매트릭스 지원 레이저 탈착 일렉트로스프레이 이온화

Matrix-assisted laser desorption electrospray ionization

매트릭스 지원 레이저 탈착 일렉트로스프레이 이온화(MALDESI)는 일렉트로스프레이 이온화(ESI)와 매트릭스 지원 레이저 탈착/이온화(MALDI)[1]의 장점을 결합한 새로운 환경 이온화 기술로 2006년에 처음 도입되었습니다.적외선(IR) 또는 자외선(UV) 레이저를 MALDESI에 사용하여 내인성 매트릭스 또는 외인성 매트릭스를 공진시킬 수 있습니다.'매트릭스'라는 용어는 과도하게 존재하는 분자를 말하며 레이저의 에너지를 흡수하여 분석물 분자의 탈착을 촉진한다.원래의 MALDESI 설계는 UV 레이저와 함께 MALDI에서 사용되는 것과 유사한 일반적인 유기 매트릭스를 사용하여 구현되었습니다.현재의 MALDESI 선원은 에너지 흡수 매트릭스로 내생수 또는 외생적으로 축적된 얇은 얼음층을 사용하며, 여기서 O-H 대칭 및 비대칭 스트레칭 결합은 중간 IR [2]레이저에 의해 공명적으로 들뜨게 된다.

IR-MALDESI 영상 소스의 개요

IR-MALDESI 소스는 샘플 영역에서 분석된 MS 데이터를 사용하여 수백에서 수천 개의 생체 분자를 검출하고 공간 분포를 시각화하는 기술인 질량 분석 영상(MSI)에 사용할 수 있습니다.IR-MALDESI MSI 소스는 2013년에 [3]설계 및 구현되었으며 고해상도 하이브리드 4중극-오르빗랩 질량 분석계와 결합되어 있습니다.컴퓨터 제어식 전동 스테이지와 전하 결합 장치(CCD) 카메라는 주변 이온과 상대 습도를 조절할 수 있는 질소 퍼지된 인클로저에 배치됩니다.수냉 펠티에 열전판은 샘플 스테이지 온도(-10°C~80°C)를 제어하는 데 사용됩니다.소스에는 레이저 트리거와 MS 이온 축적 사이의 지연, 레이저 플루언스, 반복률 및 조정 가능한 싱글샷 또는 멀티샷 기능이 있습니다.

지난 10년간 레이저 테크놀로지,[4] 데이터 수집, 모터 제어 소프트웨어(RastirX[5]) 및 이미지 처리 소프트웨어(MSIReader[6][7])의 혁신적인 발전에 따라 IR-MALDESI는 다양한 생물학적, 법의학적 및 제약 샘플의 직접 분석과 MSI를 위한 강력한 도구로서 촉진되어 왔습니다.

동작 원리

전형적인 MALDESI MS 실험에서는 에너지 흡수 매체로서 시료에 얇은 얼음층이 퇴적된다.물의 O-H 스트레칭 모드를 들뜨게 하는 중간 IR[4] 레이저를 사용하여 생물학적 샘플에서 중성 물질을 탈착합니다.탈착된 화합물의 플룸은 직교 일렉트로스프레이 플룸과 상호작용하여 하전 일렉트로스프레이 방울로 분할되고 ESI와 유사한 프로세스를 통해 이온화됩니다.이온은 이후 질량 분석계로 [2]도입됩니다.ESI 유사 이온화 메커니즘은 실험적으로 입증되고 깊이 [8][9][10]연구되어 ESI와 동등한 부드러움을 나타내며 온전한 단백질 복합체를 검출할 수 있다.

얼음 매트릭스의 형성은 펠티어 단계를 -10°C로 냉각하기 전에 건조 질소 가스 소스와 함께 인클로저를 상대 습도 12% 미만으로 퍼지하는 것으로 시작합니다.그 후 냉각된 시료는 주변 상대습도에 노출되어 시료상에 얼음층이 급속히 형성된다.얼음 두께는 질소 제거된 [2]인클로저를 통해 인클로저의 상대 습도를 10%±2%로 유지함으로써 전체 실험 동안 유지됩니다.이전에 IR-MALDI [11]실험에서 얼음은 매트릭스로 사용되었지만, 이러한 실험의 이온 수율은 매우 낮았습니다.IR-MALDESI에 채용된 일렉트로스프레이 포스트 이온화는 낮은 이온화 수율과 관련된 문제를 완화하는 데 도움이 됩니다.외생적으로 퇴적된 얼음 매트릭스는 이온의 농도를 약 [12]15배 향상시키는 것으로 나타났다.

