Hendriks L., Skjolding L. M., Robert T.,
确定细胞中金属元素的生物利用率的传统方法一般需对细胞进行酸消解,然后利用溶液进样电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)进行后续分析。这种方法的缺点是需要大量的细胞,并且只能为给定的细胞群体提供平均值1。众所周知,千人千面,不同群体以及同群体细胞的特异性在文献中也多有报道2。基于这个大前提,使用特定的分析方法对不同群或同群细胞进行逐序单个分析,获取与单个细胞特异性有关的大数据就尤其重要(见图1)。本文中介绍的单细胞-电感耦合等离子体质谱法(sc-ICP-MS)与之前介绍过的单颗粒ICP-MS(sp-ICP-MS)基本类似(微信公共号:粒粒皆信息:什么是单颗粒物ICP-MS质谱分析法?)。事实上,上述两种技术都依赖于相同的基本原理和icpTOF瞬时事件全谱多元素测量能力,从而可以获得由单一个体产生的微秒时间区间内的瞬时信号,例如单个纳米颗粒(NPs)或单个细胞。(译者注:这等同在拍一段有很多快速武术对打的电影场景,需要使用高速摄像机来捕捉每一个武打动作细节和变化,同时也不漏过颜色,声音等关键信息,这样才能最终呈现出高清120Hz的作品。)
单颗粒ICP-MS方法的基础概念和硬件构架3源于2003年Degueldre等发表的第一篇论文。在过去的二十年间,通过进样系统,数据采集硬件和数据处理专用软件的进一步发展和商业化,不断增加的科研文献见证了该技术领域的迅速成熟。在单颗粒ICP-MS上投入的研究和应用开发同样的也使单细胞ICP-MS分析受益。
在单细胞ICP-MS中,细胞悬浮液经超声波雾化后形成的液滴被带入ICP-MS等离子体中。细胞在等离子体中依次被汽化、原子化和最终离子化。每个细胞产生一个含有多种元素的离子云,在仪器上被检测为高于背景的时长几百微秒的单个信号峰。与单颗粒ICP-MS类似,记录到的尖峰频率与细胞数量浓度成正比,这些尖峰的强度则与细胞中该元素质量有关。这种技术已经成功的应用在测定海藻中的镁元素含量4,并进一步用于纳米颗粒物毒理学研究中评估细胞对纳米颗粒物的摄取情况5,6,7。
虽然单细胞ICP-MS的测量方法看起来很简单,但要获得真实可靠的数据,实施起来需要注重的细节很多。除了需要额外注意来自培养基的可能高背景信号和细胞在样品导入系统中的潜在破损,在单细胞研究中反复报道的一个主要瓶颈是细胞进样装置的低运输效率,这是因为与纳米颗粒物相比,细胞的尺寸更大,在传输过程中也更容易损失。事实上,传统的系统通常包括一个旋风式雾化室,是专为引入较小的溶液液滴而设计的,导致细胞传输效率低于10%。而用于单细胞导入的定制系统,包括改进的雾化器或全消耗喷雾室8,9,以及其他创新设计10,11,经过多年反复测试,已被验证可以高效传输单细胞进入ICP-MS。
另一个瓶颈在于质谱仪器质量分析器的性能:传统的ICP-MS仪器具有单四极杆或扇形场质量分析器,在进行单细胞分析时最多只能同时检测一到两种元素信息(只能拍黑白影片)。而在常见的单颗粒分析场景中,比如在纳米毒理学研究中,在试图量化纳米颗粒物(特征金属元素)和细胞(蛋白固有元素)的关联时,需要同时获得单细胞事件内多种元素浓度信息。为了获得微秒级事件信息全貌,快速且广谱分析的质量分析器,如飞行时间质量分析器等高精尖‘摄影器材’是必不可少的(译者注:例如,等同于可提供高清彩色120Hz影片给观众更加真实的IMAX观影体验)。
图1:a)在对细胞进行酸消解后,通过传统的雾化法将溶液样品引入ICP-MS,并记录仪器获得的稳态信号。这种整体分析法对初始样品中所包含的数千个细胞获得一个平均值。然而这种实验是基于细胞是均匀的假设,而忽略了细胞具有多样性的事实。因此,少数细胞群(用绿色和紫色表示),在元素组成上虽与主类细胞有差异,却没有被体现在结果中,这完美的诠释了辛普森悖论。b)在单细胞ICP-MS方法中,将细胞悬浮液稀释后,在单位时间内仅有一个细胞个体被引入ICP-MS等离子体。每个细胞产生一个独立的离子云,作为信号峰被ICP-MS仪器记录。这种方法允许检测每一个单独的细胞,从而保证了细胞特异性信息的无损获取和保存。简单来说,在单细胞ICP-MS中,细胞是以个为单位进行分析的,可以根据它们不同的分析物含量识别出不同的群体,而不是仅仅产生一个平均值。
