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timsTOF fleX MALDI-2促进单细胞成像研究

来源: 布鲁克质谱 阅读数:247 时间:2021-07-16 16:41:44

细胞是生命活动的基本单元,一切生命的关键科学问题都要从细胞中寻找。由于细胞间的异质性,因此需要在单个细胞水平上进行生物学研究。随着质谱仪器空间分辨率和灵敏度的不断提升,使得单细胞分析甚至单细胞成像成为了可能。质谱成像具有无标记、广谱性的优势,可以进一步洞悉单细胞内或细胞器间生物分子的差异性分布,在揭示重大疾病病变机理、生命现象活动规律、靶向药物开发和治疗等方面均发挥了重要作用。

2012 年,Schober等人将MALDI技术用于HeLa细胞成像中,对DIOC6荧光染料分子实现了空间分辨率为7μm的成像分析[1],虽然获得一些脂质分子在单细胞的空间分布信息,但仍然无法全面描绘单细胞内的代谢变化;在单细胞成像分析中,空间分辨率和检测灵敏度是两个重要的影响因素,也是目前单细胞成像研究面临的主要挑战。由于单细胞尺寸极小,一般低于十几微米,因此需要极高的空间分辨率才能清楚观察到细胞内生物分子的空间分布,图1为不同空间分辨率对单细胞质谱成像的影响;而空间分辨率的提高意味着采样面积的缩小,由于单细胞内的蛋白质或代谢等生物分子含量极低,因此减小采样面积会导致检测灵敏度显著降低,甚至无法达到仪器的检出限[2]






















图1:激光采样的空间分辨率对单细胞质谱成像的影响[2]

布鲁克推出的timsTOF fleX MALDI-2突破了单细胞成像的两大瓶颈,MALDI-2后电离技术能将脂类、聚糖、固醇等生物分子的灵敏度显著提高了1-3个数量级,保证在单细胞水平上仍有良好的灵敏度;专利的Smartbeam 3D激光器能将激光光斑控制在5µm, 达到单细胞水平的激光聚焦;最新设计的捕获性离子淌度分离器(TIMS)能将谱图中的“重叠”信号抓取出来,深入揭示单细胞水平上生命活动的实时、原位、动态变化。此外,该平台还可以实现4D-多组学细胞蛋白组的深度覆盖和鉴定,进一步将其扩展为空间定位组学(SpatialOMx)多功能平台。
Jens Soltwisch团队基于timsTOF fleX MALDI-2在分子水平上研究了海生扁形虫和海藻的共生行为[3],获得了5µm的空间分辨的成像结果,该空间分辨率已接近于藻类的单细胞水平。在MALDI-2后电离和TIMS条件下共检测并鉴定到了32种固醇类物质,将其在共生系统的空间分布信息可视化,揭示了宿主细胞对共生体的代谢变化,并从宿主-共生体界面发现了磷脂等新的代谢物。Heijs等人将MALDI-2应用于大脑切片中N-聚糖的分析,发现在负离子模式下灵敏度提高了3个数量级[4],解决了过去糖组学中由于灵敏度低导致无法直接进行结构鉴定的问题。





















图2:海生扁形虫MALDI-2成像结果;a.海生扁形虫切片光学扫描图片以及切片横截面上鞭毛藻的分布图;b.豆甾醇[M-H2O+H]+(黄色)和[PC(36:3)+Na](棕色)的离子热图重叠图,绿色为m/z=614.24叶绿素的一种碎片,c.叶绿素a碎片与m/z=643.33(绿色)和m/z=667.42(粉色)两种未知组成的离子热图重叠图,两种未知组分分布与鞭毛藻接近;胆固醇(d)、豆甾醇(e)和海藻甾醇(f)的离子热图。所有热图采用弱的去噪音方式,未经归一化处理[3]

单细胞成像的空间分辨率除了与仪器的激光聚焦能力有关,还受到基质选择和基质喷雾等样本制备条件的影响,共结晶颗粒越小,越有利于得到高空间分辨率的成像结果。Bouschen等人将基质喷雾分为气相沉积和重结晶两个步骤,形成了均一的共结晶,最终获得了2µm的高空间分辨率的成像结果[5]。因此,基于布鲁克timsTOF fleX MALDI-2平台和优化的样本制备方法,我们可以得到更高的空间分辨率的成像结果,实现单细胞甚至亚细胞水平上的研究。






















图3:亚细胞分辨率的人体肾癌细胞的质谱成像结果,红色为m/z 551的离子热图,灰色为m/z 4933的离子热图。

布鲁克为单细胞研究提供了完整的分析方案,将单细胞成像和单细胞蛋白组学相结合,能够为单细胞研究提供全新的可视化视角和多维的信息深度。最新推出的timsTOF SCP突破性地成功鉴定并定量了单细胞中1400多种蛋白质,彻底改变了定量单细胞生物学研究;新一代 timsTOF Pro 2技术在4D-蛋白质组学分析方面,具有前所未有的鉴定深度和通量;同时最新的timsTOF fleX MALDI-2平台还进行了双离子漏斗的优化,显著提高了离子的传输效率和容量,增大了单细胞分析的灵敏度和动态范围,深入揭示了不同生物分子在单细胞中的空间分布信息。






















图4:布鲁克timsTOF系列质谱平台——timsTOF fleX MALDI-2、 timsTOF SCP和timsTOF Pro 2


参考文献:
[1]Schober Y, Guenther S, Spengler B, et al. Single cell matrix-assisted laserdesorption/ionization mass spectrometry imaging[J]. Analytical Chemistry, 2012,84(15):6293-6297.
[2]Wang T, Cheng X, Xu H, et al. Perspective on advances in laser-based high-resolution mass spectrometry imaging[J]. Analytical Chemistry, 2020, 92(1):543-553.
[3]Bien T, Hambleton, E.A., Dreisewerd, K. et al. Molecular insights into symbiosis—mapping sterols in a marine flat worm-algae-system using high spatial resolution MALDI-2-MS imaging with ion mobility separation[J]. AnalBioanal Chem, 2001, 413: 2767–2777.
[4]Heijs, B; Potthoff, A.;Soltwisch, J.; Dreisewerd, K. MALDI-2 for the Enhanced Analysis of N -Linked Glycans by Mass Spectrometry Imaging[J]. Anal. Chem. 2020, 92, 13904.
[5]Bouschen W, Schulz O, Eikel D, Spengler B. Matrix vapor deposition/recrystallization and dedicated spray preparation for high-resolution scanning microprobe matrix-assisted laser desorption/ionization imaging mass spectrometry (SMALDI-MS) of tissue andsingle cells[J]. Rapid Commun Mass Spectrom 2010, 24:355–64.