MALDESI는 복잡한 인터랙티브 시스템이기 때문에 한 번의 실험으로 최적의 형상을 생성하는 것이 어렵습니다.샘플링 단계, 질량 분석계 및 레이저 탈착 간의 통신에 관련된 실험 설정(예: 스테이지 높이, ESI-Spot 거리 및 레이저 반복 속도)은 여러 실험 설계(DOE)[13][9][2]에 의해 점진적으로 최적화되었습니다.소스 지오메트리 최적화와 더불어 일렉트로스프레이 용매 조성물은 MALDESI 신호에 영향을 미칩니다(즉, 분자 커버리지 및 이온 존재도에 영향을 줍니다).조직 고유의 지질 검출을 개선하기 위한 연구에서 일렉트로스프레이 매개변수는 양의 이온화 극성과 음의 이온화 극성에 맞게 조정되었습니다.최적의 매개 변수에서 지질 농도는 양극성에서는 15% 더 큰 커버리지로 3배 증가했으며 음극성 모드에서는 10% [14]더 커버리지로 1.5배 증가하였다.

1세대 MALDESI 시스템은 푸리에 변환(FT) 이온 사이클로트론 공명 질량 [3]분석기에 결합되었지만, 전류 소스는 Orbitrap 질량 분석기가 장착된 Thermo Exposelis 240 또는 Q Expective Plus 질량 분석기와 인터페이스되어 있습니다.이러한 질량 분석기는 똑같이 정확한 질량 측정을 제공하지만 일반적으로 데이터 수집 기간을 단축합니다.MALDESI 선원은 높은 스루풋 [15]스크리닝을 위해 드리프트 튜브 이온 이동도 분광계(IMS-MS)와 결합할 수도 있습니다.이러한 통합은 MSI를 위한 보다 신뢰할 수 있는 원시 데이터와 다양한 생물학적 검체의 직접 분석을 제공한다. 긴 분석 시간이 조사 대상 검체의 생리학적 변화를 야기할 수 있기 때문이다.

MSiReader

MSiReader는 MALDESI를 통해 수집된 고해상도 정확한 대량 데이터를 시각화하고 분석하는 Matlab 애플리케이션입니다. MSiReader는 노스캐롤라이나 주립대에서 개발되었으며 2013년에 [6]처음 출시되었습니다.MSI 데이터에 [7]대한 가장 중요한 무료 오픈 소스 소프트웨어 옵션 중 하나가 되었으며, 가장 일반적인 MSI 데이터 형식(예: mzXML, img, ASCII)과 호환됩니다.MSiReader에는 질량 측정 정확도가 [7]높은 열 지도 생성, 피크 정규화,[16] 절대 및 상대 정량화,[7][17] 극성 [18]전환 등 많은 필수 기능을 사용할 수 있습니다.MSiPCA(주요 컴포넌트 분석), MSiCorrelation,[19] 3D 시각화와[20][21] 같은 고급 기능도 MSiReader에 추가되었습니다.현재까지 1250명이 넘는 연구자가 MSiReader를 사용하고 있으며 2013년 이후 325개 이상의 출판물에서 MSiReader를 인용하고 있습니다.BSD 3 오픈 소스 라이센스로 출시되며 공개 MSiReader 웹사이트 www.msireader.com에서 무료로 다운로드할 수 있습니다.Matlab 라이센스가 필요 없는 독립 실행형 버전도 사용할 수 있습니다.

라스티르X

또한 Matlab 플랫폼을 기반으로 구축된 Rastir 소프트웨어는 사용자가 MALDESI 실험을 위해 조직 섹션을 둘러싼 직사각형 관심 영역(ROI)을 시각적으로 정의할 수 있도록 개발되었습니다.Rastir는 모션 제어 명령과 레이저 및 계측기 동기화 파라미터를 자동으로 생성하여 샘플 스테이지를 레이저 빔 아래로 이동하여 MS 데이터 복셀 바이 복셀을 획득합니다.최신 소프트웨어 버전인 RastirX에서는 컴퓨터 마우스를 사용하여 샘플의 라이브 비디오 이미지에 임의의 ROI를 그릴 수 있습니다.ROI를 스캔별로 추가로 수정할 수 있으므로 직사각형 ROI를 사용하는 것보다 획득 시간이 상당히 단축되고 조직 외 화합물에 의한 오염이 줄어듭니다.이 임의 ROI 도구는 여러 프로젝트에 [5][22]적용되었습니다.

적용들

2006년 첫선을 보인 이래 MALDESI는 레이저 기술(UV 레이저에서 다양한 IR 파장 [1][4][23]레이저에 이르기까지), ESI[9][13][14] 설정 [5][6][7][8][9]및 관련 소프트웨어에서 큰 발전을 경험했습니다.IR-MALDESI는 이러한 진보로 인해 다양한 생물학적 샘플을 조사하기 위한 경쟁력 있는 이미징 및 직접 분석 도구가 되었습니다.m/z를 획득하는 위치와 연관시킴으로써 분석물질의 고유한 이온 맵을 생성할 수 있으며, 이는 포유류 샘플에서[1][12][21][23][14][24] 식물 [25][26][27]조직에 이르는 지질, 펩타이드, 대사체 및 기타 작은 생체 분자의 공간적 분포에 대한 귀중한 정보를 제공한다.

생물학적

단백질 및 펩티드

ESI 유사 과정을 통해 MALDESI는 다중 하전 펩타이드와 단백질을 검출할 수 있었으며, 이는 MALDI가 주로 단일 및 이중 하전 [1]이온을 생성하기 때문에 MALDI에 의해 실현될 수 없었다.

