
注:现有的商业软件包不太适合分析高通量单细胞质谱数据。虽然单个光谱可以可视化,但提取有意义的生物学见解需要专门的工具。为了解决这个问题,我们免费提供软件来促进单细胞 MALDI-2 MS 数据分析。我们更新的工作流程有助于将单细胞数据直接转换为开源 imzML 格式27,从而与 SCiLS MVS 和其他供应商软件兼容。对于更高级的数据分析,完整的脚本还包括脂质注释、聚类和 Matplotlib(版本 3.7.3)启用的其他可视化工具的功能。pyTDFSDK 库有助于解析和读取原始数据,该库是 TIMSCONVERT 工作流28 中包含的一组函数。
荧光引导单细胞 MALDI-2 MS 的工作流程概述如图 1 所示。首先,从目标大脑区域解剖的组织(图 1A)解离成单个细胞并沉积在导电 ITO 涂层的显微镜载玻片上(图 1B)。通过全玻片荧光成像(图 1C)确定细胞的位置,然后进行 MALDI 矩阵应用(图 1D)、microMS 辅助 ...
高通量、图像引导的单细胞 MALDI MS 是了解单细胞规模化学异质性的宝贵工具。激光诱导后电离 (MALDI-2) 的加入提供了更深的分析物覆盖,这对于质量和体积受限的样品(如分离的哺乳动物细胞)至关重要。
虽然绝大多数已发表的单细胞脂质和代谢物 MS 工作流程使用培养细胞,但我们的方法适用于相对快速分离的原代细胞。这种区别至关重要,因?...
作者没有需要披露的竞争利益。
S.W.C 感谢 Peixin He 和 Xiaoming Chen PhD4 奖学金以及伊利诺伊大学 Block Grant 奖学金提供的支持。这项工作也得到了国家药物滥用研究所的支持,奖励号为P30DA018310,国家老龄化研究所 (National Institute on Aging) 授予第R01AG078797,并由美国国立卫生研究院院长办公室授予 S10OD032242。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
2',5'-dihydroxyacetophenone | Sigma Aldrich | D107603 | DHAP, 97% purity |
Ammonium acetate | Sigma Aldrich | 238074 | ACS reagent, ≥97% |
Axio M2 Imager | Zeiss | N/A | N/A |
Biopsy punch, 2 mm | Fisher Scientific | 12-460-399 | integra miltex standard biopsy punch, 2mm |
Calcium chloride | Sigma Aldrich | C4901 | anhydrous, powder ≥97% |
Eppendorf Centrifuge | Sigma Aldrich | EP5405000441 | centrifuge 5425 with rotor FA-24x2 |
Gentamicin | Sigma Aldrich | G1272 | liquid, BioReagent |
Glass etching pen | Sigma Aldrich | Z225568 | carbide time, pkg of 1 |
Glycerol | Sigma Aldrich | G7893 | ACS reagent, ≥99.5% |
HEPES buffer | Sigma Aldrich | H3375 | ≥99.5% (titration) |
Hoechst 33258 Solution | Sigma Aldrich | 94403 | 1 mg/mL in H2O, ≥98.0% (HPLC) |
In line HEPA Filter | Sigma Aldrich | WHA67225001 | VACU-GUARD 60 mm disc, 0.45 PFTE housing |
ITO-Coated Microscopy Slides | Delta Technologies | CG-90IN-S115 | 70-100Ω resistance |
Magnesium chloride | Sigma Aldrich | M8266 | anhydrous, ≥98% |
Magnesium sulfate | Sigma Aldrich | 208094 | anhydrous, ≥97% |
Microcentrifuge tubes | Sigma Aldrich | HS4323K | tube capacity 1.5 mL, pack of 500 |
Papain dissociation system | Worthington Biochemical | LK003150 | one box, 5 single use vials |
Penicillin-Streptomycin | Sigma Aldrich | P4458 | liquid, BioReagent |
Potassium chloride | Sigma Aldrich | 529552 | Molecular biology grade |
Potassium phosphate monobasic | Sigma Aldrich | P5379 | Reagent Plus |
Sodium biocarbonate | Sigma Aldrich | S6014 | ACS reagent, ≥99.7% |
Sodium chloride | Sigma Aldrich | S9888 | ACS reagent, ≥99% |
Sodium hydroxide | Sigma Aldrich | 221465 | ACS reagent, ≥97%, pellets |
Sodium phosphate dibasic | Sigma Aldrich | S9763 | ACS reagent, ≥99% |
Sublimate | HTX | N/A | N/A |
timsTOF FleX MALDI-2 | Bruker | N/A | microGRID enabled |
Vacuum tubing | Thermo Scientific | 8701-0080 | Nalgene Non-phthalate PVC Tubing |
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