Single Cell Lipid Analysis using the Bruker ultrafleXtreme TOF/TOF and the 7T solariX MRMS Mass Spectrometers

Význam tématu

Analytika lipidů na úrovni jediné buňky poskytuje detailní vhled do heterogenity buněčných populací v komplexních tkáních jako mozek. Metoda MALDI MSI obvykle vytváří rasterizované obrazy, což ve vzácně rozptýlených buňkách ztrácí čas analýzou prázdných oblastí. Efektivní přístup k selektivnímu měření jednotlivých buněk výrazně zvyšuje rychlost a reprodukovatelnost dat a zároveň umožňuje korelaci s imunocytochemickými markery pro identifikaci buněčných typů.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem bylo demonstrovat využití softwaru microMS pro přesnou lokalizaci fluorescenčně označených buněk na podložce a jejich následnou analýzu na mass spektrometrech Bruker ultrafleXtreme TOF/TOF a 7T solariX XR MRMS. Studie ukazuje multimodální workflow pro rychlé profilování tisíců jednotlivých buněk a následnou multimodální analýzu rozlišením lipidových signálů.

Použitá metodika a instrumentace

Pro přípravu buněk mozku myší byly enzymaticky a mechanicky disocirovány buňky a naneseny na ITO sklo s fiducialy. Použitá instrumentace:

• mikroskop Zeiss Axio M2 pro získání světlých a fluorescenčních snímků
• software microMS pro detekci pozic buněk a tvorbu geometrií
• Bruker ultrafleXtreme TOF/TOF MALDI MS: laser ~100 µm, 300 dopadů při 1000 Hz a 60 % energie, rozsah m/z 500–3000, rozlišení ~11000
• Bruker 7T solariX XR MRMS: transient 2,94 s, 20 dopadů při 1000 Hz a 60 % energie, rozsah m/z 150–3000, rozlišení ~250000
• volitelné imunocyto chemické značení pro GFAP a neurofilament light chain

Hlavní výsledky a diskuse

Implementací microMS se dosáhlo měření až jednoho buněčného spektra za sekundu na TOF/TOF a jednoho za 30 s na MRMS systému. Průměrně bylo v jedné buňce detekováno ~40 lipidových signálů, především fosfatidylcholinů, fosfatidylethanolaminů a sfingolipidů. Kombinované sekvenční MAP analýzy na obou přístrojích umožnily vyšší chemickou informaci selekcí cílených buněk a redukcí nepotřebných dat z prázdných oblastí. Korelace MS signálů s ICC fluorescenčními markery prokázala rozdíly v lipidových profilech neuronů a astrocytů.

Přínosy a praktické využití metody

Metoda nabízí:

• zrychlené profilování tisíců buněk
• minimalizaci analýzy prázdného prostoru
• multimodální integraci MS a ICC dat
• možnost prescreeningu pomocí TOF/TOF před policí MRMS analýzou
• flexibilitu pro jiné biologické vzorky či chemické třídy (metabolity, peptidy, proteiny)

Budoucí trendy a možnosti využití

Očekávané směry vývoje zahrnují vyšší automatizaci tvorby geometry, zlepšení prostorového rozlišení laseru a rozšíření microMS pro další analytické platformy jako CE-ESI-MS. Dále je perspektivní kombinace s dalšími zobrazovacími technikami, rozšíření panely pro více ICC markerů a aplikace v klinických studiích pro cílenou analýzu malých skupin buněk.

Závěr

Workflow založené na software microMS a selektivní MALDI MS analýze jednoho buňky výrazně zlepšuje rychlost i kvalitu lipidomických profilů u jednotlivých buněk. Kombinace TOF/TOF a MRMS přístrojů na stejných pozicích rozšiřuje chemické informace a umožňuje multimodální studie heterogenity buněčných populací.

Reference

1. Comi TJ Neumann EK Do TD Sweedler JV 2017 microMS A Python Platform for Image-Guided Mass Spectrometry Profiling J Am Soc Mass Spectrom 28 1919–1928
2. Si T Li B Comi TJ Wu Y Hu P Wu Y Min Y Mitchell DA Zhao H Sweedler JV 2017 Profiling of Microbial Colonies for High-Throughput Engineering of Multistep Enzymatic Reactions via Optically Guided Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization Mass Spectrometry J Am Chem Soc 139 12466–12473
3. Neumann EK Comi TJ Rubakhin SS Sweedler JV 2019 Lipid Heterogeneity between Astrocytes and Neurons Revealed by Single-Cell MALDI-MS Combined with Immunocytochemical Classification Angew Chem Int Ed Engl 58 5910–5914
4. Comi TJ Makurath MA Philip MC Rubakhin SS Sweedler JV 2017 MALDI MS Guided Liquid Microjunction Extraction for Capillary Electrophoresis-Electrospray Ionization MS Analysis of Single Pancreatic Islet Cells Anal Chem 89 7765–7772
5. Jansson ET Comi TJ Rubakhin SS Sweedler JV 2016 Single Cell Peptide Heterogeneity of Rat Islets of Langerhans ACS Chem Biol 11 2588–2595