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飞行时间质谱法
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单细胞分析应用实例
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结论与展望
单细胞ICP-TOF-MS是一个新兴的、令人兴奋且快速发展的研究领域。虽然尚需数年时间才能达到质谱流式技术在单细胞多参数分析方面的水平,但ICP-TOF-MS得益于灵敏度的提高和同时全谱检测能力,能够基于元素指纹检测未被标记的细胞,从而为新的实验设计创意提供可能性。例如,除了测量纳米颗粒物和细胞的相关性外,ICP-TOF-MS记录的多元素数据可用于评估细胞在纳米颗粒介导毒性影响下的不同状态。
除了液体样品引入方法之外,也可以使用激光剥蚀(LA)-ICP-TOF-MS进行单细胞分析30,31。通过将制备有细胞的载玻片放在样品台上并使用激光扫描,可以产生单个完整细胞层面上的元素分布二维图像,其中每个像素包含一个完整的全元素谱图。LA-ICP-TOF-MS成像的高空间分辨率对纳米毒理学研究特别有意义,因为它可以观察和定位纳米颗粒物在亚细胞结构中的聚集,以进一步了解和解释各种现象(如摄取、积累和释放纳米颗粒)。
此外,所生成的大量数据可以通过降维技术进行处理,如主成分分析(PCA)或机器学习工具,并提取与细胞状态和类型有关的信息,从而使细胞的分类变得更容易。这在质谱流式工作流程中是常见的处理方法。这项技术不仅限于纳米毒理学研究,还可以扩展到金属组学和细胞生物学中。无论如何,我们将继续努力改进飞行时间质谱ICP-TOF-MS技术,使其在更广阔的应用领域发挥作用。
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致谢
作者感谢Olga Meili和Aiga Mackevica校对本文并提供反馈。Lars M. Skjolding得到了PATROLS – Advanced Tools for NanoSafety Testing项目资助(760813)。感谢Louise Helene Søgaard Jensen和Sara Nørgaard Sørensen允许使用图4中的TEM图像。最后特别感谢Robert Thomas邀请在Spectroscopy杂志中的 "原子视角专栏 "刊登此文。
原文链接:Hendriks L., Skjolding L. M., Robert T., Single-Cell Analysis by Inductively Coupled Plasma–Time-of-Flight Mass Spectrometry to Quantify Algal Cell Interaction with Nanoparticles by Their Elemental Fingerprint, Spectroscopy, 2020, Volume 35, Issue 10, Pages 9–16
https://www.spectroscopyonline.com/view/single-cell-analysis-by-inductively-coupled-plasma-time-of-flight-mass-spectrometry-to-quantify-algal-cell-interaction-with-nanoparticles-by-their-elemental-fingerprint (请点击左下角“阅读原文”跳转)
本文由TOFWERK中国-南京拓服工坊科技编译,结论以英文原文为准。
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[来源:南京拓服工坊(TOFWERK中国)]
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