Figur 1:(a) Schematisk beskrivning av mätsystemet som utvecklats i denna studie. Genom att använda denna teknik, extraktion och jonisering av picoliter volymer kan utföras utan störningar orsakade av ytjämnhet. Dessutom, man kan mäta höjden på provet från förändringen i vibrationsamplituden. (b) Förhållandet mellan kapillärsondens längd och sondens resonansfrekvens. (c) Korrelation mellan ingångsspänningen till det piezoelektriska ställdonet som används för att vibrera sonden och sondens vibrationsamplitud. (d) Korrelation mellan provets höjd och återkopplingsstyrsignalen. Kredit:American Chemical Society
Medicinsk personal vill alla kunna snabbt och korrekt diagnostisera sjukdomar. Deras framtida förmåga att göra det kommer att bero på att identifiera vilka biokemikalier som finns i vävnadssnitt, var biomolekylerna finns, och i vilka koncentrationer. För det här syftet, masspektrometri avbildning - som kan identifiera flera biokemikalier i ett enda experiment - kommer att vara användbart. Dock, stabiliteten för biomolekylär provtagning behöver förbättras för att erhålla information om kemisk distribution med hög rumslig upplösning.
I den nyligen publicerade studien i Analytisk kemi , forskare från Osaka University använde masspektrometri för att avbilda fördelningen av fettmolekyler i mushjärnvävnad. De förvärvade data med en rumslig upplösning på 6,5 mikrometer, möjliggör analys på cellulär nivå.
Forskarna använde en mycket liten kapillär för att försiktigt extrahera lipidmolekyler från en vävnadssektion, och en noggrant designad inställning för fin 3D-riktningskontroll. Även om biologisk vävnad ofta kan verka smidig för blotta ögat, i ultraliten skala är det ganska grovt. Förmågan att redogöra för denna ultrasmåskaliga grovhet är central för att erhålla reproducerbara biokemiska data med hög rumslig upplösning.
"I våra experiment, sondens vibrationsamplitud är konstant även när provets höjd ändras, " säger Yoichi Otsuka, första författare. "Vi kan också mäta förändringar i provhöjd upp till 20 mikrometer, och den kan ökas upp till 180 mikrometer."
Forskarnas första experiment var att mäta oregelbundna fördelningar av molekyler över en ojämn yta:mikrobrunnar fyllda med olika koncentrationer av ett färgämne. De uppmätta koncentrationerna korrelerade med de kända koncentrationerna, och den uppmätta yttopografin var nära den faktiska mikrobrunnens diameter. Experiment med mushjärnsektioner gav flerdimensionella data för flera molekyler, såsom fördelningen av vissa hexosylceramider - lipider som är viktiga vid åldrande.
Figur 2:(a) Optisk mikroskopibild av en sektion av hjärnvävnad från mus. (b, c) Masspektrometrisk avbildning av två områden av den optiska mikroskopibilden i positiv jonläge och negativ jonläge, respektive. (d, e) Poängdiagram erhållna genom huvudkomponentanalys av masspektra som ingår i de utvalda regionerna i (b) och (c), respektive. (f, g) Intravävnadsfördelning av poängvärdena för de andra och tredje huvudkomponenterna erhållna genom huvudkomponentanalys. Vi fick funktionsbilder från skillnader i strukturen av hjärnvävnaden. (kredit:Reproducerad med tillstånd. Kredit:American Chemical Society
Figur. 3:Resultat av multi-avbildning av mus hjärnvävnad. Tvärsnittsprofiler av den vertikala vita linjen i figuren visas under varje bild. (a) Topografi som visar provytans grovhet. (b) Amplitudbild som visar förändringen i sondens vibrationsamplitud, som undertrycks i ojämn vävnad. (c) Fasbild som visar ändringen i vibrationsfas hos sonden. Sondens oscillationsfas skiljer sig mellan hjärnvävnaden och glassubstratet. Skalstång, 1 mm. Kredit:American Chemical Society
"Principkomponentanalys hjälpte oss att integrera vår omfattande data, " förklarar Takuya Matsumoto, senior författare. "Till exempel, vi skulle kunna tilldela de klasser av lipider som främst finns i cortex och hjärnstammen."
Att korrelera sådana data med sjukdomsprogression kommer att kräva ytterligare studier och kanske ytterligare utveckling av forskarnas biomolekylextraktionsuppsättning. Forskarna räknar med att deras tillvägagångssätt kommer att vara användbart för att kvantitativt avbilda de otaliga neurala nätverken i hjärnvävnad. I sista hand, de hoppas kunna hjälpa läkare att på ett tillförlitligt sätt diagnostisera sjukdomar som hjärncancer i en vävnadssektion med stöd av molekylär information i hög rumslig upplösning.