지질과 대사체

IR-MALDESI는 신생아[24] 생쥐와 제브라피쉬 [28]등 전신 수준의 지질 분포 가시화에 성공적으로 적용되었습니다.레이저광 직경보다 스테이지 이동 거리가 작은 오버샘플링 방법을[29] 채용해, 셀 레벨에서의 IR-MALDESI MSI를 [30]10 마이크로미터 이하의 스폿간 거리에서 실현했다.또한 단세포 수준에서 IR-MALDESI의 지질체 검출성은 분리된 Hela [31]세포에 의해 입증되었다.

IR-MALDESI는 연조직(예: 암탉[32] 난소와[10] 쥐 간 조직) 외에도 플라스터 오브 파리(Plasto of Paris)에 내장된 수정되지 않은 건강하고 뇌졸중에 영향을 받는 마우스 뼈에서 대사물을 검출할 수 있으며, 결과적으로 추정 주석이 달린 826 및 669개의 조직 특이 [22]종으로 생성된다.

IR-MALDESI는 식물과 야채 샘플의 신진대사를 연구하는 귀중한 도구입니다. 이러한 샘플은 자연적으로 물이 풍부하기 때문입니다.IR-MALDESI에 의한 방울토마토의 광범위한 대사 분석이 최근 [25]보고되었다.Arabidopsis 묘목 분석에서 옥신 관련 화합물의 양은 안정-이소토프 라벨링(SIL) 인돌-3-아세트산(IAA)을 이용하여 비교적 정량화하였다.또한 본 연구에서는 IR-MALDESI에서 [27]처음으로 Agarose를 적절한 기질로 사용하였다.

신경전달물질

IR-MALDESI는 난연성 테트라브로모비스페놀A에 노출된 쥐의 뇌에서 화학 유도체 [33]없이 선택된 신경전달물질을 측정할 수 있는 능력을 보여주었다.쥐 태반 부분의 신경전달물질과 그 경로와 관련된 대사물에 초점을 맞춘 후속 연구는 추정적으로 확인된 신경전달물질과 [34]대사물 49개를 보고했다.

글리칸스

글리칸은 구조적으로 복잡한 분자로 많은 분석적 문제를 일으킨다.IR-MALDESI가 소 페투인으로부터 얻은 N-결합 글리칸을 양전리 모드와 음전리 모드 모두에서 직접 분석하여 IR-MALDESI가 N-결합 글리칸 [35]프로파일링의 대체 기법이 될 수 있음을 보여주었다.

3차원 MSI

기존의 3D MSI는 대부분 시리얼 섹션의 분석물 2D 이미지를 재구성하는 데 기반하지만, 시리얼 섹션 기반의 3D 이미징은 시간이 많이 걸리고 상당한 생체 정보를 잃을 수 있습니다.IR-MALDESI는 연속적인 절제 이벤트가 있는 샘플을 순차적으로 촬영하여 제약[20] 태블릿과 누드 마우스[21] 피부에서 생체 분자의 3D 열 지도를 측정하고 생성할 수 있는 절제 기반 기술입니다.

제약

개념증명 연구에서 배양 자궁경부 조직의 HIV 항레트로바이러스제를 IR-MALDESI를 사용하여 영상화하고 정량화하였으며, 그 결과는 검증된 LC-MS/[12]MS 방법으로 평가하였다.지금까지 IR-MALDESI의 의학적 응용은 조직[12][24][36] 절편에서 단일 [17]모발까지 확대되었다.

법의학

섬유는 범죄 수사의 중요한 증거 형태이다.피해자와 용의자를 구별하는 데 사용할 수 있는 섬유의 특징 중 하나는 섬유 염료에 의해 생성되는 색과 그 관련 [37]불순물입니다.크로마토그래피에 [38][39]의한 사전 분리 없이 IR-MALDESI를 사용하여 직물로부터의 염료 직접 분석이 성공적으로 수행되었습니다.

관련 기술

공진 또는 비공진 레이저 탈착과 일렉트로스프레이 후 이온화를 결합하는 다른 하이브리드 이온화 방법이 있습니다.예를 들어 Electrospray 레이저 탈착 이온화(ELDI)는 시료를 직접 조사한 후 매트릭스를 [40]사용하지 않고 Electrospray 플룸과 상호작용함으로써 자외선 레이저를 사용하여 이온을 형성합니다.ELDI의 적외선 버전은 레이저 절제 일렉트로스프레이 이온화(LAESHI)라고 합니다.IR-MALDESI는 샘플의 탈착과 선원의 기하학적 매개변수를 향상시키기 위해 외인성 얼음 매트릭스를 사용하기 때문에 이 두 가지 방법과는 다르다.또 다른 기술인 탈착 대기압 광이온화(DAPI)는 가열된 용제 증기의 제트를 사용하여 분무기 마이크로칩을 통해 샘플 표면에서 분석 물질을 탈착합니다.그리고 나서 탈착된 분자는 UV 램프가 방출하는 광자에 의해 이온화되어 질량 분석기에 [41]도입됩니다.

레퍼런스

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