噴墨打印液滴陣列對(duì)生物樣品進(jìn)行空間控制質(zhì)譜分析

2023-08-11 10:53 睿度光電RUIDU
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德克薩斯大學(xué)奧斯汀分?；瘜W(xué)系Livia S. Eberlin教授團(tuán)隊(duì)使用MicroFab的皮升級(jí)壓電噴墨技術(shù)在組織樣品上沉積了溶劑微滴（～2-50nL），通過(guò)熔融毛細(xì)管發(fā)射器進(jìn)行液滴抽吸和電離，用于MS分析，對(duì)生物組織樣品中代謝物和脂質(zhì)進(jìn)行空間控制分析。液滴直徑?jīng)Q定了空間分辨率，并可在感興趣區(qū)域成像，可應(yīng)用于具有高空間控制的組織樣本圖像，對(duì)于生物組織的空間輪廓和可調(diào)且控制良好的空間分辨率的成像具有研究?jī)r(jià)值。




介紹

質(zhì)譜（MS）成像和空間分析允許對(duì)生物樣品中數(shù)百種分子進(jìn)行無(wú)靶向和無(wú)標(biāo)記的化學(xué)和空間表征，環(huán)境電離質(zhì)譜技術(shù)為生物樣品的直接和原位分析提供了一種替代方法，具有低的樣品制備要求和大氣壓條件，允許低樣品磨損和可調(diào)的分析物提取用于組織成像和分析，但精確確定采樣區(qū)域的尺寸和空間分辨率具有挑戰(zhàn)性。

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▲ 圖1 分析系統(tǒng)示意圖。
為了為環(huán)境電離質(zhì)譜分析和成像提供可控和精確的空間分辨率，使用MicroFab的皮升級(jí)壓電噴墨技術(shù)（MJ-AT-01，噴口直徑80μm）將單個(gè)溶劑液滴精確沉積到組織樣品上，并將分析物從組織樣品有效轉(zhuǎn)移到質(zhì)譜中進(jìn)行靈敏分析，如圖1所示。液滴以每秒一滴的速率沉積在組織樣品上。樣品載玻片在液滴線沉積后運(yùn)輸，并在大約40秒內(nèi)安裝在2D移動(dòng)臺(tái)上，然后使用與MS入口對(duì)齊的熔融二氧化硅毛細(xì)管（外徑360μm，內(nèi)徑100μm）將沉積的液滴抽吸到MS中進(jìn)行分析，具有非耦合液滴沉積和分析的成像工作流程如圖2所示。
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▲ 圖2 成像工作流程。
在小鼠腦勻漿組織切片上以大約每秒1滴的速度分配含有5（2.5nL）至100個(gè)單獨(dú)液滴（50nL）的DMF液滴。光學(xué)圖像用于測(cè)量沉積在組織上的液滴的直徑，在測(cè)試體積下，液滴直徑范圍為250至650μm，如圖3所示，結(jié)果表明，使用皮升級(jí)壓電噴墨系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)可靠和可調(diào)的液滴沉積，可對(duì)采樣區(qū)域進(jìn)行精確控制，從而提高空間分辨率。
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▲ 圖3 （a，b）質(zhì)譜成像中分配的DMF液滴體積與空間分辨率（液滴直徑μm）之間的相關(guān)性（c）沉積有20,15和10nL液滴的小鼠腦組織切片光學(xué)圖像。
為了證明研究方法的成像能力和空間控制能力，采用387±12μm（~10nL）、424±11μm（~15nL）和496±12μm（~20nL）的不同液滴尺寸對(duì)小鼠腦組織樣本進(jìn)行了連續(xù)切片分析。為了避免采樣過(guò)程中的重疊，在液滴之間增加行間距和列間距，得到的像素尺寸分別為500×460μm、550×510μm和600×560μm。在探索的三種不同空間分辨率下觀察到脂質(zhì)種類(lèi)的可再現(xiàn)空間分布，并在更高的空間分辨率下提高了白質(zhì)特征的清晰度（圖4a）。從組織的不同區(qū)域獲得的質(zhì)譜顯示，小鼠腦組織白質(zhì)和灰質(zhì)特征的幾種代謝產(chǎn)物、脂肪酸和脂質(zhì)種類(lèi)的相對(duì)豐度較高（圖4b）。
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▲ 圖4 （a）從連續(xù)小鼠腦組織切片中獲得不同液滴大小的離子圖像和光學(xué)圖像，灰質(zhì)和白質(zhì)區(qū)域分別以灰色和白色勾畫(huà)和陰影。（b）從灰質(zhì)（上）和白質(zhì)區(qū)域（下）獲得的代表性質(zhì)譜。脂質(zhì)種類(lèi)根據(jù)脂質(zhì)類(lèi)進(jìn)行顏色編碼。
使用該平臺(tái)分析正常和癌變的人類(lèi)卵巢組織樣本，使用直徑491±10μm（20nL）的液滴，得到600×560μm的像素尺寸，癌組織樣本的分析和成像如圖5所示。觀察到各種不同離子的異質(zhì)分布，它們的分布與腫瘤組織樣本內(nèi)的組織學(xué)差異相關(guān)，包括間質(zhì)、腫瘤和壞死區(qū)域（圖5a）。圖5b顯示了高級(jí)別漿液性癌（SC）、低級(jí)別SC卵巢樣本和正常卵巢組織的代表性質(zhì)譜。獲得了豐富的代謝譜，每種組織類(lèi)型的質(zhì)譜在種類(lèi)和豐度上存在定性差異。結(jié)果表明，離散液滴采樣方法可以直接從組織樣本中獲得正常組織和癌組織的分子信息特征。
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▲ 圖5 （a）卵巢癌樣本的MS成像。（b）高級(jí)別漿液性癌（上）、低級(jí)別漿液性癌癥（中）和正常卵巢組織（下）的代表性質(zhì)譜。

結(jié)論

研究探索了用于生物組織樣品的空間控制分析和成像的液體提取環(huán)境電離MS方法的系統(tǒng)，利用MicroFab的皮升級(jí)壓電噴墨技術(shù)控制溶劑液滴的沉積以精確調(diào)節(jié)成像空間分辨率，利用導(dǎo)電毛細(xì)管直接吸入/電離液滴，實(shí)現(xiàn)了高效的分析物傳輸和檢測(cè)。優(yōu)化了設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，直接從生物樣品中以負(fù)離子模式檢測(cè)代謝物和脂質(zhì)信息，可用于對(duì)各種組織類(lèi)型進(jìn)行成像，以可重復(fù)的方式產(chǎn)生離子圖像和分子信息，代表組織樣本中存在的組織學(xué)差異（即白質(zhì)與灰質(zhì)、腫瘤與正常區(qū)域），實(shí)現(xiàn)了具有不同組織學(xué)組成的組織區(qū)域的可視化，展示了對(duì)生物樣品進(jìn)行空間控制的質(zhì)譜分析能力。


參考文獻(xiàn)：

[1] Sans M , Krieger A , Wygant B R ,et al.Spatially Controlled Molecular Analysis of Biological Samples Using Nanodroplet Arrays and Direct Droplet Aspiration[J].Journal of the American Society for Mass Spectrometry, 2020, 31(2):418-428.

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